多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)室外機(jī)組噴霧降溫技術(shù)節(jié)能效果測(cè)試研究

鄒曉銳

在夏季用電高峰時(shí)段，空調(diào)系統(tǒng)的用電量約占建筑總用電量的40%以上，能耗量巨大，節(jié)能需求十分迫切[1]。多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)具有靈活、高效、無需設(shè)置專用機(jī)房等特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于辦公建筑。多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)為風(fēng)冷式，即通過室外機(jī)組的機(jī)械排風(fēng)氣流使得冷凝器換熱翅片與外界空氣進(jìn)行對(duì)流換熱以帶走室內(nèi)余熱。

由于我國廣東地區(qū)夏季室外氣溫較高，僅依靠風(fēng)冷冷卻實(shí)現(xiàn)的對(duì)流換熱量較為有限，導(dǎo)致壓縮機(jī)功耗增大，空調(diào)機(jī)組能效比降低，運(yùn)行工況欠佳也會(huì)縮短空調(diào)機(jī)組的使用壽命。根據(jù)卡諾定理可知，室內(nèi)外的溫差越小，即空調(diào)制冷循環(huán)的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度差值越小，耗電量就越小。相關(guān)研究表明，空調(diào)室外機(jī)組工作溫度每降低1 ℃，其單位制冷量對(duì)應(yīng)的用電量將下降3%～4%[2]。因此，采取降低空調(diào)系統(tǒng)冷凝溫度的措施可以有效減少空調(diào)室外機(jī)組的用電量。

1 噴霧降溫工作原理

水從液態(tài)到氣態(tài)相變吸收的熱量約為水升溫1 ℃吸收熱量的539 倍，空調(diào)系統(tǒng)室外機(jī)組的噴霧降溫技術(shù)是利用水霧化蒸發(fā)吸熱原理，用高壓水泵將水霧化成粒徑為3 ～10 μm 顆粒水霧噴灑在室外機(jī)翅片處。微細(xì)粒狀水霧吸熱汽化，在汽化過程中，水霧體積膨脹變大，吸收并帶走冷凝器換熱翅片表面及周邊的大量熱量，降低翅片表面和周邊環(huán)境的空氣溫度，以達(dá)到改變冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度進(jìn)而改善壓縮機(jī)運(yùn)行工況的目的[3，4]。

該技術(shù)是在不改變空調(diào)機(jī)組冷凝器既有散熱面積及通風(fēng)量的情況下，增設(shè)噴霧裝置，由水霧微粒汽化帶走冷凝器的熱量，使得室外機(jī)原先單一的風(fēng)冷冷卻方式變成風(fēng)冷（顯熱）和霧化（潛熱）冷卻相結(jié)合的混合式冷卻，并可降低室外機(jī)冷凝器周圍的環(huán)境溫度和室外機(jī)翅片表面溫度，從而降低冷凝器的冷凝溫度和冷凝壓力，減少壓縮機(jī)的高低壓差，提高設(shè)備制冷效率，有效優(yōu)化空調(diào)機(jī)組壓縮機(jī)的運(yùn)行工況，不僅可延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命，而且能夠?qū)崿F(xiàn)空調(diào)機(jī)組的節(jié)能運(yùn)行[5]。噴霧降溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，節(jié)能效果可達(dá)5%～10%。

2 應(yīng)用案例項(xiàng)目介紹

2.1 空調(diào)系統(tǒng)室外機(jī)組情況

廣東地區(qū)某辦公大樓的總建筑面積為20 020 m2，其中6 ～18 層采用多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行供冷，各層的空調(diào)系統(tǒng)相互獨(dú)立。為保持建筑外立面的統(tǒng)一美觀，6 ～15 層的多聯(lián)機(jī)室外機(jī)組安裝在建筑外部加裝的封閉平臺(tái)（6 ～15 層均有），平臺(tái)靠外側(cè)設(shè)置有玻璃幕墻與遮陽百葉，形成了局部密閉空間，各層封閉平臺(tái)處的機(jī)組數(shù)量均為2 臺(tái)，為提升排風(fēng)效果，機(jī)組的排風(fēng)口處連接有金屬風(fēng)管；16 ～18 層的多聯(lián)機(jī)室外機(jī)組安裝在屋頂天面（露天無遮擋），天面處的機(jī)組數(shù)量為7 臺(tái)，機(jī)組直接向上部空間排風(fēng)，無外接風(fēng)管。整棟建筑多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)室外機(jī)組總計(jì)27 臺(tái)，設(shè)備詳細(xì)情況見表1。

