從節(jié)能和舒適性兩方面談分體式壁掛空調(diào)的節(jié)能改進(jìn)

劉文俊

(江西省城建設(shè)計研究院有限公司，南昌 330088)

空調(diào)技術(shù)起源于美國，歷經(jīng)漫長的發(fā)展過程，直到上世紀(jì)60、70年代在日本得到不斷改進(jìn)，最終制造出首臺由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流裝置四大基礎(chǔ)單元組成的無風(fēng)管送風(fēng)窗式空調(diào)。此空調(diào)技術(shù)引入中國后，得到飛速發(fā)展，如今，分體式空調(diào)遍及城鄉(xiāng)，我國已經(jīng)成了世界上最大的空調(diào)生產(chǎn)、使用和出口國！

空調(diào)效能等級即空調(diào)的能效比，是額定制冷量與額定功耗的比值。通俗地說，就是消耗同樣多的電所產(chǎn)生的冷氣有多少，是衡量空調(diào)性能優(yōu)劣的一個重要參數(shù)。國家在2005年頒布了空調(diào)產(chǎn)品能效比的標(biāo)準(zhǔn)，將普通定速空調(diào)的能效比分為了五個等級。2010年又頒布了(12021.3-2010)新三級能效標(biāo)準(zhǔn)。2020年7月1日，號稱“史上最嚴(yán)”空調(diào)新能效標(biāo)準(zhǔn)GB 21455-2019《房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級》將正式執(zhí)行。從窗機(jī)到掛機(jī)、從定頻到變頻空調(diào)、從舊能效等級到今年7月1日執(zhí)行的新能效等級，可以看出國家對空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)的要求也在不斷提高。

變頻空調(diào)與定頻空調(diào)相比，它的最大優(yōu)勢就是可以動態(tài)、準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)空調(diào)內(nèi)部壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，使室內(nèi)溫度精準(zhǔn)控制到±1 ℃，實(shí)現(xiàn)按設(shè)定參數(shù)平穩(wěn)送風(fēng)效果；而定頻空調(diào)是在設(shè)定工況下的滿負(fù)荷運(yùn)行過程，壓縮機(jī)啟動、停止時間必然發(fā)生滯后現(xiàn)象，從而導(dǎo)致空調(diào)送風(fēng)忽冷忽熱現(xiàn)象。從這點(diǎn)來說，變頻空調(diào)更符合“恒溫”要求。如果把變頻空調(diào)看作受控于純數(shù)字信號，那么定頻空調(diào)就是受控于模擬數(shù)字信號。就像現(xiàn)在的數(shù)字調(diào)諧收音機(jī)和早期的電容調(diào)諧收音機(jī)，前者是數(shù)字調(diào)頻，后者是調(diào)諧電容調(diào)頻，精準(zhǔn)度不言而喻。話說回來，精準(zhǔn)控溫必然增加了壓縮機(jī)的啟停次數(shù)(也有人說減少了空調(diào)壓縮機(jī)的啟停次數(shù))，在剛開機(jī)到接近設(shè)置室溫之前，壓縮機(jī)也是滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，回風(fēng)溫度臨近設(shè)置室溫時，壓縮機(jī)才逐漸減速平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)直到壓縮機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。我們知道電機(jī)的啟動瞬間電流是正常運(yùn)行的(3～5倍)，甚至更高。變頻技術(shù)似乎對壓縮機(jī)壽命和節(jié)能都不太明顯，畢竟能量守恒定律擺在這里。況且，空調(diào)技術(shù)經(jīng)過多年不斷改進(jìn)、完善已日趨成熟，期望對建立在四大基礎(chǔ)件之上的空調(diào)有較大空間的能效提升，顯然不太現(xiàn)實(shí)，除非在此基礎(chǔ)技術(shù)上有重大突破。惟其如此，本人認(rèn)為，空調(diào)冷凝水收集利用倒不失為一種有效的途徑。遺憾的是，空調(diào)產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷這么多年的發(fā)展，冷凝水的回收利用問題卻一直沒得到空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)設(shè)計人員的重視，是擔(dān)心會因此增加制造、安裝成本還是因為這點(diǎn)凝結(jié)水微不足道？

