一種變噴量降溫節能系統的設計

劉召柱　李寶　張帝　占學寬　姚潘濤　張家俊

摘 要：基于水霧化蒸發吸熱的原理，使水從噴頭霧化成細小微粒噴灑在空調外機冷凝器表面，相比較利用空氣冷卻外機冷凝器的方法，冷凝器表面的溫度迅速降低，制冷劑蒸汽的冷凝速度加快，提高了空調的工作效率。針對空調外機進行變量噴霧過程中對水霧合理利用的問題，為保證噴霧效果，避免水資源浪費，采用改變工作噴頭的數量和控制加壓水泵工作狀態相結合的方法以實現變量噴霧，采用閉環控制系統，根據冷凝片溫度的高低實現自動調節噴霧效果的功能，設計了一種對空調外機進行變噴量降溫節能的系統。

關鍵詞：霧化吸熱 變噴量控制 噴頭分布

中圖分類號：TU831 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（a）-0006-03

目前，市場上空調外機的工作原理是通過冷凝器與室外風進行熱交換，從而帶走空調產生的熱量。但是由于南方夏季室外風溫度高，熱量交換較為有限[1]，這不僅增加了壓縮機的能耗，還使空調外機的使用壽命縮短，對資源能源的浪費十分嚴重。空調節能關鍵技術中的變流量技術主要包括：變制冷劑流量技術；變水量技術；變風量技術[2]。其中，節能效果較佳成本較低且較為容易實現的是變水量技術。文獻[1]所提出的對空調外機進行霧化噴淋降溫的方式，平均節能效率達到了7.80%，但是沒有考慮到空調外機實際溫度的變化，會導致過多的水霧噴出，容易引起空調外機冷凝器結垢和水資源浪費。對于變量噴霧系統的設計，文獻[3]采用了開環控制，系統不具備抗干擾能力。在變量噴霧過程中，文獻[4]通過自動控制調節閥，使實際施藥量與設定值相一致，此噴霧方法對于噴灑處于水平地面的農作物具有良好的效果，但是對于大多處于豎直方向上的空調外機來說，調節閥的改變會使水霧受重力的影響而不能準確噴灑至冷凝器表面。為了解決噴霧過程中的水資源浪費問題，文獻[5]提出了利用水霧降低環境溫度的辦法，對水達到了較高的利用率，但是相比于水霧直接作用在冷凝器上的方法，降溫效果較差。

1 系統設計依據

1.1 霧化降溫的理論依據

根據卡諾定理，室內外的溫差越小，則耗電量越小。據相關研究表明：室外機工作溫度每降低1 ℃，得到單位制冷量的耗電量將下降3%～4%[1]。通過加壓水泵對水進行加壓處理，高壓水流在噴嘴內部形成高壓渦流，再經微小噴孔高速噴出，產生圓錐形螺旋水霧與冷凝器進行熱交換。由于水霧的比表面積較大，使得其霧化蒸發的速度比一般水滴快300倍以上。并且，水從液態到氣態的相變吸熱為水每升高1 ℃所吸收熱量的539倍左右[1]，吸熱效果顯著提高。因此，通過加壓水泵使水從噴頭霧化成細小微粒噴灑在空調外機冷凝器表面，提高了空調的工作效率。

1.2 變量噴霧方法分析

噴霧降溫過程中，如果噴霧量控制不合適，會浪費水資源，采用多組噴頭分步工作的方法，通過改變工作噴頭的數量來實現變量噴霧，具有以下優點：（1）多組噴頭分布在冷凝器表面，對于面積較大的冷凝片，可以根據實際情況對其實現全覆蓋噴霧。（2）當通過對噴頭所對應閥門的開關進行控制，可以對噴霧流量變化信號做出及時反應。（3）當噴霧量減小時，處于工作狀態的噴頭的噴霧流量基本保持不變，不會影響噴霧效果。

2 變噴量降溫方法的控制實現

鑒于采用大噴角霧化噴頭實現變量噴霧方法的缺點，主要介紹通過改變工作噴頭的數量來實現變量噴霧的辦法。

采用PWM控制高速電磁開關閥的打開與關閉進行控制噴霧噴頭的工作數量，進而控制系統噴霧量的大小，同時調整加壓水泵，使噴頭工作數量改變前后，噴頭噴霧流量保持不變。噴霧控制原理圖如圖1所示。

為了保證適宜的噴霧量，不造成水資源的浪費，控制器根據溫度傳感器傳來的冷凝器表面的溫度進行分析，然后控制加壓水泵的工作狀態以及打開相應組數的電磁閥閥門。當溫度下降時，逐步關閉電磁閥，減小噴霧壓力，形成反饋閉環控制。控制框圖如圖2所示。

噴霧量的控制過程為：要輸入的溫度信號經過控制器，輸出控制信號給加壓水泵和電磁閥，改變加壓水泵所施加水壓的大小和打開的組數，進而使水霧噴灑在冷凝器表面，溫度傳感器作為反饋信號輸入控制器，實時調節噴霧量，使之穩定在合理范圍之內。

3 實現變噴量效果對噴頭分布的設計

設所噴水霧的起始溫度為Tx0，且冷凝器表面溫度每變化△T，對應改變一組噴頭的工作狀態，其對應關系可用圖3進行表示。

4 系統實驗驗證

由溫度傳感器檢測到實驗設置的溫度信號，將其傳給控制器，控制器控制加壓水泵工作，并控制打開相應組數的噴頭，其中，系統誤差和時間滯后現象影響到了系統精度[6]，系統誤差包括溫度測量誤差、流量測量誤差、數據計算誤差，水壓誤差等，滯后時間包括溫度傳感器測溫時間、控制器處理數據的時間、電磁閥開啟時間、加壓水泵反應時間等。為驗證系統理論工作的正確性，測試了含有5組噴頭的系統在工作過程中，5個溫度點與檢測到的加壓水泵的流量之間的關系如圖4所示，整個系統的流量使用流量計測定，測得量作為反饋信息發送到控制器完成系統的閉環控制[6]。

由系統實驗可知，由于系統誤差和時間滯后問題的存在，導致在達到實驗溫度設置點時，加壓水泵流量沒有準時達到理論流量，存在微小誤差，同時在溫度區間內流量穩定后，實測流量與理論流量也都存在微小誤差，但都在誤差允許范圍內，說明理論系統的正確性。

5 結語

研究了在改變電磁閥工作數量和改變加壓水泵相結合的情況下進行變噴量噴霧系統的設計，通過實驗驗證了該系統較為優化的噴霧降溫效果，使得噴霧量能夠隨冷凝器溫度的變化而自動調節，在對外機冷凝器實現自動控制降溫的同時，達到了節約能源資源的目的。

參考文獻

[1] 劉靜，盧振，羅春燕.多聯機室外機霧化噴淋技術節能實測研究[J].建筑節能，2015（12）：87-90.

[2] 彥啟森，陳華俊，石文星，等.家用小型中央空調的行業現狀分析與展望[J].供熱制冷，2002（1）：5-7.

[3] 王偉，唐傳茵，張宏，等.變量噴霧系統的設計與仿真[J].農業機械，2010（S1）：79-81.

[4] 玄子玉，楊方，劉立意.基于單片機的變量噴霧控制系統的設計[J].東北農業大學學報，2009（18）：110-112.

[5] 葉明哲.新型機房空調散熱方式解決方案[J].通信電源技術，2014（S1）：15-21.

[6] 邱白晶，李會芳，吳春篤，等.變量噴霧裝備及關鍵技術的探討[J].江蘇大學學報：自然科學版，2004（2）：97-101.