分體空調(diào)冷凝水回收利用實(shí)驗(yàn)研究

陳 鵬，盧 軍，張惠民，霍偵偵，曾 瀟

（重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶 400045）

隨著全球范圍內(nèi)能源需求的不斷增長以及不可再生能源的快速消耗，能源供應(yīng)日趨緊張。從資源消耗上來看，全球約1／6的資源消耗與建筑行業(yè)直接相關(guān)，中國建筑能耗總量已占能源總消費(fèi)量的27.6%。而建筑能耗里，用于暖通空調(diào)的能耗又占建筑能耗的30%～50%。如何降低空調(diào)能耗，以最少的投入換取最大的產(chǎn)出，追求在消耗最少的能源前提下，達(dá)到舒適、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的目的成為人們研究的重點(diǎn)。將建筑節(jié)能新技術(shù)與空調(diào)系統(tǒng)相匹配，從而達(dá)到降低空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗、提高空調(diào)的制冷效率的目是此次課題研究的主要內(nèi)容［1］。

人們生活水平的提高，伴隨著生活水平和工作環(huán)境的提高，因此近幾年，我國分體空調(diào)器的生產(chǎn)和應(yīng)用的發(fā)展非常迅猛。當(dāng)前，空調(diào)器產(chǎn)生的冷凝水達(dá)到直接排放，這種方式既浪費(fèi)了冷凝水的有效冷量，同時還影響了周圍環(huán)境給用戶帶來不便。實(shí)際上，空調(diào)器冷凝水無需向外排放，反而可以將其用來預(yù)冷冷凝器進(jìn)風(fēng)，對冷凝器的散熱有利，在降低空調(diào)器運(yùn)行能耗的同時也解決了空調(diào)器環(huán)境污染現(xiàn)象。

不少科研工作者曾對空調(diào)冷凝水利用方面進(jìn)行了研究［2－4］，但這些研究主要是針對冷水如何利用以及實(shí)驗(yàn)方案，偏重于理論而缺少試驗(yàn)研究。本文就回收冷凝水用于預(yù)冷冷凝器進(jìn)風(fēng)對空調(diào)器性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)裝置及原理介紹

為了便于試驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)測試，選擇重慶大學(xué)城環(huán)實(shí)驗(yàn)樓一樓某實(shí)驗(yàn)室分體空調(diào)作為試驗(yàn)對象，該實(shí)驗(yàn)室長8m，寬3.5m，高4m。該實(shí)驗(yàn)室單體空調(diào)型號為格力3P柜機(jī)KFR－72LW／E（72568L）C1－N2，部分額定參數(shù)見表1。

表1 KFR－72LW／E（72568L）C1－N2型柜機(jī)額定參數(shù)

為了回收冷凝水用于預(yù)冷冷凝器進(jìn)風(fēng)，制作如圖1所示的試驗(yàn)裝置實(shí)體。該裝置主要由上、下水槽，海綿吸濕條，小潛水泵，小水箱，水管和插座等組成。由于室內(nèi)機(jī)安裝高度與室外機(jī)一致，需采用水泵將產(chǎn)生的冷凝水輸送到預(yù)冷裝置中；冷凝水的產(chǎn)生具有間斷性，這里用小水箱蓄水以便潛水泵運(yùn)行；上水槽用于接收水泵輸送的冷凝水，進(jìn)而均勻分配給各個海綿吸濕條；下水槽儲存沿吸濕條流下未處理完的冷凝水，以便在水槽中進(jìn)一步蒸發(fā)。

圖1 試驗(yàn)裝置實(shí)體

將預(yù)冷裝置安裝在冷凝器進(jìn)風(fēng)口處，預(yù)冷系統(tǒng)流程示意圖見圖2所示，截面1－1和2－2見圖3所示。

圖2 冷凝水預(yù)冷系統(tǒng)流程

圖3 截面1－1和2－2示意圖

結(jié)合圖2和圖3，預(yù)冷系統(tǒng)的工作原理為：蒸發(fā)器外表面溫度低于室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度產(chǎn)生冷凝水，冷凝水積于冷凝水盤，通過冷凝水管流入小水箱，再由潛水泵輸送至上水槽，經(jīng)過水槽底面小孔分配到海綿吸濕條上，吸濕條上的冷凝水與室外進(jìn)風(fēng)進(jìn)行直接熱濕交換，被冷卻的進(jìn)風(fēng)與冷凝器內(nèi)高溫高壓的制冷劑間接換熱。其預(yù)冷原理見圖4所示。