表1 多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)室外機(jī)組情況匯總

2.2 噴霧降溫系統(tǒng)組成情況

針對(duì)上述政府辦公大樓6 ～18 層采用多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)并建設(shè)了噴霧降溫系統(tǒng)。系統(tǒng)總計(jì)使用了342 個(gè)霧化噴口，每個(gè)室外機(jī)組安裝了9 ～15 個(gè)噴口，各型號(hào)機(jī)組對(duì)應(yīng)的噴口數(shù)量如下：GMV-300W/A 為9 個(gè)；GMV-450WM/B 為12 個(gè)；GMV-615WM/A 為15 個(gè)。

噴口上下間距為300 mm，固定用立柱左右間距250 ～300 mm，噴口與多聯(lián)機(jī)空調(diào)室外機(jī)組翅片表面距離為200 ～250 mm；噴出高壓水霧粒徑3 ～10 μm，噴口為離心式，噴霧角度30°～60°，流量10 ～25 ml/min；系統(tǒng)的支管和干管分別由高壓聚乙烯（Polyethylene，PE）管和液態(tài)不銹管構(gòu)成，其公稱壓力分別為7 MP 和12 MPa。

系統(tǒng)的高壓噴霧主機(jī)工作電壓為交流380 V，額定功率為2.2 kW，額定噴霧量為720 L/h；主機(jī)中的高壓柱塞泵將進(jìn)水由低壓的0.3 MPa 提高到穩(wěn)定的高壓2 ～7 MPa，主機(jī)內(nèi)部設(shè)置有儲(chǔ)水箱，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)水，并可手動(dòng)設(shè)置出水壓力，且保持恒壓供水。

系統(tǒng)總計(jì)使用了27 個(gè)電磁閥、27 個(gè)溫度傳感器（分別對(duì)應(yīng)27 臺(tái)空調(diào)室外機(jī)組）和1 個(gè)溫濕度傳感器，電磁閥安裝在各空調(diào)室外機(jī)組的末端噴霧管路，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴口的啟停控制，溫度傳感器加裝在空調(diào)機(jī)組的外接排風(fēng)管內(nèi)或風(fēng)機(jī)外側(cè)，溫濕度傳感器安裝在屋頂天面處，用于監(jiān)測(cè)室外環(huán)境空氣的溫濕度。

系統(tǒng)使用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC） 來實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓噴霧主機(jī)和末端處各電磁閥的啟停控制，在屋頂天面和6 ～15 層各處的封閉平臺(tái)均安裝了PLC 控制柜，基于傳感器監(jiān)測(cè)的機(jī)組排風(fēng)溫度與室外空氣溫度，結(jié)合時(shí)段控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓噴霧主機(jī)和末端處各電磁閥的啟停控制。

3 節(jié)能效果測(cè)試分析

3.1 測(cè)試工況

測(cè)試日期為2020 年9 月的某個(gè)工作日14：00 ～16：30，當(dāng)日的天氣條件為多云，日間平均氣溫約為35 ℃，測(cè)試對(duì)象為6 ～15 層封閉平臺(tái)和屋頂天面的各處室外機(jī)組在噴霧開啟與停用兩種狀態(tài)下的運(yùn)行情況，測(cè)試參數(shù)包括機(jī)組的運(yùn)行功率、排風(fēng)溫度和周邊環(huán)境的溫濕度等。在當(dāng)天的測(cè)試時(shí)段內(nèi)，大樓部分區(qū)域的辦公室和會(huì)議室等沒有人員使用，因此空調(diào)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)部分的室外機(jī)組未開啟運(yùn)行。

3.2 測(cè)試方法與條件等

（1）測(cè)試方法。用功率計(jì)分別測(cè)試空調(diào)系統(tǒng)室外機(jī)組在無噴霧與有噴霧兩種工況下的運(yùn)行功率，用溫濕度儀分別測(cè)試各處空調(diào)室外機(jī)組周邊環(huán)境的溫濕度，并根據(jù)加裝在室外機(jī)組排風(fēng)管內(nèi)的溫度傳感器讀取記錄機(jī)組的排風(fēng)溫度。每種工況測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為5 min 左右，測(cè)試參數(shù)取測(cè)試時(shí)段對(duì)應(yīng)的平均值；兩種工況的測(cè)試間隔為5 min 左右；溫度、濕度及功率值的記錄時(shí)間間隔均為1 min/次，對(duì)應(yīng)的測(cè)試值取測(cè)試時(shí)段內(nèi)的平均值。

