關(guān)于空氣源熱泵系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)的思考

安艷平

（山西省安裝集團(tuán)股份有限公司，山西太原 030032）

0 引言

由于我國(guó)的整體科技水平越來越高，國(guó)民生活中一些利民便民的設(shè)備，設(shè)施使用率也逐漸提高，其中空調(diào)作為人們冬夏不可或缺的溫度調(diào)節(jié)設(shè)備，對(duì)于人們的日常生活舒適度保持有著重要的作用。與此同時(shí)隨著時(shí)代的發(fā)展，人們也逐漸意識(shí)到，在使用空調(diào)的時(shí)候，可能會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定負(fù)面影響，所以通過節(jié)能設(shè)計(jì)全面優(yōu)化空氣源熱泵系統(tǒng)能夠在很大程度上迎合綠色環(huán)保時(shí)代主題，從而有效為生態(tài)環(huán)境建設(shè)添磚加瓦。

1 空氣源熱泵系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)基本內(nèi)容

空氣源熱泵屬于空調(diào)的一種，具有比較強(qiáng)的溫度調(diào)節(jié)能力，與常規(guī)的空調(diào)相比，空氣源熱泵在對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)的時(shí)候能夠以較小的耗能獲得最優(yōu)空氣調(diào)節(jié)效果。空氣源熱泵系統(tǒng)包括制冷和制熱兩種模式，與之相比，通常情況下，普通空調(diào)在制熱方面的功能性比較弱[1]。這也是兩者最主要的區(qū)別之一。空氣能熱泵目前普遍采用的名義制熱工況是室外干/濕球溫度-12℃/-13.5℃，超低溫制熱工況是室外干球溫度-20℃。而普通家用空調(diào)執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《房間空氣調(diào)節(jié)器》（GBT 7725—2004），名義制熱工況是室外干/濕球溫度7℃/6℃，低溫制熱工況是室外2℃/1℃，超低溫制熱工況是-7℃/-8℃。從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)重點(diǎn)來看，空氣源熱泵側(cè)重于制熱，也就是采暖效果，重點(diǎn)在于設(shè)備的運(yùn)行能夠突破較低的環(huán)境溫度（-25～0℃），以及在較低的環(huán)境溫度下制熱衰減低，能效要盡可能高。按照現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)，在-12℃環(huán)境溫度下制熱能效COP≥2.4，-20℃環(huán)境溫度下制熱能效COP≥2.0。傳統(tǒng)空調(diào)是基于制冷為目的，附帶制熱功能，無法達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求。空氣能熱泵在設(shè)計(jì)上應(yīng)用補(bǔ)氣增焓技術(shù)，能夠提升系統(tǒng)在較低的環(huán)境溫度下制熱性能，達(dá)到制熱不衰減以及能效的要求。對(duì)于制冷效用而言，空調(diào)和空氣源熱泵都能夠發(fā)揮良好的作用效果，它們的工作原理也基本一致。此外，從主要功能作用角度來看二者也存在比較顯著的區(qū)別，具體體現(xiàn)在二者的實(shí)際應(yīng)用分工上。在實(shí)際生活中，因空氣能熱泵主要側(cè)重于北方采暖，能夠在-25℃正常運(yùn)行，-12℃制熱無衰減。人們往往利用空氣源熱泵進(jìn)行制熱，而普通空調(diào)主要是制冷為主，應(yīng)用區(qū)域主要還是黃河以南地區(qū)。空調(diào)采用的是的普通壓縮機(jī)，熱泵空氣能熱泵采用的是帶噴氣增焓或二級(jí)壓縮的壓縮機(jī)。相比之下，空氣源熱泵應(yīng)用范圍更廣，有更大的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢(shì)，所以說其有望替代普通空調(diào)成為人們生活中主要的溫度調(diào)節(jié)工具。

