暖通空调制冷系统中的节能环保技术分析

(上海航天控制技术研究所，上海 201109)

0 引 言

当前暖通空调已经成为现代建筑中必不可少的组成部分，暖通空调虽然可以带给人们舒适的办公环境和生活环境，但是其面临着巨大的能源损耗，而在暖通空调工作系统中，能耗量最大的便是制冷系统，制冷系统作为冷暖空调系统中核心组成部分，其在建筑总能量耗所占比例高达25%～50左右[1]。因此，为了保护环境，减少能耗，便结合冷暖空调制冷系统科学地应用环保节能技术具有非常重要的意义。

1 暖通空调及制冷系统概述

1.1 暖通空调简介

暖通空调(Heating，Ventilating and Air Conditioning，HVAC)主要指的是为广大人民群众提供温度适宜、高品质生活为目的的电器设备，其同时兼具通风、采暖、空气调节三种功能，暖通空调不但对人们的室内生活环境进行了改善，而且还极大地提升了生活质量，将室内空气的温度、湿度、气流速度等控制在人们最适宜的范围内，这对人的身体而言，无疑是非常舒适的[2]。

1.2 暖通空调制冷系统简介

暖通空调制冷系统如图1所示。

在暖通空调具体作业过程中，主要是通过交换热量的形式来达到制冷的效果的。具体而言，即制冷剂在蒸发器——压缩机——冷凝器——节流阀这4个设备中持续循环，制冷剂通过改善自身的状态来实现吸收或者释放热量的目的。在上述4个设备中，蒸发器的主要功能是吸收热量，在此过程中将制冷剂由原本的液体变成低温低压的气体，改变之后的气体再进入至压缩机内，压缩机再将其转变成高压高温的气体，这部分高温高压的液体再进入至泠凝器内，将自己的热量传递给水与空气，在冷凝器的作用下变为液体。通过上述的循环，通过热量交换的形式便可以达到降温的目的。暖通空调在具体运行过程中，除了制冷剂的循环工作外，还包含冷却水、冷冻水、室内空气的循环，制冷剂在压缩机的作用下，被压缩至液态然后进入至蒸发器中，然后跟冷冻水完成热量的交换，被送入至冷冻泵内，此时冷冻水便进入风机封口的冷却盘管内，在风吹机的作用达到降温的目的。制冷剂在被蒸发以后，在冷凝器作用下转变成气体，经过冷区泵后转变成冷却水，被送至冷却塔后，在风机的作用下被冷却，最终与空气完成热量交换，达到释放热量的目的。通过上述原理可以看出，制冷剂同时参与了热量的循环和转换，通过循环的形式最终达到制冷，降低室内的温度，获得人们需要的舒适温度。根据上述制冷过程可以看出，在冷暖空调制冷系统中，最主要的过程是制冷系统，但与此同时也对能源消耗最多的部分[3]。因此如果降低暖通空调的能源消耗，那么便需要从制冷系统入手。

2 环保节能技术在暖通空调制冷系统中应用的意义

2.1 是减少暖通空调对环境污染的重要手段

制冷系统与制热系统作为暖通空调系统的重要构成部分，其结构组成多，因此工作原理也相对复杂，其中在制冷系统中需要制冷剂，最常见的制冷剂为氟利昂，但是如果使用的氟利昂剂量过大，容易引起臭氧层孔洞，引发全球变暖。因此将节能技术应用咋暖通空调制冷系统中，其最主要的目的是环保环境，避免那些会对环境造成破坏的制冷剂，环保节能技术通过应用特制的制冷系统，如：将水冷冻，将对其进行循环使用，因为水是不会对环境产生污染的，另外在冷冻水循环过程中不会产生拥有污染性的废弃物，并且通过使用水资源还有注意改善空调干燥的问题，净化空气。由此可见，将环保节能技术应用在暖通空调制冷系统中是减少其对环境污染的重要手段。

2.2 是节约资源的有效形式

伴随着国家越来越注重环保，节能环保技术已经被广泛地应用在社会生产生活的各个领域中，并且其效果得到了高度的认可。例如：将太阳能技术应用在房屋建筑中，便可以成功地将太阳能转变成热能和电能，帮助人们在日常生活与工作中利用太阳能，如此便极大地减少了对电能的消耗，在一定程度上缓解了资源不足的问题。而将节能环保技术应用在暖通空调制冷系统中，能够最大程度上减少电能的消耗，并且将节能环保技术应用在蓄冷与蓄热方面，能够实现水资源的循环利用，极大地提升了资源的利用率，成功的达到节约能源消耗的目的。

2.3 是积极建设资源节约型社会的有效手段

就当前我国基本国情来看，政府部门在积极采取一系列措施后，极大地改善我国资源匮乏的问题，其主要原因归咎于在生产生活很多领域中积极应用了节能环保技术。而将节能环保技术应用在暖通空调制冷系统中，是积极响应构建资源节约型社会的重要举措，有助于更好地实现资源节约型社会[4]。

