一种新型家用分体式空调器的研制

倪沈阳 白莉* 陈琬玥 贺梓健

吉林建筑大学市政与环境工程学院

当前我国室内环境正面临着“内忧外患”的局面。“内忧”是指室内家具等物品释放的甲醛,VOCs以及臭氧等污染物。“外患”是指大气雾霾对室内空气环境的影响。因此人们对室内空气质量的要求，不仅是对温、湿度等舒适性能的要求，更重要的是对室内空气品质的要求。

分体式空调作一种保障居住环境室温的家用电器，应用已非常普遍。家用空调器只能保证室内空气的温度，但保证不了洁净度与新鲜度。

笔者研发了一种新型空调器，它是在原有家用分体式空调器室内机上增加了一个新风净化组件，在保留空调器保证室温功能的同时，可以根据室内空气环境的不同要求，实现净化室内空气，向室内补充经过净化后的新鲜空气，排出室内受污染空气，过渡季节仅向室内提供新风这四种功能。

1 新型分体式空调器的简介

1.1 新型空调器结构

新型空调器的主体结构示意图如图1所示，它就是在原有家用分体式空调器室内机上加了一个新风净化组件及附属风管，新风净化组件的出风口与空调器的进风口用一根风管连接，室内回风和室外新风均经过新风净化组件净化后，送入空调器中完成制冷或者加热的过程。

图1 带有新风净化模块的家用分体式空调器示意图

1.2 新风净化组件

新风净化组件内部结构示意图如图2所示，它是由各种净化滤网，风口与风道，传感器，电控空气阀以及控制元件所组成。

图2 新风净化模块内部的结构示意图

1）新风净化组件风系统

室外新风由新风口2引入，室内回风由回风口引入，经过滤装置12、13、14净化后，经送风管10输送至分体式空调器中，从而实现新风、回风净化过程。当室内污染物浓度超标，室内空气由回风口，经排风口2排出室外，实现室内排风过程。风口2既是新风引入口又是室内污浊空气的排出口。

2）新风净化组件净化装置

分体式空调器的室内机回风口处通常会设有一层单薄的滤网，该滤网只能吸附毛发以及大颗粒灰尘等。空调器长时间使用会使滤网上滋生细菌以及通过人体传播的一些病毒，这些细菌和病毒通过简单的清洗滤网不能完全清除，当空调器再次打开时这些细菌及病毒会重新回到室内空气中降低室内空气质量。而该新型空调器室内机由于没有回风口，因此也就没有这层单薄滤网。室内回风通过新风净化组件中的净化滤网净化后输送至分体式空调器本体中，从而避免了前述的问题。从图2中可以看到，该新风净化组件中的净化滤网有VOCs及甲醛吸附滤网，高效HEPA滤网，初效滤网以及前置滤网所组成，通过这些滤网能将室内的绝大多数污染物清除从而保证了室内良好的空气质量。

3）管道穿墙的创新

本设计涉及到一个改进的技术，就是将新排风管与分体式空调器的制冷剂管共用一个穿墙洞，如图3所示。将新排风管与制冷剂管包在一起，通过一个穿墙洞就可以将制冷剂管和新排风管一同送入室内，经过计算新排风管与制冷剂管道都能满足各自的使用要求。这样做工程施工量小，安装难减小，并且对外墙体的损坏面积小。

图3 新风—制冷剂联合管示意图

2 新型空调器的自控系统

在不同的使用条件下新风净化组件能够实现其功能的自动切换，主要是依靠其内部的自动控制系统。该控制系统是由PLC控制处理单元控制的，由粒子传感器，压力传感器以及CO2传感器将各自的信号传输到PLC控制单元中，以此来控制着各电控空气阀的启闭，从而实现新风净化组件的不同功能，由于采用了智能的运行方案故该新型空调器的能耗更低。图4为该新型空调器控制系统结构框图。

图4 新型空调器控制系统结构框图

2.1 传感器

1）粒子传感器

中国环境保护部2016年对全国338个地级及以上城市的空气质量监测结果表明：全国环境空气质量总体偏好，重点区域主要污染物浓度同比下降，优良天数比例为78.8%，重污染为5.8%[1]。

由于全年还有20%左右的时间室外空气是处于污染状况。出于人体健康的考虑不能引用室外新风。新风净化组件使用新风与否将根据室外粒子传感器感受到的PM2.5浓度来决定，此时粒子传感器将其接收到的信号转换成为电信号输送到PLC控制处理单元上，并且来控制着新风的引用。控制条件为：当室外PM2.5浓度低于150 μg/m3时，引入室外新风。当室外PM2.5浓度超过150 μg/m3时，不再补充室外新风。