空調(diào)運(yùn)行時(降溫除濕過程)，蒸發(fā)器表面的凝結(jié)水直接排出到室外，室內(nèi)空氣溫度降低的同時空氣中的含濕量也在不斷減少。尤其在門窗緊閉的狹小室內(nèi)空間，空調(diào)長時間運(yùn)轉(zhuǎn)，因不能得到新風(fēng)補(bǔ)充，室內(nèi)含氧量也逐漸減少導(dǎo)致鼻孔發(fā)干，呼吸不暢，令人感覺很不舒服，同時，冷凝水帶走的冷量也白白浪費(fèi)了。而近幾年推向市場的空調(diào)扇是利用水蒸發(fā)吸熱實(shí)現(xiàn)降溫送風(fēng)，此過程可以近視為等焓加濕過程，室內(nèi)空氣中的含濕量在不斷增加，并逐步達(dá)到飽和狀態(tài)，此時空調(diào)扇若繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，會讓人感覺愈來愈悶熱難耐，因此，室內(nèi)尤其是較小的空間不宜長時間運(yùn)行，該產(chǎn)品倒是比較適合用于室外降溫。

空調(diào)冷凝水產(chǎn)生量通常可以從焓濕圖查出，也可以通過經(jīng)驗公式得出空調(diào)器產(chǎn)生的冷凝水量：

W=rV(dC—dL)

式中，r為空氣密度，取平均值1.29 kg/ m3；V為空調(diào)器送風(fēng)量， m3/h計算得到,文中僅通過查焓濕圖并經(jīng)簡單估值計算以作參考。

圖1 1atm 大氣壓和加壓空氣的飽和水蒸氣含量圖

空調(diào)制冷時， 室內(nèi)機(jī)蒸發(fā)器室工作溫度通常在5～7 ℃，取中間值6 ℃，如果我們設(shè)定房間溫度為26 ℃.那么空調(diào)出風(fēng)口溫度就是 20 ℃，從上圖可查得15[g water/kg air],如果當(dāng)時室外空氣溫度為38 ℃，空氣濕度80%，則此時空氣的含水量為36 g(water)/(kg air),也即是說36-15=21[g water/kg air]，假定房間面積為20 m2,層高3 m,則房間的體積為60 m3,每小時新風(fēng)換氣量按0.5(門窗滲透)估算，即30 m3新風(fēng)，而1atm大氣壓下，空氣的密度為1.29 kg/m3,則新風(fēng)質(zhì)量W=v×ρ=30 m3×1.29 kg/m3=30.87 kg,則此氣象條件下，空調(diào)運(yùn)行1小時，冷凝水的產(chǎn)出量=21[g water/kg air]×30.87 kg=648.27 g,如果一臺空調(diào)在此種氣象條件下運(yùn)行10小時，則排出的冷凝水總量6.483 kg。當(dāng)然，這個數(shù)據(jù)只能作為參考，實(shí)際產(chǎn)出量和查表計算得出的結(jié)果肯定有偏差。因為，關(guān)聯(lián)空調(diào)運(yùn)行的因素實(shí)在太多、太復(fù)雜，比如天氣變化、門窗的啟閉、人員進(jìn)出數(shù)量、次數(shù)等等。我本人開空調(diào)就習(xí)慣讓窗戶留有一定的縫隙。

空調(diào)運(yùn)行過程中，冷凝器制冷介質(zhì)的進(jìn)口溫度通?？蛇_(dá)70～90 ℃，出口溫度在42～50 ℃，冷凝器表面工作溫度取中間平均值約為63 ℃，蒸發(fā)器表面的工作溫度通常在7～15 ℃之間，取中間值為11 ℃，假設(shè)用11 ℃，6.483 kg重的冷凝水給冷凝器降溫，那么冷凝水吸收的熱量(或者說釋放的冷量)Q=W×ΔTkcal/kg·℃=6.483 kg×(63℃-11 ℃)=337.12 kcal,如果一臺空調(diào)每年運(yùn)行100天，一天運(yùn)行10小時，理論上冷凝水吸收的總熱量達(dá)33712 kcal,假設(shè)空調(diào)的整體工作效率為95%,那么每度電產(chǎn)生的熱量為860 kcal/kW·h×0.95,即817 kcal/kW·h,冷凝水吸收的熱量換算成電能33712÷817(kW·h ),大約是42度電。也就是說，冷凝水回收利用后，一臺空調(diào)每年大約節(jié)省40多度電，效果實(shí)在不明顯，但一萬臺空調(diào)、十萬臺、一百萬臺、一千萬臺甚至上億臺呢……？

