分體空調冷凝器噴霧降溫技術實驗研究

蔣宇帆

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

引言

在全球溫室效應和城市熱島效應的影響下，我國南方地區夏季高溫炎熱，因此建筑物中大量使用空調器，以提供舒適的居住和辦公環境[1]。然而，大量空調器的使用不僅消耗了大量的能源，而且釋放的熱量加速了室外溫度的提升，導致城市居住環境的變差[2]。另一方面，在我國政府提出的“碳中和、碳達峰”戰略背景下，能源消耗問題日益受到人們的關注，大量的研究學者對建筑物空調器的運行能效展開了研究，以達到提高建筑物空調器的能效、降低二氧化碳的排放、節約能源和降低環境影響的目的。減少碳排放已然成為這個時代必須面臨的環境命題，提高空調器的節能效果在一定程度上能夠減少碳排放量和能源消耗，具有十分重要的環境保護意義[3]。

1 分體空調冷凝器噴霧降溫換熱的基本原理分析

在分體式空調器中，提高其能效的方法主要有3種，分別是采用高效的壓縮機（比如渦旋式壓縮式）、高換能的換熱器（比如增加肋排管面積、增加進風濕度等）和優化空調器的系統配置（比如改進管路布置、冷凝器改造等）[4-5]。冷凝器做空調器的關鍵組件，是實現空調換熱制冷的重要部件，其散熱性能的好壞直接影響到空調器的運行效果[6]。在常用的通風空氣冷卻式冷凝器中，采用的冷卻介質是空氣，而經過系統的優化配置，可采用水和空氣混合物作為冷卻介質[7]。具體的噴霧降溫過程見圖1，首先對自來水進行過濾處理，并用水泵抽取至儲液罐中備用，在通風空氣冷卻式冷凝器基礎上增加噴霧設備（噴頭），空調器抽取空氣時，噴頭向翅片管束進行噴霧，帶走制冷劑散發的熱量，并被排風扇排出空調器，達到了增強冷凝器的散熱效果的目的。噴霧冷卻式冷凝器的換熱過程可以具體描述為噴嘴噴出水體，在傳熱管上形成薄水膜，當空調中的制冷劑在傳熱管上流動時，管內溫度高而管外溫度低，形成溫度梯度，溫度逐步向管外散熱傳遞，其溫度傳遞過程中可分兩個步驟：第一步是管內制冷劑溫度向水膜傳遞溫度；第二步是水膜向空氣傳遞溫度，產生了熱交換，傳遞的熱量可以用公式（1）進行計算[8-10]。

圖1 分體空調冷凝器噴霧降溫過程

式中：Q1為管內制冷劑溫度向水膜傳遞的熱量；Q2為水膜向空氣傳遞的熱量；A0為冷凝器翅片的外表面積；Tk為管內冷凝機的溫度；Tw為薄水膜的溫度；dwm為水霧的質量除以干燥空氣的質量；dam為無水霧時空氣中水質量除以干燥空氣的質量；h''wm為水霧狀態下飽和空氣狀態下，單位質量空氣的熱量；ham為無水霧狀態下飽和空氣狀態下，單位質量空氣的熱量；Aw為薄水膜與空氣的接觸面積；βd為傳質系數，K0為傳熱系數，可以按公式（3）計算。

式中：ai為管內對流的換熱系數;ri為管內壁上的油垢熱阻;r0為管外壁上的水垢熱阻；Ai為管的表面積。

2 分體空調冷凝器噴霧降溫的測試分析

為了測試噴嘴個數對分體空調冷凝器噴霧降溫效果的影響，在室內設計了相應的對比試驗進行測試。分析中，采用典型的室外空氣溫度和濕度工況，即空氣溫度為30 ℃，空氣相對濕度為70%，空氣濕球溫度為25.6 ℃，空氣含濕量為19 g/kg，在進風口設置了3 種噴嘴工況，分別為6 個噴嘴、8 個噴嘴和10 噴嘴，噴嘴均勻布置于冷凝器周圍。噴嘴的壓力也設置了3種工況，分別為2 MPa、3 MPa 和4 MPa。試驗時，選用的分體空調器為國產空調器，設備型號為KFR-72LW，設備的額定制冷量為7 200 W，效能比COP為3.19，功率為23.20 W，制冷劑型號為R22，室內循環風量為1 200 m2/h，室內機的尺寸為530 mm×1810 mm×300 mm，室外機尺寸為860 mm×730 mm× 308 mm。

圖2 為不同噴嘴個數和不同噴壓條件下相對濕度隨著風量的測試結果。從圖中可以看出，隨著風量的增加，所有相對濕度曲線均呈現出逐漸增加后下降的趨勢；在相同噴嘴個數的情況下，隨著風量的增加，噴嘴壓力為2 MPa 的相對濕度略大于噴嘴壓力為3 MPa 的相對濕度，噴嘴壓力為2 MPa 和噴嘴壓力為3 MPa 的相對濕度均明顯大于噴嘴壓力為4 MPa 的相對濕度，以6 個噴嘴為例，2 MPa 噴嘴壓力的最大相對濕度為70.65%，3 MPa 噴嘴壓力的最大相對濕度為70.57%，4 MPa 噴嘴壓力的最大相對濕度為63.29%；在相同噴嘴壓力的情況下，隨著風量的增加，噴嘴個數為8 個和噴嘴個數為10 個的相對濕度相近，但噴嘴個數為6 個的相對濕度明顯小于噴嘴個數為8 個和噴嘴個數為10 個的相對濕度，以2 MPa 噴嘴壓力，噴嘴個數為6 個的最大相對濕度為70.66%，噴嘴個數為8 個的最大相對濕度為84.83%，嘴個數為10 個的最大相對濕度為81.69%。

