增設(shè)噴霧降溫系統(tǒng)的家用空調(diào)器性能與特性的試驗研究

胡文舉,張 帥, 李德英,張啊文

1 前言

隨著人們對室內(nèi)居住環(huán)境的舒適性要求提高，建筑的空調(diào)室外機布置密集，造成局部環(huán)境氣溫升高。特別是近年來，地球溫室效應(yīng)不斷加劇，夏季室外氣溫比往年明顯升高，大部分都在36 ℃以上，局部地區(qū)可達(dá)40 ℃[1]。以上原因，導(dǎo)致空調(diào)冷凝器的散熱條件越來越差，造成家用空調(diào)器的散熱能力不能達(dá)到設(shè)備出廠時的設(shè)計要求，空調(diào)器出力受阻，增加空調(diào)電耗[2]。為了改善空調(diào)器性能，筆者針對現(xiàn)有的分體式空調(diào)器的實際結(jié)構(gòu)和安裝方式，為空調(diào)器的室外機加裝噴霧裝置，在保證換熱面積和通風(fēng)量恒定的情況下，增強冷凝器的散熱能力，提高空調(diào)性能，達(dá)到降低空調(diào)器耗電量和減少運行能耗的目的。

2 系統(tǒng)原理和試驗系統(tǒng)

2.1 噴霧降溫空調(diào)制冷系統(tǒng)原理

圖1為增設(shè)噴霧降溫系統(tǒng)空調(diào)器系統(tǒng)原理圖。和傳統(tǒng)的空調(diào)器相比，本系統(tǒng)在翅片管換熱器管束前加裝了霧化噴頭。當(dāng)夏季空調(diào)器運行時，水由霧化噴頭噴出。噴出的水霧首先與進(jìn)入冷凝器的空氣接觸，部分水霧對冷凝器的進(jìn)風(fēng)進(jìn)行等焓加濕，降低冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度，進(jìn)而可以有效降低空調(diào)器冷凝溫度；然后，剩余水霧在自身慣性和流動空氣的作用下，流向翅片管管簇，在翅片管表面形成水滴或聚集為水膜。水膜在重力作用下沿著翅片管向下流動,流動過程中在冷凝器翅片管束表面進(jìn)行蒸發(fā)吸熱，達(dá)到降低制冷劑冷凝溫度的目的，從而提高空調(diào)器的性能[4，5]。采用逆向空氣噴霧時，空氣和水接觸充分，熱濕交換效率較大，可在消耗較少水量的情況下充分利用水蒸發(fā)潛熱降低空氣溫度進(jìn)而冷卻空調(diào)室外機。

圖1 噴霧降溫空調(diào)制冷系統(tǒng)原理示意

2.2 試驗系統(tǒng)

整個試驗系統(tǒng)分為三部分：空調(diào)制冷系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)和數(shù)據(jù)監(jiān)測采集系統(tǒng)。其中空調(diào)制冷系統(tǒng)包括室內(nèi)機、室外機（壓縮機、冷凝器、風(fēng)機及熱力膨脹閥）以及在相關(guān)位置上安置的熱電偶等裝置；本研究所選擇的實測對象是一臺分體落地式房間空調(diào)器。其額定制冷量為7.2 kW，額定功率為2.26 kW，制冷工質(zhì)為R22。

噴霧系統(tǒng)是整個試驗的關(guān)鍵部分，主要由水箱、水泵、壓力表、閥門和噴嘴組成，如圖1所示。本次試驗采用的噴嘴為平孔壓力噴嘴，噴嘴平面布置如圖2所示。

圖2 噴嘴布置平面

數(shù)據(jù)監(jiān)測采集系統(tǒng)包括安捷倫數(shù)據(jù)采集儀以及所連接的T型熱電偶、電流鉗傳感器和多功能大功率計插座、溫濕度自記儀以及電子天平等。

為了更好地研究噴霧裝置對系統(tǒng)運行狀態(tài)的影響，試驗主要測量的參數(shù)包括室內(nèi)外環(huán)境空氣溫濕度、空調(diào)室內(nèi)機進(jìn)出風(fēng)溫濕度、室外機噴霧裝置及冷凝器出風(fēng)溫度，室外機銅管壁面溫度、室內(nèi)外機的風(fēng)量測量、耗電量及耗水量。室內(nèi)外空氣溫度及冷凝器表面溫度測量采用的是T型熱電偶，精度為0.1 ℃。熱電偶探頭布置在室內(nèi)機和室外機進(jìn)出風(fēng)口、冷凝器和蒸發(fā)器表面以及壓縮機進(jìn)出口等位置；濕度測量采用高精度濕度傳感器，測量范圍為0%~100% RH，精度范圍為±3%RH。收集所測數(shù)據(jù)采用Agilent 34972 A數(shù)據(jù)采集儀?？照{(diào)器耗電量采用電流鉗傳感器和多功能大功率計插座，同時測量瞬時功率和累計耗電量。其中，電流鉗傳感器精度為±0.1%，功率計精度為±0.1%。

