基于濕簾蒸發(fā)冷卻技術(shù)回收利用制冷冷凝水的分體式空調(diào)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

黃紫旭 賈春輝 田 政 陳 璐

基于濕簾蒸發(fā)冷卻技術(shù)回收利用制冷冷凝水的分體式空調(diào)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

黃紫旭1賈春輝2田 政1陳 璐1

（1.西南科技大學(xué)城市學(xué)院 綿陽 621000;2.西南科技大學(xué) 綿陽 621010）

分體式空調(diào)在我國建筑中廣泛使用，暖通空調(diào)能耗占建筑能耗可達(dá)到40%～50%，分體式空調(diào)的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)是空調(diào)節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。分體式空調(diào)在濕負(fù)荷較大的場所，每1kW冷負(fù)荷每小時產(chǎn)生約0.8kg的冷凝水，冷凝水溫度較低約為10～15℃?？諝饴饵c(diǎn)溫度越高，含濕量越大，產(chǎn)生的冷凝水越多，而冷凝水需要設(shè)置排水管進(jìn)行有組織排放，這既造成冷凝水冷量浪費(fèi)又增加了排水管的管材使用。本文提出了一種基于濕簾蒸發(fā)冷卻技術(shù)回收利用制冷冷凝水的分體式空調(diào)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。通過實(shí)驗(yàn)、計(jì)算和對比分析出利用制冷冷凝水后的實(shí)際節(jié)能效果，結(jié)果表明：通過利用濕簾蒸發(fā)冷卻回收利用制冷冷凝水的分體式空調(diào)不僅可以提高制冷量約4.612%和能效比約9.302%，降低冷凝溫度約4.685%，而且不需要設(shè)置排水管。

濕簾；分體式空調(diào)；制冷冷凝水；回收利用

0 引言

我國的經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，能源消耗的缺口日趨增大，截止到2010年，我國已取代美國成為世界上最大的能源消耗國[1]。暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能是建筑節(jié)能中一個迫切的問題。暖通空調(diào)能耗占建筑能耗可達(dá)到40%～50%[2]，分體式空調(diào)的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)是空調(diào)節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。分體式空調(diào)制冷時產(chǎn)生的冷凝水通常作為廢水直接排向室外，但冷凝水品質(zhì)較高且溫度較低，一般10～15℃，帶有很大的冷量，如果直接排向室外會造成制冷時的冷量浪費(fèi)[3-5]。在環(huán)境與能源問題嚴(yán)重的今天，空調(diào)冷凝水也是一項(xiàng)寶貴的資源，因此通過排水管將空調(diào)冷凝水直接排放至室外的傳統(tǒng)做法需要改進(jìn)[6]，本文提出了一種基于利用濕簾蒸發(fā)冷卻回收利用制冷冷凝水的分體式空調(diào)。

1 利用濕簾蒸發(fā)冷卻技術(shù)回收制冷冷凝水的分體式空調(diào)設(shè)計(jì)

分體式空調(diào)制冷運(yùn)行時室內(nèi)機(jī)通常采用大溫差、機(jī)器露點(diǎn)送風(fēng)方式[7]，此時蒸發(fā)器表面就會有冷凝水產(chǎn)生，若能把室內(nèi)機(jī)產(chǎn)生的冷凝水送到室外機(jī)冷凝器通過與風(fēng)冷散熱結(jié)合用于輔助冷凝器散熱，則既保留了風(fēng)冷方式簡單的特點(diǎn)，又發(fā)揮了冷凝水蒸發(fā)吸熱來強(qiáng)化冷凝器散熱的優(yōu)勢，提高分體式空調(diào)的制冷能效比，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

