空調(diào)器冷凝熱量的回收研究

河南省輕工業(yè)學(xué)校 李 陽

空調(diào)器冷凝熱量的回收研究

河南省輕工業(yè)學(xué)校 李 陽

隨著人民生活水平的日益 提高，空調(diào)器和熱水器的數(shù)量大幅增多，使得我國的能源狀況更加嚴(yán)峻。 夏季，空調(diào)器排放的熱 量不僅造成了能源的浪費(fèi)， 同時也進(jìn)一步惡化了大氣的熱 環(huán)境。為探討更多的空調(diào)器節(jié)能 方法，本文從利用空調(diào)器夏季排放的熱量加熱部分生活用水的思路出發(fā)，研究空調(diào)器熱量回收的可行性。

空調(diào)器； 冷凝熱量；節(jié)能；回收

1.引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對生活質(zhì)量的要求越來越高，對空調(diào)器和熱水器的需求越來越大。夏季，空調(diào)器在制冷時會向環(huán)境空氣中排放大量的熱量，同時，人們又需要大量的熱量去加熱生活用水。如何利用空調(diào)器排放的熱量加熱部分生活用水，如洗浴用水等，已經(jīng)成為節(jié)約能源的又一個有效途徑。目前，國內(nèi)外學(xué)者已積極的開展了空調(diào)器熱量回收的研究，其意義不僅在于回收熱量、節(jié)約能源，同時也能夠降低對夏季空氣熱環(huán)境的影響，提高空調(diào)器的使用效率。

本文著重研究在保證空調(diào)器功能的前提下，回收空調(diào)器冷凝熱量，利用冷凝熱來承擔(dān)日常生活熱水的熱量供應(yīng)。

2.系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)在家用空調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，采用蒸汽壓縮式制冷循環(huán)。系統(tǒng)包括壓縮機(jī)，室內(nèi)外熱交換器，節(jié)流裝置，套管式的熱回收裝置及閥門等輔助設(shè)備。如圖1所示，當(dāng)系統(tǒng)需要進(jìn)行單獨(dú)制冷工作時，系統(tǒng)進(jìn)行傳統(tǒng)的空調(diào)制冷運(yùn)行模式，毛細(xì)管2起到節(jié)流作用。當(dāng)需要在制冷的模式下進(jìn)行生活用水加熱時，依然進(jìn)行傳統(tǒng)的空調(diào)制冷運(yùn)行模式，只需要關(guān)閉室外熱交換器風(fēng)機(jī)，由熱回收換熱器利用系統(tǒng)的冷凝熱量加熱所需的生活熱水。當(dāng)只需要加熱生活用水時，則需要進(jìn)行空調(diào)制熱模式，此時毛細(xì)管1起到節(jié)流作用，但應(yīng)關(guān)閉室內(nèi)熱交換器風(fēng)機(jī)。

3.系統(tǒng)性能測試

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建和測試根據(jù)相關(guān)的規(guī)范和準(zhǔn)則進(jìn)行。機(jī)組制冷量采用房間型量熱計(jì)法和空氣焓差法測試。

圖1 系統(tǒng)原理圖

圖2 室內(nèi)熱交換器風(fēng)量變化對系統(tǒng)性能系數(shù)的影響

圖3 水溫對系統(tǒng)性能系數(shù)的影響

圖4 水溫對系統(tǒng)性能系數(shù)的影響

3.1 換熱設(shè)備的選擇

設(shè)定縱向管和橫向管間距均為25mm，冷凝器傳熱管選用紫銅管φ9.35×0.35，翅片選用δf=0.15mm鋁翅片，翅片間距sf=2mm，迎風(fēng)面上管中心距sl=25mm，管束按正三角形叉排排列。蒸發(fā)器傳熱管選用紫銅管φ9.35×0.35，翅片選用δf=0.2mm鋁翅片，翅片間距sf=2.2mm，管束按正三角形叉排排列，垂直于流動方向管間距s1=25mm，沿流動方向管排數(shù)取nl=4。熱回收器采用螺旋式套管型內(nèi)肋外牙管，能夠使流經(jīng)的冷媒和冷卻水在套管內(nèi)的流動為復(fù)雜的旋流形式，可使冷媒內(nèi)能量最大限度的傳導(dǎo)給被加熱生活用水，進(jìn)行充分的熱交換。

3.2 測試方法

機(jī)組制冷量采用房間型量熱計(jì)法進(jìn)行測量，機(jī)組室內(nèi)側(cè)制冷量通過測定用于平衡制冷量和除濕量所輸入量熱計(jì)室內(nèi)側(cè)的熱量和水量來確定；室外側(cè)提供測定機(jī)組能力的驗(yàn)證試驗(yàn)，其室外側(cè)制冷量，是通過用于平衡機(jī)組冷凝器側(cè)排出的熱量和凝結(jié)水量而從量熱計(jì)室外側(cè)取出的熱量和水量來確定。

應(yīng)注意在室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)之間應(yīng)裝有壓力平衡裝置，以保證量熱計(jì)的 室內(nèi)、外側(cè)壓力平衡。由于兩室之間氣流流動方向可能是變化的，故應(yīng)采用兩套相同的但安裝方向相反的壓力平衡裝置或一套可逆的裝置。測量時，調(diào)節(jié)壓力平衡裝置，使兩室之間的壓力差不大于1.25Pa。

