一種新型家用分體式空調器的研制

倪沈陽 白莉* 陳琬玥 賀梓健

吉林建筑大學市政與環境工程學院

當前我國室內環境正面臨著“內憂外患”的局面。“內憂”是指室內家具等物品釋放的甲醛,VOCs以及臭氧等污染物。“外患”是指大氣霧霾對室內空氣環境的影響。因此人們對室內空氣質量的要求，不僅是對溫、濕度等舒適性能的要求，更重要的是對室內空氣品質的要求。

分體式空調作一種保障居住環境室溫的家用電器，應用已非常普遍。家用空調器只能保證室內空氣的溫度，但保證不了潔凈度與新鮮度。

筆者研發了一種新型空調器，它是在原有家用分體式空調器室內機上增加了一個新風凈化組件，在保留空調器保證室溫功能的同時，可以根據室內空氣環境的不同要求，實現凈化室內空氣，向室內補充經過凈化后的新鮮空氣，排出室內受污染空氣，過渡季節僅向室內提供新風這四種功能。

1 新型分體式空調器的簡介

1.1 新型空調器結構

新型空調器的主體結構示意圖如圖1所示，它就是在原有家用分體式空調器室內機上加了一個新風凈化組件及附屬風管，新風凈化組件的出風口與空調器的進風口用一根風管連接，室內回風和室外新風均經過新風凈化組件凈化后，送入空調器中完成制冷或者加熱的過程。

圖1 帶有新風凈化模塊的家用分體式空調器示意圖

1.2 新風凈化組件

新風凈化組件內部結構示意圖如圖2所示，它是由各種凈化濾網，風口與風道，傳感器，電控空氣閥以及控制元件所組成。

圖2 新風凈化模塊內部的結構示意圖

1）新風凈化組件風系統

室外新風由新風口2引入，室內回風由回風口引入，經過濾裝置12、13、14凈化后，經送風管10輸送至分體式空調器中，從而實現新風、回風凈化過程。當室內污染物濃度超標，室內空氣由回風口，經排風口2排出室外，實現室內排風過程。風口2既是新風引入口又是室內污濁空氣的排出口。

2）新風凈化組件凈化裝置

分體式空調器的室內機回風口處通常會設有一層單薄的濾網，該濾網只能吸附毛發以及大顆粒灰塵等。空調器長時間使用會使濾網上滋生細菌以及通過人體傳播的一些病毒，這些細菌和病毒通過簡單的清洗濾網不能完全清除，當空調器再次打開時這些細菌及病毒會重新回到室內空氣中降低室內空氣質量。而該新型空調器室內機由于沒有回風口，因此也就沒有這層單薄濾網。室內回風通過新風凈化組件中的凈化濾網凈化后輸送至分體式空調器本體中，從而避免了前述的問題。從圖2中可以看到，該新風凈化組件中的凈化濾網有VOCs及甲醛吸附濾網，高效HEPA濾網，初效濾網以及前置濾網所組成，通過這些濾網能將室內的絕大多數污染物清除從而保證了室內良好的空氣質量。

3）管道穿墻的創新

本設計涉及到一個改進的技術，就是將新排風管與分體式空調器的制冷劑管共用一個穿墻洞，如圖3所示。將新排風管與制冷劑管包在一起，通過一個穿墻洞就可以將制冷劑管和新排風管一同送入室內，經過計算新排風管與制冷劑管道都能滿足各自的使用要求。這樣做工程施工量小，安裝難減小，并且對外墻體的損壞面積小。

圖3 新風—制冷劑聯合管示意圖

2 新型空調器的自控系統

在不同的使用條件下新風凈化組件能夠實現其功能的自動切換，主要是依靠其內部的自動控制系統。該控制系統是由PLC控制處理單元控制的，由粒子傳感器，壓力傳感器以及CO2傳感器將各自的信號傳輸到PLC控制單元中，以此來控制著各電控空氣閥的啟閉，從而實現新風凈化組件的不同功能，由于采用了智能的運行方案故該新型空調器的能耗更低。圖4為該新型空調器控制系統結構框圖。

圖4 新型空調器控制系統結構框圖

2.1 傳感器

1）粒子傳感器

中國環境保護部2016年對全國338個地級及以上城市的空氣質量監測結果表明：全國環境空氣質量總體偏好，重點區域主要污染物濃度同比下降，優良天數比例為78.8%，重污染為5.8%[1]。

由于全年還有20%左右的時間室外空氣是處于污染狀況。出于人體健康的考慮不能引用室外新風。新風凈化組件使用新風與否將根據室外粒子傳感器感受到的PM2.5濃度來決定，此時粒子傳感器將其接收到的信號轉換成為電信號輸送到PLC控制處理單元上，并且來控制著新風的引用。控制條件為：當室外PM2.5濃度低于150 μg/m3時，引入室外新風。當室外PM2.5濃度超過150 μg/m3時，不再補充室外新風。