分體式空調(diào)在制冷運(yùn)行時，室內(nèi)機(jī)的蒸發(fā)器通過冷卻除濕時產(chǎn)生冷凝水，這部分冷凝水通過冷凝水回收管進(jìn)入到分水槽，分水槽里的制冷冷凝水在重力作用下沿著濕簾緩慢下降，這時濕簾蒸發(fā)冷卻加濕進(jìn)入室外機(jī)冷凝器的空氣，該過程可近似認(rèn)為是對進(jìn)入室外機(jī)冷凝器的空氣等焓加濕過程。在分體式空調(diào)制冷運(yùn)行初期，冷凝水產(chǎn)生量大時，會存在部分未及時蒸發(fā)的冷凝水通過濕簾下降到蓄水槽中；在冷凝水產(chǎn)生量小時，蓄水槽中的冷凝水通過毛細(xì)力沿濕簾上升繼續(xù)加濕進(jìn)入室外機(jī)冷凝器的空氣。

2 分體式空調(diào)制冷冷凝水水量計(jì)算

以四川省綿陽市某學(xué)校30m2的教師辦公室為空調(diào)制冷冷凝水水量計(jì)算對象,夏季大氣壓力95060Pa，空調(diào)室外計(jì)算干球溫度32.8℃,室外相對濕度為65%[8]。教師辦公室室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度26℃，相對濕度為55%，人均新風(fēng)量取30m3/h·人。教師辦公室人數(shù)為6人，靜坐狀態(tài)下成年男子在室內(nèi)溫度26℃的散濕量為=68g/h,辦公室的群集系數(shù)為1=0.96[9]。本實(shí)驗(yàn)所用的分體式空調(diào)室外風(fēng)量為1150m3/h，額定輸入功率1.18kW，額定輸入電流5.6A，制冷劑為R22?？照{(diào)系統(tǒng)冷凝水量主要包括新風(fēng)濕負(fù)荷和室內(nèi)人員濕負(fù)荷形成的冷凝水，當(dāng)空調(diào)房間人員密度增加或新風(fēng)量增加，空調(diào)系統(tǒng)的冷凝水量則增加[10]。

（1）新風(fēng)濕負(fù)荷形成的冷凝水水量計(jì)算

該教師辦公室新風(fēng)量為：=30×6=180m3/h，查焓濕圖得該教師辦公室空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)下室內(nèi)空氣含濕量d=12.3g/kg，室外空氣含濕量d=21.9g/kg。

新風(fēng)濕負(fù)荷形成的冷凝水水量：

Δ=0.001(d-d)=2.074kg/h （1）

式中，Δ為冷凝水流量，kg/h；為新風(fēng)量，m3/h；為新風(fēng)密度，kg/m3；d為室內(nèi)含濕量，g/kg；d為室外的含濕量，g/kg。

（2）人員散濕形成的冷凝水水量計(jì)算

人員散濕形成的冷凝水水量計(jì)算：

∑=0.0011∑2=0.392kg/h （2）

式中，∑為冷凝水流量，kg/h；1為群集系數(shù)；2為室內(nèi)人數(shù)，人；為成年男子散濕量，g/h。則該教師辦公室分體式空調(diào)產(chǎn)生的制冷冷凝水水量為：=Δ+∑=2.403kg/h

3 利用濕簾蒸發(fā)冷卻技術(shù)回收制冷冷凝水的分體式空調(diào)實(shí)驗(yàn)測試

3.1 制冷冷凝水冷量回收潛力

分體式空調(diào)在濕負(fù)荷較大的場所，每1kW冷負(fù)荷每小時產(chǎn)生約0.8kg的冷凝水，當(dāng)冷凝水量溫度為15℃時，在理想情況下可增加室外機(jī)冷凝器散熱量0.562kW。

3.2 分體式空調(diào)室外機(jī)風(fēng)量測試

本實(shí)驗(yàn)室外機(jī)增加了濕簾，使室外機(jī)冷凝器的風(fēng)量減少。通過實(shí)驗(yàn)測量利用濕簾后分體式空調(diào)室外機(jī)風(fēng)量。將室外機(jī)上的風(fēng)機(jī)形成的圓斷面分成若干個面積相等的同心圓環(huán)，在每個圓環(huán)上布置4個測點(diǎn)且使4個測點(diǎn)位于互相垂直的兩條直徑。使用葉輪風(fēng)速儀測量各點(diǎn)的風(fēng)速，實(shí)驗(yàn)測得各點(diǎn)的風(fēng)速見表1和表2。

