制冷與空調(diào)設(shè)備節(jié)能技術(shù)的研究進(jìn)展

孟立龍

（單縣中心醫(yī)院，山東 菏澤 274300）

全球氣溫的上升和經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展使得制冷與空調(diào)設(shè)備在我們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中扮演著愈加重要的角色。這些設(shè)備的廣泛應(yīng)用為人們提供了舒適的居住環(huán)境、促進(jìn)了醫(yī)療和科研領(lǐng)域的進(jìn)步，同時(shí)也在工業(yè)生產(chǎn)中扮演著關(guān)鍵的角色。然而，這種便利的背后伴隨而來的是能源消耗的迅猛增長，對(duì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)帶來了巨大的負(fù)擔(dān)。隨著全球能源問題日益凸顯，科學(xué)家、工程師和政策制定者們紛紛將目光投向制冷與空調(diào)設(shè)備的節(jié)能技術(shù)研究，希望通過創(chuàng)新解決方案來實(shí)現(xiàn)能源效益和環(huán)保雙贏。這一領(lǐng)域的研究著眼于提高設(shè)備的能效，減少能源浪費(fèi)，以應(yīng)對(duì)不斷增長的能源需求。如新型制冷劑的開發(fā)、高效壓縮機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新、變頻控制技術(shù)的應(yīng)用、蓄能錯(cuò)峰的應(yīng)用、智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用等，都在極大程度上降低了制冷與空調(diào)設(shè)備的能耗，使得這些設(shè)備的環(huán)保性大大提升。

1 制冷與空調(diào)設(shè)備概述

目前工業(yè)生產(chǎn)和家庭使用的制冷與空調(diào)設(shè)備大都是一套空調(diào)制冷系統(tǒng)，即常見的空調(diào)類家電，通過不同組件的協(xié)同作用，在壓縮、冷凝、膨脹和蒸發(fā)的過程中完成熱能的轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)。典型的空調(diào)制冷系統(tǒng)通常包括四個(gè)主要組件：壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流裝置（一般為膨脹閥）和蒸發(fā)器[1]。壓縮機(jī)是空調(diào)制冷系統(tǒng)的“心臟”，抽取低溫低壓的制冷劑（常用氟利昂類物質(zhì)）并將其壓縮成高溫高壓的氣體。通過提供能量使得氣體的溫度和壓力升高。高溫高壓的氣體進(jìn)入冷凝器后，由冷凝器散發(fā)熱量，將其冷卻成高壓液體。節(jié)流裝置負(fù)責(zé)減壓，通過縮小通道限制制冷劑的流量，將高壓液體制冷劑減壓成低溫低壓液體。蒸發(fā)器則是完成室內(nèi)熱量和制冷劑的交換，讓制冷劑從液態(tài)變成氣態(tài)，實(shí)現(xiàn)制冷，降低室內(nèi)溫度。在這樣的循環(huán)中，能耗主要由壓縮機(jī)的工作產(chǎn)生[2]。壓縮機(jī)需要耗費(fèi)大量電能才能將制冷劑壓縮，而冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器的協(xié)同工作也產(chǎn)生電力損耗，因此優(yōu)化這些組件的設(shè)計(jì)和性能將有效提高系統(tǒng)能效并減少排放。

2 空調(diào)制冷系統(tǒng)節(jié)能的作用

由于全球性能源緊缺以及氣候問題，如今各行各業(yè)對(duì)能源保護(hù)和節(jié)約問題都相當(dāng)重視，空調(diào)在我國普及范圍較廣，能源消耗很大，一方面空調(diào)制冷系統(tǒng)的大量使用會(huì)產(chǎn)生大量廢熱，造成城市中的熱島效應(yīng)，影響周圍生態(tài)系統(tǒng)，通過提高系統(tǒng)的能效、減少廢熱排放可以緩解這一問題；另一方面空調(diào)耗電量大，間接消耗化石能源等，節(jié)能的空調(diào)制冷系統(tǒng)減少了對(duì)能源的過度依賴，有助于降低對(duì)自然資源的開采和利用，保護(hù)不可再生資源，減緩資源枯竭的趨勢(shì)。在“雙碳”背景下，我國一直倡導(dǎo)資源節(jié)約型生產(chǎn)和應(yīng)用，空調(diào)設(shè)備中能耗較大的就是制冷系統(tǒng)，如果能夠通過空調(diào)制冷系統(tǒng)的節(jié)能措施，可以在降低環(huán)境負(fù)擔(dān)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更加可持續(xù)的生態(tài)和能源發(fā)展，這對(duì)于應(yīng)對(duì)氣候變化、減緩資源枯竭、改善城市生態(tài)環(huán)境等方面都有積極的影響。

