鐘玉金

(廣東美的制冷設(shè)備有限公司，佛山 528311)

整體式空調(diào)器冷凝水應(yīng)用研究

鐘玉金

(廣東美的制冷設(shè)備有限公司，佛山 528311)

針對整體式空調(diào)器冷凝水應(yīng)用進(jìn)行了理論分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測試了在打水與不打水狀態(tài)、采用不同翅片的冷凝器及不同打水間隙狀態(tài)下的整機(jī)性能。試驗(yàn)表明：打水相比不打水，同比制冷量提升5.11%，EER提升11.19%，環(huán)保節(jié)能效果提升明顯；冷凝器采用親水翅片的性能會差于非親水翅片的性能，制冷量和EER分別降低約2%和4%以內(nèi)；打水圈與底盤間隙相對越小，能力能效取得更好的效果，但結(jié)構(gòu)碰撞風(fēng)險(xiǎn)加大，8mm較為合適。

整體式空調(diào)器；冷凝水；制冷量；能效

1 、前言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及全球氣候的變暖，家用房間空調(diào)器逐漸成為很多家庭的必需品，家用房間空調(diào)器從結(jié)構(gòu)形式可分為整體式空調(diào)器和分體式空調(diào)器。其中，整體窗式空調(diào)器是最早出現(xiàn)的機(jī)型，其具有結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本較低、價格便宜、安裝方便、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)[1]，在北美、拉美、澳洲、中東以及中國香港等地區(qū)仍然保持較高的市場占有率。除了以上優(yōu)點(diǎn)外，相對分體式空調(diào)，整體式空調(diào)還有一大優(yōu)勢，就是可以對蒸發(fā)器側(cè)冷凝水再利用，可以同時解決空調(diào)冷凝水的污染問題。一般分體式空調(diào)器室內(nèi)機(jī)產(chǎn)生的冷凝水只是通過簡單的管路隨意排放到室外，不僅污染環(huán)境，對于高層建筑，還可能影響城市建筑物外觀，引起鄰里糾紛。因冷凝水是空氣中的水分遇蒸發(fā)器盤管表面凝結(jié)而產(chǎn)生的，溫度比較低，直接排放是對水資源和其冷量的一種浪費(fèi)。另外，全球氣溫的升高和城市熱島效應(yīng)的存在導(dǎo)致空調(diào)室外機(jī)的工作環(huán)境惡劣，家用空調(diào)器的性能也因此受到了影響，若能回收空調(diào)冷凝水用于室外機(jī)的冷卻，一方面解決了冷凝水隨意排放引起的眾多問題，另一方面改善了室外機(jī)的換熱效果，提升空調(diào)器的性能，一舉兩得。對于整體式空調(diào)器來說，冷凝水的回收及利用比較容易實(shí)現(xiàn)，如果繼續(xù)優(yōu)化，可以進(jìn)一步提升使用效果，得到很好的客戶體驗(yàn)。本文主要研究整體式空調(diào)器冷凝水的應(yīng)用，理論上進(jìn)行測算其對系統(tǒng)能效的貢獻(xiàn)，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證測試及數(shù)據(jù)分析，并就如何改善整體式空調(diào)器冷凝水應(yīng)用提出了改進(jìn)意見，以求得到更高的利用效率來改善空調(diào)系統(tǒng)。

圖1 冷凝液過冷的壓焓圖

表1 實(shí)驗(yàn)臺各參數(shù)及測試精度

表2 實(shí)驗(yàn)工況

表3 打水和不打水兩種運(yùn)行狀態(tài)的制冷測試

表4 打水圈與底盤間隙運(yùn)行狀態(tài)的制冷測試

2 、空調(diào)器冷凝水應(yīng)用的理論分析

冷凝水回收用于冷卻冷凝器，制冷量和COP將發(fā)生變化，相當(dāng)于對節(jié)流前的冷凝液進(jìn)行進(jìn)一步冷卻，冷凝液的溫度進(jìn)一步降低，在壓焓圖上表示如圖1:在未使用冷凝水時，整個循環(huán)為1－2－3－4－5－1，過冷后的循環(huán)為1－2'－3'－4'－5'－1，很明顯，冷凝液過冷之后，制冷量增加了Δq0，即對于毛細(xì)管進(jìn)口前保持一定的過冷度，可以提高制冷劑的流通量，即增大了制冷量，同時冷凝溫度下降，壓縮機(jī)耗功減小，所以性能系數(shù)COP 提高了。

在空調(diào)系統(tǒng)中，冷凝器是很重要的換熱設(shè)備，其換熱特性對家用空調(diào)器的性能有著重大的影響，而現(xiàn)今多數(shù)家用空調(diào)采用空氣冷卻式冷凝器，空氣的傳熱系數(shù)小，隨著全球氣溫的升高，冷凝器的工作環(huán)境急劇惡化，以致造成冷凝壓力高，家用空調(diào)器制冷系數(shù)低，能耗大等不良后果。為此提出將冷凝水用于冷凝器的冷卻，一方面可以回收冷凝水，避免造成環(huán)境污染，另一方面可以充分利用冷凝水的冷量來提高冷凝器的換熱效率。