當(dāng)用空氣焓差法進(jìn)行室外側(cè)試驗(yàn)時，應(yīng)保證空氣流量測量裝置不會改變被試空調(diào)機(jī)的性能，否則應(yīng)進(jìn)行修正。測量時，先接上空調(diào)機(jī)室內(nèi)側(cè)的試驗(yàn)裝置，連續(xù)運(yùn)行1小時以上，在工況穩(wěn)定后記錄測量值，然后接上室外側(cè)的試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，連續(xù)運(yùn)行1小時以上保持兩側(cè)裝置穩(wěn)定后進(jìn)行記錄，要求室內(nèi)側(cè)試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)與不接室外側(cè)裝置時的試驗(yàn)結(jié)果誤差不應(yīng)超過2.0%。

4.系統(tǒng)性能

4.1 單獨(dú)制冷模式

設(shè)定室內(nèi)干、濕球溫度分別為27℃和19℃，隨著室內(nèi)側(cè)換熱器風(fēng)量的變化，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析系統(tǒng)主要參數(shù)的變化情況，從而確定系統(tǒng)的最佳室內(nèi)側(cè)換熱器風(fēng)量。

圖2表明，隨著室內(nèi)熱交換器風(fēng)機(jī)風(fēng)量的變化，系統(tǒng)的性能系數(shù)變化較為復(fù)雜，主要原因是因?yàn)樵谥评溥\(yùn)行初期，在風(fēng)量達(dá)到898m3/h前，機(jī)組制冷量提高的速度大于功率的增加速度；故系統(tǒng)的性能系數(shù)呈上升狀態(tài)；當(dāng)風(fēng)量達(dá)到1005m3/h時，此時系統(tǒng)壓縮機(jī)的壓力比基本達(dá)到3，壓縮機(jī)消耗的功率最大，使 得系統(tǒng)的性能系數(shù)大幅下降；當(dāng)風(fēng)量超過1005m3/h后，由于毛細(xì)管出現(xiàn)扼流現(xiàn)象，毛細(xì)管中制冷劑流量只隨壓力變化，蒸發(fā)器中制冷劑發(fā)生氣化現(xiàn)象，使壓縮機(jī)吸氣壓力升高，并且由于風(fēng)量的增加，使得室內(nèi)熱交換器提高了換熱效率，此時系統(tǒng)處于大風(fēng)量小溫差下運(yùn)行，性能系數(shù)開始回升。

4.2 制冷兼制熱水模式

設(shè)定實(shí)驗(yàn)工況，室內(nèi)干、濕球溫度分別是27℃和19℃，溫差波動范圍為0.3℃，對系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和分析，檢查機(jī)組主要參數(shù)是否在允許波動范圍內(nèi)，并在此基礎(chǔ)上對機(jī)組進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。

圖3表明，隨著被加熱生活用水水溫的上升，系統(tǒng)性能系數(shù)逐漸下降，當(dāng)水溫達(dá)到55.1℃時，系統(tǒng)性能系數(shù)在3.24左右。由于水溫升高導(dǎo)致冷凝熱量散熱不足，使得冷凝壓力和溫度升高，蒸發(fā)溫度降低，系統(tǒng)循環(huán)效率降低，而要獲得額定冷量，必須增大壓縮機(jī)功率，故隨著水箱水溫的提升，系統(tǒng)性能系數(shù)降低。

4.3 單制取熱水模式

設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)工況20℃和低溫工況7℃，水溫從15℃加熱到55℃，水流量設(shè)定為0.68m3/h。

圖4表明，兩種工況下的系統(tǒng)性能系數(shù)隨著被加熱生活用水水溫升高而降低，并且兩者的差距也逐漸縮小。這是因?yàn)殡S著水溫的升高，機(jī)組所消耗的功率迅速上升，而 此時機(jī)組制熱量逐漸降低，從而導(dǎo)致機(jī)組的性能系數(shù)降低。也反映出系統(tǒng)性能系數(shù)隨著環(huán)境溫度的降低而降低，經(jīng)濟(jì)性也越差。

5.結(jié)論與展望

采用本系統(tǒng)進(jìn)行空調(diào)冷凝熱量的回收，在一定環(huán)境溫度條件下用于加熱用戶生活用水，能夠節(jié)約能源，改變傳統(tǒng)空調(diào)較為單一的運(yùn)行模式，減少空調(diào)設(shè)備的閑置時間，提高設(shè)備的利用率。

本系統(tǒng)未考慮較冷溫度下系統(tǒng)的性能，并且由對本系統(tǒng)只是進(jìn)行了初步研究，為系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用打下一定的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。因此，還可以對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使運(yùn)行效率能夠進(jìn)一步提高。

[1]蔣綠林,張曄.空氣源熱泵熱水器實(shí) 驗(yàn)研究[J].江蘇工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2009(1).

[2]季杰,裴剛,何偉.空調(diào)-熱水器一體機(jī)制冷兼制熱水模式的擬合試驗(yàn)分析[J].暖通空調(diào),2003.

[3]蘇玉海,淦國慶.同軸式套管換熱器應(yīng)用于家用循環(huán)式熱泵熱水器的特性實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷與空調(diào),2010(1).

李陽（1975—），河南鄭州人，河南省輕工業(yè)學(xué)校講師，制冷和空調(diào)設(shè)備運(yùn)行與維修專業(yè)帶頭人，主要從事制冷與空調(diào)的研究和教學(xué)工作。