一種新型家用分體式空調(diào)器的研制

倪沈陽 白莉* 陳琬玥 賀梓健

吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院

當(dāng)前我國室內(nèi)環(huán)境正面臨著“內(nèi)憂外患”的局面。“內(nèi)憂”是指室內(nèi)家具等物品釋放的甲醛,VOCs以及臭氧等污染物。“外患”是指大氣霧霾對室內(nèi)空氣環(huán)境的影響。因此人們對室內(nèi)空氣質(zhì)量的要求，不僅是對溫、濕度等舒適性能的要求，更重要的是對室內(nèi)空氣品質(zhì)的要求。

分體式空調(diào)作一種保障居住環(huán)境室溫的家用電器，應(yīng)用已非常普遍。家用空調(diào)器只能保證室內(nèi)空氣的溫度，但保證不了潔凈度與新鮮度。

筆者研發(fā)了一種新型空調(diào)器，它是在原有家用分體式空調(diào)器室內(nèi)機(jī)上增加了一個新風(fēng)凈化組件，在保留空調(diào)器保證室溫功能的同時，可以根據(jù)室內(nèi)空氣環(huán)境的不同要求，實現(xiàn)凈化室內(nèi)空氣，向室內(nèi)補充經(jīng)過凈化后的新鮮空氣，排出室內(nèi)受污染空氣，過渡季節(jié)僅向室內(nèi)提供新風(fēng)這四種功能。

1 新型分體式空調(diào)器的簡介

1.1 新型空調(diào)器結(jié)構(gòu)

新型空調(diào)器的主體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，它就是在原有家用分體式空調(diào)器室內(nèi)機(jī)上加了一個新風(fēng)凈化組件及附屬風(fēng)管，新風(fēng)凈化組件的出風(fēng)口與空調(diào)器的進(jìn)風(fēng)口用一根風(fēng)管連接，室內(nèi)回風(fēng)和室外新風(fēng)均經(jīng)過新風(fēng)凈化組件凈化后，送入空調(diào)器中完成制冷或者加熱的過程。

圖1 帶有新風(fēng)凈化模塊的家用分體式空調(diào)器示意圖

1.2 新風(fēng)凈化組件

新風(fēng)凈化組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，它是由各種凈化濾網(wǎng)，風(fēng)口與風(fēng)道，傳感器，電控空氣閥以及控制元件所組成。

圖2 新風(fēng)凈化模塊內(nèi)部的結(jié)構(gòu)示意圖

1）新風(fēng)凈化組件風(fēng)系統(tǒng)

室外新風(fēng)由新風(fēng)口2引入，室內(nèi)回風(fēng)由回風(fēng)口引入，經(jīng)過濾裝置12、13、14凈化后，經(jīng)送風(fēng)管10輸送至分體式空調(diào)器中，從而實現(xiàn)新風(fēng)、回風(fēng)凈化過程。當(dāng)室內(nèi)污染物濃度超標(biāo)，室內(nèi)空氣由回風(fēng)口，經(jīng)排風(fēng)口2排出室外，實現(xiàn)室內(nèi)排風(fēng)過程。風(fēng)口2既是新風(fēng)引入口又是室內(nèi)污濁空氣的排出口。

2）新風(fēng)凈化組件凈化裝置

分體式空調(diào)器的室內(nèi)機(jī)回風(fēng)口處通常會設(shè)有一層單薄的濾網(wǎng)，該濾網(wǎng)只能吸附毛發(fā)以及大顆粒灰塵等。空調(diào)器長時間使用會使濾網(wǎng)上滋生細(xì)菌以及通過人體傳播的一些病毒，這些細(xì)菌和病毒通過簡單的清洗濾網(wǎng)不能完全清除，當(dāng)空調(diào)器再次打開時這些細(xì)菌及病毒會重新回到室內(nèi)空氣中降低室內(nèi)空氣質(zhì)量。而該新型空調(diào)器室內(nèi)機(jī)由于沒有回風(fēng)口，因此也就沒有這層單薄濾網(wǎng)。室內(nèi)回風(fēng)通過新風(fēng)凈化組件中的凈化濾網(wǎng)凈化后輸送至分體式空調(diào)器本體中，從而避免了前述的問題。從圖2中可以看到，該新風(fēng)凈化組件中的凈化濾網(wǎng)有VOCs及甲醛吸附濾網(wǎng)，高效HEPA濾網(wǎng)，初效濾網(wǎng)以及前置濾網(wǎng)所組成，通過這些濾網(wǎng)能將室內(nèi)的絕大多數(shù)污染物清除從而保證了室內(nèi)良好的空氣質(zhì)量。