噴霧量的測量采用稱重法，將水箱放在電子天平上，測量前后水量差值即為噴霧量。稱重采用的高精度電子天平，精度為0.01 kg，測量范圍是0.00~30.00 kg。室內(nèi)外機的風(fēng)量測量采用風(fēng)量罩測量。本試驗選用風(fēng)量罩的風(fēng)量測量范圍為42~4250 m3/h，風(fēng)速測量范圍為0~50 m/s，精度為0.015 m/s。

3 測試數(shù)據(jù)和分析

試驗主要測試了不同室外空氣參數(shù)、不同噴霧量情況下制冷系統(tǒng)的性能及特性的相關(guān)參數(shù)。試驗選擇了3種室外空氣狀態(tài)工況進(jìn)行試驗，測試室外空氣溫度分別為28，32和36 ℃，室外空氣相對濕度為28%±3%。為了研究噴霧量對系統(tǒng)的影響，試驗還選擇了4種噴霧量進(jìn)行測試，即噴霧量分別為0，6，7.5和12 kg/h進(jìn)行系統(tǒng)試驗。測試期間室內(nèi)環(huán)境工況穩(wěn)定不變，溫度保持在26 ℃，相對濕度65%。

3.1 室外機排風(fēng)溫度及排風(fēng)溫升

空調(diào)器室外機散熱性能直接影響到空調(diào)的制冷性能，而室外機的排風(fēng)溫度是判斷室外機散熱性能的一個重要指標(biāo)。開始測試前，首先進(jìn)行無噴霧時室外機排風(fēng)溫度試驗：選擇2種不同室外溫度工況（28，33 ℃）進(jìn)行測試，測試期間保持室外機風(fēng)量恒定。然后進(jìn)行噴霧量分別為6，7.5和12 kg/h時系統(tǒng)性能與特性的試驗研究。

圖3為室外機排風(fēng)溫度及排風(fēng)溫升隨噴霧量的變化。

圖3 室外機排風(fēng)溫度及排風(fēng)溫升隨噴霧量的變化

從圖中可看出，在相同室外溫度條件下，不同噴霧量時室外機排風(fēng)溫度差異明顯：噴霧量越大，室外機排風(fēng)溫度越低；與不噴水時相比，噴霧時的室外機排風(fēng)溫度降低3~8 ℃，隨著噴霧量的增加，室外機的排風(fēng)溫度有效降低。比較排風(fēng)溫度和室外空氣溫度可發(fā)現(xiàn)，隨著噴霧量的增加，排風(fēng)溫度與室外空氣溫度的差值越來越小，表明噴霧量越大，空調(diào)室外機排風(fēng)溫升越小。當(dāng)室外溫度為28℃、噴霧量為12 kg/h時，室外機排風(fēng)溫度僅比室外空氣溫度高1.4 ℃，降溫效果非常明顯。因此，在相同室外空氣干球溫度下，增加噴霧量可有效降低室外機的排風(fēng)溫度和排風(fēng)溫升，最終可有效降低室外機周圍的空氣的溫升。

3.2 冷凝器壓力

圖4為空調(diào)器冷凝壓力隨室外環(huán)境溫度及噴霧量的變化。從圖4可看出，在不噴霧（或者相同噴霧量）時，冷凝器內(nèi)制冷劑壓力會隨著室外空氣干球溫度升高而升高，但空氣經(jīng)過噴霧降溫處理后，制冷劑壓力明顯降低，且噴水量越大，壓力越低。噴水量為6 kg/h時，制冷劑壓力比不噴水時平均低約0.06 MPa，最大壓差達(dá)到0.08 MPa；而噴水量為12 kg/h時，制冷劑壓力又比噴水量為7.5 kg/h時平均低約0.09 MPa，最大壓差達(dá)到0.14 MPa。由此可見，對空氣進(jìn)行噴霧降溫處理后，可明顯降低冷凝器內(nèi)制冷劑壓力，提高冷凝器的換熱性能，降低壓縮機壓比。

