家用空調(diào)制冷冷凝水回收利用研究

白軍輝

（廣東美的制冷設(shè)備有限公司，廣東 佛山 528311）

0 引言

使用空調(diào)已成為能源消耗的主要途徑之一，國(guó)家能源局頒布的政策文件《能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略（2016-2030）》提出了能源生產(chǎn)和消費(fèi)的目標(biāo)，空調(diào)的智能化和節(jié)能化被提上日程。研究人員從能源角度對(duì)空調(diào)進(jìn)行了一些改進(jìn)，有研究者結(jié)合空氣流量、濃度和溫度，通過(guò)復(fù)合除濕設(shè)計(jì)了用于節(jié)能的新除濕系統(tǒng)。也有學(xué)者使用空調(diào)冷凝熱回收，將其作為電熱水器加熱熱源來(lái)降低電熱水器的能源消耗，達(dá)到節(jié)能的目的。這些研究在源頭上節(jié)省空調(diào)的電量或者將其收集用于輔助設(shè)備，但在效果上都大打折扣?？照{(diào)產(chǎn)生的冷凝水在能力消耗過(guò)程中，若能夠用于自身冷凝系統(tǒng)，那么能量的損失將大為降低。該文從空調(diào)冷凝水的利用角度出發(fā)，深入分析冷凝水的回收利用，設(shè)計(jì)出冷凝器冷卻空調(diào)系統(tǒng)，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能效果。

1 冷凝水綜合利用回收系統(tǒng)

冷凝水的回收方式主要可以分為降低制冷劑溫度、用于室內(nèi)加濕和冷卻空調(diào)系統(tǒng)部件，利用方式較為零散，效率不高。為了更加有效地利用冷凝水，該方案進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。

STM32控制模塊作為主體控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，當(dāng)空調(diào)開(kāi)始工作時(shí)，STM32中的濕度檢測(cè)裝置用于檢測(cè)室內(nèi)濕度，當(dāng)濕度低于40%時(shí)，空調(diào)熱量濕度加濕開(kāi)始工作，使冷凝水加熱成水蒸氣送入室內(nèi)，當(dāng)檢測(cè)濕度達(dá)到40%時(shí)，冷凝水便送入冷卻冷凝水模塊，冷卻冷凝器模塊開(kāi)始工作，待室內(nèi)濕度重新低于40%時(shí)，冷凝水便重新回送到加濕模塊，以此循環(huán)往復(fù)。具體系統(tǒng)模塊如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模塊構(gòu)成圖

1.1 濕度檢測(cè)模塊

濕度檢測(cè)裝置主要為濕度傳感器，濕度傳感器是用于測(cè)量大氣中水分含量多少的裝置，不同含量會(huì)使電敏元件的電壓發(fā)生變化，硬件接收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為信息處理的數(shù)字信號(hào)，根據(jù)取值范圍，形成具體的濕度數(shù)值。濕度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 濕度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

濕度傳感器的工作流程由單片機(jī)進(jìn)行控制，其中觸摸屏部分可以設(shè)置濕度測(cè)量的具體數(shù)值，該文為了研究方便，設(shè)置濕度測(cè)量的具體數(shù)值為40%，數(shù)字傳感器用于測(cè)量具體的溫度和濕度，并將數(shù)值傳入單片機(jī)中，然后單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算。

經(jīng)過(guò)綜合考慮，為了便于研究，試驗(yàn)采用了電阻式氯化鋰濕敏元件，氯化鋰是一種濕敏物質(zhì)，當(dāng)空氣中的水分量增大時(shí)，會(huì)使帶電粒子的活性增加，其電阻值下降。氯化鋰濕敏元件與溫度和濕度有關(guān)，具體如公式（1）所示。

式中：表示濕敏元件的電阻；為檢測(cè)室內(nèi)的相對(duì)濕度；為室內(nèi)的溫度；其他為常量。根據(jù)公式可得，濕敏元件的電阻值和濕度有關(guān)，它隨濕度的變化而變化，利用這一特性，可測(cè)量室內(nèi)的濕度值。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濕度低于20%時(shí)，可吸入顆粒物會(huì)增多，人體容易患呼吸道疾病，濕度為40%～60%時(shí)，較為合適，當(dāng)濕度高于80%時(shí)，人體的黏膜會(huì)產(chǎn)生不適，對(duì)身體有較大影響，綜上所述，濕度為40%～60%比較符合人體的基本需求。

