關于空氣源熱泵系統節能設計的思考

安艷平

（山西省安裝集團股份有限公司，山西太原 030032）

0 引言

由于我國的整體科技水平越來越高，國民生活中一些利民便民的設備，設施使用率也逐漸提高，其中空調作為人們冬夏不可或缺的溫度調節設備，對于人們的日常生活舒適度保持有著重要的作用。與此同時隨著時代的發展，人們也逐漸意識到，在使用空調的時候，可能會對環境造成一定負面影響，所以通過節能設計全面優化空氣源熱泵系統能夠在很大程度上迎合綠色環保時代主題，從而有效為生態環境建設添磚加瓦。

1 空氣源熱泵系統節能設計基本內容

空氣源熱泵屬于空調的一種，具有比較強的溫度調節能力，與常規的空調相比，空氣源熱泵在對溫度進行調節的時候能夠以較小的耗能獲得最優空氣調節效果。空氣源熱泵系統包括制冷和制熱兩種模式，與之相比，通常情況下，普通空調在制熱方面的功能性比較弱[1]。這也是兩者最主要的區別之一。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℃。而普通家用空調執行國家標準《房間空氣調節器》（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℃。從產品的設計重點來看，空氣源熱泵側重于制熱，也就是采暖效果，重點在于設備的運行能夠突破較低的環境溫度（-25～0℃），以及在較低的環境溫度下制熱衰減低，能效要盡可能高。按照現行的標準，在-12℃環境溫度下制熱能效COP≥2.4，-20℃環境溫度下制熱能效COP≥2.0。傳統空調是基于制冷為目的，附帶制熱功能，無法達到這個標準要求。空氣能熱泵在設計上應用補氣增焓技術，能夠提升系統在較低的環境溫度下制熱性能，達到制熱不衰減以及能效的要求。對于制冷效用而言，空調和空氣源熱泵都能夠發揮良好的作用效果，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別，具體體現在二者的實際應用分工上。在實際生活中，因空氣能熱泵主要側重于北方采暖，能夠在-25℃正常運行，-12℃制熱無衰減。人們往往利用空氣源熱泵進行制熱，而普通空調主要是制冷為主，應用區域主要還是黃河以南地區。空調采用的是的普通壓縮機，熱泵空氣能熱泵采用的是帶噴氣增焓或二級壓縮的壓縮機。相比之下，空氣源熱泵應用范圍更廣，有更大的節能環保優勢，所以說其有望替代普通空調成為人們生活中主要的溫度調節工具。

2 空氣源熱泵系統節能問題

2.1 能源消耗及廢氣排放

現階段，空氣源熱泵節能設計和使用過程中比較顯著的問題當屬能源消耗和廢物排放。根據上文內容可知，空氣源熱泵系統與空調相比具有更廣闊的應用范圍，同時其的工作能力也更加強大，但與之相對的是在推進空調應用的過程中，空氣源熱泵的制熱功能所需要消耗的能源更多[2]。空氣源熱泵在運行中，蒸發器從空氣中吸收熱量以蒸發傳熱工質，工質蒸氣經壓縮機壓縮后壓力和溫度上升，高溫蒸氣通過特制環形管冷凝器冷凝成液體時，釋放出的熱量傳遞給了空氣源熱泵貯水箱中的水，冷凝后的傳熱工質通過膨脹閥返回到蒸發器，然后再被蒸發，如此循環往復。整個工作過程需要大量的電力能源驅動。此外，空氣源熱泵的通風功能在落實過程中，也需要具備較大的能源消耗基礎。在廢氣排放方面，空氣源熱泵系統運行過程中的高功率特性會使整體設備工作時產生更多的溫室氣體，這些氣體將會由外機直接排放到自然環境當中，從而對環境保護和生態建設造成負面影響，甚至危害居民健康。

2.2 空氣源熱泵調節控制

除了能源消耗和廢氣排放問題之外，調節控制問題也是空氣源熱泵節能設計中一個至關重要且亟待解決的問題。具體來看，在當下的空氣源熱泵運行過程中可供選擇的控制選項數量較少，在實際的空氣源熱泵機組調節控制工作中，相關人員大多數時候僅能針對空氣源熱泵模式進行控制管理，從而在不同模式下調節溫度。歸根結底，在使用空氣源熱泵時，大多數情況下，使用者僅能通過自身感受來進行盲目調控，這種現象最終導致部分空氣源熱泵使用人員在調節過程中無法有效控制溫度，從而導致產生過冷或過熱的極端環境，進而對環境中的體感溫度不合適，從而再次進行溫度調節[3]。如此一來，空氣源熱泵會在反復調節過程中處于高功率運行的狀態，所消耗的資源也會由此增多，從而造成資源浪費，違反了節能設計的基本要點。除此之外，由于現階段的空氣源熱泵系統本身具有局限性，比如，在夜晚使用者入睡后空氣源熱泵系統無法根據人體溫度自適應調節，無法靈活地進行科學溫度調控，從而影響居民的使用。總之，當下空氣源熱泵系統雖然具有較強的發展優勢，但同時也存在一定的缺陷短板，節能設計人員應該充分結合空氣源熱泵實際特點對其資源使用和溫度調節方面的能力加以優化設計，從而提高空氣源熱泵系統的整體使用有效性。

3 空氣源熱泵系統具體節能設計情況

空氣源熱泵是通過熱泵技術，利用逆卡諾循環原理，用少量電能驅動熱泵機組，將熱泵設備中的工作介質進行相變循環，把空氣中的低溫熱能吸收升溫，供應給室內，滿足人們生活和生產中的供熱需求。空氣熱能是指貯存在大氣中的熱能，主要來自太陽能，是可再生能源的一種形式[4]。熱泵技術原理如圖1 所示。