2）CO2傳感器

CO2傳感器是用來檢測室內的CO2濃度，據相關研究表明當CO2濃度超過1000 ppm時，人們就會有較為明顯的不舒適感[2]。為了保證人們對空氣中的含氧量的要求，此時PLC控制處理單元將做出響應，自動控制閥門的開閉來減小室內CO2的濃度，并提供新風以增加室內空氣的含氧量來保證人體的健康。

3）壓力傳感器

為了減少室外污染物對室內環境的影響，需要維持室內微正壓5～10 Pa。微正壓過大或過小對室內環境都有所影響，此時就需要安裝一個壓力傳感器。壓力傳感器將感受到的壓力信號輸送到PLC控制處理單元上，從而控制電控閥的啟閉來維持室內5～10 Pa的微正壓。

2.2 電控空氣閥

在本設計中控制新風凈化組件各種風道啟閉的關鍵元件為電控空氣閥。通過空氣閥的啟閉來實現室內空氣凈化、新風凈化、排出室內污濁空氣的功能，這些空氣閥的啟閉都是由PLC控制元件所控制。

3 工作原理及工作過程

該空調器最關鍵的部件為新風凈化組件。其主要完成過程如下：

1）室內空氣凈化

在該過程中新風凈化組件就相當于一個壁掛式空氣凈化器；當室外PM2.5的濃度大于150 μg/m3，室外PM2.5由于門窗縫隙的滲透大量進入室內這時就需要凈化室內空氣。具體運行過程為：電控空氣閥3、5、7、15關閉，空氣閥9和16開啟。此時室內空氣經過濾網凈化后送至分體式空調器中完成制冷或加熱的過程。這樣既能保證室內環境的舒適度也能保證其潔凈度。

2）新風凈化

此時新風凈化模塊相當于一個新風機。當室外PM2.5的濃度低于150 μg/m3且室內CO2濃度超標時，這時就可以引入經過凈化后的室外新風來稀釋室內高濃度CO2。它的運行過程為：電控空氣閥5、7、16關閉，空氣閥3、9、15開啟，將室外的新鮮空氣經由新風管道送至濾網凈化后，送至分體式空調器中完成制冷或加熱過程，其后再送至室內來稀釋高濃度的CO2。運行一段時間后，當室內CO2濃度低于設置的標準值時，出于節能的考慮需要關閉室外進風，此時控制元件將新風凈化組件的運行過程自動切換至室內空氣凈化過程。

3）室內排風

在該過程新風凈化組件相當于一個排風機。當室外PM2.5的濃度低于150 μg/m3且室內壓力超過室內環境所需維持的微正壓值上限時，此時新風凈化組件自動切換至排風過程，這時的運行過程為：空氣閥9、15關閉，空氣閥3、5、9開啟，將室內污濁空氣排放至室外從而減少室內污染物的濃度。運行一段時間后當室內壓力降至所需維持的微正壓值下限值時，控制元件自動控制著空氣閥5、7關閉，此時剩下的空氣閥將根據室內CO2濃度的高低由控制單元自動選擇開啟或關閉來完成室內空氣凈化過程或新風凈化過程。

4）過渡季節通風換氣

此時凈化組件相當于一個新風機和排風機的組合。過渡季節一般情況下是不需要開啟空調器的，但此時可以向室內提供新風。這樣可以避免由于開窗通風給室內帶來灰塵等大顆粒污染物。在過渡季時室外的PM2.5濃度一般會低于150 μg/m3，此時PLC控制元件的響應是由室內CO2濃度所控制。當CO2濃度超標時，新風凈化組件的運行過程為：電控空氣閥5、7、16關閉，空氣閥3、9、15開啟。由于過渡季節空調器不需要制冷或加熱，此時空調器的作用只是作為一個出風口，經凈化濾網凈化后的室外新風由空調器室內機送至室內。運行一段時間后當室內CO2濃度低于1000 ppm時，新風凈化模塊自動切換至室內空氣凈化過程，這時的運行過程為：電控空氣閥3、5、7、15關閉，空氣閥9、16開啟。

4 總結

綜上所述這種新型空調器既能保障室內空氣品質，又能在過渡季節向室內引入新風，并且利用PLC控制單元根據不同的使用條件，自動選擇該空調器的開啟模式，使其能耗降至最低。另外與現有空調器相比，這種新型空調器只是在原空調器室內機上加裝了一個新風凈化組件并對室內機進出風口進行適當改造。故該新型空調器可以快速投入生產，市場發展前景更加廣闊。