圖2 圓形風(fēng)機(jī)測點(diǎn)布置

表1 利用濕簾測點(diǎn)的風(fēng)速

表2 未利用濕簾測點(diǎn)的風(fēng)速

由實(shí)驗(yàn)測得的各點(diǎn)風(fēng)量數(shù)據(jù)可以算出平均風(fēng)速，從而算出風(fēng)量。

式中，1、2、3、4為各個圓環(huán)上平均風(fēng)速，m/s；為所測圓環(huán)的個數(shù)；為所測圓環(huán)的面積，0.058m2。

代入數(shù)據(jù)得：未利用=1127m3/h，利用=1049.72m3/h，利用濕簾后室外機(jī)風(fēng)量減少6.86%。

3.3 分體式空調(diào)室外機(jī)散熱量測試

3.3.1 未利用冷凝水的分體式空調(diào)室外機(jī)散熱量

進(jìn)入室外機(jī)的空氣被冷凝器等濕加熱，在焓濕圖上為1-2過程，如圖3所示。

1.未利用冷凝水時冷凝器的進(jìn)風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)；2.未利用冷凝水時冷凝器的出風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)

表3 未利用冷凝水冷凝器的進(jìn)出風(fēng)口測試數(shù)據(jù)

未利用冷凝水的分體式空調(diào)室外機(jī)散熱量Q未利用：

Q未利用=未利用（2-1）=4.428kW （5）

式中：1為1點(diǎn)焓值，kJ/kg；2為2點(diǎn)焓值，kJ/kg；未利用為室外機(jī)風(fēng)量，kg/s。

3.3.2 利用制冷冷凝水的分體式空調(diào)室外機(jī)散熱量

進(jìn)入室外機(jī)的空氣可近似看作先經(jīng)過濕簾等焓加濕，在焓濕圖上為1-3過程，再被冷凝器等濕加熱，在焓濕圖上為3-4過程，如圖4所示。

1.利用冷凝水時室外空氣狀態(tài)點(diǎn)；3.利用冷凝水時冷凝器進(jìn)風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)；4.利用冷凝水時冷凝器出風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)

表4 利用冷凝水冷凝器的進(jìn)出風(fēng)口測試數(shù)據(jù)

利用制冷冷凝水的分體式空調(diào)室外機(jī)散熱量Q利用：

Q利用=利用（4-3）=4.548kW （6）

式中，3為3點(diǎn)焓值；4為4點(diǎn)焓值；利用為利用制冷冷凝水后室外機(jī)風(fēng)量，kg/s。

3.3.3 分體式空調(diào)實(shí)際制冷量與壓縮機(jī)能耗變化

利用濕簾蒸發(fā)冷卻技術(shù)回收利用制冷冷凝水的分體式空調(diào)比未利用冷凝水的分體式空調(diào)室外機(jī)冷凝器的冷凝溫度低，其壓縮機(jī)能耗也會下降，冷凝溫度每下降1℃壓縮機(jī)能耗下降約1.97%[11]。

為了簡化計(jì)算，可以認(rèn)為制冷劑的溫度等于冷凝溫度。因此，冷凝器內(nèi)制冷劑和冷卻劑的平均對數(shù)傳熱溫差為：

式中，ΔT為制冷劑與冷卻劑間的平均對數(shù)溫差，℃；t為進(jìn)風(fēng)溫度，℃；t為出風(fēng)溫度，℃；t為冷凝溫度，℃。對于空氣強(qiáng)制流動的風(fēng)冷式冷凝器，冷凝溫度與空氣進(jìn)風(fēng)口溫度之差取10～16℃左右（取13℃）[12]。

