分體空調(diào)冷凝器噴霧降溫技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究

蔣宇帆

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

引言

在全球溫室效應(yīng)和城市熱島效應(yīng)的影響下，我國(guó)南方地區(qū)夏季高溫炎熱，因此建筑物中大量使用空調(diào)器，以提供舒適的居住和辦公環(huán)境[1]。然而，大量空調(diào)器的使用不僅消耗了大量的能源，而且釋放的熱量加速了室外溫度的提升，導(dǎo)致城市居住環(huán)境的變差[2]。另一方面，在我國(guó)政府提出的“碳中和、碳達(dá)峰”戰(zhàn)略背景下，能源消耗問(wèn)題日益受到人們的關(guān)注，大量的研究學(xué)者對(duì)建筑物空調(diào)器的運(yùn)行能效展開(kāi)了研究，以達(dá)到提高建筑物空調(diào)器的能效、降低二氧化碳的排放、節(jié)約能源和降低環(huán)境影響的目的。減少碳排放已然成為這個(gè)時(shí)代必須面臨的環(huán)境命題，提高空調(diào)器的節(jié)能效果在一定程度上能夠減少碳排放量和能源消耗，具有十分重要的環(huán)境保護(hù)意義[3]。

1 分體空調(diào)冷凝器噴霧降溫?fù)Q熱的基本原理分析

在分體式空調(diào)器中，提高其能效的方法主要有3種，分別是采用高效的壓縮機(jī)（比如渦旋式壓縮式）、高換能的換熱器（比如增加肋排管面積、增加進(jìn)風(fēng)濕度等）和優(yōu)化空調(diào)器的系統(tǒng)配置（比如改進(jìn)管路布置、冷凝器改造等）[4-5]。冷凝器做空調(diào)器的關(guān)鍵組件，是實(shí)現(xiàn)空調(diào)換熱制冷的重要部件，其散熱性能的好壞直接影響到空調(diào)器的運(yùn)行效果[6]。在常用的通風(fēng)空氣冷卻式冷凝器中，采用的冷卻介質(zhì)是空氣，而經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的優(yōu)化配置，可采用水和空氣混合物作為冷卻介質(zhì)[7]。具體的噴霧降溫過(guò)程見(jiàn)圖1，首先對(duì)自來(lái)水進(jìn)行過(guò)濾處理，并用水泵抽取至儲(chǔ)液罐中備用，在通風(fēng)空氣冷卻式冷凝器基礎(chǔ)上增加噴霧設(shè)備（噴頭），空調(diào)器抽取空氣時(shí)，噴頭向翅片管束進(jìn)行噴霧，帶走制冷劑散發(fā)的熱量，并被排風(fēng)扇排出空調(diào)器，達(dá)到了增強(qiáng)冷凝器的散熱效果的目的。噴霧冷卻式冷凝器的換熱過(guò)程可以具體描述為噴嘴噴出水體，在傳熱管上形成薄水膜，當(dāng)空調(diào)中的制冷劑在傳熱管上流動(dòng)時(shí)，管內(nèi)溫度高而管外溫度低，形成溫度梯度，溫度逐步向管外散熱傳遞，其溫度傳遞過(guò)程中可分兩個(gè)步驟：第一步是管內(nèi)制冷劑溫度向水膜傳遞溫度；第二步是水膜向空氣傳遞溫度，產(chǎn)生了熱交換，傳遞的熱量可以用公式（1）進(jìn)行計(jì)算[8-10]。

圖1 分體空調(diào)冷凝器噴霧降溫過(guò)程

式中：Q1為管內(nèi)制冷劑溫度向水膜傳遞的熱量；Q2為水膜向空氣傳遞的熱量；A0為冷凝器翅片的外表面積；Tk為管內(nèi)冷凝機(jī)的溫度；Tw為薄水膜的溫度；dwm為水霧的質(zhì)量除以干燥空氣的質(zhì)量；dam為無(wú)水霧時(shí)空氣中水質(zhì)量除以干燥空氣的質(zhì)量；h''wm為水霧狀態(tài)下飽和空氣狀態(tài)下，單位質(zhì)量空氣的熱量；ham為無(wú)水霧狀態(tài)下飽和空氣狀態(tài)下，單位質(zhì)量空氣的熱量；Aw為薄水膜與空氣的接觸面積；βd為傳質(zhì)系數(shù)，K0為傳熱系數(shù)，可以按公式（3）計(jì)算。

