蒸發(fā)式冷凝器在風(fēng)冷型多聯(lián)空調(diào)機(jī)組節(jié)能改造中的應(yīng)用研究

黃立文 陳妙陽 曾德強(qiáng) 李永華

（1廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 廣州 510670；2.廣東威墾阿爾法創(chuàng)新科技有限公司 廣州 510000）

引言

近年來隨著國家社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，我國的房屋建筑規(guī)模日益擴(kuò)大并處于歷史高峰期，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國城市每年約新增8～9億平方米的住宅建筑和公共建筑，其中大部分建筑都安裝有空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)能耗占建筑總能耗約（50～70）%，特別是安裝了與人體舒適性相關(guān)的冷暖空調(diào)大多是采用風(fēng)冷型的散熱模式，該類型空調(diào)在夏季高溫天氣下運(yùn)行效率下降，能耗上升，加之近年溫室氣體排放造成的夏天連續(xù)高溫天氣狀況頻發(fā)，加劇了該類風(fēng)冷空調(diào)設(shè)備在這種天氣條件下高能耗低效率的弊端呈現(xiàn)。如何降低該類型空調(diào)能耗從而減少建筑耗能成為我國既有建筑節(jié)能降耗亟待解決的問題，。我國歷來重視節(jié)能減排工作，2022年國務(wù)院發(fā)布《“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案》，《方案》明確提出目標(biāo)，到2025年，全國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗比2020年下降13.5 %，主要實(shí)施措就包括全面積極推進(jìn)既有建筑節(jié)能改造，實(shí)施綠色高效制冷行動(dòng)，以建筑中央空調(diào)、數(shù)據(jù)中心、商務(wù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)、冷鏈物流等為重點(diǎn)，更新升級(jí)制冷技術(shù)、設(shè)備，優(yōu)化負(fù)荷供需匹配，大幅提升制冷系統(tǒng)能效水平。

1 風(fēng)冷機(jī)組耗能性能變化情況分析

1）在既有的建筑中，因?yàn)榭照{(diào)老化導(dǎo)致的建筑耗能增加尤為突出。目前我國既有的建筑中幾乎都安裝了空調(diào)制冷系統(tǒng)，其中有部分建筑安裝了風(fēng)冷型多聯(lián)空調(diào)機(jī)組，由于該類型機(jī)組運(yùn)行自動(dòng)化程度高、可冷可暖、使用方便等特點(diǎn)，比水冷型空調(diào)省去了冷卻搭等水路系統(tǒng)，具有安裝周期短、設(shè)備占地面積小、成本低等等優(yōu)點(diǎn)，因此在在中小型場所，如商用寫字樓、辦公樓、高檔商住樓、飯店、學(xué)校中得到了廣泛的應(yīng)用。風(fēng)冷型多聯(lián)空調(diào)主機(jī)使用的風(fēng)冷式冷凝器結(jié)構(gòu)為銅管+鋁翅片式的換熱器，該冷凝器長時(shí)間在室外惡劣的工作環(huán)境中運(yùn)行后，冷凝器翅片容易產(chǎn)生老化腐蝕、積塵現(xiàn)象，冷凝器的表面污垢系數(shù)變大，傳熱系數(shù)變小，散熱性能下降，性能下降系數(shù)約為每增加使用1年，性能下降（1.5～2）%，而且該性能下降系數(shù)始終貫穿整個(gè)空調(diào)使用階段。

以廣州某品牌電梯工廠辦公樓安裝的一套20HP多聯(lián)機(jī)空調(diào)為例，該空調(diào)于2010年12月安裝并投入使用，該工廠對每臺(tái)空調(diào)都安裝了能耗及運(yùn)行參數(shù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，調(diào)取近10年的符合標(biāo)準(zhǔn)工況機(jī)組運(yùn)行條件下的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（見表1），可見隨著使用時(shí)間變長，空調(diào)機(jī)組的耗電量在逐年增加，耗電量年增長幅度約為2 %（見圖1），符合上述1）條款表述的特征。