曾經(jīng)在某出版物或網(wǎng)上看到過，有學(xué)著對空調(diào)冷凝水回收利用問題發(fā)表過反對意見，大致意思是“空調(diào)節(jié)能與否主要還是依靠系統(tǒng)本身，過分談冷凝水回收利用則是撿了芝麻，丟了西瓜”。我以為，仁者見仁，智者見智。前句沒毛病，后句我不太認(rèn)同，因為節(jié)能與減排并不矛盾甚至是我們追求的最終目的。關(guān)鍵還是要看投入產(chǎn)出比，要從長遠(yuǎn)利益出發(fā)，更要有全局觀念。故此，關(guān)于冷凝水回收利用，本人堅持提出以下2種意見或建議：

(1)對室外機(jī)冷凝器原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改裝。就是在冷凝器原基礎(chǔ)上增設(shè)一套獨(dú)立冷凝水進(jìn)、出管路，即冷凝器上既有制冷劑封閉循環(huán)管路也有冷凝水上進(jìn)下出管路，即2套獨(dú)立管路系統(tǒng)。室內(nèi)掛機(jī)蒸發(fā)器下部集水盒出水口設(shè)置過濾器，然后通過Ф12～14 mm鋁管與外機(jī)冷凝器上端(冷凝水進(jìn)口)設(shè)置的三通電磁閥相連(方便起見，分別叫工作閥和清洗閥)，旁通閥出口與冷凝水出口相連再引到地面。設(shè)置三通閥是為了方便清洗冷凝水管路，避免臟水進(jìn)入換熱系統(tǒng)(防止堵塞管路)。比如，現(xiàn)在的海爾自清潔空調(diào)，在啟動自清潔的同時，先關(guān)閉工作閥，清潔后讓臟水通過旁通閥直接引向地面，自清潔過程結(jié)束后自動開啟工作閥關(guān)閉旁通閥。凝結(jié)水與冷凝器之間采用間接換熱方式，冷凝水吸熱升溫并協(xié)同外風(fēng)機(jī)加速對冷凝器的降溫，如此可以最大限度地提高空調(diào)器系統(tǒng)的制冷效率。示意圖如圖2所示。

圖2

(2)在室內(nèi)掛機(jī)出風(fēng)口或在蒸發(fā)器前端增設(shè)一片由多層波紋纖維經(jīng)疊合而形成多孔板狀的板式換熱器(姑且稱之為濕簾換熱器)。將凝結(jié)水收集到蒸發(fā)器和濕簾換熱器底部集水槽中，水槽設(shè)有高、低液位探頭(傳感器)，高水位自動開啟微型水泵，低水位自動停泵，泵的進(jìn)口處設(shè)置過濾器，水槽底部設(shè)排污水出口且連接12 V常閉電磁閥，電磁閥出口與水槽頂部的溢流管相連。凝結(jié)水經(jīng)微型泵輸送到空調(diào)送風(fēng)口前面增設(shè)的濕簾換熱器上，上端經(jīng)分流后滴到濕簾換熱器上，凝結(jié)水自上而下浸濕換熱器表面，冷凝水被再次蒸發(fā)(近似等焓加濕過程)，以最大限度維持室內(nèi)空氣濕度。溢出的凝結(jié)水經(jīng)管道引向室外地面。設(shè)置旁通閥及管的作用是針對空調(diào)系統(tǒng)自清潔過程，清潔后污水可以經(jīng)12 V電磁閥直接排向室外(此時微型泵不工作)。這種方式既減少了因冷凝水直接排放室外而造成的冷量損失又能減緩室內(nèi)濕度的降低。盡可能讓空調(diào)器“恒濕”運(yùn)行，尤其對門窗緊閉及室內(nèi)面積較小房間有效。工作示意圖如圖3所示。

圖3