式中：ai為管內(nèi)對(duì)流的換熱系數(shù);ri為管內(nèi)壁上的油垢熱阻;r0為管外壁上的水垢熱阻；Ai為管的表面積。

2 分體空調(diào)冷凝器噴霧降溫的測(cè)試分析

為了測(cè)試噴嘴個(gè)數(shù)對(duì)分體空調(diào)冷凝器噴霧降溫效果的影響，在室內(nèi)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。分析中，采用典型的室外空氣溫度和濕度工況，即空氣溫度為30 ℃，空氣相對(duì)濕度為70%，空氣濕球溫度為25.6 ℃，空氣含濕量為19 g/kg，在進(jìn)風(fēng)口設(shè)置了3 種噴嘴工況，分別為6 個(gè)噴嘴、8 個(gè)噴嘴和10 噴嘴，噴嘴均勻布置于冷凝器周?chē)?。噴嘴的壓力也設(shè)置了3種工況，分別為2 MPa、3 MPa 和4 MPa。試驗(yàn)時(shí)，選用的分體空調(diào)器為國(guó)產(chǎn)空調(diào)器，設(shè)備型號(hào)為KFR-72LW，設(shè)備的額定制冷量為7 200 W，效能比COP為3.19，功率為23.20 W，制冷劑型號(hào)為R22，室內(nèi)循環(huán)風(fēng)量為1 200 m2/h，室內(nèi)機(jī)的尺寸為530 mm×1810 mm×300 mm，室外機(jī)尺寸為860 mm×730 mm× 308 mm。

圖2 為不同噴嘴個(gè)數(shù)和不同噴壓條件下相對(duì)濕度隨著風(fēng)量的測(cè)試結(jié)果。從圖中可以看出，隨著風(fēng)量的增加，所有相對(duì)濕度曲線均呈現(xiàn)出逐漸增加后下降的趨勢(shì)；在相同噴嘴個(gè)數(shù)的情況下，隨著風(fēng)量的增加，噴嘴壓力為2 MPa 的相對(duì)濕度略大于噴嘴壓力為3 MPa 的相對(duì)濕度，噴嘴壓力為2 MPa 和噴嘴壓力為3 MPa 的相對(duì)濕度均明顯大于噴嘴壓力為4 MPa 的相對(duì)濕度，以6 個(gè)噴嘴為例，2 MPa 噴嘴壓力的最大相對(duì)濕度為70.65%，3 MPa 噴嘴壓力的最大相對(duì)濕度為70.57%，4 MPa 噴嘴壓力的最大相對(duì)濕度為63.29%；在相同噴嘴壓力的情況下，隨著風(fēng)量的增加，噴嘴個(gè)數(shù)為8 個(gè)和噴嘴個(gè)數(shù)為10 個(gè)的相對(duì)濕度相近，但噴嘴個(gè)數(shù)為6 個(gè)的相對(duì)濕度明顯小于噴嘴個(gè)數(shù)為8 個(gè)和噴嘴個(gè)數(shù)為10 個(gè)的相對(duì)濕度，以2 MPa 噴嘴壓力，噴嘴個(gè)數(shù)為6 個(gè)的最大相對(duì)濕度為70.66%，噴嘴個(gè)數(shù)為8 個(gè)的最大相對(duì)濕度為84.83%，嘴個(gè)數(shù)為10 個(gè)的最大相對(duì)濕度為81.69%。

圖2 不同噴嘴個(gè)數(shù)和不同噴壓條件下相對(duì)濕度隨著風(fēng)量的變化曲線

圖3 為不同噴嘴個(gè)數(shù)和不同噴壓條件下冷凝器溫度隨著風(fēng)量的測(cè)試結(jié)果。從圖中可以看出，隨著風(fēng)量的增加，所有冷凝器溫度曲線均呈現(xiàn)出逐漸降低后略微抬升并收斂的趨勢(shì)；在相同噴嘴個(gè)數(shù)的情況下，隨著風(fēng)量的增加，噴嘴壓力2 MPa 的冷凝器溫度、噴嘴壓力3 MPa 的冷凝器溫度、噴嘴壓力3 MPa 的冷凝器溫度整體而言逐漸增加。以6 個(gè)噴嘴為例，2 MPa噴嘴壓力的最小冷凝器溫度為27.03 ℃，3 MPa 噴嘴壓力的最大相對(duì)濕度為28.33 ℃，4 MPa 噴嘴壓力的最大相對(duì)濕度為29.14 ℃；在相同噴嘴壓力的情況下，隨著風(fēng)量的增加，噴嘴個(gè)數(shù)為6 個(gè)、噴嘴個(gè)數(shù)為8個(gè)和噴嘴個(gè)數(shù)為10 個(gè)的冷凝器溫度整體而言逐漸增加，以2 MPa 噴嘴壓力，噴嘴個(gè)數(shù)為6 個(gè)的最小冷凝器溫度為27.03 ℃，噴嘴個(gè)數(shù)為8 個(gè)的最小冷凝器溫度為28.30 ℃，嘴個(gè)數(shù)為10 個(gè)的最小冷凝器溫度為29.13 ℃。