2 空氣源熱泵系統(tǒng)節(jié)能問題

2.1 能源消耗及廢氣排放

現(xiàn)階段，空氣源熱泵節(jié)能設(shè)計(jì)和使用過程中比較顯著的問題當(dāng)屬能源消耗和廢物排放。根據(jù)上文內(nèi)容可知，空氣源熱泵系統(tǒng)與空調(diào)相比具有更廣闊的應(yīng)用范圍，同時(shí)其的工作能力也更加強(qiáng)大，但與之相對(duì)的是在推進(jìn)空調(diào)應(yīng)用的過程中，空氣源熱泵的制熱功能所需要消耗的能源更多[2]。空氣源熱泵在運(yùn)行中，蒸發(fā)器從空氣中吸收熱量以蒸發(fā)傳熱工質(zhì)，工質(zhì)蒸氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后壓力和溫度上升，高溫蒸氣通過特制環(huán)形管冷凝器冷凝成液體時(shí)，釋放出的熱量傳遞給了空氣源熱泵貯水箱中的水，冷凝后的傳熱工質(zhì)通過膨脹閥返回到蒸發(fā)器，然后再被蒸發(fā)，如此循環(huán)往復(fù)。整個(gè)工作過程需要大量的電力能源驅(qū)動(dòng)。此外，空氣源熱泵的通風(fēng)功能在落實(shí)過程中，也需要具備較大的能源消耗基礎(chǔ)。在廢氣排放方面，空氣源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過程中的高功率特性會(huì)使整體設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生更多的溫室氣體，這些氣體將會(huì)由外機(jī)直接排放到自然環(huán)境當(dāng)中，從而對(duì)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)建設(shè)造成負(fù)面影響，甚至危害居民健康。

2.2 空氣源熱泵調(diào)節(jié)控制

除了能源消耗和廢氣排放問題之外，調(diào)節(jié)控制問題也是空氣源熱泵節(jié)能設(shè)計(jì)中一個(gè)至關(guān)重要且亟待解決的問題。具體來看，在當(dāng)下的空氣源熱泵運(yùn)行過程中可供選擇的控制選項(xiàng)數(shù)量較少，在實(shí)際的空氣源熱泵機(jī)組調(diào)節(jié)控制工作中，相關(guān)人員大多數(shù)時(shí)候僅能針對(duì)空氣源熱泵模式進(jìn)行控制管理，從而在不同模式下調(diào)節(jié)溫度。歸根結(jié)底，在使用空氣源熱泵時(shí)，大多數(shù)情況下，使用者僅能通過自身感受來進(jìn)行盲目調(diào)控，這種現(xiàn)象最終導(dǎo)致部分空氣源熱泵使用人員在調(diào)節(jié)過程中無法有效控制溫度，從而導(dǎo)致產(chǎn)生過冷或過熱的極端環(huán)境，進(jìn)而對(duì)環(huán)境中的體感溫度不合適，從而再次進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)[3]。如此一來，空氣源熱泵會(huì)在反復(fù)調(diào)節(jié)過程中處于高功率運(yùn)行的狀態(tài)，所消耗的資源也會(huì)由此增多，從而造成資源浪費(fèi)，違反了節(jié)能設(shè)計(jì)的基本要點(diǎn)。除此之外，由于現(xiàn)階段的空氣源熱泵系統(tǒng)本身具有局限性，比如，在夜晚使用者入睡后空氣源熱泵系統(tǒng)無法根據(jù)人體溫度自適應(yīng)調(diào)節(jié)，無法靈活地進(jìn)行科學(xué)溫度調(diào)控，從而影響居民的使用。總之，當(dāng)下空氣源熱泵系統(tǒng)雖然具有較強(qiáng)的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在一定的缺陷短板，節(jié)能設(shè)計(jì)人員應(yīng)該充分結(jié)合空氣源熱泵實(shí)際特點(diǎn)對(duì)其資源使用和溫度調(diào)節(jié)方面的能力加以優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高空氣源熱泵系統(tǒng)的整體使用有效性。

3 空氣源熱泵系統(tǒng)具體節(jié)能設(shè)計(jì)情況

空氣源熱泵是通過熱泵技術(shù)，利用逆卡諾循環(huán)原理，用少量電能驅(qū)動(dòng)熱泵機(jī)組，將熱泵設(shè)備中的工作介質(zhì)進(jìn)行相變循環(huán)，把空氣中的低溫?zé)崮芪丈郎兀?yīng)給室內(nèi)，滿足人們生活和生產(chǎn)中的供熱需求。空氣熱能是指貯存在大氣中的熱能，主要來自太陽(yáng)能，是可再生能源的一種形式[4]。熱泵技術(shù)原理如圖1 所示。

