分体空调冷凝器喷雾降温技术实验研究

2022-09-14蒋宇帆

科学技术创新 2022年25期

蒋宇帆

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

引言

在全球温室效应和城市热岛效应的影响下，我国南方地区夏季高温炎热，因此建筑物中大量使用空调器，以提供舒适的居住和办公环境[1]。然而，大量空调器的使用不仅消耗了大量的能源，而且释放的热量加速了室外温度的提升，导致城市居住环境的变差[2]。另一方面，在我国政府提出的“碳中和、碳达峰”战略背景下，能源消耗问题日益受到人们的关注，大量的研究学者对建筑物空调器的运行能效展开了研究，以达到提高建筑物空调器的能效、降低二氧化碳的排放、节约能源和降低环境影响的目的。减少碳排放已然成为这个时代必须面临的环境命题，提高空调器的节能效果在一定程度上能够减少碳排放量和能源消耗，具有十分重要的环境保护意义[3]。

1 分体空调冷凝器喷雾降温换热的基本原理分析

在分体式空调器中，提高其能效的方法主要有3种，分别是采用高效的压缩机（比如涡旋式压缩式）、高换能的换热器（比如增加肋排管面积、增加进风湿度等）和优化空调器的系统配置（比如改进管路布置、冷凝器改造等）[4-5]。冷凝器做空调器的关键组件，是实现空调换热制冷的重要部件，其散热性能的好坏直接影响到空调器的运行效果[6]。在常用的通风空气冷却式冷凝器中，采用的冷却介质是空气，而经过系统的优化配置，可采用水和空气混合物作为冷却介质[7]。具体的喷雾降温过程见图1，首先对自来水进行过滤处理，并用水泵抽取至储液罐中备用，在通风空气冷却式冷凝器基础上增加喷雾设备（喷头），空调器抽取空气时，喷头向翅片管束进行喷雾，带走制冷剂散发的热量，并被排风扇排出空调器，达到了增强冷凝器的散热效果的目的。喷雾冷却式冷凝器的换热过程可以具体描述为喷嘴喷出水体，在传热管上形成薄水膜，当空调中的制冷剂在传热管上流动时，管内温度高而管外温度低，形成温度梯度，温度逐步向管外散热传递，其温度传递过程中可分两个步骤：第一步是管内制冷剂温度向水膜传递温度；第二步是水膜向空气传递温度，产生了热交换，传递的热量可以用公式（1）进行计算[8-10]。

图1 分体空调冷凝器喷雾降温过程

式中：Q1为管内制冷剂温度向水膜传递的热量；Q2为水膜向空气传递的热量；A0为冷凝器翅片的外表面积；Tk为管内冷凝机的温度；Tw为薄水膜的温度；dwm为水雾的质量除以干燥空气的质量；dam为无水雾时空气中水质量除以干燥空气的质量；h''wm为水雾状态下饱和空气状态下，单位质量空气的热量；ham为无水雾状态下饱和空气状态下，单位质量空气的热量；Aw为薄水膜与空气的接触面积；βd为传质系数，K0为传热系数，可以按公式（3）计算。

式中：ai为管内对流的换热系数;ri为管内壁上的油垢热阻;r0为管外壁上的水垢热阻；Ai为管的表面积。

2 分体空调冷凝器喷雾降温的测试分析

为了测试喷嘴个数对分体空调冷凝器喷雾降温效果的影响，在室内设计了相应的对比试验进行测试。分析中，采用典型的室外空气温度和湿度工况，即空气温度为30 ℃，空气相对湿度为70%，空气湿球温度为25.6 ℃，空气含湿量为19 g/kg，在进风口设置了3 种喷嘴工况，分别为6 个喷嘴、8 个喷嘴和10 喷嘴，喷嘴均匀布置于冷凝器周围。喷嘴的压力也设置了3种工况，分别为2 MPa、3 MPa 和4 MPa。试验时，选用的分体空调器为国产空调器，设备型号为KFR-72LW，设备的额定制冷量为7 200 W，效能比COP为3.19，功率为23.20 W，制冷剂型号为R22，室内循环风量为1 200 m2/h，室内机的尺寸为530 mm×1810 mm×300 mm，室外机尺寸为860 mm×730 mm× 308 mm。

图2 为不同喷嘴个数和不同喷压条件下相对湿度随着风量的测试结果。从图中可以看出，随着风量的增加，所有相对湿度曲线均呈现出逐渐增加后下降的趋势；在相同喷嘴个数的情况下，随着风量的增加，喷嘴压力为2 MPa 的相对湿度略大于喷嘴压力为3 MPa 的相对湿度，喷嘴压力为2 MPa 和喷嘴压力为3 MPa 的相对湿度均明显大于喷嘴压力为4 MPa 的相对湿度，以6 个喷嘴为例，2 MPa 喷嘴压力的最大相对湿度为70.65%，3 MPa 喷嘴压力的最大相对湿度为70.57%，4 MPa 喷嘴压力的最大相对湿度为63.29%；在相同喷嘴压力的情况下，随着风量的增加，喷嘴个数为8 个和喷嘴个数为10 个的相对湿度相近，但喷嘴个数为6 个的相对湿度明显小于喷嘴个数为8 个和喷嘴个数为10 个的相对湿度，以2 MPa 喷嘴压力，喷嘴个数为6 个的最大相对湿度为70.66%，喷嘴个数为8 个的最大相对湿度为84.83%，嘴个数为10 个的最大相对湿度为81.69%。

