住宅室外機(jī)能耗影響因素的探析

周榮榮，戚玉麗，李清雙，胡琳，杜林峰，裘奇達(dá)

（嘉興學(xué)院，浙江 嘉興 314001）

1 引言

我國大部分地區(qū)夏季炎熱，冬季寒冷，空調(diào)作為環(huán)境溫度調(diào)節(jié)設(shè)備已走進(jìn)千家萬戶[1]。據(jù)統(tǒng)計，發(fā)達(dá)國家暖通空調(diào)能耗在建筑能耗中占比65%，可見暖通空調(diào)的節(jié)能是建筑節(jié)能的重點對象[2]。隨著空調(diào)產(chǎn)量及銷量的大幅增加，逐漸提高空調(diào)能效，實現(xiàn)節(jié)能降耗將尤為重要，這將有效推動國家節(jié)能減排方案的實施。優(yōu)化空調(diào)室外機(jī)，降低能耗則成為提高空調(diào)能效、節(jié)能經(jīng)濟(jì)的一個重要途徑。

2 影響空調(diào)室外機(jī)能耗的相關(guān)因素

2.1 部分空調(diào)室外機(jī)預(yù)留空間不足

現(xiàn)場空調(diào)安裝中，并非所有室外機(jī)預(yù)留機(jī)位均能滿足所要安裝的空調(diào)室外機(jī)臺數(shù)，有時2 間或2 間以上房間需要共用一個設(shè)備平臺，但是建筑規(guī)劃時往往只考慮了一臺室外機(jī)的安放尺寸，使得多臺室外機(jī)不得不擠在一起或上下疊放[3]。當(dāng)多臺室外機(jī)水平列陣布置時，布置間距將受到室外機(jī)組尺寸的影響，室外機(jī)組尺寸越大，達(dá)到同樣的熱環(huán)境所要求的間距要求也越大；當(dāng)水平列陣布置的間距大于或等于2 m 時，機(jī)組吸氣溫度接近環(huán)境溫度[4]。同理，當(dāng)多臺室外機(jī)垂直疊放時，由于熱氣流的上升，容易造成熱量的積聚，從而影響室外機(jī)的運行性能。以夏季工況為例，室外機(jī)作為冷凝器使用，其進(jìn)風(fēng)溫度每升高1 ℃，空調(diào)系統(tǒng)的COP 將降低約3%，當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度超過45 ℃時，空調(diào)系統(tǒng)將不能正常運行，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)[5]。

綜上，當(dāng)多臺室外機(jī)在相同位置同時工作運行時會造成周圍環(huán)境溫度的升高，這不僅增加了空調(diào)室外機(jī)的能耗，還降低了空調(diào)實際運行性能，造成能源的浪費，同時給周遭環(huán)境帶來極大的安全隱患。

2.2 空調(diào)室外機(jī)周圍熱環(huán)境影響其散熱

2.2.1 室外溫度過高或過低

空調(diào)制冷和制熱的極限溫度分別為-7 ℃和42 ℃。對于人體而言，適宜人體且節(jié)能環(huán)保的夏季溫度為26～28 ℃，冬季溫度為18～22 ℃。室外溫度過高或通風(fēng)不暢會影響室外機(jī)的吸氣和散熱效果，不僅會降低空調(diào)室外機(jī)的運行效率，還可能因散熱不暢影響壓縮機(jī)的壽命。當(dāng)溫度過低時可能引起壓縮機(jī)內(nèi)潤滑油黏度增大，導(dǎo)致壓縮機(jī)啟動不暢，甚至有點擊繞組過流損壞的風(fēng)險。實驗研究表明：隨著室外環(huán)境溫度的增大，空調(diào)室外機(jī)的進(jìn)風(fēng)溫度升高，室外機(jī)散熱量及制冷量減小，能效比減小[6]。對于夏季制冷時，設(shè)定溫度每調(diào)高2 ℃，可以節(jié)電20%；而對于冬季設(shè)定溫度每降低2 ℃，空調(diào)就可以節(jié)電10%以上。

2.2.2 室外風(fēng)向及風(fēng)速的影響

當(dāng)人們對室外機(jī)的進(jìn)風(fēng)參數(shù)及空調(diào)器的運行性能進(jìn)行分析時，通常假設(shè)室外機(jī)外部條件一定，即室外機(jī)所處環(huán)境自然風(fēng)速為0，或風(fēng)速在某一方向相同的情況。但在空調(diào)器實際運行時，室外機(jī)外部環(huán)境的風(fēng)向及風(fēng)速都是會變的，同時，不同的建筑布局也會對室外機(jī)風(fēng)環(huán)境產(chǎn)生一定的影響[7]。蔣悅波通過采用FLUENT 軟件模擬和焓差實驗室控制室外內(nèi)模擬房間的工況，得出室外風(fēng)右側(cè)風(fēng)向的平均進(jìn)風(fēng)溫度低于正前風(fēng)向室外風(fēng)；隨著正前方室外風(fēng)風(fēng)速的提高，能效比最高下降4.8%的變化規(guī)律。由此可知，室外機(jī)正前方風(fēng)速的增加會加大空調(diào)室外機(jī)的能耗損失，降低空調(diào)器的能效比，造成能源的浪費，不利于節(jié)能環(huán)保。