2）CO2传感器

CO2传感器是用来检测室内的CO2浓度，据相关研究表明当CO2浓度超过1000 ppm时，人们就会有较为明显的不舒适感[2]。为了保证人们对空气中的含氧量的要求，此时PLC控制处理单元将做出响应，自动控制阀门的开闭来减小室内CO2的浓度，并提供新风以增加室内空气的含氧量来保证人体的健康。

3）压力传感器

为了减少室外污染物对室内环境的影响，需要维持室内微正压5～10 Pa。微正压过大或过小对室内环境都有所影响，此时就需要安装一个压力传感器。压力传感器将感受到的压力信号输送到PLC控制处理单元上，从而控制电控阀的启闭来维持室内5～10 Pa的微正压。

2.2 电控空气阀

在本设计中控制新风净化组件各种风道启闭的关键元件为电控空气阀。通过空气阀的启闭来实现室内空气净化、新风净化、排出室内污浊空气的功能，这些空气阀的启闭都是由PLC控制元件所控制。

3 工作原理及工作过程

该空调器最关键的部件为新风净化组件。其主要完成过程如下：

1）室内空气净化

在该过程中新风净化组件就相当于一个壁挂式空气净化器；当室外PM2.5的浓度大于150 μg/m3，室外PM2.5由于门窗缝隙的渗透大量进入室内这时就需要净化室内空气。具体运行过程为：电控空气阀3、5、7、15关闭，空气阀9和16开启。此时室内空气经过滤网净化后送至分体式空调器中完成制冷或加热的过程。这样既能保证室内环境的舒适度也能保证其洁净度。

2）新风净化

此时新风净化模块相当于一个新风机。当室外PM2.5的浓度低于150 μg/m3且室内CO2浓度超标时，这时就可以引入经过净化后的室外新风来稀释室内高浓度CO2。它的运行过程为：电控空气阀5、7、16关闭，空气阀3、9、15开启，将室外的新鲜空气经由新风管道送至滤网净化后，送至分体式空调器中完成制冷或加热过程，其后再送至室内来稀释高浓度的CO2。运行一段时间后，当室内CO2浓度低于设置的标准值时，出于节能的考虑需要关闭室外进风，此时控制元件将新风净化组件的运行过程自动切换至室内空气净化过程。

3）室内排风

在该过程新风净化组件相当于一个排风机。当室外PM2.5的浓度低于150 μg/m3且室内压力超过室内环境所需维持的微正压值上限时，此时新风净化组件自动切换至排风过程，这时的运行过程为：空气阀9、15关闭，空气阀3、5、9开启，将室内污浊空气排放至室外从而减少室内污染物的浓度。运行一段时间后当室内压力降至所需维持的微正压值下限值时，控制元件自动控制着空气阀5、7关闭，此时剩下的空气阀将根据室内CO2浓度的高低由控制单元自动选择开启或关闭来完成室内空气净化过程或新风净化过程。

4）过渡季节通风换气

此时净化组件相当于一个新风机和排风机的组合。过渡季节一般情况下是不需要开启空调器的，但此时可以向室内提供新风。这样可以避免由于开窗通风给室内带来灰尘等大颗粒污染物。在过渡季时室外的PM2.5浓度一般会低于150 μg/m3，此时PLC控制元件的响应是由室内CO2浓度所控制。当CO2浓度超标时，新风净化组件的运行过程为：电控空气阀5、7、16关闭，空气阀3、9、15开启。由于过渡季节空调器不需要制冷或加热，此时空调器的作用只是作为一个出风口，经净化滤网净化后的室外新风由空调器室内机送至室内。运行一段时间后当室内CO2浓度低于1000 ppm时，新风净化模块自动切换至室内空气净化过程，这时的运行过程为：电控空气阀3、5、7、15关闭，空气阀9、16开启。

4 总结

综上所述这种新型空调器既能保障室内空气品质，又能在过渡季节向室内引入新风，并且利用PLC控制单元根据不同的使用条件，自动选择该空调器的开启模式，使其能耗降至最低。另外与现有空调器相比，这种新型空调器只是在原空调器室内机上加装了一个新风净化组件并对室内机进出风口进行适当改造。故该新型空调器可以快速投入生产，市场发展前景更加广阔。