蒸发式冷凝器在风冷型多联空调机组节能改造中的应用研究

黄立文 陈妙阳 曾德强 李永华

（1广东产品质量监督检验研究院 广州 510670；2.广东威垦阿尔法创新科技有限公司 广州 510000）

引言

近年来随着国家社会经济的持续发展，我国的房屋建筑规模日益扩大并处于历史高峰期，据统计我国城市每年约新增8～9亿平方米的住宅建筑和公共建筑，其中大部分建筑都安装有空调系统，空调能耗占建筑总能耗约（50～70）%，特别是安装了与人体舒适性相关的冷暖空调大多是采用风冷型的散热模式，该类型空调在夏季高温天气下运行效率下降，能耗上升，加之近年温室气体排放造成的夏天连续高温天气状况频发，加剧了该类风冷空调设备在这种天气条件下高能耗低效率的弊端呈现。如何降低该类型空调能耗从而减少建筑耗能成为我国既有建筑节能降耗亟待解决的问题，。我国历来重视节能减排工作，2022年国务院发布《“十四五”节能减排综合工作方案》，《方案》明确提出目标，到2025年，全国单位国内生产总值能源消耗比2020年下降13.5 %，主要实施措就包括全面积极推进既有建筑节能改造，实施绿色高效制冷行动，以建筑中央空调、数据中心、商务产业园区、冷链物流等为重点，更新升级制冷技术、设备，优化负荷供需匹配，大幅提升制冷系统能效水平。

1 风冷机组耗能性能变化情况分析

1）在既有的建筑中，因为空调老化导致的建筑耗能增加尤为突出。目前我国既有的建筑中几乎都安装了空调制冷系统，其中有部分建筑安装了风冷型多联空调机组，由于该类型机组运行自动化程度高、可冷可暖、使用方便等特点，比水冷型空调省去了冷却搭等水路系统，具有安装周期短、设备占地面积小、成本低等等优点，因此在在中小型场所，如商用写字楼、办公楼、高档商住楼、饭店、学校中得到了广泛的应用。风冷型多联空调主机使用的风冷式冷凝器结构为铜管+铝翅片式的换热器，该冷凝器长时间在室外恶劣的工作环境中运行后，冷凝器翅片容易产生老化腐蚀、积尘现象，冷凝器的表面污垢系数变大，传热系数变小，散热性能下降，性能下降系数约为每增加使用1年，性能下降（1.5～2）%，而且该性能下降系数始终贯穿整个空调使用阶段。

以广州某品牌电梯工厂办公楼安装的一套20HP多联机空调为例，该空调于2010年12月安装并投入使用，该工厂对每台空调都安装了能耗及运行参数采集监控系统，调取近10年的符合标准工况机组运行条件下的采集数据进行分析（见表1），可见随着使用时间变长，空调机组的耗电量在逐年增加，耗电量年增长幅度约为2 %（见图1），符合上述1）条款表述的特征。

表1 广州某办公楼20HP多联机耗电量监控数据（制冷季节）

图1 空调机组的使用年限耗电量趋势图

2）根据中央气象台提供的近10年夏天高温天气趋势线走势图（见图2），中国进入了历史上最热的10年连续高温期并有持续恶化的迹象，夏季极端高温天气温度不断向上突破，高温天气天数持续增加，特别是去年，高温天气连续79天，在陕西、四川、重庆、湖北、湖南、江西、安徽、江苏、上海、浙江等地，部分地区最高气温已达（40～42）℃，南方地区40 ℃以上站点已连成片，达到骇人的地步，这样的高温天气下，风冷型空调超出正常工作的适应区间，能效比急剧下降的同时反而进入高耗能工作区间，极端高温及持续高温天气导致早期设计并安装的风冷型空调主机的制能力下降，从而影响建筑内的人员的体感舒适性，处于能耗高却舒适性下降的窘境。

图2 全国平均气温趋势图

3）若此时建筑物的风冷型主机因上述2个因素叠加，将导致其风冷型空调能效与性能严重下降，能耗增高，同时风冷空调主机在这种条件下长时间运行后，最终会导致冷凝器失效，空调机组工作电流增大、故障频发，机组的耗电量也大幅增加，空调制冷效果反而劣化，大大缩短了空调机组的使用寿命，甚至会引起电源电流超出负荷引起火灾、爆炸等安全事故[1]。