3 制冷與空調(diào)設(shè)備節(jié)能技術(shù)研究進(jìn)展

3.1 節(jié)能壓縮機(jī)

壓縮機(jī)對(duì)空調(diào)制冷系統(tǒng)的能效性能起著決定性的作用，若能控制好逸出熱量，減少能效損失，便能起到節(jié)能的作用。如今的壓縮機(jī)技術(shù)可以通過兩級(jí)壓縮系統(tǒng)，在不同的壓力級(jí)別中使用不同的壓縮機(jī)來提高系統(tǒng)的能效，在各類大型工業(yè)制冷系統(tǒng)中應(yīng)用較多，此外，還有例如渦輪式壓縮機(jī)技術(shù)運(yùn)用壓縮機(jī)頂部的氣腔對(duì)氣體進(jìn)行吸排，并利用電磁閥同斷電來控制時(shí)間，使用一塊永久性磁鐵來作為定子，延長空調(diào)設(shè)備使用壽命的同時(shí)起到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的作用，相對(duì)于傳統(tǒng)的定頻壓縮機(jī)，變頻渦輪壓縮機(jī)能夠在不同負(fù)載條件下靈活調(diào)整工作頻率，提高系統(tǒng)的部分負(fù)載性能，從而降低能耗，這種技術(shù)在如今的制冷與空調(diào)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[3]，相比于傳統(tǒng)的壓縮機(jī)更加節(jié)能。另外，我國還有行業(yè)領(lǐng)先的螺桿式壓縮機(jī)技術(shù)，目前得到大力推廣的雙螺桿式壓縮機(jī)具備兩個(gè)工作容積，氣體的排放量可控，空調(diào)制冷系統(tǒng)更加環(huán)保。雙螺桿式壓縮機(jī)由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)螺桿組成，分別稱為主螺桿和從螺桿，二者相互嚙合，將氣體吸入并壓縮并排出高壓冷凝氣體，雙螺桿式壓縮機(jī)能夠提供可靠的冷卻能力，且在較大的溫度調(diào)節(jié)范圍內(nèi)能夠穩(wěn)定工作，適用于不同工況和負(fù)載需求。

3.2 變頻技術(shù)控制

如今變頻技術(shù)已在制冷和空調(diào)設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，這種技術(shù)電子控制，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)際需求動(dòng)態(tài)調(diào)整壓縮機(jī)的運(yùn)行速度，與傳統(tǒng)的定頻技術(shù)相比，使用變頻技術(shù)的空調(diào)有多個(gè)擋位可以選擇，可以更靈活地匹配系統(tǒng)的負(fù)荷變化，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的能量調(diào)節(jié)。現(xiàn)代化的變頻空調(diào)通頻率調(diào)節(jié)范圍很大，因此能夠適應(yīng)不同工作環(huán)境中要求的負(fù)荷條件，這意味著在系統(tǒng)需要不同溫度的制冷溫度時(shí)，變頻壓縮機(jī)可以在不犧牲能效的前提下靈活運(yùn)行。而且，通過搭載越來越智能化的變頻壓縮機(jī)控制系統(tǒng)，先進(jìn)的控制算法和傳感器技術(shù)能夠?qū)Νh(huán)境中的溫度、濕度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，然后再用來調(diào)整空調(diào)，從而在不同工作條件下始終維持最佳能耗比。而且在工廠中，使用變頻技術(shù)能夠讓壓縮機(jī)在系統(tǒng)中協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)更高效的負(fù)載分配，通過多聯(lián)機(jī)組系統(tǒng)在工廠需求峰值時(shí)投入更多的壓縮機(jī)，而在負(fù)載較低時(shí)則減少運(yùn)行單元，提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