冷凝器的散熱量：

Q=ΔT（8）

冷凝器的散熱量：

Q=Q+（9）

全封閉壓縮機(jī)的制冷系統(tǒng)的冷凝負(fù)荷：

Q=0(+Bt) （10）

式（8）、（9）中，為傳熱系數(shù)，W/（m2·K)；為傳熱面積，m2；ΔT為平均對數(shù)溫差，K；Q為冷凝器散熱量，kW；為壓縮機(jī)的軸功率，kW；Q為全封閉壓縮機(jī)的制冷系統(tǒng)的冷凝負(fù)荷，kW；0為實(shí)際制冷量即蒸發(fā)器的得熱量，kW；t為冷凝溫度，℃；=0.86，=0.0042[12]。

未利用冷凝水的分體式空調(diào)實(shí)際制冷量0未利用及冷凝溫度t未利用：t未利用=45.8℃

利用冷凝水的分體式空調(diào)實(shí)際制冷量0利用及冷凝溫度t利用：t利用=43.65℃

則制冷量增加了：

3.4 利用制冷冷凝水的分體式空調(diào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定與計(jì)算，利用制冷冷凝水的分體式空調(diào)與未利用制冷冷凝水的分體式空調(diào)對比，室外機(jī)風(fēng)量下降6.86%；冷凝溫度下降約2.15℃；散熱量增加0.138kW；制冷量增加0.142kW。

空調(diào)能效比：

式中，0為空調(diào)實(shí)際制冷量，kW；為輸入功率，kW。

未利用冷凝水時：

利用冷凝水時：

4 結(jié)論

本文通過對分體式空調(diào)冷凝水量的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測試，結(jié)合綿陽市夏季空調(diào)運(yùn)行的室內(nèi)外條件，對未利用冷凝水和利用冷凝水節(jié)能性進(jìn)行對比，得出以下結(jié)論：

（1）濕簾上的冷凝水和冷凝器周圍的空氣進(jìn)行熱質(zhì)交換，降低了進(jìn)入冷凝器空氣的溫度，從而增大冷凝器的換熱能力。

（2）濕簾上的冷凝水溫度相對于周圍的空氣較低，使制冷劑和冷卻劑的平均對數(shù)傳熱溫差降低，降低了冷凝溫度約3℃；增加了空調(diào)制冷量約0.142kW；提高空調(diào)能效比約0.243，即提高約9.302%，節(jié)能效果顯著。

（3）冷凝水回收利用的設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，由于濕簾的使用，該設(shè)備有使用壽命短等缺點(diǎn)。

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Split-type Air Conditioning Design and Experimental Application based on Wet Curtain Evaporative Cooling Technology for Recycling Refrigeration Condensate

Huang Zixu1Jia Chunhui2Tian Zheng1Chen Lu1

( 1.City college, southwest University of science and Technology, Mianyang, 621000;2.Southwest University of science and Technology, Mianyang, 621010 )

Split-type air conditioners are widely used in China's buildings. HVAC energy consumption accounts for 40%～50% of building energy consumption. The energy-saving optimization design of split-type air conditioners is an important part of air-conditioning energy conservation. The split type air conditioner generates about 0.8 kg of condensed water per hour of cold load in a place with a large wet load, and the condensed water temperature is about 10 to 15℃ lower. The higher the air dew point temperature, the greater the moisture content, the more condensed water is produced, and the condensate needs to be equipped with a drain pipe for organized discharge, which causes waste of condensed water and increases the use of the pipe of the drain pipe. This paper presents a design and experimental application of a split air conditioner based on the wet curtain evaporative cooling technology to recycle refrigeration condensate. Through experiments, calculations and comparisons, the actual energy efficiency after using refrigeration condensate is analyzed. The results show that the split air conditioner that utilizes the cooling condensate by using the wet curtain evaporative cooling can not only increase the cooling capacity. About 4.612% and the energy efficiency ratio is about 9.302%, the condensation temperature is lowered by about 4.685%, and there is no need to install a drain pipe.

wet curtain; split type air conditioner; cooling condensate; recycling and utilization

TU831

A

1671-6612（2020）02-257-05

西南科技大學(xué)城市學(xué)院科學(xué)研究（基于冷凝水回收利用的分體式空調(diào)研制2019XJXM32）項(xiàng)目資助

黃紫旭（1992.08-），男，本科，助教，E-mail：1315723896@qq.com

2019-05-30