新型空調(diào)冷凝水相變蓄冷系統(tǒng)可行性分析

萬智華 蘇長滿 李相初 成浪 盧有為

摘要：指出了分體式空調(diào)由于其具有安裝快捷、使用方便的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于居民用戶當(dāng)中。然而，“空調(diào)雨”的問題一直沒有得到有效地解決。綜述了目前冷凝水利用和相變蓄冷的研究現(xiàn)狀，提出了一種空調(diào)冷凝水相變蓄冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠收集白天制冷產(chǎn)生的低溫冷凝水，并通過相變蓄冷材料將冷能儲存起來;到了夜間，通過相變材料釋放冷量給房間供冷，從而降低了空調(diào)的運(yùn)行能耗。計(jì)算了分體式空調(diào)冷凝水的日產(chǎn)生量，并對該系統(tǒng)進(jìn)行了節(jié)能潛力分析，得出了該系統(tǒng)可以起到節(jié)能減排的作用。

關(guān)鍵詞：空調(diào);冷凝水;相變;蓄冷;可行性分析;節(jié)能

中圖分類號：TU83 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）20-0195-03

1引言

在炎熱的夏季，空調(diào)已經(jīng)逐漸成為家庭祛暑降溫的必備家電了。空調(diào)蒸發(fā)器表面溫度一般低于空氣露點(diǎn)溫度，因此空調(diào)蒸發(fā)器表面很容易凝結(jié)形成冷凝水。對于濕負(fù)荷大的環(huán)境，冷凝水量相對較大。眾所周知，中國人均水資源并不高，低于世界平均水平，因此節(jié)約用水成為全社會共同的責(zé)任和義務(wù)。空調(diào)冷凝水是一種伴隨著空調(diào)夏季制冷運(yùn)行的產(chǎn)物。這些冷凝水是溫度比較低，一般穩(wěn)定在10～15℃之間。目前，對于城市小區(qū)使用的空調(diào)，冷凝水的處理大多采用直接排放的方法，因此形成了“空調(diào)雨”的現(xiàn)狀，既浪費(fèi)了水資源，也對建筑物外墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)造成了一定的破壞和污染。如果能夠?qū)⒗淠睦淠芑厥眨冉鉀Q了水的滴漏問題，也起到節(jié)能減排的作用。本文就冷凝水的冷能回收利用做了一定的研究。

2研究現(xiàn)狀

2.1冷凝水利用現(xiàn)狀

合理處理和回收冷凝水成為了許多學(xué)者的研究對象。許多學(xué)者對冷凝水回收技術(shù)和研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，認(rèn)為目前冷凝水回收系統(tǒng)主要有開式和閉式兩種形式，主要利用方式包括作為水資源和輔助冷源來利用。例如在水資源方面，冷凝水可以作為衛(wèi)生間馬桶沖水、城市綠化用水、冷卻塔補(bǔ)水、補(bǔ)充地下水、景觀用水和工業(yè)冷卻用水等，但是不建議用于飲用使用。在輔助冷源方面，冷凝水可以作為冷卻塔冷卻、風(fēng)冷型空調(diào)冷凝器冷卻和新風(fēng)系統(tǒng)冷卻等。為了更好判斷冷凝水回收系統(tǒng)的可行性，有必要對其進(jìn)行可行性和節(jié)能潛力分析。

趙若焱和曹振華等理論計(jì)算了戶用多聯(lián)機(jī)空調(diào)和風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的冷凝水產(chǎn)生量。丁勇和史麗莎定量分析了重慶市家庭用分體式空調(diào)的冷凝水用于冷卻冷凝器時制冷系數(shù)的變化，指出冷凝水量對空調(diào)效率影響較為明顯。李兆堅(jiān)等采用了全年逐時模擬算法計(jì)算了海南等氣候潮濕地區(qū)低溫低濕潔凈廠房空調(diào)冷凝水量，指出氣候條件和室內(nèi)空調(diào)參數(shù)對冷凝水量影響較大。王贊社等通過實(shí)驗(yàn)方法研究得出冷凝水用于壓縮機(jī)排氣管降溫，可提高空調(diào)的制冷量和制冷系數(shù)。綜上所述，大部分研究還是集中在冷凝水直接用于冷凝器等設(shè)備降溫方面，對于冷凝水冷量回收涉及較少。

