從節能和舒適性兩方面談分體式壁掛空調的節能改進

劉文俊

(江西省城建設計研究院有限公司，南昌 330088)

空調技術起源于美國，歷經漫長的發展過程，直到上世紀60、70年代在日本得到不斷改進，最終制造出首臺由壓縮機、蒸發器、冷凝器、節流裝置四大基礎單元組成的無風管送風窗式空調。此空調技術引入中國后，得到飛速發展，如今，分體式空調遍及城鄉，我國已經成了世界上最大的空調生產、使用和出口國！

空調效能等級即空調的能效比，是額定制冷量與額定功耗的比值。通俗地說，就是消耗同樣多的電所產生的冷氣有多少，是衡量空調性能優劣的一個重要參數。國家在2005年頒布了空調產品能效比的標準，將普通定速空調的能效比分為了五個等級。2010年又頒布了(12021.3-2010)新三級能效標準。2020年7月1日，號稱“史上最嚴”空調新能效標準GB 21455-2019《房間空氣調節器能效限定值及能效等級》將正式執行。從窗機到掛機、從定頻到變頻空調、從舊能效等級到今年7月1日執行的新能效等級，可以看出國家對空調生產企業的要求也在不斷提高。

變頻空調與定頻空調相比，它的最大優勢就是可以動態、準確的調節空調內部壓縮機的運轉速度，使室內溫度精準控制到±1 ℃，實現按設定參數平穩送風效果；而定頻空調是在設定工況下的滿負荷運行過程，壓縮機啟動、停止時間必然發生滯后現象，從而導致空調送風忽冷忽熱現象。從這點來說，變頻空調更符合“恒溫”要求。如果把變頻空調看作受控于純數字信號，那么定頻空調就是受控于模擬數字信號。就像現在的數字調諧收音機和早期的電容調諧收音機，前者是數字調頻，后者是調諧電容調頻，精準度不言而喻。話說回來，精準控溫必然增加了壓縮機的啟停次數(也有人說減少了空調壓縮機的啟停次數)，在剛開機到接近設置室溫之前，壓縮機也是滿負荷運轉，回風溫度臨近設置室溫時，壓縮機才逐漸減速平穩運轉直到壓縮機停止運轉。我們知道電機的啟動瞬間電流是正常運行的(3～5倍)，甚至更高。變頻技術似乎對壓縮機壽命和節能都不太明顯，畢竟能量守恒定律擺在這里。況且，空調技術經過多年不斷改進、完善已日趨成熟，期望對建立在四大基礎件之上的空調有較大空間的能效提升，顯然不太現實，除非在此基礎技術上有重大突破。惟其如此，本人認為，空調冷凝水收集利用倒不失為一種有效的途徑。遺憾的是，空調產業經歷這么多年的發展，冷凝水的回收利用問題卻一直沒得到空調生產企業設計人員的重視，是擔心會因此增加制造、安裝成本還是因為這點凝結水微不足道？

空調運行時(降溫除濕過程)，蒸發器表面的凝結水直接排出到室外，室內空氣溫度降低的同時空氣中的含濕量也在不斷減少。尤其在門窗緊閉的狹小室內空間，空調長時間運轉，因不能得到新風補充，室內含氧量也逐漸減少導致鼻孔發干，呼吸不暢，令人感覺很不舒服，同時，冷凝水帶走的冷量也白白浪費了。而近幾年推向市場的空調扇是利用水蒸發吸熱實現降溫送風，此過程可以近視為等焓加濕過程，室內空氣中的含濕量在不斷增加，并逐步達到飽和狀態，此時空調扇若繼續運轉，會讓人感覺愈來愈悶熱難耐，因此，室內尤其是較小的空間不宜長時間運行，該產品倒是比較適合用于室外降溫。

空調冷凝水產生量通?？梢詮撵蕽駡D查出，也可以通過經驗公式得出空調器產生的冷凝水量：

W=rV(dC—dL)