以窗式空調(diào)KC30為例，在空調(diào)制冷過程中產(chǎn)生的冷凝水溫度大約為10～15℃，冷凝器的冷凝溫度大致為40～45℃，實(shí)測其除濕量（即冷凝水量）為m=1.27kg/h，冷凝器換熱量為(制冷量+消耗功率)Q=2930+943=3873W=3873J/s。冷凝水被打水輪霧化擊甩到冷凝器上，一部分冷凝水霧被冷凝器迅速加熱，也有部分冷凝水霧直接氣化。

A）假設(shè)冷凝水全部被利用來為冷凝器散熱，由常壓下的15℃(t0)水升溫成40℃(t1)水（如將冷凝器泡入冷凝水），則其換熱量為：

Q1=cm(t1-t0)=4.174×1.27×(40-15)=132.5245KJ/h=36.81J/s。

其中c為常壓下水（30℃）的比熱容,取 4.174KJ/(Kg.K)。

B）假設(shè)冷凝水全部被利用來為冷凝器散熱，由常壓下的15℃(t0)水蒸發(fā)成40℃(t1)水蒸汽（如將冷凝水霧化后噴于冷凝器表面），則其換熱量為：

Q2=Q1+mh=36.81+1.27×2406×1000 ÷3600=36.81+848.78=885.59J/s。

其中h為常壓下40℃水的汽化潛熱，取2406KJ/Kg。

如果能達(dá)到上述B的換熱效果，換熱量占冷凝器總換熱量的百分?jǐn)?shù)為Q2/ Q=885.59÷3873=22.86%，可見冷凝水的冷量潛能是非常可觀的。

3 、試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)測試步驟

3.1 試驗(yàn)測試裝置介紹

本文空調(diào)器整機(jī)性能實(shí)驗(yàn)是在3匹高精度空調(diào)器焓差法實(shí)驗(yàn)室完成的。3匹高精度空調(diào)器焓差法實(shí)驗(yàn)室，由一個室內(nèi)側(cè)室和一個室外側(cè)室組成，通過測定實(shí)驗(yàn)室溫濕度、風(fēng)量、壓力以及電氣性能等參數(shù)，進(jìn)行空調(diào)器制冷量、制熱量及其它各種性能的測試。本裝置可對各種窗式、分體式、柜式、嵌入式空調(diào)器性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，還可以用于其它標(biāo)準(zhǔn)工況相關(guān)實(shí)驗(yàn)及擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，能滿足產(chǎn)品抽檢及產(chǎn)品開發(fā)使用。圖2為3匹高精度空調(diào)器焓差法實(shí)驗(yàn)室裝置布置原理示意圖。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)由可編程序控制器和觸摸屏控制，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的數(shù)據(jù)采集由高精度數(shù)據(jù)采集器完成，可將數(shù)據(jù)實(shí)時傳送上一級計(jì)算機(jī)處理，并由計(jì)算機(jī)顯示、存儲和輸出打印實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)臺的各個被測參數(shù)的測試精度如表1所示。

3.2 試驗(yàn)測試步驟介紹

本文采用以上焓差實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，針對整體式空調(diào)器對冷凝器水的應(yīng)用進(jìn)行研究，研究對空調(diào)冷凝水的應(yīng)用在不同情況下對冷凝器性能的影響，進(jìn)而反映在空調(diào)整機(jī)的制冷量能效比上。本文以一款KC30窗式空調(diào)為例，首先進(jìn)行有無冷凝水應(yīng)用（以后簡稱為打水和不打水的兩種狀態(tài)）研究，分析比對兩種狀態(tài)下的能力能效差異。接著針對窗式空調(diào)器在打水狀態(tài)影響因素進(jìn)行分析，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究冷凝器翅片親水性、空調(diào)打水輪結(jié)構(gòu)多種參數(shù)對空調(diào)器整機(jī)的制冷量能效比的影響。從而為改善打水效果提供更優(yōu)的選擇方案。

根據(jù)ANSI/AHAM標(biāo)準(zhǔn)，本文采用的實(shí)驗(yàn)制冷工況如表2所示。

4 、試驗(yàn)測試結(jié)果與分析

4.1 窗式空調(diào)打水與不打水結(jié)果對比分析

對以上提出的KC30窗式空調(diào)進(jìn)行打水和不打水兩種運(yùn)行狀態(tài)的制冷測試，以驗(yàn)證冷凝水冷卻冷凝器的效果。如表3所示，打水狀態(tài)下，同比制冷量提升5.11%，EER提升11.19%，環(huán)保節(jié)能效果提升明顯。