2.3 通風(fēng)百葉對空調(diào)室外機(jī)能耗的影響

通風(fēng)百葉將空調(diào)室外機(jī)隱藏于建筑構(gòu)件中，使之與建筑立面融為一體，達(dá)到協(xié)調(diào)統(tǒng)一的效果。不當(dāng)?shù)牟贾梅绞絼t會影響室外機(jī)的散熱，能耗增加，空調(diào)的運行性能反而下降。而對于百葉窗的安裝使用，應(yīng)注意保證有效通風(fēng)率≥75%[8]。

2.3.1 通風(fēng)百葉的開度

蔣悅波通過采用FLUENT 軟件模擬得出當(dāng)百葉間距一定時，隨百葉開度的增大，室外機(jī)的進(jìn)風(fēng)溫度先降低后升高，空調(diào)的能效比先升高后減小。劉萬龍等人[9]針對36 ℃室外環(huán)境溫度下室外機(jī)熱環(huán)境采用CFD 模擬分析，得出:在同一室外環(huán)境溫度下,百葉開度越大,室外機(jī)進(jìn)氣溫度越高,室外機(jī)制冷量衰減越嚴(yán)重，推薦百葉角度小于15°。此外，劉萬龍等人[10]通過研究表明，隨著遮擋百葉角度的增大，室外機(jī)周圍熱環(huán)境將變惡劣，如果樓層較高，處于較高位置的室外機(jī)因為熱壓效應(yīng)，回風(fēng)溫度將進(jìn)一步升高，可能導(dǎo)致室外機(jī)制冷量的嚴(yán)重衰減，甚至停機(jī)。綜上所述，百葉開度過大或過小都不利于空調(diào)室外機(jī)的散熱，只有當(dāng)通風(fēng)百葉處于一個適當(dāng)?shù)奈恢茫拍鼙ＷC空調(diào)室外機(jī)的充分散熱，同時使空調(diào)器的運行性能達(dá)到最佳狀態(tài)。

2.3.2 通風(fēng)百葉之間的間距

針對通風(fēng)百葉之間的距離對室外機(jī)散熱的影響，學(xué)者們也有大量的研究。楊云凱等人[11]通過對某商業(yè)建筑進(jìn)行實驗，利用CFD 計算軟件發(fā)現(xiàn)百葉間距至少達(dá)到80 mm 才可以基本消除室外機(jī)外百葉對空調(diào)出口氣流的阻礙作用。國海燕也指出當(dāng)百葉間距由50 mm 增大到80 mm 時，室外機(jī)平均進(jìn)風(fēng)溫度降低，當(dāng)安裝間距＞80 mm 時，平均進(jìn)風(fēng)溫度基本保持不變。由此，當(dāng)百葉間距＞80 mm 時，增大百葉間距將對室外機(jī)的散熱運行不產(chǎn)生影響。

2.3.3 空調(diào)室外機(jī)與通風(fēng)百葉之間的距離

空調(diào)室外機(jī)排風(fēng)口與通風(fēng)百葉之間的距離過大會增加建筑成本，造成空間上的浪費，過小將不利于室外機(jī)的散熱，增加室外機(jī)的能耗，降低空調(diào)器的運行性能。蔣悅波等人運用CFD 模擬的研究方法得出當(dāng)室外機(jī)風(fēng)扇與百葉間距為250 mm 時，室外機(jī)最高回風(fēng)溫度為49～51 ℃，局部阻力損失最大，且室外機(jī)風(fēng)扇與百葉距離為250 mm，百葉開度為10°時，安裝情況最好[12]。

3 降低室外機(jī)能耗的節(jié)能裝置與節(jié)能方法

3.1 節(jié)能裝置

節(jié)能裝置，顧名思義是為空氣調(diào)節(jié)、水處理等系統(tǒng)的節(jié)能降耗改造而制作的產(chǎn)品。黃成根[13]發(fā)明的節(jié)能裝置充分利用空調(diào)室內(nèi)機(jī)冷凝水的低溫冷卻效果來冷卻室外機(jī)的散熱片，不僅起到節(jié)能效果，還可以清洗散熱片。由黃晨東和顧健[14]發(fā)明的空調(diào)節(jié)能裝置根據(jù)空調(diào)室外機(jī)所排出的熱風(fēng)情況，適時開啟噴水程序，發(fā)揮降溫增效的作用，節(jié)能效果顯著。目前，為了美觀常在室外機(jī)機(jī)位設(shè)置百葉窗，還可以從百葉窗的角度進(jìn)行節(jié)能裝置的研發(fā)。將太陽能集熱裝置和熱風(fēng)回收裝置與室外機(jī)百葉窗相結(jié)合可以有效解決空調(diào)室外機(jī)的散熱問題，經(jīng)實驗測得該裝置每年可以節(jié)約66.815 kW·h，減少近53 kg二氧化碳排放[15]，對節(jié)能減排產(chǎn)生了一定的效果。

