石墨烯材料在空調設備上應用的可行性分析★

任春立 劉 赟

(1.唐山學院,河北 唐山 064200； 2.北京金茂綠建科技有限公司，北京 100012)

石墨烯材料在空調設備上應用的可行性分析★

任春立1劉 赟2

(1.唐山學院,河北 唐山 064200； 2.北京金茂綠建科技有限公司，北京 100012)

結合空調設備室外機冬季運行中換熱表面結霜的現狀，分析了導致空調冬季運行效率降低的直接原因，并基于石墨烯復合材料的特征，論述了石墨烯復合材料用于空調設備換熱表面處理與提高空調設備冬季運行效率的可行性。

石墨烯，空調設備，可行性，節能減排

0 引言

空調熱泵機組在冬季供熱時因室外蒸發器表面溫度低于0 ℃造成結霜，形成霜垢，造成機組為除霜耗費大量的電能，機組不能正常工作；中央空調系統夏季送風，常因送風溫度低于空氣露點溫度造成風口表面結露、滴水，影響空調正常使用。

冬季空調熱泵機組在運行時有結霜的問題，即在空調室外機蒸發器表面因空氣潮濕在處于低溫的空調室外機蒸發器表面結一層霜，隨著霜層加厚，通風面積減少，減少了換熱面積，增大了蒸發器表面的傳熱熱阻，導致熱泵機組冬季運行效率降低，嚴重時機組無法運行，所以熱泵機組冬季運行時需要定期除霜，而除霜和結霜過程可導致機組運行效率降低甚至無法運行；降低設備可靠性和增加設備運行成本。

1 空調大溫差供冷可行性分析

中央空調系統送風方式有小溫差送風和大溫差送風，小溫差送風因其所需送風量大，空調設備送風耗電能多；而當送風溫差加大一倍，系統送風量可以減少一半，系統的材料消耗和投資(不包括制冷系統)約減少40%，而動力消耗則可以減少50%；送風溫差在4 ℃～8 ℃之間每增加1 ℃，風量可以減少10%～15%。所以在空調設計中，正確決定送風溫差是一個相當重要的問題。由于溫差大，輸送同樣的冷(熱)量，空調設備耗電量要比小溫差送能少得多，但大溫差送風會因送風溫度達到水蒸氣的露點，在空調風口產生凝結水，因此，該送風方式受到制約。

應采取一系列措施把空調換熱器表面進行處理，使得空調換熱器的金屬表面不結霜或少結霜，實現上述大溫差送風和大溫差供應冷凍水，延長空調室外機除霜周期，減少空調運行中消耗的電能，實現節電的目的。

2 家用空調技術經濟分析

隨著人們生活水平的提高，家用空調迅速普及，我國空調生產量發展迅速。家用空調冬季供熱時為防止室外機結霜，在制熱運轉狀態下，當室外氣溫低于5 ℃時，室外熱交換器的蒸發溫度就會在0 ℃以下，這時空氣中的水分就會在室外冷凝器表面結霜，隨著運轉時間的增加，結霜的厚度越來越大，這樣會導致熱交換器換熱能力下降，制熱效果降低，為了防止這樣的現象發生，就應該及時地除去冷凝器上的霜層，目前空調除霜有兩種：一種是不停機除霜；一種是停機除霜。停機除霜是通過轉換制冷劑的流向，即將制熱運轉改變為制冷運轉，把壓機出來的高溫高壓的制冷劑氣體切換流向室外機結霜的熱交換器，使霜層融化，達到除霜的目的，例如海信KFR-28GW/BP KFR-50LW/BP等空調采用停機的除霜的方式；不停機就是繼續制熱運轉，從壓機出來的高溫高壓的制冷劑氣體一部分流向室外機熱交換器，使熱交換器溫度上升，霜層融化，另一部分繼續流向內機制熱，例如海信KFR-35GW/BP KFR-40GW/BP等空調就是采用不停機的除霜的方式。