（2）測(cè)試儀器。功率計(jì)、溫濕度儀、溫度傳感器、卷尺。

（3）測(cè)點(diǎn)布置。各層的空調(diào)室外機(jī)組為同一線路，在各層的低壓配電間配電柜對(duì)應(yīng)線路處布置功率計(jì)1 臺(tái)，測(cè)試機(jī)組的運(yùn)行功率。在各處室外機(jī)組進(jìn)風(fēng)口換熱翅片前端約0.3 m 處布置1 個(gè)溫濕度儀，距地面約1.2 m 高。

（4）測(cè)試條件。測(cè)試期間空調(diào)系統(tǒng)室外機(jī)組均正常運(yùn)行，各辦公室和會(huì)議室無臨時(shí)使用或停用、人員長(zhǎng)時(shí)間外出等供冷負(fù)荷突變的情況，大樓各層的多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行工況較穩(wěn)定，室內(nèi)冷負(fù)荷相對(duì)較穩(wěn)定，各處（包括封閉平臺(tái)和屋頂天面）機(jī)組周邊環(huán)境溫濕度的波動(dòng)較小。

3.3 測(cè)試結(jié)果與分析

選取6 層與16 層兩個(gè)代表性樓層空調(diào)室外機(jī)組，在無噴霧和有噴霧兩種工況下測(cè)得的排風(fēng)溫度和運(yùn)行功率測(cè)試值詳見圖1 和圖2。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，空調(diào)室外機(jī)組的排風(fēng)溫度和運(yùn)行功率測(cè)試數(shù)據(jù)都較為穩(wěn)定，有噴霧工況下室外機(jī)組的排風(fēng)溫度和運(yùn)行功率較無噴霧工況有明顯降低，機(jī)組的效能得到優(yōu)化。整個(gè)多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)在有、無噴霧降溫兩種工況下的運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)如表2 所示。

圖1 6 層空調(diào)室外機(jī)組在兩種工況下排風(fēng)溫度和運(yùn)行功率測(cè)試值圖（來源：作者自繪）

圖2 16 層空調(diào)室外機(jī)組在兩種工況下排風(fēng)溫度和運(yùn)行功率測(cè)試值（來源：作者自繪）

由表2 可知，應(yīng)用噴霧降溫系統(tǒng)后，空調(diào)室外機(jī)組的排風(fēng)溫度降低，溫差最小值為2.2 ℃，最大值為5.2 ℃；空調(diào)室外機(jī)組的運(yùn)行功率也相應(yīng)下降，節(jié)能率最小值為5.75%，最大值為8.48%。

表2 噴霧降溫系統(tǒng)運(yùn)行效果測(cè)試數(shù)據(jù)

設(shè)空調(diào)室外機(jī)組總運(yùn)行功率值在無噴霧和有噴霧工況下分別為P1和P2，高壓水泵的運(yùn)行功率為P3，節(jié)能率為η，則系統(tǒng)的總節(jié)能率為η=（P1-P2-P3）/P1=（217.29-201.83-2.20）/217.29=6.10%。因此，增加噴霧降溫系統(tǒng)后空調(diào)系統(tǒng)室外機(jī)組的總體節(jié)能率為6.10%。

4 結(jié)語

基于對(duì)節(jié)能改造工程的測(cè)試，噴霧降溫技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)一定的節(jié)能效果，該項(xiàng)技術(shù)在短時(shí)間內(nèi)能夠使空調(diào)室外機(jī)組的排風(fēng)溫度降低2.2 ～5.2℃，系統(tǒng)的總體節(jié)能率達(dá)到6.10%。本文研究與相關(guān)測(cè)試僅限于某一具體改造項(xiàng)目的節(jié)能效果，實(shí)際上影響噴霧降溫技術(shù)節(jié)能效果的因素較多，包括噴口布置密度、噴口相互間距、噴射方向角度、噴霧水量、噴口與冷凝器翅片表面的距離、噴灑持續(xù)時(shí)間及時(shí)間間隔設(shè)定等，這些均有待后續(xù)的深入研究。

在非空調(diào)季停用期間做好噴霧降溫系統(tǒng)養(yǎng)護(hù)是保證其正常運(yùn)行的關(guān)鍵，同時(shí)應(yīng)考慮空調(diào)室外機(jī)組換熱翅片的防腐蝕處理，并在系統(tǒng)運(yùn)行過程中做好維護(hù)保養(yǎng)工作，如定期檢查水處理器、高壓水泵、電磁閥和高壓管道，以避免漏水與爆管，還應(yīng)定期清洗更換水過濾器等。