表1 廣州某辦公樓20HP多聯(lián)機(jī)耗電量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)（制冷季節(jié)）

圖1 空調(diào)機(jī)組的使用年限耗電量趨勢圖

2）根據(jù)中央氣象臺(tái)提供的近10年夏天高溫天氣趨勢線走勢圖（見圖2），中國進(jìn)入了歷史上最熱的10年連續(xù)高溫期并有持續(xù)惡化的跡象，夏季極端高溫天氣溫度不斷向上突破，高溫天氣天數(shù)持續(xù)增加，特別是去年，高溫天氣連續(xù)79天，在陜西、四川、重慶、湖北、湖南、江西、安徽、江蘇、上海、浙江等地，部分地區(qū)最高氣溫已達(dá)（40～42）℃，南方地區(qū)40 ℃以上站點(diǎn)已連成片，達(dá)到駭人的地步，這樣的高溫天氣下，風(fēng)冷型空調(diào)超出正常工作的適應(yīng)區(qū)間，能效比急劇下降的同時(shí)反而進(jìn)入高耗能工作區(qū)間，極端高溫及持續(xù)高溫天氣導(dǎo)致早期設(shè)計(jì)并安裝的風(fēng)冷型空調(diào)主機(jī)的制能力下降，從而影響建筑內(nèi)的人員的體感舒適性，處于能耗高卻舒適性下降的窘境。

圖2 全國平均氣溫趨勢圖

3）若此時(shí)建筑物的風(fēng)冷型主機(jī)因上述2個(gè)因素疊加，將導(dǎo)致其風(fēng)冷型空調(diào)能效與性能嚴(yán)重下降，能耗增高，同時(shí)風(fēng)冷空調(diào)主機(jī)在這種條件下長時(shí)間運(yùn)行后，最終會(huì)導(dǎo)致冷凝器失效，空調(diào)機(jī)組工作電流增大、故障頻發(fā)，機(jī)組的耗電量也大幅增加，空調(diào)制冷效果反而劣化，大大縮短了空調(diào)機(jī)組的使用壽命，甚至?xí)痣娫措娏鞒鲐?fù)荷引起火災(zāi)、爆炸等安全事故[1]。

2 蒸發(fā)式冷凝器的技術(shù)原理和特點(diǎn)

