多联机空调系统室外机组喷雾降温技术节能效果测试研究

邹晓锐

在夏季用电高峰时段，空调系统的用电量约占建筑总用电量的40%以上，能耗量巨大，节能需求十分迫切[1]。多联机空调系统具有灵活、高效、无需设置专用机房等特点，因而广泛应用于办公建筑。多联机空调系统为风冷式，即通过室外机组的机械排风气流使得冷凝器换热翅片与外界空气进行对流换热以带走室内余热。

由于我国广东地区夏季室外气温较高，仅依靠风冷冷却实现的对流换热量较为有限，导致压缩机功耗增大，空调机组能效比降低，运行工况欠佳也会缩短空调机组的使用寿命。根据卡诺定理可知，室内外的温差越小，即空调制冷循环的蒸发温度和冷凝温度差值越小，耗电量就越小。相关研究表明，空调室外机组工作温度每降低1 ℃，其单位制冷量对应的用电量将下降3%～4%[2]。因此，采取降低空调系统冷凝温度的措施可以有效减少空调室外机组的用电量。

1 喷雾降温工作原理

水从液态到气态相变吸收的热量约为水升温1 ℃吸收热量的539 倍，空调系统室外机组的喷雾降温技术是利用水雾化蒸发吸热原理，用高压水泵将水雾化成粒径为3 ～10 μm 颗粒水雾喷洒在室外机翅片处。微细粒状水雾吸热汽化，在汽化过程中，水雾体积膨胀变大，吸收并带走冷凝器换热翅片表面及周边的大量热量，降低翅片表面和周边环境的空气温度，以达到改变冷凝器进风温度进而改善压缩机运行工况的目的[3，4]。

该技术是在不改变空调机组冷凝器既有散热面积及通风量的情况下，增设喷雾装置，由水雾微粒汽化带走冷凝器的热量，使得室外机原先单一的风冷冷却方式变成风冷（显热）和雾化（潜热）冷却相结合的混合式冷却，并可降低室外机冷凝器周围的环境温度和室外机翅片表面温度，从而降低冷凝器的冷凝温度和冷凝压力，减少压缩机的高低压差，提高设备制冷效率，有效优化空调机组压缩机的运行工况，不仅可延长压缩机的使用寿命，而且能够实现空调机组的节能运行[5]。喷雾降温系统结构简单，安装方便，节能效果可达5%～10%。

2 应用案例项目介绍

2.1 空调系统室外机组情况

广东地区某办公大楼的总建筑面积为20 020 m2，其中6 ～18 层采用多联机空调系统进行供冷，各层的空调系统相互独立。为保持建筑外立面的统一美观，6 ～15 层的多联机室外机组安装在建筑外部加装的封闭平台（6 ～15 层均有），平台靠外侧设置有玻璃幕墙与遮阳百叶，形成了局部密闭空间，各层封闭平台处的机组数量均为2 台，为提升排风效果，机组的排风口处连接有金属风管；16 ～18 层的多联机室外机组安装在屋顶天面（露天无遮挡），天面处的机组数量为7 台，机组直接向上部空间排风，无外接风管。整栋建筑多联机空调系统室外机组总计27 台，设备详细情况见表1。

表1 多联机空调系统室外机组情况汇总

2.2 喷雾降温系统组成情况

针对上述政府办公大楼6 ～18 层采用多联机空调系统的实际情况，设计并建设了喷雾降温系统。系统总计使用了342 个雾化喷口，每个室外机组安装了9 ～15 个喷口，各型号机组对应的喷口数量如下：GMV-300W/A 为9 个；GMV-450WM/B 为12 个；GMV-615WM/A 为15 个。

喷口上下间距为300 mm，固定用立柱左右间距250 ～300 mm，喷口与多联机空调室外机组翅片表面距离为200 ～250 mm；喷出高压水雾粒径3 ～10 μm，喷口为离心式，喷雾角度30°～60°，流量10 ～25 ml/min；系统的支管和干管分别由高压聚乙烯（Polyethylene，PE）管和液态不锈管构成，其公称压力分别为7 MP 和12 MPa。

系统的高压喷雾主机工作电压为交流380 V，额定功率为2.2 kW，额定喷雾量为720 L/h；主机中的高压柱塞泵将进水由低压的0.3 MPa 提高到稳定的高压2 ～7 MPa，主机内部设置有储水箱，能够实现自动补水，并可手动设置出水压力，且保持恒压供水。