2.2相變蓄冷研究現(xiàn)狀

蓄冷技術(shù)是利用工質(zhì)狀態(tài)發(fā)生變化時，將顯熱、潛熱或化學(xué)能進(jìn)行高密度的儲存，從而實(shí)現(xiàn)一定空間的環(huán)境調(diào)節(jié)和控制。隨著生鮮食品行業(yè)的興起，蓄冷保溫箱由于其具有設(shè)備簡單、造價低、溫度控制精準(zhǔn)的特點(diǎn)，在市場上得到了廣泛地應(yīng)用。水蓄冷和冰蓄冷技術(shù)是一種在電力低谷時儲存冷能以補(bǔ)充電力高峰時用電的儲能方式，這是目前大型公共建筑空調(diào)“削谷填峰”的主要方式。車丹分析了消防水池水蓄冷系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際工程的方案效益，指出從投資回收期角度來看，并不建議采用水蓄冷，但是從綠建加分、蓄熱和其他系統(tǒng)可能的預(yù)留條件上看，還是推薦采用。上述論證過程可為從事暖通設(shè)計(jì)人員提供參考。賈珍和申肖肖通過分析指出辦公和商業(yè)建筑比較適合采用冰蓄冷系統(tǒng)，而酒店綜合體的回收周期較長，并不太適合采用冰蓄冷系統(tǒng)。蘇鋼和王君指出了某工廠采用水蓄冷技術(shù)改造后，可以為空調(diào)系統(tǒng)提供備用冷源，降低運(yùn)行成本。李藝群和黃凱良通過分析啤酒廠、水果冷藏廠、奶制品廠生產(chǎn)特點(diǎn)，指出冰蓄冷在工業(yè)領(lǐng)域中也具有一定的應(yīng)用空間。章小玉和祝健指出了溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)可以解決水蓄冷系統(tǒng)的容積過大問題，經(jīng)濟(jì)性比常規(guī)系統(tǒng)好。

目前，蓄冷技術(shù)應(yīng)用空調(diào)系統(tǒng)的研究和案例集中在大型公共建筑上面。對于居民用戶的分體式空調(diào)應(yīng)用甚少。綜上，本文提出了一種適用于居住建筑使用的新型的空調(diào)冷凝水相變蓄冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合相變蓄冷技術(shù)，在白天負(fù)荷高峰期，將空調(diào)蒸發(fā)器所產(chǎn)生的冷凝水的冷量通過相變材料儲能起來，在非高峰時的夜間，將冷能釋放，達(dá)到降低空調(diào)能耗的作用。

3方案可行性分析

3.1裝置原理

如圖1為系統(tǒng)的原理圖，運(yùn)行主要包括兩個過程：一個是蓄冷過程，一個是釋冷過程。

（1）蓄冷過程。白天，正常開啟空調(diào)制冷循環(huán)，蒸發(fā)器表面由于溫度低于空氣露點(diǎn)溫度。空氣中的水會冷凝出來，滴落在蒸發(fā)器下方的集水盤上，此時電動閥門Vl開啟，電動閥門V2關(guān)閉。因此冷凝水流入到蓄冷箱當(dāng)中。蓄冷箱中儲存有冰球，冰球中裝有無機(jī)相變材料，該材料具有成本低廉、導(dǎo)熱性好、相變潛熱不會退化等優(yōu)點(diǎn)。如KF-4H2O溶液，其相變溫度為18℃。由于冷凝水溫度低于其相變溫度，因此液態(tài)的溶液會發(fā)現(xiàn)相變，形成固態(tài)物質(zhì)，將冷凝水的冷量儲存起來。