图2 不同喷嘴个数和不同喷压条件下相对湿度随着风量的变化曲线

图3 为不同喷嘴个数和不同喷压条件下冷凝器温度随着风量的测试结果。从图中可以看出，随着风量的增加，所有冷凝器温度曲线均呈现出逐渐降低后略微抬升并收敛的趋势；在相同喷嘴个数的情况下，随着风量的增加，喷嘴压力2 MPa 的冷凝器温度、喷嘴压力3 MPa 的冷凝器温度、喷嘴压力3 MPa 的冷凝器温度整体而言逐渐增加。以6 个喷嘴为例，2 MPa喷嘴压力的最小冷凝器温度为27.03 ℃，3 MPa 喷嘴压力的最大相对湿度为28.33 ℃，4 MPa 喷嘴压力的最大相对湿度为29.14 ℃；在相同喷嘴压力的情况下，随着风量的增加，喷嘴个数为6 个、喷嘴个数为8个和喷嘴个数为10 个的冷凝器温度整体而言逐渐增加，以2 MPa 喷嘴压力，喷嘴个数为6 个的最小冷凝器温度为27.03 ℃，喷嘴个数为8 个的最小冷凝器温度为28.30 ℃，嘴个数为10 个的最小冷凝器温度为29.13 ℃。

图3 不同喷嘴个数和不同喷压条件下温度随着风量的变化曲线

类似地，为研究高温低湿度对分体空调冷凝器喷雾降温效果的不利影响，通过改空气湿度的数值进行试验。试验采用2 MPa 喷嘴压力，喷嘴个数为10 个，空气采用3 种工况：工况1：空气温度为30 ℃，空气相对湿度为70%，空气湿球温度为25.6 ℃，空气含湿量为19 g/kg；工况2：空气温度为30 ℃，空气相对湿度为50%，空气湿球温度为25.6 ℃，空气含湿量为19 g/kg；工况3：空气温度为30 ℃，空气相对湿度为30%，空气湿球温度为25.6 ℃，空气含湿量为19 g/kg。测试结果见图4。从图中可以看出，随着风量的增加，所有温度曲线均呈现先逐步减小后略有回升的趋势，所有空气相对湿度曲线则均呈现先逐步增加后逐步减小的趋势。空气湿度从30%逐渐增加到70%时，相对湿度曲线和温度曲线均呈现逐步下移的趋势。

图4 不同空气湿度条件下温度和相对湿度随着风量的变化曲线

3 工程应用实例

工程项目为北京市某新城综合开发的PPP 项目，开发新建工程，并对现有建筑立面进行施工改造，以此种方式提升城市形象，增加城市内涵，优化城市公共建筑的综合服务水平。

总之，该项目所在地区是集会议中心、展览交流、景观生态、精品商业、智慧城市等功能于一体的城市核心和城市地标空间。此工程项目绿化工程建设用地面积为18 220.72 m2，其中包括A-19 地块12 976.31 m2，A-20 地块1 373.44 m2，道路3 870.98 m2。地上建筑面积29 660.64 m2[已建办18886 m2，城市客厅6 677.62 m2（展示客厅6 036.68 m2，休息区106.69 m2，城市书屋139.61 m2，设备用房394.64 m2），配套服务4 097.02 m2（配套用房3410.16 m2，食堂460.76 m2，设备用房226.10 m2）]。地下建筑面积16 163.38 m2（已建4 802 m2，新建11 361.38 m2）。新建一栋地下2 层、地上4 层至5 层（含一层夹层）的城市客厅，建筑整体为框架式结构，建设设计涉及到多种能源的综合利用，设计热负荷指标为45 w/m2。

通过采用冷凝器喷雾降温技术，对项目中建筑物的分体空调器进行耗电量与制冷量的监测，监测时段为夏季，具体日期从当年6 月25 日至9 月25 日，监测结果表明，分体空调器采用喷雾降温技术前其耗电量最大值为2.298 kW·h，最小值为2.200 kW·h，平均值为2.245 kW·h，采用喷雾降温技术后其耗电量最大值为1.899 kW·h，最小值为1.701 kW·h，平均值为1.782 kW·h，平均节约电源0.465 kW·h；分体空调器采用喷雾降温技术前其制冷量最大值为10.493 kW，最小值为10.003 kW，平均值为10.236 kW·h，采用喷雾降温技术后其制冷量最大值为11.192 kW·h，最小值为10.506 kW，平均值为10.857 kW，平均提高制冷量0.594 kW。