從以上的結(jié)果可以得到整機(jī)在打水的狀態(tài)下取得良好的系統(tǒng)效果，首先通過打水取得良好的冷凝效果，降低了運(yùn)行功率。同時通過降低冷凝溫度，提升制冷能力，制冷能力提升，能夠進(jìn)一步增加冷凝水量，取得良好的系統(tǒng)性能較佳的良性循環(huán)。

圖2 焓差法實(shí)驗(yàn)室裝置布置原理示意圖

圖3 不同能力級打水窗機(jī)親水翅片與非親水翅片冷凝器的整機(jī)性能對比

4.2 冷凝器翅片親水性對打水窗式空調(diào)能效影響分析

對于打水窗機(jī)來說，冷凝器翅片的表面涂層是對水霧換熱效果有影響的，本文選擇不同能力段的窗機(jī)，分別采用非親水翅片和親水翅片的冷凝器，做同狀態(tài)下的性能測試對比，如圖3所示，KC20、KC26、KC35、KC53、KC70共5款打水窗機(jī)，每款2臺都做不同翅片對比測試，得出親水翅片對比非親水翅片的制冷量百分比、功率百分比、EER百分比。由圖中可以看出，制冷量百分比和EER百分比基本都低于100%，制冷量最低接近98%，EER最低接近96%；而功率百分比幾乎全部高于100%，在102%內(nèi)。這說明，采用親水翅片的性能會差于非親水性能，制冷量和EER差約2%和4%以內(nèi)。

從以上的結(jié)果可以得到整機(jī)打水的狀態(tài)下冷凝器采用非親水翅片取得更好的系統(tǒng)效果，主要是采用非親水翅片時，當(dāng)冷凝水通過打水輪均布在冷凝器上時，由于翅片親水性較差，不疏水，使得冷凝水能夠充分的與翅片接觸，取得較好的換熱效果。而采用親水翅片則取得相反的效果，不利于換熱。

4.3 空調(diào)打水輪結(jié)構(gòu)對打水窗式空調(diào)能效影響分析

為了進(jìn)一步深入研究影響打水效果的因素，本文還分別研究了整體式空調(diào)器外側(cè)風(fēng)葉打水圈的安裝位置對整機(jī)能力能效的影響，以便通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到更佳的打水效果，從而提升整機(jī)的能力能效。

由于外側(cè)風(fēng)葉在工作時高速轉(zhuǎn)動，因此一般在設(shè)計(jì)時需要考慮相對運(yùn)動的部件與固定部件要留有合適的安全距離，以免產(chǎn)生碰撞。就安全的角度方面考慮，間隙相對越大越好，但考慮到其打水的需要，有必要研究其間隙對打水能力能效的影響。如表4所示，分別驗(yàn)證風(fēng)輪打水圈離底盤間隙5mm、8mm、12mm、15mm的狀態(tài)下的制冷量、功率、能效比結(jié)果。

從以上結(jié)果可知，打水圈距離底盤間隙越小，得到更優(yōu)的打水效果，從而得到更佳的能力能效。主要影響的原因是當(dāng)?shù)妆P間隙越小，有效打水時間提前，從而獲得更佳的打水平衡點(diǎn)，同時可以通過間隙減少，減少底盤存水量，降低冷凝水的打水溫度。但考慮到運(yùn)行的安全性，一般選擇較為安全且能效較好的距離。本文產(chǎn)品最終選擇了8mm的間隙，兩者均達(dá)到較好狀態(tài)。

5 、結(jié)論

對小型窗式空調(diào)器進(jìn)行了輸送冷凝水冷卻冷凝器的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)論如下：

（1）打水相比不打水，同比制冷量提升5.11%，EER提升11.19%，環(huán)保節(jié)能效果提升明顯。

（2）冷凝器采用親水翅片的性能會差于非親水翅片的性能，制冷量和EER分別差約2%和4%以內(nèi)。

（3）打水圈與底盤間隙越小，能力能效取得的效果更好，但結(jié)構(gòu)碰撞風(fēng)險(xiǎn)加大，本文推薦8mm間隙。

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Study on Application of Condensate Water for The Packaged Air-conditioner

Zhong Yujin
(GD Midea Refrigeration Equipment Co., Ltd. Guangdong Foshan 528311)

In this paper, the theoretical analysis and experimental verification are carried out for the application of condensate water in the packaged air-conditioner. The performance of the air-conditioner is testing between the different conditions：with hitting water and without hitting water、different fins、different gap of fan and chassis. The experimental results show that the capacity and Energy Efficiency Ratio improved 5.11% and 11.19% respectively by changing not hitting water to hitting water. The improvement of the environmental protection energy efficiency is obvious. The performance of the hydrophilic fins is worse than the non-hydrophilic fins, the capacity and EER difference of them are about 2 percent and 4 percent respectively. The smaller gap of fan and chassis is good for performance of the air-conditioner, but the risk of structural collisions increased, 8 mm is more appropriate.

Packaged Air-Conditioner; Condensate water; Cooling capacity; EER