根據(jù)國(guó)家規(guī)范，較為常用的濕度校準(zhǔn)工作通常在20℃～25℃的條件下進(jìn)行，這也符合家用空調(diào)的一般溫度，校準(zhǔn)點(diǎn)間隔10%RH整數(shù)點(diǎn)，濕度校準(zhǔn)范圍通常在10%RH～90%RH。當(dāng)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，根據(jù)相對(duì)濕度來(lái)確定，它與水汽的溫度、壓力條件相對(duì)應(yīng)，為了減少誤差，一般需要進(jìn)行多次測(cè)量。

1.2 空調(diào)熱量回收加濕模塊

當(dāng)空調(diào)在工作時(shí)，主機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一部分熱量，通常這部分熱量會(huì)隨氣管導(dǎo)出，排到外機(jī)風(fēng)扇，然后傳輸?shù)酱髿庵?。熱能的排放?dǎo)致了一部分熱量的損失和浪費(fèi)，通過(guò)熱回收技術(shù)將這部分熱量作為余熱回收，可以作為其他能量的供給。綜合考慮，這部分能量可以加熱冷凝水，使冷凝水形成水蒸氣流入空中，達(dá)到加濕的目的。圖3為空調(diào)熱量回收?qǐng)D。

圖3 空調(diào)熱量回收加濕圖

圖3中，溫度較低的冷凝水經(jīng)過(guò)空調(diào)熱交換系統(tǒng)后，會(huì)形成60℃～65℃的熱水和55℃～65℃的回油溫度，其中熱水用于加濕。根據(jù)濕度檢測(cè)模塊檢測(cè)，當(dāng)濕度不能滿足條件時(shí)，由空調(diào)的繼電器控制管道內(nèi)水分的進(jìn)出量。

在加濕過(guò)程中，為了提高水分的安全性，需要對(duì)水分進(jìn)行凈化，在管道內(nèi)加入反滲透薄膜，水分中含有雜質(zhì)，不同物質(zhì)的滲透壓不同，反滲透膜利用滲透壓的特性將不能透過(guò)薄膜的物質(zhì)與水分離，可以去除水中的鹽類、膠體和微生物等。薄膜具有許多優(yōu)點(diǎn)，能量消耗低、污染排放小、操作方便、價(jià)格低廉，比較適合用戶水分的凈化。

1.3 冷卻冷凝器模塊

當(dāng)室內(nèi)的濕度已經(jīng)達(dá)到設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，冷凝水不需要再經(jīng)過(guò)加熱送入空氣中，為了進(jìn)一步提升冷凝水的利用效益，冷凝水與冷凝器進(jìn)行結(jié)合，將冷凝器的高熱量傳輸至冷凝水，并設(shè)計(jì)了冷凝器系統(tǒng)模塊。該模塊主要為冷凝水水箱、噴淋器、水管和運(yùn)輸水的水泵。整個(gè)模塊的工作流程可以分為如下步驟：當(dāng)環(huán)境中的空氣進(jìn)入室內(nèi)機(jī)時(shí)，空調(diào)蒸發(fā)的溫度低于周圍環(huán)境溫度，冷凝水會(huì)出現(xiàn)在蒸發(fā)器上，產(chǎn)生的冷凝水流入室外水箱，噴灑器將流過(guò)來(lái)的冷凝水噴灑到冷凝器上，使冷凝器溫度降低，冷凝水溫度升高后，形成水蒸氣進(jìn)入室外空氣中，另一部分則在冷凝水箱中重復(fù)使用。冷卻冷凝器模塊圖如圖4所示。

圖4 冷凝器模塊圖

冷凝器散熱量計(jì)算。冷凝水通過(guò)噴灑器對(duì)冷凝器進(jìn)行降溫，為了將其量化來(lái)分析出更加直觀的結(jié)果，該文對(duì)冷凝器的散熱量進(jìn)行了研究，并結(jié)合實(shí)際進(jìn)行計(jì)算。冷凝水在噴灑過(guò)程中有空氣共同作用，因?yàn)榭諝馐腔A(chǔ)作用，所以可以優(yōu)先分析出冷卻冷凝器的散熱量。當(dāng)空調(diào)正常工作時(shí)會(huì)將室外的空氣吸入，這部分空氣直接流向冷凝器，部分冷凝器熱量會(huì)被進(jìn)入的空氣吸收，直接排出室外，具體冷卻過(guò)程如圖5所示。

