新型空调冷凝水相变蓄冷系统可行性分析

万智华 苏长满 李相初 成浪 卢有为

摘要：指出了分体式空调由于其具有安装快捷、使用方便的优点，已经广泛应用于居民用户当中。然而，“空调雨”的问题一直没有得到有效地解决。综述了目前冷凝水利用和相变蓄冷的研究现状，提出了一种空调冷凝水相变蓄冷系统，该系统能够收集白天制冷产生的低温冷凝水，并通过相变蓄冷材料将冷能储存起来;到了夜间，通过相变材料释放冷量给房间供冷，从而降低了空调的运行能耗。计算了分体式空调冷凝水的日产生量，并对该系统进行了节能潜力分析，得出了该系统可以起到节能减排的作用。

关键词：空调;冷凝水;相变;蓄冷;可行性分析;节能

中图分类号：TU83 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）20-0195-03

1引言

在炎热的夏季，空调已经逐渐成为家庭祛暑降温的必备家电了。空调蒸发器表面温度一般低于空气露点温度，因此空调蒸发器表面很容易凝结形成冷凝水。对于湿负荷大的环境，冷凝水量相对较大。众所周知，中国人均水资源并不高，低于世界平均水平，因此节约用水成为全社会共同的责任和义务。空调冷凝水是一种伴随着空调夏季制冷运行的产物。这些冷凝水是温度比较低，一般稳定在10～15℃之间。目前，对于城市小区使用的空调，冷凝水的处理大多采用直接排放的方法，因此形成了“空调雨”的现状，既浪费了水资源，也对建筑物外墙等围护结构造成了一定的破坏和污染。如果能够将冷凝水的冷能回收，既解决了水的滴漏问题，也起到节能减排的作用。本文就冷凝水的冷能回收利用做了一定的研究。

2研究现状

2.1冷凝水利用现状

合理处理和回收冷凝水成为了许多学者的研究对象。许多学者对冷凝水回收技术和研究进展进行了综述，认为目前冷凝水回收系统主要有开式和闭式两种形式，主要利用方式包括作为水资源和辅助冷源来利用。例如在水资源方面，冷凝水可以作为卫生间马桶冲水、城市绿化用水、冷却塔补水、补充地下水、景观用水和工业冷却用水等，但是不建议用于饮用使用。在辅助冷源方面，冷凝水可以作为冷却塔冷却、风冷型空调冷凝器冷却和新风系统冷却等。为了更好判断冷凝水回收系统的可行性，有必要对其进行可行性和节能潜力分析。

赵若焱和曹振华等理论计算了户用多联机空调和风机盘管加新风空调系统的冷凝水产生量。丁勇和史丽莎定量分析了重庆市家庭用分体式空调的冷凝水用于冷却冷凝器时制冷系数的变化，指出冷凝水量对空调效率影响较为明显。李兆坚等采用了全年逐时模擬算法计算了海南等气候潮湿地区低温低湿洁净厂房空调冷凝水量，指出气候条件和室内空调参数对冷凝水量影响较大。王赞社等通过实验方法研究得出冷凝水用于压缩机排气管降温，可提高空调的制冷量和制冷系数。综上所述，大部分研究还是集中在冷凝水直接用于冷凝器等设备降温方面，对于冷凝水冷量回收涉及较少。

2.2相变蓄冷研究现状

蓄冷技术是利用工质状态发生变化时，将显热、潜热或化学能进行高密度的储存，从而实现一定空间的环境调节和控制。随着生鲜食品行业的兴起，蓄冷保温箱由于其具有设备简单、造价低、温度控制精准的特点，在市场上得到了广泛地应用。水蓄冷和冰蓄冷技术是一种在电力低谷时储存冷能以补充电力高峰时用电的储能方式，这是目前大型公共建筑空调“削谷填峰”的主要方式。车丹分析了消防水池水蓄冷系统应用于实际工程的方案效益，指出从投资回收期角度来看，并不建议采用水蓄冷，但是从绿建加分、蓄热和其他系统可能的预留条件上看，还是推荐采用。上述论证过程可为从事暖通设计人员提供参考。贾珍和申肖肖通过分析指出办公和商业建筑比较适合采用冰蓄冷系统，而酒店综合体的回收周期较长，并不太适合采用冰蓄冷系统。苏钢和王君指出了某工厂采用水蓄冷技术改造后，可以为空调系统提供备用冷源，降低运行成本。李艺群和黄凯良通过分析啤酒厂、水果冷藏厂、奶制品厂生产特点，指出冰蓄冷在工业领域中也具有一定的应用空间。章小玉和祝健指出了温湿度独立控制系统可以解决水蓄冷系统的容积过大问题，经济性比常规系统好。