（2）釋冷過程。到了夜間，把空調(diào)系統(tǒng)關(guān)閉，閥門V1關(guān)閉，閥門V2和V3開啟，開啟輸送泵，經(jīng)過了過濾器和滅菌器，去除水中可能存在的雜質(zhì)和細(xì)菌病毒等。低溫的冷凝水送人到蒸發(fā)器上方的噴水器，水以液膜狀在蒸發(fā)盤管上流淌下來。此時，蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)依然開啟運(yùn)行，以驅(qū)動室內(nèi)空氣流過蒸發(fā)器盤管表面，水膜通過顯熱和潛熱交換，吸收空氣中的熱量，溫度下降后的空氣被送人到房間，起到了空氣調(diào)節(jié)的作用。在蓄冷箱中設(shè)置了最低和最高液位傳感器，當(dāng)蓄冷箱中液位低于最低液位傳感器時，將會開啟電動閥V4，自動向蓄冷箱補(bǔ)充自來水，當(dāng)液位超過最高液位時，V4關(guān)閉。自來水溫度一般高于冷凝水溫度，這樣可以加速冰球相變材料的融化，保證冷量的持續(xù)供應(yīng)。另外，為了進(jìn)一步回收利用冷凝水，未蒸發(fā)的水滴落到蒸發(fā)器集水盤后，并未直接排走，而是進(jìn)入到儲水箱當(dāng)中。當(dāng)白天空調(diào)正常運(yùn)行時，開啟儲水箱下方的電動閥門V5，儲水箱中的水進(jìn)入冷凝器上方的噴水器，同樣水膜在冷凝器盤管表面吸熱，降低了冷凝溫度，可以起到提高制冷系數(shù)的作用。未蒸發(fā)的水落人到冷凝器集水盤中，最終匯入到雨水收集系統(tǒng)，作為景觀灌溉等使用，到此為一個完整的循環(huán)。在該系統(tǒng)中，為減少制冷量的損失，蓄冷箱和儲冷箱外殼均做了保溫處理。

3.2冷凝水量計(jì)算

筆者以格力型號KFR-35GW/DbD3為例，該空調(diào)為定頻機(jī)，額定制冷量為3500w，額定制冷功率為1064W，制冷系數(shù)為3.3。循環(huán)風(fēng)量為650m³/h，可使用于面積為16～20m²的房間。空調(diào)使用區(qū)域?yàn)榻K徐州地區(qū)，研究空調(diào)夏季制冷過程。考慮到滲透新風(fēng)，分體式空調(diào)夏季空調(diào)處理過程可簡化為一次回風(fēng)系統(tǒng)。其空氣處理過程的焓濕圖如圖2所示。室外狀態(tài)點(diǎn)為W，室內(nèi)空氣狀態(tài)點(diǎn)為N，通過混合變?yōu)闋顟B(tài)點(diǎn)C，混合狀態(tài)點(diǎn)經(jīng)過空調(diào)蒸發(fā)器表面減溫減濕達(dá)到機(jī)器露點(diǎn)0（取相對濕度為90%）。之后，狀態(tài)0的空氣送人到室內(nèi)，吸收室內(nèi)的余熱余濕變?yōu)闋顟B(tài)點(diǎn)N，如此為完整的一次回風(fēng)處理過程。

經(jīng)計(jì)算，單位小時冷凝水量流量Mc=1.95kg/h。

3.3節(jié)能潛力分析

假設(shè)空調(diào)每天的運(yùn)行時間是12h，在這12h中，耗電量為W=1064×12/1000=12.8kW·h。冷凝水量M=1.95×12=23.4kg。

取冷凝水的溫度為tL=15℃，則冷凝水可以承擔(dān)的顯熱冷負(fù)荷如式（3）所示。

Q=Mep（tN-tL）（3）

式（3）中，cp為水的比熱，4.2kJ/kg。

為簡化計(jì)算，在此不考慮冷凝水承擔(dān)的潛熱冷負(fù)荷、蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)和水泵的能耗，蓄冷箱和管道的冷損失，冷凝器冷卻導(dǎo)致制冷系數(shù)的提升等因素，冷凝水可承擔(dān)冷負(fù)荷為QL=982.8kJ。正常空調(diào)制冷12h的耗電量為45964.8kJ，相當(dāng)于節(jié)能率約2.1%。根據(jù)徐州地區(qū)氣候特點(diǎn)，假設(shè)6～8月需要開空調(diào)90d，這樣一個空調(diào)季可節(jié)省電量為24.6kW·h。江蘇省徐州市現(xiàn)行居民生活用電價格是不滿1千伏為0.53元/kW·h，因此節(jié)省電費(fèi)13.0元。

4結(jié)語

以徐州地區(qū)為例，一臺3500W，風(fēng)量為650m³/h的戶用分體式空調(diào)冷凝水小時產(chǎn)生量約為1.95kg/h。本文提出的新型空調(diào)冷凝水相變蓄冷系統(tǒng)，能夠?qū)⒏叻鍟r段產(chǎn)生的冷凝水的冷量通過相變材料儲存起來，在非高峰時段釋放冷量，節(jié)能率為2.1%。解決了空調(diào)冷凝水資源的浪費(fèi)和對建筑物污染的問題，節(jié)省了空調(diào)能耗，起到了節(jié)能減排的作用。