从节能和舒适性两方面谈分体式壁挂空调的节能改进

刘文俊

(江西省城建设计研究院有限公司，南昌 330088)

空调技术起源于美国，历经漫长的发展过程，直到上世纪60、70年代在日本得到不断改进，最终制造出首台由压缩机、蒸发器、冷凝器、节流装置四大基础单元组成的无风管送风窗式空调。此空调技术引入中国后，得到飞速发展，如今，分体式空调遍及城乡，我国已经成了世界上最大的空调生产、使用和出口国！

空调效能等级即空调的能效比，是额定制冷量与额定功耗的比值。通俗地说，就是消耗同样多的电所产生的冷气有多少，是衡量空调性能优劣的一个重要参数。国家在2005年颁布了空调产品能效比的标准，将普通定速空调的能效比分为了五个等级。2010年又颁布了(12021.3-2010)新三级能效标准。2020年7月1日，号称“史上最严”空调新能效标准GB 21455-2019《房间空气调节器能效限定值及能效等级》将正式执行。从窗机到挂机、从定频到变频空调、从旧能效等级到今年7月1日执行的新能效等级，可以看出国家对空调生产企业的要求也在不断提高。

变频空调与定频空调相比，它的最大优势就是可以动态、准确的调节空调内部压缩机的运转速度，使室内温度精准控制到±1 ℃，实现按设定参数平稳送风效果；而定频空调是在设定工况下的满负荷运行过程，压缩机启动、停止时间必然发生滞后现象，从而导致空调送风忽冷忽热现象。从这点来说，变频空调更符合“恒温”要求。如果把变频空调看作受控于纯数字信号，那么定频空调就是受控于模拟数字信号。就像现在的数字调谐收音机和早期的电容调谐收音机，前者是数字调频，后者是调谐电容调频，精准度不言而喻。话说回来，精准控温必然增加了压缩机的启停次数(也有人说减少了空调压缩机的启停次数)，在刚开机到接近设置室温之前，压缩机也是满负荷运转，回风温度临近设置室温时，压缩机才逐渐减速平稳运转直到压缩机停止运转。我们知道电机的启动瞬间电流是正常运行的(3～5倍)，甚至更高。变频技术似乎对压缩机寿命和节能都不太明显，毕竟能量守恒定律摆在这里。况且，空调技术经过多年不断改进、完善已日趋成熟，期望对建立在四大基础件之上的空调有较大空间的能效提升，显然不太现实，除非在此基础技术上有重大突破。惟其如此，本人认为，空调冷凝水收集利用倒不失为一种有效的途径。遗憾的是，空调产业经历这么多年的发展，冷凝水的回收利用问题却一直没得到空调生产企业设计人员的重视，是担心会因此增加制造、安装成本还是因为这点凝结水微不足道？

空调运行时(降温除湿过程)，蒸发器表面的凝结水直接排出到室外，室内空气温度降低的同时空气中的含湿量也在不断减少。尤其在门窗紧闭的狭小室内空间，空调长时间运转，因不能得到新风补充，室内含氧量也逐渐减少导致鼻孔发干，呼吸不畅，令人感觉很不舒服，同时，冷凝水带走的冷量也白白浪费了。而近几年推向市场的空调扇是利用水蒸发吸热实现降温送风，此过程可以近视为等焓加湿过程，室内空气中的含湿量在不断增加，并逐步达到饱和状态，此时空调扇若继续运转，会让人感觉愈来愈闷热难耐，因此，室内尤其是较小的空间不宜长时间运行，该产品倒是比较适合用于室外降温。

空调冷凝水产生量通常可以从焓湿图查出，也可以通过经验公式得出空调器产生的冷凝水量：

W=rV(dC—dL)

式中，r为空气密度，取平均值1.29 kg/ m3；V为空调器送风量， m3/h计算得到,文中仅通过查焓湿图并经简单估值计算以作参考。

图1 1atm 大气压和加压空气的饱和水蒸气含量图

空调制冷时， 室内机蒸发器室工作温度通常在5～7 ℃，取中间值6 ℃，如果我们设定房间温度为26 ℃.那么空调出风口温度就是 20 ℃，从上图可查得15[g water/kg air],如果当时室外空气温度为38 ℃，空气湿度80%，则此时空气的含水量为36 g(water)/(kg air),也即是说36-15=21[g water/kg air]，假定房间面积为20 m2,层高3 m,则房间的体积为60 m3,每小时新风换气量按0.5(门窗渗透)估算，即30 m3新风，而1atm大气压下，空气的密度为1.29 kg/m3,则新风质量W=v×ρ=30 m3×1.29 kg/m3=30.87 kg,则此气象条件下，空调运行1小时，冷凝水的产出量=21[g water/kg air]×30.87 kg=648.27 g,如果一台空调在此种气象条件下运行10小时，则排出的冷凝水总量6.483 kg。当然，这个数据只能作为参考，实际产出量和查表计算得出的结果肯定有偏差。因为，关联空调运行的因素实在太多、太复杂，比如天气变化、门窗的启闭、人员进出数量、次数等等。我本人开空调就习惯让窗户留有一定的缝隙。