3）管道穿墻的創(chuàng)新

本設(shè)計涉及到一個改進(jìn)的技術(shù)，就是將新排風(fēng)管與分體式空調(diào)器的制冷劑管共用一個穿墻洞，如圖3所示。將新排風(fēng)管與制冷劑管包在一起，通過一個穿墻洞就可以將制冷劑管和新排風(fēng)管一同送入室內(nèi)，經(jīng)過計算新排風(fēng)管與制冷劑管道都能滿足各自的使用要求。這樣做工程施工量小，安裝難減小，并且對外墻體的損壞面積小。

圖3 新風(fēng)—制冷劑聯(lián)合管示意圖

2 新型空調(diào)器的自控系統(tǒng)

在不同的使用條件下新風(fēng)凈化組件能夠?qū)崿F(xiàn)其功能的自動切換，主要是依靠其內(nèi)部的自動控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)是由PLC控制處理單元控制的，由粒子傳感器，壓力傳感器以及CO2傳感器將各自的信號傳輸?shù)絇LC控制單元中，以此來控制著各電控空氣閥的啟閉，從而實現(xiàn)新風(fēng)凈化組件的不同功能，由于采用了智能的運行方案故該新型空調(diào)器的能耗更低。圖4為該新型空調(diào)器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖4 新型空調(diào)器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 傳感器

1）粒子傳感器

中國環(huán)境保護(hù)部2016年對全國338個地級及以上城市的空氣質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果表明：全國環(huán)境空氣質(zhì)量總體偏好，重點區(qū)域主要污染物濃度同比下降，優(yōu)良天數(shù)比例為78.8%，重污染為5.8%[1]。

由于全年還有20%左右的時間室外空氣是處于污染狀況。出于人體健康的考慮不能引用室外新風(fēng)。新風(fēng)凈化組件使用新風(fēng)與否將根據(jù)室外粒子傳感器感受到的PM2.5濃度來決定，此時粒子傳感器將其接收到的信號轉(zhuǎn)換成為電信號輸送到PLC控制處理單元上，并且來控制著新風(fēng)的引用。控制條件為：當(dāng)室外PM2.5濃度低于150 μg/m3時，引入室外新風(fēng)。當(dāng)室外PM2.5濃度超過150 μg/m3時，不再補充室外新風(fēng)。

2）CO2傳感器

CO2傳感器是用來檢測室內(nèi)的CO2濃度，據(jù)相關(guān)研究表明當(dāng)CO2濃度超過1000 ppm時，人們就會有較為明顯的不舒適感[2]。為了保證人們對空氣中的含氧量的要求，此時PLC控制處理單元將做出響應(yīng)，自動控制閥門的開閉來減小室內(nèi)CO2的濃度，并提供新風(fēng)以增加室內(nèi)空氣的含氧量來保證人體的健康。

3）壓力傳感器

為了減少室外污染物對室內(nèi)環(huán)境的影響，需要維持室內(nèi)微正壓5～10 Pa。微正壓過大或過小對室內(nèi)環(huán)境都有所影響，此時就需要安裝一個壓力傳感器。壓力傳感器將感受到的壓力信號輸送到PLC控制處理單元上，從而控制電控閥的啟閉來維持室內(nèi)5～10 Pa的微正壓。

2.2 電控空氣閥

在本設(shè)計中控制新風(fēng)凈化組件各種風(fēng)道啟閉的關(guān)鍵元件為電控空氣閥。通過空氣閥的啟閉來實現(xiàn)室內(nèi)空氣凈化、新風(fēng)凈化、排出室內(nèi)污濁空氣的功能，這些空氣閥的啟閉都是由PLC控制元件所控制。

3 工作原理及工作過程

該空調(diào)器最關(guān)鍵的部件為新風(fēng)凈化組件。其主要完成過程如下：

1）室內(nèi)空氣凈化

在該過程中新風(fēng)凈化組件就相當(dāng)于一個壁掛式空氣凈化器；當(dāng)室外PM2.5的濃度大于150 μg/m3，室外PM2.5由于門窗縫隙的滲透大量進(jìn)入室內(nèi)這時就需要凈化室內(nèi)空氣。具體運行過程為：電控空氣閥3、5、7、15關(guān)閉，空氣閥9和16開啟。此時室內(nèi)空氣經(jīng)過濾網(wǎng)凈化后送至分體式空調(diào)器中完成制冷或加熱的過程。這樣既能保證室內(nèi)環(huán)境的舒適度也能保證其潔凈度。