技術(shù)原理：從壓焓圖（圖3）來說明本產(chǎn)品技術(shù)路線。傳統(tǒng)的風(fēng)冷型冷凝器的散熱方式完全是顯熱方式的熱交換模式，效率低（補(bǔ)充數(shù)據(jù)說明），而蒸發(fā)冷則是利用了水氣化的相變過程吸收大量熱的潛熱原理（水的氣化潛熱約為2 450 kJ/kg）來交換從壓縮機(jī)出來的高溫高壓氣態(tài)冷媒的熱量，因此蒸發(fā)冷比風(fēng)冷方式效率更高。換句話說，排除等量熱量用水冷方式比風(fēng)冷方式耗 去的能量要小得多。從圖3來看顯熱的干球溫度為35 ℃時(shí)，對應(yīng)的濕球溫度值下降到28 ℃附近（假定值），因此同樣的天氣條件下，用水來做熱交換能使高溫高壓氣態(tài)冷媒有更好的冷凝作用，能充分保證被交換的冷媒完全液化，理論上冷媒的冷凝溫度每下降1℃，其蒸發(fā)效率提升3.6 %，更低的冷媒特性有利于提高制冷能力、提升效率。圖3理論值提示，最高制冷系統(tǒng)可省電40 %以上蒸發(fā)冷冷凝原理在制冷行業(yè)應(yīng)用廣泛，但實(shí)現(xiàn)的手段各有不同。本文中實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)冷冷凝的方式如圖4：蒸發(fā)式冷凝器以水為工作介質(zhì)，由排風(fēng)風(fēng)機(jī)、散熱濕膜、換熱器和循環(huán)水泵系統(tǒng)組成，工作時(shí)水泵將水槽里經(jīng)冷卻后的水送至冷凝換熱器內(nèi)吸收制冷劑蒸汽熱量，換熱后水經(jīng)過噴淋裝置噴灑到散熱濕膜，散熱風(fēng)機(jī)使空氣自下而上強(qiáng)制對流經(jīng)過濕膜，濕膜表面水蒸發(fā)，以潛熱方式聯(lián)同水蒸氣本身把熱量傳遞給空氣，剩余的水落在水槽中供水泵循環(huán)使用。蒸發(fā)式冷凝器具有節(jié)能、節(jié)水和對環(huán)境友好的特點(diǎn)。蒸發(fā)式冷凝器的冷凝溫度與空氣的濕球溫度有關(guān)，冷凝溫度比風(fēng)冷式冷凝器要低（5～11）℃，冷凝溫度降低能使壓縮機(jī)的排氣溫度和壓力降低，提高制冷機(jī)組的制冷效率從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。而且在工作過程中，冷凝器周圍空氣溫度不會(huì)明顯升高，甚至環(huán)境溫度會(huì)下降，濕度會(huì)增加，不會(huì)和風(fēng)冷型空調(diào)機(jī)組一樣產(chǎn)生熱島效應(yīng)，造成環(huán)境熱污染，對環(huán)境友好。另外由于水的氣化潛熱約為2 450 kJ/kg，而水冷式冷凝器中冷卻水的溫升只有約（4～8）℃，即每千克冷卻水帶走的熱量約為（25～35）kJ，所以蒸發(fā)式冷凝器消耗的水量理論上僅為水冷式的1/70～1/100[2]，用水量比普通水冷式冷凝器要少。蒸發(fā)式冷凝器的研究起步較早[2-5]，作為一種強(qiáng)化傳熱換熱器，具有結(jié)構(gòu)緊湊和占地面積小的優(yōu)點(diǎn)，蒸發(fā)式冷凝器在電廠換熱中得到一定的應(yīng)用[6-8]，近年來也逐漸應(yīng)用到制冷領(lǐng)域中[9]。本文通過對蒸發(fā)式冷凝器應(yīng)用于風(fēng)冷多聯(lián)空調(diào)機(jī)組進(jìn)行節(jié)能應(yīng)用研究。

圖3 技術(shù)原理壓焓圖

圖4 蒸發(fā)式冷凝器工作結(jié)構(gòu)圖

圖5 蒸發(fā)式冷凝器與多聯(lián)機(jī)空調(diào)機(jī)組連接工作示意圖

3 蒸發(fā)式冷凝器在風(fēng)冷多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組中應(yīng)用的改造方案

廣州某品牌電梯工廠辦公樓安裝的一套20HP多聯(lián)機(jī)空調(diào)機(jī)組于2010年12月安裝并投入使用，由于冷凝器腐蝕老化，耗電量年增長幅度約為2 %（見表1），而且經(jīng)常出現(xiàn)高溫保護(hù)等故障，制冷效果劣化嚴(yán)重。如需要將機(jī)組恢復(fù)回原來狀態(tài)，需要更換機(jī)組的室外機(jī)，成本較高。我們通過在原來系統(tǒng)中接入蒸發(fā)式冷凝器模塊對機(jī)組進(jìn)行節(jié)能改造，改造方案見圖5。原機(jī)組的制冷量為56 kW，冷凝器熱負(fù)荷約為67 kW，由于原風(fēng)冷冷凝器老化散熱能力衰減，在節(jié)能改造中選擇散熱量為25 kW的蒸發(fā)式冷凝器模塊串聯(lián)到原風(fēng)冷冷凝器流路中來提高原機(jī)組的冷凝器散熱能力，改造對原機(jī)組機(jī)構(gòu)沒有破壞，僅在串聯(lián)了蒸發(fā)冷凝器后由于冷凝器管路加長追加補(bǔ)充了等量的制冷劑和冷凍油，由于原機(jī)組為變頻多聯(lián)機(jī)組，原機(jī)組風(fēng)冷散熱系統(tǒng)同樣為變頻系統(tǒng)，通過檢測冷媒的溫度與壓力來自動(dòng)調(diào)節(jié)冷媒的過冷度，因此無需對原機(jī)組的控制系統(tǒng)做任何改動(dòng)。