圖2 不同噴嘴個數和不同噴壓條件下相對濕度隨著風量的變化曲線

圖3 為不同噴嘴個數和不同噴壓條件下冷凝器溫度隨著風量的測試結果。從圖中可以看出，隨著風量的增加，所有冷凝器溫度曲線均呈現出逐漸降低后略微抬升并收斂的趨勢；在相同噴嘴個數的情況下，隨著風量的增加，噴嘴壓力2 MPa 的冷凝器溫度、噴嘴壓力3 MPa 的冷凝器溫度、噴嘴壓力3 MPa 的冷凝器溫度整體而言逐漸增加。以6 個噴嘴為例，2 MPa噴嘴壓力的最小冷凝器溫度為27.03 ℃，3 MPa 噴嘴壓力的最大相對濕度為28.33 ℃，4 MPa 噴嘴壓力的最大相對濕度為29.14 ℃；在相同噴嘴壓力的情況下，隨著風量的增加，噴嘴個數為6 個、噴嘴個數為8個和噴嘴個數為10 個的冷凝器溫度整體而言逐漸增加，以2 MPa 噴嘴壓力，噴嘴個數為6 個的最小冷凝器溫度為27.03 ℃，噴嘴個數為8 個的最小冷凝器溫度為28.30 ℃，嘴個數為10 個的最小冷凝器溫度為29.13 ℃。

圖3 不同噴嘴個數和不同噴壓條件下溫度隨著風量的變化曲線

類似地，為研究高溫低濕度對分體空調冷凝器噴霧降溫效果的不利影響，通過改空氣濕度的數值進行試驗。試驗采用2 MPa 噴嘴壓力，噴嘴個數為10 個，空氣采用3 種工況：工況1：空氣溫度為30 ℃，空氣相對濕度為70%，空氣濕球溫度為25.6 ℃，空氣含濕量為19 g/kg；工況2：空氣溫度為30 ℃，空氣相對濕度為50%，空氣濕球溫度為25.6 ℃，空氣含濕量為19 g/kg；工況3：空氣溫度為30 ℃，空氣相對濕度為30%，空氣濕球溫度為25.6 ℃，空氣含濕量為19 g/kg。測試結果見圖4。從圖中可以看出，隨著風量的增加，所有溫度曲線均呈現先逐步減小后略有回升的趨勢，所有空氣相對濕度曲線則均呈現先逐步增加后逐步減小的趨勢。空氣濕度從30%逐漸增加到70%時，相對濕度曲線和溫度曲線均呈現逐步下移的趨勢。

圖4 不同空氣濕度條件下溫度和相對濕度隨著風量的變化曲線

3 工程應用實例

工程項目為北京市某新城綜合開發的PPP 項目，開發新建工程，并對現有建筑立面進行施工改造，以此種方式提升城市形象，增加城市內涵，優化城市公共建筑的綜合服務水平。

總之，該項目所在地區是集會議中心、展覽交流、景觀生態、精品商業、智慧城市等功能于一體的城市核心和城市地標空間。此工程項目綠化工程建設用地面積為18 220.72 m2，其中包括A-19 地塊12 976.31 m2，A-20 地塊1 373.44 m2，道路3 870.98 m2。地上建筑面積29 660.64 m2[已建辦18886 m2，城市客廳6 677.62 m2（展示客廳6 036.68 m2，休息區106.69 m2，城市書屋139.61 m2，設備用房394.64 m2），配套服務4 097.02 m2（配套用房3410.16 m2，食堂460.76 m2，設備用房226.10 m2）]。地下建筑面積16 163.38 m2（已建4 802 m2，新建11 361.38 m2）。新建一棟地下2 層、地上4 層至5 層（含一層夾層）的城市客廳，建筑整體為框架式結構，建設設計涉及到多種能源的綜合利用，設計熱負荷指標為45 w/m2。

通過采用冷凝器噴霧降溫技術，對項目中建筑物的分體空調器進行耗電量與制冷量的監測，監測時段為夏季，具體日期從當年6 月25 日至9 月25 日，監測結果表明，分體空調器采用噴霧降溫技術前其耗電量最大值為2.298 kW·h，最小值為2.200 kW·h，平均值為2.245 kW·h，采用噴霧降溫技術后其耗電量最大值為1.899 kW·h，最小值為1.701 kW·h，平均值為1.782 kW·h，平均節約電源0.465 kW·h；分體空調器采用噴霧降溫技術前其制冷量最大值為10.493 kW，最小值為10.003 kW，平均值為10.236 kW·h，采用噴霧降溫技術后其制冷量最大值為11.192 kW·h，最小值為10.506 kW，平均值為10.857 kW，平均提高制冷量0.594 kW。

4 結論

以北京市某新城綜合開發的PPP 項目為研究對象，采用理論分析和室內試驗研究相結合的方法對冷凝器噴霧降溫技術進行研究，得出以下幾個結論：

（1）不同噴嘴數量和噴嘴壓力條件下，隨風量的增加，空氣相對濕度曲線則均呈現先逐步增加后逐步減小的趨勢，冷凝器溫度曲線均呈現出逐漸降低后略微抬升并收斂的趨勢。

（2）結合工程實例，對夏季建筑物采用冷凝器噴霧降溫技術后的耗電量和制冷量進行監測，結果表明，冷凝器噴霧降溫技術可以平均降低耗電量為10.236 kW·h，平均提高制冷量為0.594 kW。