圖1 熱泵技術(shù)原理

根據(jù)圖1 可知，在實(shí)際的空氣源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過程中將水從補(bǔ)水管輸入，讓水依次經(jīng)過保溫水箱、循環(huán)泵、過濾器、膨脹閥、蒸發(fā)器、壓縮機(jī)等設(shè)備設(shè)施之后，再次經(jīng)過保溫水箱輸入供水管。與傳統(tǒng)的技術(shù)設(shè)備運(yùn)行相比，利用空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行工作，在產(chǎn)生同樣熱能的前提條件下，空氣源熱泵所需一次能源更少，因此空氣源熱泵具有明顯的節(jié)能減排效果。由此可見，結(jié)合空氣源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)節(jié)能設(shè)計(jì)進(jìn)行深入探究并從基礎(chǔ)原理角度對(duì)實(shí)際的節(jié)能調(diào)整加以優(yōu)化設(shè)計(jì)可以獲得比較顯著的工作效果。理論上來說，與電加熱相比，空氣源熱泵降低一次能源消耗約68%；與燃?xì)獗趻鞝t相比，空氣源熱泵降低一次能源消耗約36%。由此可見，充分發(fā)揮空氣源熱泵系統(tǒng)本身具有的節(jié)能性質(zhì)，推動(dòng)相關(guān)設(shè)計(jì)工作進(jìn)一步優(yōu)化舉足輕重。

4 空氣源熱泵系統(tǒng)的實(shí)際節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

4.1 完善空氣源熱泵結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)

空氣源熱泵主要由四大部分構(gòu)成，即壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹閥。在具體的空氣源熱泵系統(tǒng)，節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，從結(jié)構(gòu)性能角度出發(fā)，落實(shí)設(shè)計(jì)優(yōu)化工作非常可行。從空氣源熱泵系統(tǒng)的根本應(yīng)用特性上來看，結(jié)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)當(dāng)下空氣源熱泵性能加以優(yōu)化設(shè)計(jì)，并融合節(jié)能環(huán)保理念，提高結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)科學(xué)性是不可或缺的工作內(nèi)容。具體來看，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，空氣源熱泵使用者在實(shí)際的安裝過程中，應(yīng)該聘請(qǐng)專業(yè)人員對(duì)建筑內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu)和空間構(gòu)成進(jìn)行調(diào)研分析，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)室內(nèi)的通風(fēng)情況和空間大小合理設(shè)置空氣源熱泵。當(dāng)然，結(jié)合空氣源熱泵自身的結(jié)構(gòu)特性開展安裝設(shè)計(jì)也是非常必要的工作內(nèi)容，具體來看，空氣源熱泵系統(tǒng)的大體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 空氣源熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖2 可知，在空氣源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過程中，主要需要借助空氣熱交換器和熱泵機(jī)組、熱能交換器、儲(chǔ)熱水裝置、室內(nèi)地板等相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)施實(shí)現(xiàn)制熱發(fā)熱。具體來看，在運(yùn)行過程中，空氣源熱泵系統(tǒng)能夠在環(huán)境中吸收熱量進(jìn)而通過空氣熱轉(zhuǎn)換器對(duì)從空氣中吸收的熱量進(jìn)行循環(huán)處理，在膨脹閥和壓縮機(jī)以及電能的共同作用下使熱能進(jìn)入熱能轉(zhuǎn)換器并通過水泵將帶有熱能的水輸送至循環(huán)，從而借助室內(nèi)地板的揮發(fā)作用，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度調(diào)控。由此可知，在實(shí)際的空氣源熱泵結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，相關(guān)人員可以借助增大外部機(jī)組體積或提高排放口設(shè)置科學(xué)性等措施來提高空氣源熱泵運(yùn)行過程中氣體交換效率，從而有效降低運(yùn)行過程中的能源消耗[5]。