點(diǎn)1到點(diǎn)2的情況變化為冷凝器的散熱量，如公式（2）所示。

式中：Q為冷凝器的散熱量，為經(jīng)過(guò)冷凝器的空氣質(zhì)量，、為進(jìn)出冷凝器的焓值。冷凝器的散熱量可以分為兩個(gè)部分，一是被室外空調(diào)帶來(lái)的空氣帶走，這一部分熱量的冷卻過(guò)程可以視為等濕加熱過(guò)程，圖5中為點(diǎn)1到點(diǎn)3的等濕線，另一部分是該模塊中用冷凝水來(lái)吸收的熱量，這一過(guò)程可以視為一個(gè)等溫過(guò)程，圖5中為點(diǎn)3到點(diǎn)4的一條等溫線。在焓值情況相等的情況下，冷凝器總共散熱量如公式（3）所示。

圖5 冷凝器冷卻熱量圖

式（3）中各項(xiàng)，見(jiàn)式（4）～式（6）。

根據(jù)傳熱方程，可得式（7）。

當(dāng)冷凝器的溫度降低時(shí)，會(huì)將次信號(hào)傳入壓縮機(jī)，壓縮機(jī)的耗電量也隨之降低，根據(jù)空調(diào)的工作原理，制冷量會(huì)隨之增加，在家用空調(diào)中，制冷量的增加會(huì)使空調(diào)運(yùn)行的總耗電量降低，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的效果。

1.4 控制模塊的設(shè)計(jì)

為了使冷凝水系統(tǒng)更智能化，在室內(nèi)空氣加濕的同時(shí)令冷凝器降溫冷卻，該系統(tǒng)加入了控制模塊，控制模塊通過(guò)STM32進(jìn)行控制，STM32是一種嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的內(nèi)核處理器，外部可以連接相關(guān)傳感器和輸入輸出設(shè)備，能根據(jù)程序?qū)崿F(xiàn)智能化控制，具有耗電量低、性能好、成本低的特點(diǎn)，適合該系統(tǒng)的要求。濕度傳感器連入至STM32中，通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)濕度觸發(fā)器，持續(xù)檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境濕度，如果室內(nèi)濕度符合設(shè)置的濕度，則濕度模塊暫停工作，冷卻冷凝器模塊開(kāi)始工作，當(dāng)濕度觸發(fā)器檢測(cè)的濕度不在設(shè)置范圍內(nèi)時(shí)，冷卻冷凝器停止工作，濕度加濕模塊開(kāi)始工作，如此循環(huán)往復(fù)。

2 相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，該文研究了冷凝水量和冷凝器的冷凝溫度、空調(diào)總功率的變化和總功率降低的百分比之間的關(guān)系。具體結(jié)果如圖6～圖8所示。

經(jīng)過(guò)分析，如果所收集的所有冷凝水量都用于冷凝器的降溫，那么當(dāng)冷凝水量為0.5kg/h時(shí)，冷凝器約降溫0.8℃，當(dāng)冷凝水量為2.0kg/h時(shí)，冷凝器約降溫5.8℃。圖7為冷凝水量與制冷量增加的關(guān)系。

圖7中，冷凝量的單位為kg/h，環(huán)境溫度的單位為℃。從圖6可以看出，當(dāng)冷凝水量不變時(shí)，制冷量大小隨室外溫度的變化而變化。溫度越低，制冷量越大；當(dāng)溫度不變時(shí)，冷凝水量越大，制冷量也越高。

圖6 冷凝水量與降低冷凝器溫度的關(guān)系

圖7 冷凝水量與制冷量增加的關(guān)系。

從圖8可以看出，在冷凝水量不變的情況下，溫度越低，空調(diào)的耗電量越低；當(dāng)溫度不變時(shí)，冷凝水量越高，空調(diào)的耗電量越低。

圖8 節(jié)省的空調(diào)功率與冷凝水量的關(guān)系

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)空調(diào)冷凝水回收利用問(wèn)題，該文提出了一種設(shè)計(jì)方案。通過(guò)控制系統(tǒng)，在冷凝水產(chǎn)生后，一部分用于加濕室內(nèi)空氣，另一部分冷卻冷凝器，使冷凝水能夠達(dá)到多功能充分利用的效果。為了量化該系統(tǒng)的成效，該文通過(guò)冷凝水產(chǎn)生量、空調(diào)的總功率以及冷凝器溫度的變化情況來(lái)進(jìn)行綜合分析，并在不同的溫度下進(jìn)行了測(cè)驗(yàn)，數(shù)據(jù)表明這在一定程度上降低了電量的損耗，達(dá)到了節(jié)能的目的。