系统总计使用了27 个电磁阀、27 个温度传感器（分别对应27 台空调室外机组）和1 个温湿度传感器，电磁阀安装在各空调室外机组的末端喷雾管路，实现对喷口的启停控制，温度传感器加装在空调机组的外接排风管内或风机外侧，温湿度传感器安装在屋顶天面处，用于监测室外环境空气的温湿度。

系统使用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC） 来实现对高压喷雾主机和末端处各电磁阀的启停控制，在屋顶天面和6 ～15 层各处的封闭平台均安装了PLC 控制柜，基于传感器监测的机组排风温度与室外空气温度，结合时段控制，实现对高压喷雾主机和末端处各电磁阀的启停控制。

3 节能效果测试分析

3.1 测试工况

测试日期为2020 年9 月的某个工作日14：00 ～16：30，当日的天气条件为多云，日间平均气温约为35 ℃，测试对象为6 ～15 层封闭平台和屋顶天面的各处室外机组在喷雾开启与停用两种状态下的运行情况，测试参数包括机组的运行功率、排风温度和周边环境的温湿度等。在当天的测试时段内，大楼部分区域的办公室和会议室等没有人员使用，因此空调系统对应部分的室外机组未开启运行。

3.2 测试方法与条件等

（1）测试方法。用功率计分别测试空调系统室外机组在无喷雾与有喷雾两种工况下的运行功率，用温湿度仪分别测试各处空调室外机组周边环境的温湿度，并根据加装在室外机组排风管内的温度传感器读取记录机组的排风温度。每种工况测试时长为5 min 左右，测试参数取测试时段对应的平均值；两种工况的测试间隔为5 min 左右；温度、湿度及功率值的记录时间间隔均为1 min/次，对应的测试值取测试时段内的平均值。

（2）测试仪器。功率计、温湿度仪、温度传感器、卷尺。

（3）测点布置。各层的空调室外机组为同一线路，在各层的低压配电间配电柜对应线路处布置功率计1 台，测试机组的运行功率。在各处室外机组进风口换热翅片前端约0.3 m 处布置1 个温湿度仪，距地面约1.2 m 高。

（4）测试条件。测试期间空调系统室外机组均正常运行，各办公室和会议室无临时使用或停用、人员长时间外出等供冷负荷突变的情况，大楼各层的多联机空调系统运行工况较稳定，室内冷负荷相对较稳定，各处（包括封闭平台和屋顶天面）机组周边环境温湿度的波动较小。

3.3 测试结果与分析

选取6 层与16 层两个代表性楼层空调室外机组，在无喷雾和有喷雾两种工况下测得的排风温度和运行功率测试值详见图1 和图2。根据测试数据，空调室外机组的排风温度和运行功率测试数据都较为稳定，有喷雾工况下室外机组的排风温度和运行功率较无喷雾工况有明显降低，机组的效能得到优化。整个多联机空调系统在有、无喷雾降温两种工况下的运行测试数据如表2 所示。

图1 6 层空调室外机组在两种工况下排风温度和运行功率测试值图（来源：作者自绘）

图2 16 层空调室外机组在两种工况下排风温度和运行功率测试值（来源：作者自绘）

由表2 可知，应用喷雾降温系统后，空调室外机组的排风温度降低，温差最小值为2.2 ℃，最大值为5.2 ℃；空调室外机组的运行功率也相应下降，节能率最小值为5.75%，最大值为8.48%。

表2 喷雾降温系统运行效果测试数据

设空调室外机组总运行功率值在无喷雾和有喷雾工况下分别为P1和P2，高压水泵的运行功率为P3，节能率为η，则系统的总节能率为η=（P1-P2-P3）/P1=（217.29-201.83-2.20）/217.29=6.10%。因此，增加喷雾降温系统后空调系统室外机组的总体节能率为6.10%。

4 结语

基于对节能改造工程的测试，喷雾降温技术能够实现一定的节能效果，该项技术在短时间内能够使空调室外机组的排风温度降低2.2 ～5.2℃，系统的总体节能率达到6.10%。本文研究与相关测试仅限于某一具体改造项目的节能效果，实际上影响喷雾降温技术节能效果的因素较多，包括喷口布置密度、喷口相互间距、喷射方向角度、喷雾水量、喷口与冷凝器翅片表面的距离、喷洒持续时间及时间间隔设定等，这些均有待后续的深入研究。

在非空调季停用期间做好喷雾降温系统养护是保证其正常运行的关键，同时应考虑空调室外机组换热翅片的防腐蚀处理，并在系统运行过程中做好维护保养工作，如定期检查水处理器、高压水泵、电磁阀和高压管道，以避免漏水与爆管，还应定期清洗更换水过滤器等。