式中，r為空氣密度，取平均值1.29 kg/ m3；V為空調器送風量， m3/h計算得到,文中僅通過查焓濕圖并經簡單估值計算以作參考。

圖1 1atm 大氣壓和加壓空氣的飽和水蒸氣含量圖

空調制冷時， 室內機蒸發器室工作溫度通常在5～7 ℃，取中間值6 ℃，如果我們設定房間溫度為26 ℃.那么空調出風口溫度就是 20 ℃，從上圖可查得15[g water/kg air],如果當時室外空氣溫度為38 ℃，空氣濕度80%，則此時空氣的含水量為36 g(water)/(kg air),也即是說36-15=21[g water/kg air]，假定房間面積為20 m2,層高3 m,則房間的體積為60 m3,每小時新風換氣量按0.5(門窗滲透)估算，即30 m3新風，而1atm大氣壓下，空氣的密度為1.29 kg/m3,則新風質量W=v×ρ=30 m3×1.29 kg/m3=30.87 kg,則此氣象條件下，空調運行1小時，冷凝水的產出量=21[g water/kg air]×30.87 kg=648.27 g,如果一臺空調在此種氣象條件下運行10小時，則排出的冷凝水總量6.483 kg。當然，這個數據只能作為參考，實際產出量和查表計算得出的結果肯定有偏差。因為，關聯空調運行的因素實在太多、太復雜，比如天氣變化、門窗的啟閉、人員進出數量、次數等等。我本人開空調就習慣讓窗戶留有一定的縫隙。

空調運行過程中，冷凝器制冷介質的進口溫度通?？蛇_70～90 ℃，出口溫度在42～50 ℃，冷凝器表面工作溫度取中間平均值約為63 ℃，蒸發器表面的工作溫度通常在7～15 ℃之間，取中間值為11 ℃，假設用11 ℃，6.483 kg重的冷凝水給冷凝器降溫，那么冷凝水吸收的熱量(或者說釋放的冷量)Q=W×ΔTkcal/kg·℃=6.483 kg×(63℃-11 ℃)=337.12 kcal,如果一臺空調每年運行100天，一天運行10小時，理論上冷凝水吸收的總熱量達33712 kcal,假設空調的整體工作效率為95%,那么每度電產生的熱量為860 kcal/kW·h×0.95,即817 kcal/kW·h,冷凝水吸收的熱量換算成電能33712÷817(kW·h ),大約是42度電。也就是說，冷凝水回收利用后，一臺空調每年大約節省40多度電，效果實在不明顯，但一萬臺空調、十萬臺、一百萬臺、一千萬臺甚至上億臺呢……？

曾經在某出版物或網上看到過，有學著對空調冷凝水回收利用問題發表過反對意見，大致意思是“空調節能與否主要還是依靠系統本身，過分談冷凝水回收利用則是撿了芝麻，丟了西瓜”。我以為，仁者見仁，智者見智。前句沒毛病，后句我不太認同，因為節能與減排并不矛盾甚至是我們追求的最終目的。關鍵還是要看投入產出比，要從長遠利益出發，更要有全局觀念。故此，關于冷凝水回收利用，本人堅持提出以下2種意見或建議：

(1)對室外機冷凝器原有結構進行改裝。就是在冷凝器原基礎上增設一套獨立冷凝水進、出管路，即冷凝器上既有制冷劑封閉循環管路也有冷凝水上進下出管路，即2套獨立管路系統。室內掛機蒸發器下部集水盒出水口設置過濾器，然后通過Ф12～14 mm鋁管與外機冷凝器上端(冷凝水進口)設置的三通電磁閥相連(方便起見，分別叫工作閥和清洗閥)，旁通閥出口與冷凝水出口相連再引到地面。設置三通閥是為了方便清洗冷凝水管路，避免臟水進入換熱系統(防止堵塞管路)。比如，現在的海爾自清潔空調，在啟動自清潔的同時，先關閉工作閥，清潔后讓臟水通過旁通閥直接引向地面，自清潔過程結束后自動開啟工作閥關閉旁通閥。凝結水與冷凝器之間采用間接換熱方式，冷凝水吸熱升溫并協同外風機加速對冷凝器的降溫，如此可以最大限度地提高空調器系統的制冷效率。示意圖如圖2所示。

圖2

(2)在室內掛機出風口或在蒸發器前端增設一片由多層波紋纖維經疊合而形成多孔板狀的板式換熱器(姑且稱之為濕簾換熱器)。將凝結水收集到蒸發器和濕簾換熱器底部集水槽中，水槽設有高、低液位探頭(傳感器)，高水位自動開啟微型水泵，低水位自動停泵，泵的進口處設置過濾器，水槽底部設排污水出口且連接12 V常閉電磁閥，電磁閥出口與水槽頂部的溢流管相連。凝結水經微型泵輸送到空調送風口前面增設的濕簾換熱器上，上端經分流后滴到濕簾換熱器上，凝結水自上而下浸濕換熱器表面，冷凝水被再次蒸發(近似等焓加濕過程)，以最大限度維持室內空氣濕度。溢出的凝結水經管道引向室外地面。設置旁通閥及管的作用是針對空調系統自清潔過程，清潔后污水可以經12 V電磁閥直接排向室外(此時微型泵不工作)。這種方式既減少了因冷凝水直接排放室外而造成的冷量損失又能減緩室內濕度的降低。盡可能讓空調器“恒濕”運行，尤其對門窗緊閉及室內面積較小房間有效。工作示意圖如圖3所示。

圖3