自供能家庭空調(diào)冷凝水利用裝置

冉神坤

自供能家庭空調(diào)冷凝水利用裝置

冉神坤

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

隨著空調(diào)的普及，大量的排放冷卻水引發(fā)了資源浪費，而冷凝水理論上是純凈水，但考慮到空氣中的灰塵等有害物質(zhì)會隨著水蒸氣的析出混入等其他原因，其雖不是絕對的純凈水，但其水質(zhì)較好完全可以回收利用。在空調(diào)外機處設(shè)計了一種將空調(diào)工作產(chǎn)生的冷凝水收集利用的新型裝置。裝置分為太陽能收集模塊、冷凝水收集模塊、超聲霧化模塊。經(jīng)過運行，收集利用冷凝水，對工作時溫度較高的空調(diào)外機進行降溫，達到了提升工作效率的目的。該裝置可用于各種空調(diào)外機。

空調(diào)冷凝水；回收利用裝置；節(jié)能減排；家用電器

1 項目背景及研究意義

隨著全球氣候變暖，夏季各地的溫度也越來越高，空調(diào)成為每家每戶必備的家用電器。在空調(diào)的使用過程中，由于熱量的轉(zhuǎn)移，空調(diào)的外機部分溫度會越來越高，如果不及時散熱，則會影響其工作效率。如果能在工作過程中對其進行冷凝降溫，能提升空調(diào)的冷凝效率和延長其工作壽命。本裝置旨在利用太陽能對空調(diào)自身產(chǎn)生的冷凝水進行超聲霧化，后將其用于對空調(diào)室外機，達到降溫效果，從而提高冷卻效率，達到利用冷凝水的目的。

2 家用空調(diào)冷凝水量的實例計算

以KFR-50LW型空調(diào)器為例，其額定制冷量為5 000 W，額定輸入功率為1 890 W，送風(fēng)量為800 m3/h，能源效率為2.65。室內(nèi)空氣參數(shù)是以空調(diào)房室內(nèi)設(shè)計標準為依據(jù)，其干球溫度N為26 ℃，相對濕度為50%；室外干球溫度W為34 ℃，相對濕度為72%。機器露點溫度L設(shè)定為15 ℃，相對濕度（為經(jīng)蒸發(fā)器去濕后的送風(fēng)狀態(tài)點）為95%，即冷凝水產(chǎn)生量的計算，假設(shè)新風(fēng)量按新風(fēng)比取定（＝15%），狀態(tài)點的計算公式為：

式（1）中：為新風(fēng)用狀態(tài)；為回風(fēng)用狀態(tài)；為新風(fēng)與回風(fēng)的混合狀態(tài)點。

將上述提到的參數(shù)代入式（1）中可知，＝12.74 g/kg，冷凝水生成量＝2.62 kg/h。

由此可以看出，一臺家用的空調(diào)每小時產(chǎn)生的冷凝水量很大，而中國的家用空調(diào)對冷凝水的處置主要采用向室外排放的方法，這種做法是對資源的一種浪費，嚴重違背了國家提倡的節(jié)能減排要求。鑒于此筆者設(shè)計了自供能家用空調(diào)冷凝水利用裝置。

3 設(shè)計方案

3.1 整體裝置

該裝置主要由太陽能收集模塊、冷凝水收集模塊、超 聲霧化模塊組成，太陽能收集模塊主要用于提供裝置工作所 需能量，超聲霧化模塊主要是超聲波霧化器，由其對水進行 霧化。

3.2 太陽能收集模塊

太陽能收集模塊主要由太陽能光伏板組成，為了提高太陽能利用效率，將其設(shè)計為拋物線槽式太陽能板，獲得的太陽能能夠支撐超聲波霧化器進行工作，此模塊可以安裝在空調(diào)外機上端，可以獲得更好的光照條件。

3.3 冷凝水收集模塊

家用空調(diào)冷凝水收集裝置由空調(diào)室內(nèi)機、空調(diào)冷凝水出水管、冷凝水收集箱、冷凝水收集箱上的圓形孔、液位傳感器、液位傳感器導(dǎo)線構(gòu)成。家用空調(diào)冷凝水收集裝置由太陽能收集模塊進行供能，其液位傳感器測量水箱的冷凝水量，然后反饋到中央控制模塊自動開啟超聲波霧化。

3.4 超聲波霧化模塊

在此模塊通過超聲波霧化原理將收集的冷凝水霧化，用超聲波定向壓強，使液體表面隆起，在隆起的液面周圍發(fā)生空化作用，使液體霧化成小分子的氣霧，再噴灑至空調(diào)外機的溫度上升處，水霧接觸面積大，散熱效果較為良好。此外，選取的超聲波霧化器的振蕩頻率為1.7 MHz或2.4 MHz，超出了人的聽覺范圍，該振蕩對人體及動物無傷害。

3.5 空調(diào)外機散熱模塊

技術(shù)方案的要點為：包括室外機和設(shè)于所述室外機下方的底盤，所述底盤上設(shè)有排氣孔，用于方便氣流的交換。所述底盤下方設(shè)有接水盤。達到了利用冷凝水對室外機進行適當降溫，提高空調(diào)工作效率進而節(jié)能的目的。夏季當空調(diào)開始工作時，產(chǎn)生的冷凝水被收集后通過超聲波霧化裝置霧化成噴霧噴灑至空調(diào)外機散熱端，輔助散熱，提高工作效率。空調(diào)外機改造如圖1所示。