空调运行过程中，冷凝器制冷介质的进口温度通常可达70～90 ℃，出口温度在42～50 ℃，冷凝器表面工作温度取中间平均值约为63 ℃，蒸发器表面的工作温度通常在7～15 ℃之间，取中间值为11 ℃，假设用11 ℃，6.483 kg重的冷凝水给冷凝器降温，那么冷凝水吸收的热量(或者说释放的冷量)Q=W×ΔTkcal/kg·℃=6.483 kg×(63℃-11 ℃)=337.12 kcal,如果一台空调每年运行100天，一天运行10小时，理论上冷凝水吸收的总热量达33712 kcal,假设空调的整体工作效率为95%,那么每度电产生的热量为860 kcal/kW·h×0.95,即817 kcal/kW·h,冷凝水吸收的热量换算成电能33712÷817(kW·h ),大约是42度电。也就是说，冷凝水回收利用后，一台空调每年大约节省40多度电，效果实在不明显，但一万台空调、十万台、一百万台、一千万台甚至上亿台呢……？

曾经在某出版物或网上看到过，有学着对空调冷凝水回收利用问题发表过反对意见，大致意思是“空调节能与否主要还是依靠系统本身，过分谈冷凝水回收利用则是捡了芝麻，丢了西瓜”。我以为，仁者见仁，智者见智。前句没毛病，后句我不太认同，因为节能与减排并不矛盾甚至是我们追求的最终目的。关键还是要看投入产出比，要从长远利益出发，更要有全局观念。故此，关于冷凝水回收利用，本人坚持提出以下2种意见或建议：

(1)对室外机冷凝器原有结构进行改装。就是在冷凝器原基础上增设一套独立冷凝水进、出管路，即冷凝器上既有制冷剂封闭循环管路也有冷凝水上进下出管路，即2套独立管路系统。室内挂机蒸发器下部集水盒出水口设置过滤器，然后通过Ф12～14 mm铝管与外机冷凝器上端(冷凝水进口)设置的三通电磁阀相连(方便起见，分别叫工作阀和清洗阀)，旁通阀出口与冷凝水出口相连再引到地面。设置三通阀是为了方便清洗冷凝水管路，避免脏水进入换热系统(防止堵塞管路)。比如，现在的海尔自清洁空调，在启动自清洁的同时，先关闭工作阀，清洁后让脏水通过旁通阀直接引向地面，自清洁过程结束后自动开启工作阀关闭旁通阀。凝结水与冷凝器之间采用间接换热方式，冷凝水吸热升温并协同外风机加速对冷凝器的降温，如此可以最大限度地提高空调器系统的制冷效率。示意图如图2所示。

图2

(2)在室内挂机出风口或在蒸发器前端增设一片由多层波纹纤维经叠合而形成多孔板状的板式换热器(姑且称之为湿帘换热器)。将凝结水收集到蒸发器和湿帘换热器底部集水槽中，水槽设有高、低液位探头(传感器)，高水位自动开启微型水泵，低水位自动停泵，泵的进口处设置过滤器，水槽底部设排污水出口且连接12 V常闭电磁阀，电磁阀出口与水槽顶部的溢流管相连。凝结水经微型泵输送到空调送风口前面增设的湿帘换热器上，上端经分流后滴到湿帘换热器上，凝结水自上而下浸湿换热器表面，冷凝水被再次蒸发(近似等焓加湿过程)，以最大限度维持室内空气湿度。溢出的凝结水经管道引向室外地面。设置旁通阀及管的作用是针对空调系统自清洁过程，清洁后污水可以经12 V电磁阀直接排向室外(此时微型泵不工作)。这种方式既减少了因冷凝水直接排放室外而造成的冷量损失又能减缓室内湿度的降低。尽可能让空调器“恒湿”运行，尤其对门窗紧闭及室内面积较小房间有效。工作示意图如图3所示。

图3