2 蒸发式冷凝器的技术原理和特点

技术原理：从压焓图（图3）来说明本产品技术路线。传统的风冷型冷凝器的散热方式完全是显热方式的热交换模式，效率低（补充数据说明），而蒸发冷则是利用了水气化的相变过程吸收大量热的潜热原理（水的气化潜热约为2 450 kJ/kg）来交换从压缩机出来的高温高压气态冷媒的热量，因此蒸发冷比风冷方式效率更高。换句话说，排除等量热量用水冷方式比风冷方式耗 去的能量要小得多。从图3来看显热的干球温度为35 ℃时，对应的湿球温度值下降到28 ℃附近（假定值），因此同样的天气条件下，用水来做热交换能使高温高压气态冷媒有更好的冷凝作用，能充分保证被交换的冷媒完全液化，理论上冷媒的冷凝温度每下降1℃，其蒸发效率提升3.6 %，更低的冷媒特性有利于提高制冷能力、提升效率。图3理论值提示，最高制冷系统可省电40 %以上蒸发冷冷凝原理在制冷行业应用广泛，但实现的手段各有不同。本文中实现蒸发冷冷凝的方式如图4：蒸发式冷凝器以水为工作介质，由排风风机、散热湿膜、换热器和循环水泵系统组成，工作时水泵将水槽里经冷却后的水送至冷凝换热器内吸收制冷剂蒸汽热量，换热后水经过喷淋装置喷洒到散热湿膜，散热风机使空气自下而上强制对流经过湿膜，湿膜表面水蒸发，以潜热方式联同水蒸气本身把热量传递给空气，剩余的水落在水槽中供水泵循环使用。蒸发式冷凝器具有节能、节水和对环境友好的特点。蒸发式冷凝器的冷凝温度与空气的湿球温度有关，冷凝温度比风冷式冷凝器要低（5～11）℃，冷凝温度降低能使压缩机的排气温度和压力降低，提高制冷机组的制冷效率从而实现节能。而且在工作过程中，冷凝器周围空气温度不会明显升高，甚至环境温度会下降，湿度会增加，不会和风冷型空调机组一样产生热岛效应，造成环境热污染，对环境友好。另外由于水的气化潜热约为2 450 kJ/kg，而水冷式冷凝器中冷却水的温升只有约（4～8）℃，即每千克冷却水带走的热量约为（25～35）kJ，所以蒸发式冷凝器消耗的水量理论上仅为水冷式的1/70～1/100[2]，用水量比普通水冷式冷凝器要少。蒸发式冷凝器的研究起步较早[2-5]，作为一种强化传热换热器，具有结构紧凑和占地面积小的优点，蒸发式冷凝器在电厂换热中得到一定的应用[6-8]，近年来也逐渐应用到制冷领域中[9]。本文通过对蒸发式冷凝器应用于风冷多联空调机组进行节能应用研究。

图3 技术原理压焓图

图4 蒸发式冷凝器工作结构图

图5 蒸发式冷凝器与多联机空调机组连接工作示意图

3 蒸发式冷凝器在风冷多联式空调机组中应用的改造方案

广州某品牌电梯工厂办公楼安装的一套20HP多联机空调机组于2010年12月安装并投入使用，由于冷凝器腐蚀老化，耗电量年增长幅度约为2 %（见表1），而且经常出现高温保护等故障，制冷效果劣化严重。如需要将机组恢复回原来状态，需要更换机组的室外机，成本较高。我们通过在原来系统中接入蒸发式冷凝器模块对机组进行节能改造，改造方案见图5。原机组的制冷量为56 kW，冷凝器热负荷约为67 kW，由于原风冷冷凝器老化散热能力衰减，在节能改造中选择散热量为25 kW的蒸发式冷凝器模块串联到原风冷冷凝器流路中来提高原机组的冷凝器散热能力，改造对原机组机构没有破坏，仅在串联了蒸发冷凝器后由于冷凝器管路加长追加补充了等量的制冷剂和冷冻油，由于原机组为变频多联机组，原机组风冷散热系统同样为变频系统，通过检测冷媒的温度与压力来自动调节冷媒的过冷度，因此无需对原机组的控制系统做任何改动。

4 蒸发冷节能改造前耗电量比较

广州地区年制冷使用时长达9～10个月，从3月份开始进入抽湿需求，到趋近年底的11月份，甚至在12月份都有开机制冷的需求。因此，我们对制冷需求重点的4个月（6月～9月）做数据记录收集，经归纳计算，该时间段约占全年制冷需求时长的45 %，能充分说明制冷工况的各项指标特征。

2022年6 月～9月制冷季节期间，笔者跟踪对比了某办公楼安装的已经使用10年的某品牌20HP（额定制冷量：56 kW）2台同样制冷工况同样制冷量主机设备的各项运行指标，被跟踪数据的该2台主机中，1台为原未改造的主机（以下表格对应：改造前（纯风冷）），另一台则已经实施蒸发冷改造的主机（以下表格对应：改造后（蒸发冷+风冷）），对2台机组的运行参数分别进行了记录与归纳（见表2、3）。

表2 机组改造前与增加蒸发式冷凝器改造后运行指标对比表

表3 机组改造前与增加蒸发式冷凝器改造后运行耗电量对比表

由表2、3数据可知，实施节能技术改造后，机组的运行参数有了很大的改善，冷凝压力、冷凝温度、运行功率和电流明显降低，室内送风温度也有所降低，机组的效率和制冷效果明显提高，从6～9月制冷季节（约占全年制冷时长的45 %）运行耗电量结果可知，节省耗电量6 219.5 kWh，按0.75元/kWh计算，节省电费4 665元，则全年可节省电费10 365元，同时可获得相当于2.07吨标准煤的节能减排碳指标（注：1 t标准煤碳排放指标=3 000 kWh）。

5 节能改造投入-产出分析

按以上20HP多联机主机为例，多联空调机组增加蒸发冷冷凝器模块改造工程投入成本约计3万元，每年节能电费10 365元，投资回收期＜3年，年平均还可获得相当于4.6 t标准煤的节能减排碳指标，改造后不仅提高主机运行的能效，同时比更换新外机节省费用 。

6 结论

通过对风冷多联机组增加蒸发式冷凝器改造，改造后空调机组出风温度明显下降，空调制冷效果得到改善，同时机组的冷凝压力、冷凝温度、运行功率和运行电流都有明显下降，每年可减少电费支出超过1万元，比改造前节能近30 %（年平均），可见蒸发式冷凝器在小型风冷空调机组中的节能改造可以在建筑节能降耗方面发挥重要的作用。