目前，蓄冷技术应用空调系统的研究和案例集中在大型公共建筑上面。对于居民用户的分体式空调应用甚少。综上，本文提出了一种适用于居住建筑使用的新型的空调冷凝水相变蓄冷系统。该系统结合相变蓄冷技术，在白天负荷高峰期，将空调蒸发器所产生的冷凝水的冷量通过相变材料储能起来，在非高峰时的夜间，将冷能释放，达到降低空调能耗的作用。

3方案可行性分析

3.1装置原理

如图1为系统的原理图，运行主要包括两个过程：一个是蓄冷过程，一个是释冷过程。

（1）蓄冷过程。白天，正常开启空调制冷循环，蒸发器表面由于温度低于空气露点温度。空气中的水会冷凝出来，滴落在蒸发器下方的集水盘上，此时电动阀门Vl开启，电动阀门V2关闭。因此冷凝水流入到蓄冷箱当中。蓄冷箱中储存有冰球，冰球中装有无机相变材料，该材料具有成本低廉、导热性好、相变潜热不会退化等优点。如KF-4H2O溶液，其相变温度为18℃。由于冷凝水温度低于其相变温度，因此液态的溶液会发现相变，形成固态物质，将冷凝水的冷量储存起来。

（2）释冷过程。到了夜间，把空调系统关闭，阀门V1关闭，阀门V2和V3开启，开启输送泵，经过了过滤器和灭菌器，去除水中可能存在的杂质和细菌病毒等。低温的冷凝水送人到蒸发器上方的喷水器，水以液膜状在蒸发盘管上流淌下来。此时，蒸发器风机依然开启运行，以驱动室内空气流过蒸发器盘管表面，水膜通过显热和潜热交换，吸收空气中的热量，温度下降后的空气被送人到房间，起到了空气调节的作用。在蓄冷箱中设置了最低和最高液位传感器，当蓄冷箱中液位低于最低液位传感器时，将会开启电动阀V4，自动向蓄冷箱补充自来水，当液位超过最高液位时，V4关闭。自来水温度一般高于冷凝水温度，这样可以加速冰球相变材料的融化，保证冷量的持续供应。另外，为了进一步回收利用冷凝水，未蒸发的水滴落到蒸发器集水盘后，并未直接排走，而是进入到储水箱当中。当白天空调正常运行时，开启储水箱下方的电动阀门V5，储水箱中的水进入冷凝器上方的喷水器，同样水膜在冷凝器盘管表面吸热，降低了冷凝温度，可以起到提高制冷系数的作用。未蒸发的水落人到冷凝器集水盘中，最终汇入到雨水收集系统，作为景观灌溉等使用，到此为一个完整的循环。在该系统中，为减少制冷量的损失，蓄冷箱和储冷箱外壳均做了保温处理。

3.2冷凝水量计算

笔者以格力型号KFR-35GW/DbD3为例，该空调为定频机，额定制冷量为3500w，额定制冷功率为1064W，制冷系数为3.3。循环风量为650m³/h，可使用于面积为16～20m²的房间。空调使用区域为江苏徐州地区，研究空调夏季制冷过程。考虑到渗透新风，分体式空调夏季空调处理过程可简化为一次回风系统。其空气处理过程的焓湿图如图2所示。室外状态点为W，室内空气状态点为N，通过混合变为状态点C，混合状态点经过空调蒸发器表面减温减湿达到机器露点0（取相对湿度为90%）。之后，状态0的空气送人到室内，吸收室内的余热余湿变为状态点N，如此为完整的一次回风处理过程。

经计算，单位小时冷凝水量流量Mc=1.95kg/h。

3.3节能潜力分析

假设空调每天的运行时间是12h，在这12h中，耗电量为W=1064×12/1000=12.8kW·h。冷凝水量M=1.95×12=23.4kg。

取冷凝水的温度为tL=15℃，则冷凝水可以承担的显热冷负荷如式（3）所示。

Q=Mep（tN-tL）（3）

式（3）中，cp为水的比热，4.2kJ/kg。

为简化计算，在此不考虑冷凝水承担的潜热冷负荷、蒸发器风机和水泵的能耗，蓄冷箱和管道的冷损失，冷凝器冷却导致制冷系数的提升等因素，冷凝水可承担冷负荷为QL=982.8kJ。正常空调制冷12h的耗电量为45964.8kJ，相当于节能率约2.1%。根据徐州地区气候特点，假设6～8月需要开空调90d，这样一个空调季可节省电量为24.6kW·h。江苏省徐州市现行居民生活用电价格是不满1千伏为0.53元/kW·h，因此节省电费13.0元。

4结语

以徐州地区为例，一台3500W，风量为650m³/h的户用分体式空调冷凝水小时产生量约为1.95kg/h。本文提出的新型空调冷凝水相变蓄冷系统，能够将高峰时段产生的冷凝水的冷量通过相变材料储存起来，在非高峰时段释放冷量，节能率为2.1%。解决了空调冷凝水资源的浪费和对建筑物污染的问题，节省了空调能耗，起到了节能减排的作用。