自供能家庭空調冷凝水利用裝置

冉神坤

自供能家庭空調冷凝水利用裝置

冉神坤

（武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

隨著空調的普及，大量的排放冷卻水引發了資源浪費，而冷凝水理論上是純凈水，但考慮到空氣中的灰塵等有害物質會隨著水蒸氣的析出混入等其他原因，其雖不是絕對的純凈水，但其水質較好完全可以回收利用。在空調外機處設計了一種將空調工作產生的冷凝水收集利用的新型裝置。裝置分為太陽能收集模塊、冷凝水收集模塊、超聲霧化模塊。經過運行，收集利用冷凝水，對工作時溫度較高的空調外機進行降溫，達到了提升工作效率的目的。該裝置可用于各種空調外機。

空調冷凝水；回收利用裝置；節能減排；家用電器

1 項目背景及研究意義

隨著全球氣候變暖，夏季各地的溫度也越來越高，空調成為每家每戶必備的家用電器。在空調的使用過程中，由于熱量的轉移，空調的外機部分溫度會越來越高，如果不及時散熱，則會影響其工作效率。如果能在工作過程中對其進行冷凝降溫，能提升空調的冷凝效率和延長其工作壽命。本裝置旨在利用太陽能對空調自身產生的冷凝水進行超聲霧化，后將其用于對空調室外機，達到降溫效果，從而提高冷卻效率，達到利用冷凝水的目的。

2 家用空調冷凝水量的實例計算

以KFR-50LW型空調器為例，其額定制冷量為5 000 W，額定輸入功率為1 890 W，送風量為800 m3/h，能源效率為2.65。室內空氣參數是以空調房室內設計標準為依據，其干球溫度N為26 ℃，相對濕度為50%；室外干球溫度W為34 ℃，相對濕度為72%。機器露點溫度L設定為15 ℃，相對濕度（為經蒸發器去濕后的送風狀態點）為95%，即冷凝水產生量的計算，假設新風量按新風比取定（＝15%），狀態點的計算公式為：

式（1）中：為新風用狀態；為回風用狀態；為新風與回風的混合狀態點。

將上述提到的參數代入式（1）中可知，＝12.74 g/kg，冷凝水生成量＝2.62 kg/h。

由此可以看出，一臺家用的空調每小時產生的冷凝水量很大，而中國的家用空調對冷凝水的處置主要采用向室外排放的方法，這種做法是對資源的一種浪費，嚴重違背了國家提倡的節能減排要求。鑒于此筆者設計了自供能家用空調冷凝水利用裝置。

3 設計方案

3.1 整體裝置

該裝置主要由太陽能收集模塊、冷凝水收集模塊、超 聲霧化模塊組成，太陽能收集模塊主要用于提供裝置工作所 需能量，超聲霧化模塊主要是超聲波霧化器，由其對水進行 霧化。

3.2 太陽能收集模塊

太陽能收集模塊主要由太陽能光伏板組成，為了提高太陽能利用效率，將其設計為拋物線槽式太陽能板，獲得的太陽能能夠支撐超聲波霧化器進行工作，此模塊可以安裝在空調外機上端，可以獲得更好的光照條件。

3.3 冷凝水收集模塊

家用空調冷凝水收集裝置由空調室內機、空調冷凝水出水管、冷凝水收集箱、冷凝水收集箱上的圓形孔、液位傳感器、液位傳感器導線構成。家用空調冷凝水收集裝置由太陽能收集模塊進行供能，其液位傳感器測量水箱的冷凝水量，然后反饋到中央控制模塊自動開啟超聲波霧化。

3.4 超聲波霧化模塊

在此模塊通過超聲波霧化原理將收集的冷凝水霧化，用超聲波定向壓強，使液體表面隆起，在隆起的液面周圍發生空化作用，使液體霧化成小分子的氣霧，再噴灑至空調外機的溫度上升處，水霧接觸面積大，散熱效果較為良好。此外，選取的超聲波霧化器的振蕩頻率為1.7 MHz或2.4 MHz，超出了人的聽覺范圍，該振蕩對人體及動物無傷害。

3.5 空調外機散熱模塊

技術方案的要點為：包括室外機和設于所述室外機下方的底盤，所述底盤上設有排氣孔，用于方便氣流的交換。所述底盤下方設有接水盤。達到了利用冷凝水對室外機進行適當降溫，提高空調工作效率進而節能的目的。夏季當空調開始工作時，產生的冷凝水被收集后通過超聲波霧化裝置霧化成噴霧噴灑至空調外機散熱端，輔助散熱，提高工作效率。空調外機改造如圖1所示。