圖4 制冷循環(huán)T－s原理

從上圖可以看出，原始制冷循環(huán)為1－2－2′－3－4－1，裝有預(yù)冷裝置后制冷循環(huán)為1－2－2′－3－3′－4′－1。其中，3－3′為預(yù)冷裝置的預(yù)冷過程，制冷劑經(jīng)過冷凝器時對液態(tài)制冷劑再冷卻，再冷溫度為Δts.c。由于高壓液態(tài)制冷劑的在冷卻，在壓縮機(jī)耗功量不變的情況下，單位質(zhì)量制冷能力增加Δq0，因此節(jié)流損失減少，制冷系數(shù)有所提高。

2 參數(shù)測試及分析

為了得到預(yù)處理裝置對空調(diào)器COP的影響，需測量的參數(shù)有：室外溫濕度、室內(nèi)送回風(fēng)溫濕度、冷凝器進(jìn)出口溫濕度、室內(nèi)送風(fēng)風(fēng)速、冷凝器進(jìn)風(fēng)風(fēng)速、空調(diào)器功率等。由此可以得到冷凝水產(chǎn)生量、所需冷水量以及預(yù)冷裝置對空調(diào)器COP的影響。

2.1 溫濕度測試及分析

筆者于2012年8月13日、14日分別對未裝備和裝有預(yù)冷裝置的空調(diào)器進(jìn)行測試，為了排除室外環(huán)境對試驗(yàn)的影響，選取12∶00到15∶00作為測試時段。其中13日12∶00到15∶00測試了未裝預(yù)冷裝置的空調(diào)器運(yùn)行參數(shù)，14日所用儀器有溫濕度自記儀、室內(nèi)空氣品質(zhì)檢測儀、三項鉗形功率表和通風(fēng)表等。該時段內(nèi)室外環(huán)境、室內(nèi)送回風(fēng)以及冷凝器進(jìn)出風(fēng)的干球溫度及相對濕度變化見圖5。

從圖5可以看出，測試期間的溫度和相對濕度較為穩(wěn)定，干球溫度范圍為33.7℃～34.3℃，相對濕度范圍為62%～63.5%。兩次試驗(yàn)的平均參數(shù)分別為34.01℃、62.79%和34.05℃、62.62%，平均干球溫度和相對濕度差值僅為0.04℃和0.17%。文獻(xiàn)［1］給出某分體空調(diào)器在室內(nèi)設(shè)定溫度為24℃時，其COP與室外干球溫度的關(guān)系式為：

從上式可以計算得到室外溫度分別為34.01℃和34.05℃ 時，COP分別為 3.627和3.624，變化僅為0.0827%。為此，在兩次試驗(yàn)對比中，可以忽略室外環(huán)境對空調(diào)器COP的影響。

2.2 冷凝水量計算

2.2.1 空調(diào)器冷凝水產(chǎn)生量計算 夏季空調(diào)器的蒸發(fā)溫度較室內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度低，產(chǎn)生冷凝水。冷凝水量可由下式計算：

圖5 測試期間室外干球溫度和相對濕度變化

式中：Mc，0——空調(diào)產(chǎn)生的冷凝水量，kg／h；

ρ——空氣密度，kg／m3；

V——室內(nèi)送風(fēng)口平均風(fēng)速，m／s；

F——室內(nèi)送風(fēng)口面積，m2；

de，1——室內(nèi)回風(fēng)含濕量，g／g；

de，2——室內(nèi)送風(fēng)含濕量，g／g。

通過測得的室內(nèi)送、回風(fēng)干球溫度和相對濕度可得空氣的含濕量，選取5個測點(diǎn)風(fēng)速的算術(shù)平均值作為平均風(fēng)速。由此計算得到空調(diào)器產(chǎn)生的冷凝水量見圖6所示。