圖3 不同噴嘴個(gè)數(shù)和不同噴壓條件下溫度隨著風(fēng)量的變化曲線

類(lèi)似地，為研究高溫低濕度對(duì)分體空調(diào)冷凝器噴霧降溫效果的不利影響，通過(guò)改空氣濕度的數(shù)值進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)采用2 MPa 噴嘴壓力，噴嘴個(gè)數(shù)為10 個(gè)，空氣采用3 種工況：工況1：空氣溫度為30 ℃，空氣相對(duì)濕度為70%，空氣濕球溫度為25.6 ℃，空氣含濕量為19 g/kg；工況2：空氣溫度為30 ℃，空氣相對(duì)濕度為50%，空氣濕球溫度為25.6 ℃，空氣含濕量為19 g/kg；工況3：空氣溫度為30 ℃，空氣相對(duì)濕度為30%，空氣濕球溫度為25.6 ℃，空氣含濕量為19 g/kg。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖中可以看出，隨著風(fēng)量的增加，所有溫度曲線均呈現(xiàn)先逐步減小后略有回升的趨勢(shì)，所有空氣相對(duì)濕度曲線則均呈現(xiàn)先逐步增加后逐步減小的趨勢(shì)?？諝鉂穸葟?0%逐漸增加到70%時(shí)，相對(duì)濕度曲線和溫度曲線均呈現(xiàn)逐步下移的趨勢(shì)。

圖4 不同空氣濕度條件下溫度和相對(duì)濕度隨著風(fēng)量的變化曲線

3 工程應(yīng)用實(shí)例

工程項(xiàng)目為北京市某新城綜合開(kāi)發(fā)的PPP 項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)新建工程，并對(duì)現(xiàn)有建筑立面進(jìn)行施工改造，以此種方式提升城市形象，增加城市內(nèi)涵，優(yōu)化城市公共建筑的綜合服務(wù)水平。

總之，該項(xiàng)目所在地區(qū)是集會(huì)議中心、展覽交流、景觀生態(tài)、精品商業(yè)、智慧城市等功能于一體的城市核心和城市地標(biāo)空間。此工程項(xiàng)目綠化工程建設(shè)用地面積為18 220.72 m2，其中包括A-19 地塊12 976.31 m2，A-20 地塊1 373.44 m2，道路3 870.98 m2。地上建筑面積29 660.64 m2[已建辦18886 m2，城市客廳6 677.62 m2（展示客廳6 036.68 m2，休息區(qū)106.69 m2，城市書(shū)屋139.61 m2，設(shè)備用房394.64 m2），配套服務(wù)4 097.02 m2（配套用房3410.16 m2，食堂460.76 m2，設(shè)備用房226.10 m2）]。地下建筑面積16 163.38 m2（已建4 802 m2，新建11 361.38 m2）。新建一棟地下2 層、地上4 層至5 層（含一層夾層）的城市客廳，建筑整體為框架式結(jié)構(gòu)，建設(shè)設(shè)計(jì)涉及到多種能源的綜合利用，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)為45 w/m2。

通過(guò)采用冷凝器噴霧降溫技術(shù)，對(duì)項(xiàng)目中建筑物的分體空調(diào)器進(jìn)行耗電量與制冷量的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)段為夏季，具體日期從當(dāng)年6 月25 日至9 月25 日，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，分體空調(diào)器采用噴霧降溫技術(shù)前其耗電量最大值為2.298 kW·h，最小值為2.200 kW·h，平均值為2.245 kW·h，采用噴霧降溫技術(shù)后其耗電量最大值為1.899 kW·h，最小值為1.701 kW·h，平均值為1.782 kW·h，平均節(jié)約電源0.465 kW·h；分體空調(diào)器采用噴霧降溫技術(shù)前其制冷量最大值為10.493 kW，最小值為10.003 kW，平均值為10.236 kW·h，采用噴霧降溫技術(shù)后其制冷量最大值為11.192 kW·h，最小值為10.506 kW，平均值為10.857 kW，平均提高制冷量0.594 kW。

4 結(jié)論

以北京市某新城綜合開(kāi)發(fā)的PPP 項(xiàng)目為研究對(duì)象，采用理論分析和室內(nèi)試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法對(duì)冷凝器噴霧降溫技術(shù)進(jìn)行研究，得出以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）不同噴嘴數(shù)量和噴嘴壓力條件下，隨風(fēng)量的增加，空氣相對(duì)濕度曲線則均呈現(xiàn)先逐步增加后逐步減小的趨勢(shì)，冷凝器溫度曲線均呈現(xiàn)出逐漸降低后略微抬升并收斂的趨勢(shì)。

（2）結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)夏季建筑物采用冷凝器噴霧降溫技術(shù)后的耗電量和制冷量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，冷凝器噴霧降溫技術(shù)可以平均降低耗電量為10.236 kW·h，平均提高制冷量為0.594 kW。