3.2 節(jié)能方法

1）預(yù)留合理的室外機(jī)機(jī)位：通過實地走訪嘉興市多個小區(qū)，對居民進(jìn)行隨機(jī)問卷調(diào)查以及開展網(wǎng)絡(luò)調(diào)查問卷，發(fā)現(xiàn)居民所使用的空調(diào)類型為分體式空調(diào)（壁掛式、立柜式、吊頂式等）的占比為81.3%，其中使用國內(nèi)品牌（海爾、格力、美的等）的占78.60%，而國內(nèi)品牌中，1.5 匹的格力空調(diào)室外機(jī)尺寸為776 mm×320 mm×540 mm，1.5 匹的美的空調(diào)室外機(jī)尺寸為843 mm×250 mm×540 mm，1.5 匹的海爾空調(diào)室外機(jī)尺寸有780 mm×245 mm×540 mm 和780 mm×250 mm×650 mm 兩種型號。根據(jù)T/CCES 10—2020《建筑外墻空調(diào)器室外機(jī)平臺技術(shù)規(guī)范》發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)無法確定選用空調(diào)器室外機(jī)平臺尺寸、凈高和無遮擋距離時，應(yīng)符合表1 中的規(guī)定[16]。

表1 空調(diào)器室外機(jī)平臺尺寸、無遮擋距離及承載質(zhì)量參考值

2）3 臺及以上空調(diào)臺數(shù)建議采用家用中央空調(diào)：根據(jù)實地走訪調(diào)查和網(wǎng)絡(luò)調(diào)查問卷，居民所使用的空調(diào)總臺數(shù)2～3 臺占比47.83%，3 臺以上的比例為25.08%。相比安裝多臺分體式空調(diào)，家用中空調(diào)央應(yīng)是更為合適的選擇。由于傳統(tǒng)空調(diào)的高耗能，多臺分體式空調(diào)的使用在炎熱的夏天將是一筆不小的的費用；而家用中央空調(diào)雖然前期安裝費用較高，但從長遠(yuǎn)利益來看，家用中央空調(diào)更節(jié)能、環(huán)保、耗能較低。

3）優(yōu)化百葉窗設(shè)計：百葉窗的設(shè)計在很大程度上影響著室外機(jī)的散熱狀況，因此，優(yōu)化百葉窗是節(jié)能降耗的一個重要發(fā)展方向。當(dāng)室外機(jī)在本層陽臺室外機(jī)位位置或機(jī)房內(nèi)時，應(yīng)安裝導(dǎo)流罩消除百葉遮擋對其散熱帶來的影響，使其能夠充分散熱。據(jù)計算，優(yōu)化百葉窗平臺可以給長江流域城市節(jié)電約19 億kW·h，相當(dāng)于節(jié)約20.1 萬t 標(biāo)煤，減少二氧化碳排放量18.9 億kg 二氧化碳。

4）對室外機(jī)進(jìn)行定期維修保養(yǎng)：室外機(jī)由于位置特殊，常年日曬雨淋，灰塵污垢難免會殘留在外機(jī)內(nèi)部，若不及時清理，則會影響風(fēng)機(jī)扇葉的壽命；形成的水垢會導(dǎo)致熱交換效率降低，制冷效果下降，嚴(yán)重時將下降30%，同時硬垢增加，用電量增加或耗能增加，嚴(yán)重時將增加35%。因此，對空調(diào)室外機(jī)定期維修保養(yǎng)也是空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降耗的一項重要措施。

4 結(jié)語

空調(diào)室外機(jī)能耗影響因素較多，只有清楚能耗的影響因素，才能“對癥下藥”，除了文中分析的空調(diào)室外機(jī)機(jī)位布置、熱環(huán)境、百葉等的影響因素外，制冷劑的選擇、使用變頻空調(diào)等方法都可以有效降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗。除此之外，也可以設(shè)想另一種思路，未來如果沒有室外機(jī)散熱，是否也可以降低房間的溫度，通過優(yōu)化空調(diào)機(jī)組自身性能來降低能耗，從而尋找解決問題的方法，使空調(diào)器達(dá)到低能耗、高性能，滿足人們的生活需求。對于室外機(jī)的節(jié)能，還有很多方面可以進(jìn)行探索。