圖1 空調外機改造

3.6 工作原理及性能分析

工作原理：在家用空調冷凝水的收集裝置中，空調室內機上裝有空調冷凝水出水管，空調冷凝水出水管穿過冷凝水收集箱底部3～5 mm處，冷凝水箱上裝有液位傳感器，但達到預定值后由電子控制單元發出信號到電磁閥開關，空調冷凝水進入超聲波霧化器。超聲霧化器利用電子高頻震蕩，通過陶瓷霧化片的高頻諧振，將液態水分子結構打散而產生自然飄逸的水霧，不需加熱或添加任何化學試劑。與加熱霧化方式相比，能源節省了90%。另外，在霧化過程中將釋放大量的負離子，其與空氣中漂浮的煙霧、粉塵等產生靜電式反應，使其沉淀，同時還能有效去除甲醛、一氧化碳、細菌等有害物質，使空氣得到凈化，減少疾病的發生。目前商用的硅基太陽能電池板的效率可以穩定達到15%以上，意味著每平方米的太陽能電池板功率大約為150 W，可以滿足工作需求。

性能分析：在此裝置中選用50K蘑菇形超聲波霧化器，符合空調外機大小的需求以及無需較大的功率支撐，可以滿足冷凝要求。此外，根據計算數據，每小時空調冷凝水可以產生2.62 L左右，可滿足霧化器的需求。圓錐形的覆蓋面讓降溫效果更好。

各種型號的超聲波噴霧器的數據如表1所示。

表1 各種型號的超聲波噴霧器的數據

工作頻率/kHz功率/W平均霧化量/（L·h﹣1）平均霧化粒徑/μm質量/kg噴灑形狀 15K5001506212環拋形 30K10050392.5環拋形 50K蘑菇形302280.5圓錐形 50K錐形300.5280.5微噴形 50K長嘴形300.5280.5微噴形

4 效益分析

節能減排效益：解決了空調長時間使用以及室外機一直暴露在室外，室外溫度過高時容易影響其整體運行、降低效率，使得能耗上升的技術問題。當空調外機溫度降低時，冷凝器的冷卻效果得到提升。

經濟效益：接入水預冷系統、機房負荷不變，機房空調運行電流接入前電流為9.959 A，接入后下降為8.281 A，電流下降1.678 A，節電率為16.85%；考慮到7、8月份平均氣溫為35 ℃，每個空調屏還可以節電0.15 A，電流可以下降1.828 A，節電率可達18.3%。

裝置成本：分析了太陽能板的發電效率，按照目前光伏測試系統的常用條件，功率密度大約為1 000 W/m2，商用的硅基太陽能電池板的效率可以穩定達到15%以上，意味著每平方米的太陽能電池板功率大約為150 W。超聲波霧化器只需要30 W左右的功率便可完成工作，所選取的太陽能板面積為1 m2即可。因此，所需太陽能板價格大概為100元，而小型超聲波加濕器價格大概是60元，整套裝置應該在200元之內。

在正確使用情況下，霧化片的使用壽命約3 000 h，且極易更換。假設工作了3 000 h，用了本裝置可以節約 1.828 A的電流，以武漢市為例每度電價格為0.573元計算，可節約電費為3 000×220×1.828×10﹣3×0.573=691.3元。由此可見，使用本裝置能帶來一定的經濟效益。

5 創新點及應用前景

創新點：利用太陽能對整個裝置實施自供能，無需額外消耗電能；霧化冷凝水對空調外機進行降溫處理，提升了工作效率，延長了工作壽命；解決了空調冷凝水的排放問題，減少了空調污染排放。

應用前景：可廣泛運用于家庭、辦公室等每日空調使用時間較長的環境，可以提升空調帶來的感官體驗以及節約電能，從而產生經濟效益。

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［2］深圳市錦創力建設集團有限公司.一種節能空調：CN201721585862.0［P］.2018-06-08.

［3］陳靜，姚曄，朱正元.液體除濕劑超聲波霧化再生器模型及能耗特性［J］.制冷學報，2018（3）：92-99.

TU831

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.12.009

2095－6835（2020）12－0024－02

〔編輯：張思楠〕