圖4 空調(diào)器冷凝壓力隨室外環(huán)境溫度及噴霧量的變化

3.3 制冷量、耗電量及EER

為了測量測試空調(diào)器的制冷量，在室內(nèi)機出風(fēng)口安裝出風(fēng)空氣參數(shù)測定裝置，測定相關(guān)參數(shù)并進(jìn)行計算，制冷量的計算采用空氣焓差法：

An——室內(nèi)機測量空氣參數(shù)風(fēng)罩出口面積，m2

ρn——測點出空氣密度，kg/m3

ha1——室內(nèi)機進(jìn)口空氣焓值，kJ/kg

ha2——室內(nèi)機出口空氣焓值，kJ/kg

W——測點處空氣絕對濕度，kg/kg

在不同室外干球空氣溫度下，各工況的制冷量如圖5所示。從圖可看出，相同室外干球溫度下，在噴霧量增加的過程中，空調(diào)器的制冷量也在不斷增加。與不噴霧時相比，對空氣進(jìn)行噴霧加濕后，明顯提高了空調(diào)器的換熱性能和制冷能力，制冷量最高可提升10%。

圖5 制冷量隨室外干球溫度及噴霧量的變化

進(jìn)一步分析試驗測試數(shù)據(jù)可看出，本次試驗采用的空調(diào)器在室外空氣36 ℃、不噴水的情況下，制冷量為5150 W，而當(dāng)噴水量為12 kg/h時制冷量達(dá)到5540 W，提升了近400 W。分析其原因：（1）噴霧裝置有效降低了空調(diào)器的冷凝壓力；（2）未噴水時空調(diào)器室外機冷凝器表面被灰塵粘附，降低空調(diào)器換熱系數(shù)，而增加噴霧裝置后，霧狀水流經(jīng)翅片管處，沖刷翅片管，減少積塵，降低了傳熱熱阻，增強換熱性能。

圖6 空調(diào)器耗電功率隨噴霧量的變化

室外干球溫度和噴霧量對空調(diào)器耗電的影響如圖6所示。從圖中可以看出，由于噴霧降低了進(jìn)入冷凝器的入口空氣溫度，進(jìn)而降低了空調(diào)器的冷凝壓力，最終有效減少了壓縮機的能耗。在相同室外干球溫度下，隨著噴霧量的增加，空調(diào)器耗電量明顯降低，而且，在室外空氣溫度越高，空調(diào)耗電功率的降低幅度越大：在室外干球溫度28 ℃時，與不噴霧時相比，噴霧量為12 kg/h時空調(diào)器耗電量降低了7%；而在室外溫度為36℃時，雖然空調(diào)器絕對耗電量較大，但是與不噴霧時相比，噴霧量為12 kg/h時空調(diào)器耗電量降低了8%，下降幅度增加了。因此，空調(diào)器噴霧降溫的方法更適合在高溫環(huán)境中使用，可以獲得更好的效果。

空調(diào)器性能系數(shù)EER隨噴霧量變化如圖7所示。研究發(fā)現(xiàn)：在沒有設(shè)置噴霧裝置前，空調(diào)器的制冷系統(tǒng)EER比較低，而且室外機進(jìn)風(fēng)溫度越高，EER越低。但增加了噴霧裝置后，雖然系統(tǒng)增加了噴霧泵的功耗（水泵功率較小，為150 W），但是與此同時也提高了系統(tǒng)的制冷量并有效降低了壓縮機耗功，最終導(dǎo)致空調(diào)器制冷系統(tǒng)的能效比EER比沒有噴霧時有了明顯的提高，提高幅度為2%~7%。因此，系統(tǒng)增設(shè)噴霧泵對系統(tǒng)的能效比具有積極的影響。

圖7 空調(diào)器性能系數(shù)EER隨噴霧量變化

4 結(jié)語

針對北方夏季高溫條件下空調(diào)系統(tǒng)出力受阻的問題，提出了在空調(diào)室外機上增設(shè)噴霧降溫系統(tǒng)以達(dá)到降低冷凝溫度，提高制冷系統(tǒng)EER，減少空調(diào)能耗的目的。在家用空調(diào)器上開展了增設(shè)噴霧降溫系統(tǒng)后空調(diào)器性能特性研究。試驗數(shù)據(jù)表明，噴霧降溫系統(tǒng)在家用空調(diào)上是完全可行的，增設(shè)噴霧降溫裝置可以增加空調(diào)器制冷量并提高EER，節(jié)約電能。實測結(jié)果表明，增設(shè)噴霧加濕系統(tǒng)后，測試條件下的空調(diào)器的制冷量可以增加6%~10%，EER增加量為2%~7%，節(jié)能效果非常明顯。

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