圖1 空調(diào)外機改造

3.6 工作原理及性能分析

工作原理：在家用空調(diào)冷凝水的收集裝置中，空調(diào)室內(nèi)機上裝有空調(diào)冷凝水出水管，空調(diào)冷凝水出水管穿過冷凝水收集箱底部3～5 mm處，冷凝水箱上裝有液位傳感器，但達到預(yù)定值后由電子控制單元發(fā)出信號到電磁閥開關(guān)，空調(diào)冷凝水進入超聲波霧化器。超聲霧化器利用電子高頻震蕩，通過陶瓷霧化片的高頻諧振，將液態(tài)水分子結(jié)構(gòu)打散而產(chǎn)生自然飄逸的水霧，不需加熱或添加任何化學(xué)試劑。與加熱霧化方式相比，能源節(jié)省了90%。另外，在霧化過程中將釋放大量的負離子，其與空氣中漂浮的煙霧、粉塵等產(chǎn)生靜電式反應(yīng)，使其沉淀，同時還能有效去除甲醛、一氧化碳、細菌等有害物質(zhì)，使空氣得到凈化，減少疾病的發(fā)生。目前商用的硅基太陽能電池板的效率可以穩(wěn)定達到15%以上，意味著每平方米的太陽能電池板功率大約為150 W，可以滿足工作需求。

性能分析：在此裝置中選用50K蘑菇形超聲波霧化器，符合空調(diào)外機大小的需求以及無需較大的功率支撐，可以滿足冷凝要求。此外，根據(jù)計算數(shù)據(jù)，每小時空調(diào)冷凝水可以產(chǎn)生2.62 L左右，可滿足霧化器的需求。圓錐形的覆蓋面讓降溫效果更好。

各種型號的超聲波噴霧器的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各種型號的超聲波噴霧器的數(shù)據(jù)

工作頻率/kHz功率/W平均霧化量/（L·h﹣1）平均霧化粒徑/μm質(zhì)量/kg噴灑形狀 15K5001506212環(huán)拋形 30K10050392.5環(huán)拋形 50K蘑菇形302280.5圓錐形 50K錐形300.5280.5微噴形 50K長嘴形300.5280.5微噴形

4 效益分析

節(jié)能減排效益：解決了空調(diào)長時間使用以及室外機一直暴露在室外，室外溫度過高時容易影響其整體運行、降低效率，使得能耗上升的技術(shù)問題。當空調(diào)外機溫度降低時，冷凝器的冷卻效果得到提升。

經(jīng)濟效益：接入水預(yù)冷系統(tǒng)、機房負荷不變，機房空調(diào)運行電流接入前電流為9.959 A，接入后下降為8.281 A，電流下降1.678 A，節(jié)電率為16.85%；考慮到7、8月份平均氣溫為35 ℃，每個空調(diào)屏還可以節(jié)電0.15 A，電流可以下降1.828 A，節(jié)電率可達18.3%。

裝置成本：分析了太陽能板的發(fā)電效率，按照目前光伏測試系統(tǒng)的常用條件，功率密度大約為1 000 W/m2，商用的硅基太陽能電池板的效率可以穩(wěn)定達到15%以上，意味著每平方米的太陽能電池板功率大約為150 W。超聲波霧化器只需要30 W左右的功率便可完成工作，所選取的太陽能板面積為1 m2即可。因此，所需太陽能板價格大概為100元，而小型超聲波加濕器價格大概是60元，整套裝置應(yīng)該在200元之內(nèi)。

在正確使用情況下，霧化片的使用壽命約3 000 h，且極易更換。假設(shè)工作了3 000 h，用了本裝置可以節(jié)約 1.828 A的電流，以武漢市為例每度電價格為0.573元計算，可節(jié)約電費為3 000×220×1.828×10﹣3×0.573=691.3元。由此可見，使用本裝置能帶來一定的經(jīng)濟效益。

5 創(chuàng)新點及應(yīng)用前景

創(chuàng)新點：利用太陽能對整個裝置實施自供能，無需額外消耗電能；霧化冷凝水對空調(diào)外機進行降溫處理，提升了工作效率，延長了工作壽命；解決了空調(diào)冷凝水的排放問題，減少了空調(diào)污染排放。

應(yīng)用前景：可廣泛運用于家庭、辦公室等每日空調(diào)使用時間較長的環(huán)境，可以提升空調(diào)帶來的感官體驗以及節(jié)約電能，從而產(chǎn)生經(jīng)濟效益。

［1］葉明哲.新型機房空調(diào)散熱方式解決方案［J］.通信電源技術(shù)，2014，31（Suppl 1）：15-21.

［2］深圳市錦創(chuàng)力建設(shè)集團有限公司.一種節(jié)能空調(diào)：CN201721585862.0［P］.2018-06-08.

［3］陳靜，姚曄，朱正元.液體除濕劑超聲波霧化再生器模型及能耗特性［J］.制冷學(xué)報，2018（3）：92-99.

TU831

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.12.009

2095－6835（2020）12－0024－02

〔編輯：張思楠〕