整体式空调器冷凝水应用研究

钟玉金

(广东美的制冷设备有限公司，佛山 528311)

整体式空调器冷凝水应用研究

钟玉金

(广东美的制冷设备有限公司，佛山 528311)

针对整体式空调器冷凝水应用进行了理论分析及实验验证，测试了在打水与不打水状态、采用不同翅片的冷凝器及不同打水间隙状态下的整机性能。试验表明：打水相比不打水，同比制冷量提升5.11%，EER提升11.19%，环保节能效果提升明显；冷凝器采用亲水翅片的性能会差于非亲水翅片的性能，制冷量和EER分别降低约2%和4%以内；打水圈与底盘间隙相对越小，能力能效取得更好的效果，但结构碰撞风险加大，8mm较为合适。

整体式空调器；冷凝水；制冷量；能效

1 、前言

随着社会经济的发展及全球气候的变暖，家用房间空调器逐渐成为很多家庭的必需品，家用房间空调器从结构形式可分为整体式空调器和分体式空调器。其中，整体窗式空调器是最早出现的机型，其具有结构简单、生产成本较低、价格便宜、安装方便、运行可靠等优点[1]，在北美、拉美、澳洲、中东以及中国香港等地区仍然保持较高的市场占有率。除了以上优点外，相对分体式空调，整体式空调还有一大优势，就是可以对蒸发器侧冷凝水再利用，可以同时解决空调冷凝水的污染问题。一般分体式空调器室内机产生的冷凝水只是通过简单的管路随意排放到室外，不仅污染环境，对于高层建筑，还可能影响城市建筑物外观，引起邻里纠纷。因冷凝水是空气中的水分遇蒸发器盘管表面凝结而产生的，温度比较低，直接排放是对水资源和其冷量的一种浪费。另外，全球气温的升高和城市热岛效应的存在导致空调室外机的工作环境恶劣，家用空调器的性能也因此受到了影响，若能回收空调冷凝水用于室外机的冷却，一方面解决了冷凝水随意排放引起的众多问题，另一方面改善了室外机的换热效果，提升空调器的性能，一举两得。对于整体式空调器来说，冷凝水的回收及利用比较容易实现，如果继续优化，可以进一步提升使用效果，得到很好的客户体验。本文主要研究整体式空调器冷凝水的应用，理论上进行测算其对系统能效的贡献，然后进行实验验证测试及数据分析，并就如何改善整体式空调器冷凝水应用提出了改进意见，以求得到更高的利用效率来改善空调系统。

图1 冷凝液过冷的压焓图

表1 实验台各参数及测试精度

表2 实验工况

表3 打水和不打水两种运行状态的制冷测试

表4 打水圈与底盘间隙运行状态的制冷测试

2 、空调器冷凝水应用的理论分析

冷凝水回收用于冷却冷凝器，制冷量和COP将发生变化，相当于对节流前的冷凝液进行进一步冷却，冷凝液的温度进一步降低，在压焓图上表示如图1:在未使用冷凝水时，整个循环为1－2－3－4－5－1，过冷后的循环为1－2'－3'－4'－5'－1，很明显，冷凝液过冷之后，制冷量增加了Δq0，即对于毛细管进口前保持一定的过冷度，可以提高制冷剂的流通量，即增大了制冷量，同时冷凝温度下降，压缩机耗功减小，所以性能系数COP 提高了。

在空调系统中，冷凝器是很重要的换热设备，其换热特性对家用空调器的性能有着重大的影响，而现今多数家用空调采用空气冷却式冷凝器，空气的传热系数小，随着全球气温的升高，冷凝器的工作环境急剧恶化，以致造成冷凝压力高，家用空调器制冷系数低，能耗大等不良后果。为此提出将冷凝水用于冷凝器的冷却，一方面可以回收冷凝水，避免造成环境污染，另一方面可以充分利用冷凝水的冷量来提高冷凝器的换热效率。

以窗式空调KC30为例，在空调制冷过程中产生的冷凝水温度大约为10～15℃，冷凝器的冷凝温度大致为40～45℃，实测其除湿量（即冷凝水量）为m=1.27kg/h，冷凝器换热量为(制冷量+消耗功率)Q=2930+943=3873W=3873J/s。冷凝水被打水轮雾化击甩到冷凝器上，一部分冷凝水雾被冷凝器迅速加热，也有部分冷凝水雾直接气化。

A）假设冷凝水全部被利用来为冷凝器散热，由常压下的15℃(t0)水升温成40℃(t1)水（如将冷凝器泡入冷凝水），则其换热量为：

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

其中c为常压下水（30℃）的比热容,取 4.174KJ/(Kg.K)。

B）假设冷凝水全部被利用来为冷凝器散热，由常压下的15℃(t0)水蒸发成40℃(t1)水蒸汽（如将冷凝水雾化后喷于冷凝器表面），则其换热量为：

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

其中h为常压下40℃水的汽化潜热，取2406KJ/Kg。

如果能达到上述B的换热效果，换热量占冷凝器总换热量的百分数为Q2/ Q=885.59÷3873=22.86%，可见冷凝水的冷量潜能是非常可观的。

3 、试验装置与试验测试步骤

3.1 试验测试装置介绍

本文空调器整机性能实验是在3匹高精度空调器焓差法实验室完成的。3匹高精度空调器焓差法实验室，由一个室内侧室和一个室外侧室组成，通过测定实验室温湿度、风量、压力以及电气性能等参数，进行空调器制冷量、制热量及其它各种性能的测试。本装置可对各种窗式、分体式、柜式、嵌入式空调器性能进行实验，还可以用于其它标准工况相关实验及扩展实验，能满足产品抽检及产品开发使用。图2为3匹高精度空调器焓差法实验室装置布置原理示意图。