圖1 熱泵技術原理

根據圖1 可知，在實際的空氣源熱泵系統運行過程中將水從補水管輸入，讓水依次經過保溫水箱、循環泵、過濾器、膨脹閥、蒸發器、壓縮機等設備設施之后，再次經過保溫水箱輸入供水管。與傳統的技術設備運行相比，利用空氣源熱泵系統進行工作，在產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能減排效果。由此可見，結合空氣源熱泵系統的運行規律和結構特點，對節能設計進行深入探究并從基礎原理角度對實際的節能調整加以優化設計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%；與燃氣壁掛爐相比，空氣源熱泵降低一次能源消耗約36%。由此可見，充分發揮空氣源熱泵系統本身具有的節能性質，推動相關設計工作進一步優化舉足輕重。

4 空氣源熱泵系統的實際節能設計優化措施

4.1 完善空氣源熱泵結構性能設計

空氣源熱泵主要由四大部分構成，即壓縮機、蒸發器、冷凝器、膨脹閥。在具體的空氣源熱泵系統，節能設計優化過程中，從結構性能角度出發，落實設計優化工作非常可行。從空氣源熱泵系統的根本應用特性上來看，結合結構特點，對當下空氣源熱泵性能加以優化設計，并融合節能環保理念，提高結構性能設計科學性是不可或缺的工作內容。具體來看，對于結構設計而言，空氣源熱泵使用者在實際的安裝過程中，應該聘請專業人員對建筑內部的具體結構和空間構成進行調研分析，在此基礎上，根據室內的通風情況和空間大小合理設置空氣源熱泵。當然，結合空氣源熱泵自身的結構特性開展安裝設計也是非常必要的工作內容，具體來看，空氣源熱泵系統的大體結構如圖2 所示。

圖2 空氣源熱泵系統結構

由圖2 可知，在空氣源熱泵系統運行過程中，主要需要借助空氣熱交換器和熱泵機組、熱能交換器、儲熱水裝置、室內地板等相關結構設施實現制熱發熱。具體來看，在運行過程中，空氣源熱泵系統能夠在環境中吸收熱量進而通過空氣熱轉換器對從空氣中吸收的熱量進行循環處理，在膨脹閥和壓縮機以及電能的共同作用下使熱能進入熱能轉換器并通過水泵將帶有熱能的水輸送至循環，從而借助室內地板的揮發作用，實現室內溫度調控。由此可知，在實際的空氣源熱泵結構性能優化設計過程中，相關人員可以借助增大外部機組體積或提高排放口設置科學性等措施來提高空氣源熱泵運行過程中氣體交換效率，從而有效降低運行過程中的能源消耗[5]。

4.2 推進廢物排放處理的設計優化

空氣源熱泵系統節能設計中，一個比較顯著的問題困境是其運行過程資源消耗較大，并且會在系統工作中排出促進溫室效應的氣體。因此，在實際的節能設計思考過程中，相關人員需要根據空氣源熱泵工作原理對當下的體系進行節能性設計，最大限度降低工作過程中的能源消耗同時改善廢物排放量過多的問題，以實現節能環保的設計目標。具體來看，在節能設計過程中，工作人員可以立足于廢物排放處理進行工作分析，由于空氣源熱泵系統所產生的廢物主要成分為氟利昂，所以設計人員可以針對氟利昂的后續處理開展節能設計。例如，針對空調外部機組設置對應的儲存裝置，在空氣源熱泵運行過程中直接將產生的氟利昂進行集中收集儲存，之后將氟利昂投入工業使用當中。也可以在室外機組附近設置小型的處理裝置，借助化學材料和化學反應，將日常生活中使用空氣源熱泵所產生的氟利昂轉化為對在環境無害的物質，從而降低廢物排放量和空氣污染性。

4.3 應用智能化控制技術開展設計

從社會整體的發展趨勢上來看結合自動化智能發展特點，對空氣源熱泵系統進行節能設計優化是必不可少的研究發展方向之一。根據上文所提空氣源熱泵系統應用問題可知，在當下的空氣源熱泵使用過程中，由于夜晚人們對空氣源熱泵的使用要求有所變化，所以從智能化角度對空氣源熱泵系統進行節能設計，可以在很大程度上提高空氣源熱泵使用靈活性，有助于進一步滿足居民的使用要求。例如，設計人員可以針對空氣源熱泵運行情況開展智能化建設，在空氣源熱泵室內機組當中設置相應的人體感應設備，從而使其在夜晚的工作狀態中能夠及時的根據身體對室內環境的感應進行合理的溫度調整，在必要的時候自主進入待機狀態，以減少消耗，從而有效降低運行過程中不必要的電力資源浪費，有效實現節能效果。

5 結語

結合上文敘述進行綜合分析不難看出，在當下社會科技發展和節能環保理念普及趨勢下，對空氣源熱泵節能設計優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境友好性。在實際的節能設計研究過程中，工作人員需要在充分了解空氣源熱泵系統的基礎上，對當下空氣源熱泵節能設計中存在的問題進行深入探究，在此基礎上根據空氣源熱泵系統運行原理，結合節能理念完善實際的系統節能設計，通過合理解決能源消耗和廢物排放以及調節控制問題，推動空氣源熱泵系統節能優化，從空氣源熱泵結構、廢物排放流程設計、系統智能建設等角度積極采取行動，為實現空氣源熱泵系統節能建設保駕護航。