家用空調除了在家庭住宅上使用外，在公共建筑像辦公等場所也常常使用單體空調器。近年來隨著多聯機VRV(Variable Refrigerant Volume)空調系統即可變制冷劑流量空調系統的問世，打破了傳統的中央空調設計理念，在傳統的房間分體空調器由一臺室外機連接一臺室內機的一對一方式的基礎上，研制出了一臺室外機連接多臺室內機的供暖制冷系統，使設計、安裝、運行及維護管理更為簡單、方便、節能，多聯機系統在公共建筑應用發展也很快。空調的快速發展，使得空調用能急劇上升及空調使用過程所涉及到的費用及環保問題日趨嚴重，因此，對于空調系統的節能研究和解決空調運行存在的問題已成為空調工程技術人員的重要任務。

3 石墨烯復合材料在空調設備換熱表面的應用分析

我國目前對中央空調系統的節能研究大多是集中在空調熱效率、空調絕熱損失、空調的控制方面，此方面的研究成果，對空調系統的設計、運行方面的節能減排提供了技術支持。由于缺少對空調蒸發器結霜、除霜問題，空調系統風口周圍結露問題等的研究和解決方法，使得對空調系統的節能減排進一步研究受到了制約。

利用新型材料對空調蒸發器、空調風口金屬表面進行處理防止結霜、結露的研究是建筑節能減排發展方向之一，大力開展建筑節能減排工作，是一項利國利民、前途無量的事業。因此亟需開展石墨烯材料在中央空調系統方面的實驗和研究，提高空調系統能量轉換效率。

石墨烯是近年來學術界公認的最熱門研究領域之一，石墨烯的研究將帶動新工藝、新方法和新技術等領域的全面發展，并對科學技術和社會發展產生革命性的影響，石墨烯為導電添加劑加到塑料基體中，利用石墨烯輕、薄、大比表面積、高導電性的特性制備出新型的石墨烯/塑料抗靜電復合材料，研究了導電填料石墨烯類型和含量、制備方法對復合材料的導電特性、微觀形貌和力學性能的影響。石墨烯/塑料復合材料將會提高制品的抗靜電性能，減少導電劑在基體中的比例，降低導電劑對塑料原有可塑性和機械性等的負面影響。

利用石墨烯材料的憎水性能，用石墨烯材料對風冷模塊蒸發器表面和空調風口金屬表面進行處理，達到金屬表面不結露、不結霜，實現大溫差送風，保證蒸發器正常工作，以實現節能節電，保證空調系統正常運行的目的。

4 結語

1)石墨烯與塑料合成制備的復合材料保留了塑料的憎水性能特征，使得經處理后的空調換熱器表面不結霜、少結霜的目的得以實現。2)石墨烯復合材料保留了石墨烯本身的比表面積大的特點，使經處理后的空調設備表面換熱面積增大。3)石墨烯復合材料保留了石墨烯的導熱系數大，強度高的特點，可以改善空調換熱器的換熱性能，提高空調換熱器的換熱效率，以實現節能減排的目的。

[1] 劉 靜，俞炳豐，高振生.低溫送風系統的研究進展[J].建筑科學與工程學報，2005(3)：89-91.

Feasibility analysis of application of graphene materials in air conditioning equipment★

Ren Chunli1Liu Yun2

(1.TangshanCollege,Tangshan064200,China; 2.BeijingJinmaoGreenBuildingScienceandTechniqueCo.,Ltd,Beijing100012,China)

This paper briefly describes the status quo of the heat transfer surface frost in outdoor air conditioner equipment running in winter. Analyzed the direct cause of decrease of air conditioner operation efficiency in winter, in this paper, by using the characteristics of graphene composite material analysis, the use of graphene composite material for the heat exchange surface of air conditioning equipment, improve the operational efficiency of air conditioning equipment in winter feasibility analysis.

graphene, air conditioning equipment, feasibility, energy conservation and emission reduction

1009-6825(2017)02-0127-02

2016-11-05

★:唐山市重點實驗室項目(項目編號：140161001)；河北省教育廳基金項目，河北省教育廳技術研究項目(項目編號：ZC2016152)

任春立(1960- )，男，副教授； 劉 赟(1982- )，男，工程師

TB657.2

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