3.3 太陽能制冷

太陽能發(fā)電作為清潔能源能起到很好的節(jié)能作用，再加上光伏技術(shù)的不斷進(jìn)步，如今太陽能發(fā)電已經(jīng)越來越高效和經(jīng)濟(jì)，通過太陽能電池板轉(zhuǎn)化光能為電能，再為制冷系統(tǒng)提供所需的電力，是可持續(xù)性較強(qiáng)的一種綠色能源解決方案[4]。例如槽式聚光太陽能電站、太陽能冷凝器等，都可以聚攏光能產(chǎn)生熱能，再轉(zhuǎn)化為電能輸送給空調(diào)設(shè)備，而且在新興材料技術(shù)和設(shè)計(jì)的加持下，太陽能發(fā)電器的能量吸收效率在不斷提高，使用太陽能發(fā)電的系統(tǒng)性能和能效不斷增強(qiáng)。而且一些太陽能發(fā)電制冷系統(tǒng)直接集成在制冷空調(diào)設(shè)備中，這種系統(tǒng)利用太陽能直接提供動(dòng)力，從而帶動(dòng)空調(diào)運(yùn)行制冷。而且如今太陽能發(fā)電在陰天無法運(yùn)行的問題也得到了一定程度上的解決，可以借助現(xiàn)代能量存儲(chǔ)技術(shù)和智能控制系統(tǒng)，使太陽能發(fā)電制冷系統(tǒng)在夜間或陰天繼續(xù)運(yùn)行，收集并存儲(chǔ)白天運(yùn)行時(shí)富余的能量，根據(jù)太陽輻射、負(fù)荷需求和儲(chǔ)能狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整供能情況，以保證在陰天等光照條件不好時(shí)依然可以帶動(dòng)制冷和空調(diào)設(shè)備運(yùn)行，如今太陽能發(fā)電制冷技術(shù)在我國，尤其是我國偏遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)用廣泛，這不僅推動(dòng)了清潔能源的利用，還為偏遠(yuǎn)地區(qū)或缺乏傳統(tǒng)電力供應(yīng)的地方提供了一條可持續(xù)的發(fā)電途徑，且有望在未來成為更為普遍的節(jié)能和環(huán)保選擇。

3.4 蓄能錯(cuò)峰

蓄能錯(cuò)峰技術(shù)雖然無法從根源上解決空調(diào)能耗高的問題，但在實(shí)際應(yīng)用中依然可以起到良好的效果。蓄能錯(cuò)峰就是利用不同時(shí)間段的能源消耗差異，在制冷和空調(diào)設(shè)備運(yùn)行的低峰時(shí)段儲(chǔ)存能量，然后在高峰時(shí)段釋放能量，從而達(dá)到合理利用能量、減輕對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)的壓力并降低總體功耗的作用。蓄能錯(cuò)峰技術(shù)在低負(fù)荷時(shí)段，采用熱蓄能技術(shù)收集并儲(chǔ)存熱能，然后在負(fù)荷高峰時(shí)段釋放以制冷，如今新型的熱蓄能材料和系統(tǒng)設(shè)計(jì)不斷涌現(xiàn)，熱能的儲(chǔ)存密度和釋放效率不斷提高，因此存儲(chǔ)能量效果好，應(yīng)用范圍不斷增大，蓄能錯(cuò)峰技術(shù)還依靠熱泵發(fā)揮作用，通過空調(diào)熱泵操控環(huán)境中的熱能，在高峰時(shí)段將熱能釋放或轉(zhuǎn)化為冷能，并通過優(yōu)化循環(huán)和增加系統(tǒng)控制智能性，可以提高整個(gè)系統(tǒng)的效率[5]。而且如今蓄能錯(cuò)峰技術(shù)常與風(fēng)能和太陽能等可再生能源整合，在可再生能源波動(dòng)性較大的情況下平衡能源供應(yīng)，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，隨著系統(tǒng)的逐漸成熟，使用蓄能錯(cuò)峰技術(shù)的已經(jīng)能夠根據(jù)電力負(fù)荷、環(huán)境條件和能源成本等因素進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)最佳的能源使用效果。

3.5 熱力回收

如果制冷和空調(diào)設(shè)備具備熱力回收系統(tǒng)，可以二次利用系統(tǒng)產(chǎn)生的廢熱，從而提高能源利用效率。當(dāng)前的熱力回收技術(shù)不斷熱回收效率的提升，通過改進(jìn)換熱器設(shè)計(jì)、增加熱交換器表面積、提高傳熱效率等方面的創(chuàng)新，追求最大化廢熱的回收，減少系統(tǒng)能量損失，達(dá)到節(jié)能的效果，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，出現(xiàn)了一些新型的高效熱回收材料，這些材料具有更好的導(dǎo)熱性和穩(wěn)定性，可以用于提高換熱器的性能，使熱力回收系統(tǒng)得到了更好的應(yīng)用。制冷和空調(diào)系統(tǒng)中搭載高效的廢熱回收系統(tǒng)，可以將來自壓縮機(jī)、冷凝器等組件排出的熱量回收和再利用，減少整個(gè)系統(tǒng)的熱能浪費(fèi)，并通過熱泵技術(shù)與熱力回收相結(jié)合，從室內(nèi)空氣中回收熱能，然后將其用于壓縮機(jī)等能量轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)能量的再循環(huán)利用。而且目前行業(yè)對(duì)于能源效率的關(guān)注不斷提高，相關(guān)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于推動(dòng)熱力回收技術(shù)的發(fā)展起到了積極的作用，指導(dǎo)制定更為嚴(yán)格的能效標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵(lì)制冷和空調(diào)設(shè)備制造商采用更先進(jìn)的廢熱回收技術(shù)，因此熱力回收技術(shù)在制冷和空調(diào)設(shè)備中的發(fā)展趨勢(shì)會(huì)朝著更高效、智能化和可持續(xù)的方向發(fā)展，降低運(yùn)行成本以及對(duì)能源的消耗和浪費(fèi)。