3 节能环保技术在暖通空调制冷系统中的应用

3.1 冷热源在暖通空调智能系统中的应用

要想实现暖通空调制冷系统的节能环保，最关键的是便是合理设计制冷系统，而在这一操作中，最关键的内容便是合理配置冷热源。当总容量相同的情况下，当冷热源与容量的搭配不相同时，冷暖空调制冷系统运行过程中消耗的能源也不尽相同。特别是关于空调冷源的选择方面，通常离心机的制冷量比较大，当负荷率较高时，其COP也表较高，但是在部分负荷情况下，螺杆机的时效率比较高，因此可以采用二者相互搭配的形式，以此构成数台大容量机组配合1台小容量机组的工作方式，从而满足当冷负荷工况不同时冷源系统处于高效运行状态，在选择冷源时，一般是按照以下原则来进行的：

针对小容量机组其制冷量计算公式；Q1=Qmin/y；

大容量机组制冷量计算公式：Q2=q1/z；

大容量机组台数计算公式：N=(Qmax-Q1)/Q2。

在上述公式中，Qmin代表的是最小冷负荷；Qmax代表的是最大冷负荷；y代表的是小容量机组的最小负荷率；z代表的是大容量机组最低负荷率。

值得注意的是：在冷源容量选择时，应当严格结合系统的冷负荷予以选择，注意不能有附加。如果机组的规格无法满足计算冷负荷的具体要求时，那么选择机组的总装机容量：计算冷负荷应≤1.1[5]。

3.2 变频技术在冷暖空调制冷系统中的应用

在冷暖空调制冷系统中应用变频技术，其电机功率和转速、频率二者关系可以用以下公式进行表示：

N2/N1=(n2/n1)3=(f2/f1)3

式中，N1与N2均表示电机功率；n1与n2则表示的是电机的转速；f1与f2则表示的是电机的频率。

根据上述公式可以看出：

冷暖空调的电机功率变化跟转速与频率变化的3次方呈正比例关系，当电机的频率下降时，功率也随之伴有大幅度的下降。因此在选择设备型号时，通常是根据每个空调区逐时冷负荷的综合最大值或者冷负荷的累计值选择对应的空调设备与冷机容量，在绝大多数情况下，空调的制冷系统运行的状态为部分负荷。通过变频控制冷冻水泵、制冷机组、冷却塔风机、空调风机等等，让上述系统随着系统负荷的改变而改变，达到供需匹配的目的，最终获得理想的节能效果。然而，因此变频器的变频范围有相关规定，通常在70%～100%这一范围中能够取得满意的节能效果，但是假如变频达到50%时，那么其功率便会降低到12.5%，将引起电机的效率明显降低，因此在设置变频器时应该考虑上述问题[6]。

3.3 蓄冷技术在冷暖空调制冷系统中的应用

纵观当前我国的冷暖空调，可以发现绝大部分采用的是电制冷的冷源方式，这种方式便容易导致在夏季空调冷负荷的高峰时期出现在电力负荷的高峰时期，这无疑加剧了电网的负荷压力。而在冷暖空调制冷系统中应用蓄冷技术便可以在一定程度发挥削峰填谷的功能，降低夏季电网在高峰时期的供电压力，降低其所在区域中的电力装机的容量，提高了发电机组在高峰时代的发电效率，能够间接地发挥节能减排的目的。在冷暖空调制冷系统中应用冰蓄冷装置，能够成功地实现低温大温差供冷，在冷量相同的情况下降低了所需的水流量，减少了输送过程中的能源消耗，在区域供冷系统发挥节能的作用。除此之外，在冷暖空调制冷系统中应用蓄冷技术，还可能降低制冷机组的装机容量，减少对应的变配电设备，特别是将其应用在峰谷电价的区域中，具有较高的经济效益[7]。

3.4 空气源热泵在冷暖空调制冷系统中的应用

空气源热泵在制冷循环的作用下，可以在夏天高温的情况下通过吸收室外空气的冷量为室内供冷，相反在冬季温度较低的时候则可以吸收室外空气的热量为室内供热。电能作为空气源热泵的驱动能源，在转移冷热量时不会对环境造成污染，因此跟传统的电采暖相比，效率更高。所以，空气源热泵已经成为“煤改电”的一大重要选择。供热的情况下，在标准条件下空气源热泵的COP可以达到3.0，并且伴随着室外空气温度的不断升高，COP值也会相应的增加，从而发挥更显著的节能作用。特别是在应用了喷气增焓等新型技术后，当在零下15 ℃的环境下，COP的值同样可以超过2.0。当前空气源热泵联合蓄热式或者空气热源泵+太阳能集热器的互补供暖方式已经被广泛地应用在我国北方地区[8]。