2）新風(fēng)凈化

此時新風(fēng)凈化模塊相當(dāng)于一個新風(fēng)機(jī)。當(dāng)室外PM2.5的濃度低于150 μg/m3且室內(nèi)CO2濃度超標(biāo)時，這時就可以引入經(jīng)過凈化后的室外新風(fēng)來稀釋室內(nèi)高濃度CO2。它的運行過程為：電控空氣閥5、7、16關(guān)閉，空氣閥3、9、15開啟，將室外的新鮮空氣經(jīng)由新風(fēng)管道送至濾網(wǎng)凈化后，送至分體式空調(diào)器中完成制冷或加熱過程，其后再送至室內(nèi)來稀釋高濃度的CO2。運行一段時間后，當(dāng)室內(nèi)CO2濃度低于設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)值時，出于節(jié)能的考慮需要關(guān)閉室外進(jìn)風(fēng)，此時控制元件將新風(fēng)凈化組件的運行過程自動切換至室內(nèi)空氣凈化過程。

3）室內(nèi)排風(fēng)

在該過程新風(fēng)凈化組件相當(dāng)于一個排風(fēng)機(jī)。當(dāng)室外PM2.5的濃度低于150 μg/m3且室內(nèi)壓力超過室內(nèi)環(huán)境所需維持的微正壓值上限時，此時新風(fēng)凈化組件自動切換至排風(fēng)過程，這時的運行過程為：空氣閥9、15關(guān)閉，空氣閥3、5、9開啟，將室內(nèi)污濁空氣排放至室外從而減少室內(nèi)污染物的濃度。運行一段時間后當(dāng)室內(nèi)壓力降至所需維持的微正壓值下限值時，控制元件自動控制著空氣閥5、7關(guān)閉，此時剩下的空氣閥將根據(jù)室內(nèi)CO2濃度的高低由控制單元自動選擇開啟或關(guān)閉來完成室內(nèi)空氣凈化過程或新風(fēng)凈化過程。

4）過渡季節(jié)通風(fēng)換氣

此時凈化組件相當(dāng)于一個新風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)的組合。過渡季節(jié)一般情況下是不需要開啟空調(diào)器的，但此時可以向室內(nèi)提供新風(fēng)。這樣可以避免由于開窗通風(fēng)給室內(nèi)帶來灰塵等大顆粒污染物。在過渡季時室外的PM2.5濃度一般會低于150 μg/m3，此時PLC控制元件的響應(yīng)是由室內(nèi)CO2濃度所控制。當(dāng)CO2濃度超標(biāo)時，新風(fēng)凈化組件的運行過程為：電控空氣閥5、7、16關(guān)閉，空氣閥3、9、15開啟。由于過渡季節(jié)空調(diào)器不需要制冷或加熱，此時空調(diào)器的作用只是作為一個出風(fēng)口，經(jīng)凈化濾網(wǎng)凈化后的室外新風(fēng)由空調(diào)器室內(nèi)機(jī)送至室內(nèi)。運行一段時間后當(dāng)室內(nèi)CO2濃度低于1000 ppm時，新風(fēng)凈化模塊自動切換至室內(nèi)空氣凈化過程，這時的運行過程為：電控空氣閥3、5、7、15關(guān)閉，空氣閥9、16開啟。

4 總結(jié)

綜上所述這種新型空調(diào)器既能保障室內(nèi)空氣品質(zhì)，又能在過渡季節(jié)向室內(nèi)引入新風(fēng)，并且利用PLC控制單元根據(jù)不同的使用條件，自動選擇該空調(diào)器的開啟模式，使其能耗降至最低。另外與現(xiàn)有空調(diào)器相比，這種新型空調(diào)器只是在原空調(diào)器室內(nèi)機(jī)上加裝了一個新風(fēng)凈化組件并對室內(nèi)機(jī)進(jìn)出風(fēng)口進(jìn)行適當(dāng)改造。故該新型空調(diào)器可以快速投入生產(chǎn)，市場發(fā)展前景更加廣闊。