圖6 空調(diào)器冷凝水產(chǎn)生量和所需冷凝水量

從圖6可以看出，測試期間該空調(diào)器冷凝水產(chǎn)生量為3.08～3.74g／s，平均值為3.46kg／s，冷凝水產(chǎn)生量較為穩(wěn)定。

2.2.2 預(yù)冷裝置所需冷凝水計算 將預(yù)冷裝置安置在冷凝器進(jìn)風(fēng)口處，上水槽和下水槽都裝滿冷水，同時每次測試數(shù)據(jù)之前均將海綿吸濕條用冷水潤濕，盡可能提高冷凝器進(jìn)風(fēng)的吸濕能力。空調(diào)器運(yùn)行期間，通過測得冷凝器進(jìn)、出風(fēng)干球溫度、相對濕度和風(fēng)速等，即可得到預(yù)冷裝置所需冷凝水量，計算結(jié)果繪于圖6。從中可以看出，預(yù)冷所需冷凝水量為3.66g／s～8.21g／s，平均值為6.15g／s。同時，冷水需求量與冷凝水產(chǎn)量相比，逐時變化較大。

從上述分析可知，空調(diào)產(chǎn)生的冷凝水量小于預(yù)冷所需冷凝水量，差值約為2.69g／s，達(dá)到所需水量的56.26%。為此在實(shí)際應(yīng)用中，為了達(dá)到更好的預(yù)冷效果，需額外的添加冷水。

2.3 預(yù)冷裝置空調(diào)器COP的影響

為了對比空調(diào)器安裝預(yù)冷裝置前后其性能的變化以及自身提供的冷凝水預(yù)冷與足夠冷水預(yù)冷的效果比較，就3種工況分別進(jìn)行了試驗(yàn)。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，得到3次試驗(yàn)下空調(diào)器COP變化曲線。試驗(yàn)期間空調(diào)的功率、制冷量以及COP的變化見圖7所示。

圖7 空調(diào)的功率、制冷量以及COP的變化

從圖7可以看出3種試驗(yàn)工況下的功率、制冷量和COP值的變化，具體表現(xiàn)為以下幾方面。

1）功率。該空調(diào)器裝有預(yù)冷裝置前后功率所有減小，分別減小約0.19KW 和0.10KW，即減小比例為4.9%和4.1%。

2）制冷量。從圖7中可以看出各測試時刻制冷量變化較大。裝有預(yù)冷裝置后，制冷有所增大，增大約0.25KW和0.31KW。

3）性能系數(shù)COP。裝有預(yù)冷裝置的空調(diào)器，由于功率減低和制冷量的增大，最終表現(xiàn)為COP的增大。未裝預(yù)冷裝置、足夠冷水預(yù)冷以及冷凝水預(yù)冷3種工況下的平均COP分別為2.54、2.87和2.78，由此裝有預(yù)冷裝置后COP分別提高12.94%和9.52%。

3 結(jié) 論

通過試驗(yàn)表明，采用預(yù)冷裝置后，無論配有足夠冷水還是自身產(chǎn)生的冷凝水，都使得空調(diào)器耗功率降低和制冷量的提高，相對對原始空調(diào)器COP分別提高了12.94%和9.52%，具有一定的節(jié)能潛力，同時解決了冷凝水的浪費(fèi)和無規(guī)律排放問題。

提供足夠冷水與自身產(chǎn)生冷凝水兩種工況下，前者更具有節(jié)能潛力，即COP提高更大。而空調(diào)器冷凝水產(chǎn)生量不足以提供其所需的冷水量，僅為前者的56.26%，因此在實(shí)際應(yīng)用可以通過人為的辦法添加冷水，以便發(fā)揮出預(yù)冷裝置最大的節(jié)能潛力。

本次試驗(yàn)采用了小型潛水泵將冷凝水輸送到上水槽，但是實(shí)際應(yīng)用中可以通過正確的安裝方式，即室內(nèi)機(jī)安裝高于室外機(jī)以便冷凝水能夠自動流到上水槽，這樣可以減少部分投資，以便該裝置的推廣和應(yīng)用。

［1］劉雄偉，劉剛，張陽，等.室外空氣干球溫度對分體式空調(diào)器運(yùn)行能效影響的實(shí)驗(yàn)分析［C］.／／第六屆國際綠色建筑與建筑節(jié)能大會論文集.2010：335－339.

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