3.6 電子膨脹閥

如今不少制冷和空調(diào)設(shè)備集成了電子控制來調(diào)整制冷系統(tǒng)中制冷劑流量的電子膨脹閥，從而提高系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和能效。電子膨脹閥通過電子控制對(duì)制冷劑流量精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，根據(jù)系統(tǒng)需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整閥口的開度，以適應(yīng)不同工況和負(fù)載，先進(jìn)的電子膨脹閥系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度，可以快速適應(yīng)系統(tǒng)的變化，在瞬時(shí)負(fù)載波動(dòng)較大的情況下同樣能夠維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效能。使用電子膨脹閥可以在不必要的時(shí)候減少系統(tǒng)中的制冷劑流量，從而提高系統(tǒng)的能效，一些先進(jìn)的電子膨脹閥系統(tǒng)還具備智能化通信功能，可以與其他系統(tǒng)組件進(jìn)行實(shí)時(shí)通信從而協(xié)同工作，維持系統(tǒng)環(huán)境條件在較為穩(wěn)定的范圍內(nèi)，降低能耗的同時(shí)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.7 電氣智能控制

隨著科技進(jìn)步，制冷和空調(diào)設(shè)備的電氣智能控制技術(shù)應(yīng)用得到了顯著的發(fā)展，通過智能化控制和自動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)，空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的無意義能耗將會(huì)大大減少。在空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用先進(jìn)的傳感器技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境條件，如溫度、濕度、空氣質(zhì)量等，然后通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋，結(jié)合電氣智能控制系統(tǒng)采用的先進(jìn)自適應(yīng)算法，實(shí)現(xiàn)根據(jù)不同的使用場(chǎng)景和需求調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)。這種自適應(yīng)性能夠提高系統(tǒng)的能效，確保在不同負(fù)載和環(huán)境條件下都能夠提供最佳的性能，并讓系統(tǒng)能夠更加準(zhǔn)確地感知和響應(yīng)不同的運(yùn)行狀態(tài)。另外，電氣智能控制系統(tǒng)能夠?qū)υO(shè)備運(yùn)行進(jìn)行精細(xì)化管理，實(shí)現(xiàn)能耗的優(yōu)化，一些先進(jìn)的節(jié)能設(shè)計(jì)，如變頻調(diào)速技術(shù)、智能壓縮機(jī)控制等，在電氣智能控制下能達(dá)到最好的效果，還有一部分空調(diào)設(shè)備能連接到互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，接入云計(jì)算平臺(tái)便可進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，用于分析歷史數(shù)據(jù)，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行策略，并提供預(yù)測(cè)性維護(hù)，形成周期性升級(jí)，從運(yùn)行設(shè)計(jì)的角度上最大程度地減少能耗，提高能源利用效率。此外，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將設(shè)備和整屋家電相互連接，形成智能家居或建筑系統(tǒng)，還能通過設(shè)備之間的互聯(lián)實(shí)現(xiàn)更高層次的協(xié)同控制，提供更加智能和舒適的環(huán)境的同時(shí)選擇最優(yōu)能效運(yùn)行方案。

4 結(jié)語

制冷與空調(diào)設(shè)備在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中十分常見，有關(guān)其的節(jié)能研究一直是環(huán)保工程技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。通過不斷地創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)在多個(gè)方面都取得了顯著的成果，如今已經(jīng)可以依靠不同方式來提高設(shè)備的能效，降低了環(huán)境影響和能源浪費(fèi)。如今，更加智能化的制冷與空調(diào)系統(tǒng)是主流研究方向，相關(guān)領(lǐng)域研究者一直致力于將人工智能、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于制冷與空調(diào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能化的能耗管理和優(yōu)化，提高系統(tǒng)的自適應(yīng)性，同時(shí)進(jìn)一步改進(jìn)和推廣熱泵技術(shù)，以提高空調(diào)和制冷系統(tǒng)的熱效應(yīng)率，并與綠色能源結(jié)合，減少對(duì)電力等傳統(tǒng)能源的依賴。未來，制冷與空調(diào)設(shè)備節(jié)能研究的發(fā)展趨勢(shì)將朝著更加智能、綠色和可持續(xù)的方向發(fā)展，預(yù)計(jì)會(huì)有更多的創(chuàng)新技術(shù)投入市場(chǎng)，為用戶提供更為環(huán)保、節(jié)能且智能的空調(diào)與制冷設(shè)備優(yōu)化方案，促使行業(yè)更快速地邁向“雙碳”背景下的綠色節(jié)能目標(biāo)。