3.5 太阳能在冷暖空调制冷系统中的应用

太阳能作为一种清洁且可再生的能源，其在暖通空调领域中拥有广阔的潜力。当前，我国在一些阳光充足的地区，基本上实现了太阳能供应生活热水、供暖、提供照明以及空调等等。例如：通过应用太阳能集热器将收集到的太阳热量加热水，然后再通过贮热水箱蓄热后边可以当人们提供生活热水和采暖热水。因为大气透明度等因素的影响，如果应用太阳能后依然无法全面保证建筑供暖或者热水需求时，便可以借助辅助热源进行补充加热。例如：可以将太阳能蓄热水箱中的热水当做吸收式作为冷暖空调吸收式制冷机组的热源，如此一来便可以满足夏天空调制冷的需求。

4 冷暖空调制冷系统中应用节能环保技术的要点分析

4.1 确保冷暖空调制冷系统的环保节能设计质量

作为设计人员，将节能环保技术应用在冷暖空调制冷系统中时，应该充分考虑节能环保技术带来的长远利益，即要站在实现经济效益最大化这一角度，确保制冷系统设计的质量。在设计过程中，相关人员不但应该具备扎实的冷暖空调基础理论知识，还应该结合实际情况对设计方案进行调整。详细而言，就是在设计时不可盲目的根据自身的工作经验设计制冷系统的节能环保技术，而是应该严格结合节能的新技术和新产品的性能特征来设计制冷系统。

4.2 保证冷暖空调系统与设备的安装质量

详细而言，就是要将冷暖空调制冷系统作用于人员活动的高峰期，从而达到节能环保这一目的。也可以应用中央空调系统来输送热源动力，从而提高空调的制冷效率。在这一过程中，作为节能环保技术人员应该通过消减动力的手段来化解问题这一问题。换而言之，就是要根据当地的管理机构颁布的规范与标准对冷暖空调制冷系统的设备与相关配件进行安装，从而尽可能减少设备安装运行过程中的功率带来不必要的能源消耗。

4.3 保证冷暖空调制冷系统配件设计规范化

由于冷暖空调制冷系统设计水平高低直接决定着其节能环保效果的高低，所以设计人员应该根据既定的标准使用较小的投资和相应的能耗设计系统的配件，要想达到上述目的，便需要暖通空调制冷系统设计人员树立节能环保意识，并将该意识应用在设计工作中[9]。

5 案例分析

5.1 案例简介

将××工程作为案例，对暖通空调制冷系统中的节能环保技术的效果进行分析，××工程的总建筑面积为12.3万平方米，将其设计成现浇钢筋混凝土框架结构，选择灌注桩作为基础，抗震设防按照8Ⅷ开展。××工程在夏天的总冷功率=4 531.2 kW，在冬季的总冷功率=3 776.0 kW。项目共布置了两个空调主机房，配置了土壤热源泵机组，同时具备制冷与制热的功能。接下来，本人将结合该工程暖通空调制冷系统实际情况，对地源热泵节能环保技术的应用开展分析。

5.2 地源热泵节能环保技术的应用

浅层地热能作为一种新型清洁能源，其主要存储于地球表面层上。跟深层地热相比，浅层地热能具有开发简单、存储量大等优点，并且其还具有无污染以及收集管理方便等优点。在××工程施工作业中，通过综合应用各类热泵技术，如地源热泵技术、水源热泵技术等等。通过对浅层地源热泵进行利用，能够为该小区提供52%～64%的能源，从而节约 冷热泵机的使用成本与费用达到30%～40%，其地理管理系统如图2所示。

5.3 技术特点分析

通过分析地源热泵节能环保技术在××工程暖通空调制冷系统中的应用可以归纳出，该技术主要拥有以下两个特征：第一，可再生特征。通过应用地源热泵系统，能够实现冷源与热源同××工程建筑内部能量的高效转化，并且大部分为地源热来自地球表面浅层，其温度通常低于建筑物的内部温度，从而达到降低建筑内部温度的效果，并且地源热属于可再生资源，受到了国家的高度重视。第二，用途广泛。地源热泵系统的应用不但具备供冷，还具备供热的作用，能够为为不同的建筑功能。从其应用实际分析，无任何污染性气体产生，因此不会对环境造成污染。结合其在××工程的应用实际发现，该工程的整个暖通空调系统造价为1 675.62万元，其在后期每年节约的能源支出达到了118万元，具有显著的经济效益。

6 结束语

综上所述，伴随着我国建筑业的不断发展，特别是暖通空调制冷系统的诞生与发展极大地提升了现代建筑的品质，暖通空调可以为人们提供舒适的生活与办公环境，但是制冷系统作为暖通空调的重要组成部分，该系统的能耗问题和环境污染问题也是暖通空调亟待解决的问题。而将各类环保节能技术应用在暖通空调制冷系统中，用新能源代替不可再生资源，极大地减少了对环境的污染，降低了能源消耗，不但有利于空调行业的健康有序发展，而且还能保证建筑行业的节能环保。