4.2 推進(jìn)廢物排放處理的設(shè)計(jì)優(yōu)化

空氣源熱泵系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)中，一個(gè)比較顯著的問題困境是其運(yùn)行過程資源消耗較大，并且會(huì)在系統(tǒng)工作中排出促進(jìn)溫室效應(yīng)的氣體。因此，在實(shí)際的節(jié)能設(shè)計(jì)思考過程中，相關(guān)人員需要根據(jù)空氣源熱泵工作原理對(duì)當(dāng)下的體系進(jìn)行節(jié)能性設(shè)計(jì)，最大限度降低工作過程中的能源消耗同時(shí)改善廢物排放量過多的問題，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的設(shè)計(jì)目標(biāo)。具體來看，在節(jié)能設(shè)計(jì)過程中，工作人員可以立足于廢物排放處理進(jìn)行工作分析，由于空氣源熱泵系統(tǒng)所產(chǎn)生的廢物主要成分為氟利昂，所以設(shè)計(jì)人員可以針對(duì)氟利昂的后續(xù)處理開展節(jié)能設(shè)計(jì)。例如，針對(duì)空調(diào)外部機(jī)組設(shè)置對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)存裝置，在空氣源熱泵運(yùn)行過程中直接將產(chǎn)生的氟利昂進(jìn)行集中收集儲(chǔ)存，之后將氟利昂投入工業(yè)使用當(dāng)中。也可以在室外機(jī)組附近設(shè)置小型的處理裝置，借助化學(xué)材料和化學(xué)反應(yīng)，將日常生活中使用空氣源熱泵所產(chǎn)生的氟利昂轉(zhuǎn)化為對(duì)在環(huán)境無害的物質(zhì)，從而降低廢物排放量和空氣污染性。

4.3 應(yīng)用智能化控制技術(shù)開展設(shè)計(jì)

從社會(huì)整體的發(fā)展趨勢(shì)上來看結(jié)合自動(dòng)化智能發(fā)展特點(diǎn)，對(duì)空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化是必不可少的研究發(fā)展方向之一。根據(jù)上文所提空氣源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用問題可知，在當(dāng)下的空氣源熱泵使用過程中，由于夜晚人們對(duì)空氣源熱泵的使用要求有所變化，所以從智能化角度對(duì)空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，可以在很大程度上提高空氣源熱泵使用靈活性，有助于進(jìn)一步滿足居民的使用要求。例如，設(shè)計(jì)人員可以針對(duì)空氣源熱泵運(yùn)行情況開展智能化建設(shè)，在空氣源熱泵室內(nèi)機(jī)組當(dāng)中設(shè)置相應(yīng)的人體感應(yīng)設(shè)備，從而使其在夜晚的工作狀態(tài)中能夠及時(shí)的根據(jù)身體對(duì)室內(nèi)環(huán)境的感應(yīng)進(jìn)行合理的溫度調(diào)整，在必要的時(shí)候自主進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，以減少消耗，從而有效降低運(yùn)行過程中不必要的電力資源浪費(fèi)，有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合上文敘述進(jìn)行綜合分析不難看出，在當(dāng)下社會(huì)科技發(fā)展和節(jié)能環(huán)保理念普及趨勢(shì)下，對(duì)空氣源熱泵節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中的具體工作加以重視，能夠有效提高空氣源熱泵的環(huán)境友好性。在實(shí)際的節(jié)能設(shè)計(jì)研究過程中，工作人員需要在充分了解空氣源熱泵系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)當(dāng)下空氣源熱泵節(jié)能設(shè)計(jì)中存在的問題進(jìn)行深入探究，在此基礎(chǔ)上根據(jù)空氣源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行原理，結(jié)合節(jié)能理念完善實(shí)際的系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)，通過合理解決能源消耗和廢物排放以及調(diào)節(jié)控制問題，推動(dòng)空氣源熱泵系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化，從空氣源熱泵結(jié)構(gòu)、廢物排放流程設(shè)計(jì)、系統(tǒng)智能建設(shè)等角度積極采取行動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)空氣源熱泵系統(tǒng)節(jié)能建設(shè)保駕護(hù)航。