本实验系统设备运转由可编程序控制器和触摸屏控制，实验运行的数据采集由高精度数据采集器完成，可将数据实时传送上一级计算机处理，并由计算机显示、存储和输出打印实验报告。实验台的各个被测参数的测试精度如表1所示。

3.2 试验测试步骤介绍

本文采用以上焓差实验室进行实验，针对整体式空调器对冷凝器水的应用进行研究，研究对空调冷凝水的应用在不同情况下对冷凝器性能的影响，进而反映在空调整机的制冷量能效比上。本文以一款KC30窗式空调为例，首先进行有无冷凝水应用（以后简称为打水和不打水的两种状态）研究，分析比对两种状态下的能力能效差异。接着针对窗式空调器在打水状态影响因素进行分析，并通过实验验证，研究冷凝器翅片亲水性、空调打水轮结构多种参数对空调器整机的制冷量能效比的影响。从而为改善打水效果提供更优的选择方案。

根据ANSI/AHAM标准，本文采用的实验制冷工况如表2所示。

4 、试验测试结果与分析

4.1 窗式空调打水与不打水结果对比分析

对以上提出的KC30窗式空调进行打水和不打水两种运行状态的制冷测试，以验证冷凝水冷却冷凝器的效果。如表3所示，打水状态下，同比制冷量提升5.11%，EER提升11.19%，环保节能效果提升明显。

从以上的结果可以得到整机在打水的状态下取得良好的系统效果，首先通过打水取得良好的冷凝效果，降低了运行功率。同时通过降低冷凝温度，提升制冷能力，制冷能力提升，能够进一步增加冷凝水量，取得良好的系统性能较佳的良性循环。

图2 焓差法实验室装置布置原理示意图

图3 不同能力级打水窗机亲水翅片与非亲水翅片冷凝器的整机性能对比

4.2 冷凝器翅片亲水性对打水窗式空调能效影响分析

对于打水窗机来说，冷凝器翅片的表面涂层是对水雾换热效果有影响的，本文选择不同能力段的窗机，分别采用非亲水翅片和亲水翅片的冷凝器，做同状态下的性能测试对比，如图3所示，KC20、KC26、KC35、KC53、KC70共5款打水窗机，每款2台都做不同翅片对比测试，得出亲水翅片对比非亲水翅片的制冷量百分比、功率百分比、EER百分比。由图中可以看出，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%；而功率百分比几乎全部高于100%，在102%内。这说明，采用亲水翅片的性能会差于非亲水性能，制冷量和EER差约2%和4%以内。

从以上的结果可以得到整机打水的状态下冷凝器采用非亲水翅片取得更好的系统效果，主要是采用非亲水翅片时，当冷凝水通过打水轮均布在冷凝器上时，由于翅片亲水性较差，不疏水，使得冷凝水能够充分的与翅片接触，取得较好的换热效果。而采用亲水翅片则取得相反的效果，不利于换热。

4.3 空调打水轮结构对打水窗式空调能效影响分析

为了进一步深入研究影响打水效果的因素，本文还分别研究了整体式空调器外侧风叶打水圈的安装位置对整机能力能效的影响，以便通过结构优化设计，得到更佳的打水效果，从而提升整机的能力能效。

由于外侧风叶在工作时高速转动，因此一般在设计时需要考虑相对运动的部件与固定部件要留有合适的安全距离，以免产生碰撞。就安全的角度方面考虑，间隙相对越大越好，但考虑到其打水的需要，有必要研究其间隙对打水能力能效的影响。如表4所示，分别验证风轮打水圈离底盘间隙5mm、8mm、12mm、15mm的状态下的制冷量、功率、能效比结果。

从以上结果可知，打水圈距离底盘间隙越小，得到更优的打水效果，从而得到更佳的能力能效。主要影响的原因是当底盘间隙越小，有效打水时间提前，从而获得更佳的打水平衡点，同时可以通过间隙减少，减少底盘存水量，降低冷凝水的打水温度。但考虑到运行的安全性，一般选择较为安全且能效较好的距离。本文产品最终选择了8mm的间隙，两者均达到较好状态。

5 、结论

对小型窗式空调器进行了输送冷凝水冷却冷凝器的实验研究，结论如下：

（1）打水相比不打水，同比制冷量提升5.11%，EER提升11.19%，环保节能效果提升明显。

（2）冷凝器采用亲水翅片的性能会差于非亲水翅片的性能，制冷量和EER分别差约2%和4%以内。

（3）打水圈与底盘间隙越小，能力能效取得的效果更好，但结构碰撞风险加大，本文推荐8mm间隙。

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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