4 蒸發(fā)冷節(jié)能改造前耗電量比較

廣州地區(qū)年制冷使用時(shí)長達(dá)9～10個(gè)月，從3月份開始進(jìn)入抽濕需求，到趨近年底的11月份，甚至在12月份都有開機(jī)制冷的需求。因此，我們對制冷需求重點(diǎn)的4個(gè)月（6月～9月）做數(shù)據(jù)記錄收集，經(jīng)歸納計(jì)算，該時(shí)間段約占全年制冷需求時(shí)長的45 %，能充分說明制冷工況的各項(xiàng)指標(biāo)特征。

2022年6 月～9月制冷季節(jié)期間，筆者跟蹤對比了某辦公樓安裝的已經(jīng)使用10年的某品牌20HP（額定制冷量：56 kW）2臺(tái)同樣制冷工況同樣制冷量主機(jī)設(shè)備的各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)，被跟蹤數(shù)據(jù)的該2臺(tái)主機(jī)中，1臺(tái)為原未改造的主機(jī)（以下表格對應(yīng)：改造前（純風(fēng)冷）），另一臺(tái)則已經(jīng)實(shí)施蒸發(fā)冷改造的主機(jī)（以下表格對應(yīng)：改造后（蒸發(fā)冷+風(fēng)冷）），對2臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)分別進(jìn)行了記錄與歸納（見表2、3）。

表2 機(jī)組改造前與增加蒸發(fā)式冷凝器改造后運(yùn)行指標(biāo)對比表

表3 機(jī)組改造前與增加蒸發(fā)式冷凝器改造后運(yùn)行耗電量對比表

由表2、3數(shù)據(jù)可知，實(shí)施節(jié)能技術(shù)改造后，機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)有了很大的改善，冷凝壓力、冷凝溫度、運(yùn)行功率和電流明顯降低，室內(nèi)送風(fēng)溫度也有所降低，機(jī)組的效率和制冷效果明顯提高，從6～9月制冷季節(jié)（約占全年制冷時(shí)長的45 %）運(yùn)行耗電量結(jié)果可知，節(jié)省耗電量6 219.5 kWh，按0.75元/kWh計(jì)算，節(jié)省電費(fèi)4 665元，則全年可節(jié)省電費(fèi)10 365元，同時(shí)可獲得相當(dāng)于2.07噸標(biāo)準(zhǔn)煤的節(jié)能減排碳指標(biāo)（注：1 t標(biāo)準(zhǔn)煤碳排放指標(biāo)=3 000 kWh）。

5 節(jié)能改造投入-產(chǎn)出分析

按以上20HP多聯(lián)機(jī)主機(jī)為例，多聯(lián)空調(diào)機(jī)組增加蒸發(fā)冷冷凝器模塊改造工程投入成本約計(jì)3萬元，每年節(jié)能電費(fèi)10 365元，投資回收期＜3年，年平均還可獲得相當(dāng)于4.6 t標(biāo)準(zhǔn)煤的節(jié)能減排碳指標(biāo)，改造后不僅提高主機(jī)運(yùn)行的能效，同時(shí)比更換新外機(jī)節(jié)省費(fèi)用 。

6 結(jié)論

通過對風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)組增加蒸發(fā)式冷凝器改造，改造后空調(diào)機(jī)組出風(fēng)溫度明顯下降，空調(diào)制冷效果得到改善，同時(shí)機(jī)組的冷凝壓力、冷凝溫度、運(yùn)行功率和運(yùn)行電流都有明顯下降，每年可減少電費(fèi)支出超過1萬元，比改造前節(jié)能近30 %（年平均），可見蒸發(fā)式冷凝器在小型風(fēng)冷空調(diào)機(jī)組中的節(jié)能改造可以在建筑節(jié)能降耗方面發(fā)揮重要的作用。