黃立文 陳妙陽 曾德強 李永華

（1廣東產品質量監(jiān)督檢驗研究院 廣州 510670；2.廣東威墾阿爾法創(chuàng)新科技有限公司 廣州 510000）

引言

近年來隨著國家社會經濟的持續(xù)發(fā)展，我國的房屋建筑規(guī)模日益擴大并處于歷史高峰期，據統(tǒng)計我國城市每年約新增8～9億平方米的住宅建筑和公共建筑，其中大部分建筑都安裝有空調系統(tǒng)，空調能耗占建筑總能耗約（50～70）%，特別是安裝了與人體舒適性相關的冷暖空調大多是采用風冷型的散熱模式，該類型空調在夏季高溫天氣下運行效率下降，能耗上升，加之近年溫室氣體排放造成的夏天連續(xù)高溫天氣狀況頻發(fā)，加劇了該類風冷空調設備在這種天氣條件下高能耗低效率的弊端呈現(xiàn)。如何降低該類型空調能耗從而減少建筑耗能成為我國既有建筑節(jié)能降耗亟待解決的問題，。我國歷來重視節(jié)能減排工作，2022年國務院發(fā)布《“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案》，《方案》明確提出目標，到2025年，全國單位國內生產總值能源消耗比2020年下降13.5 %，主要實施措就包括全面積極推進既有建筑節(jié)能改造，實施綠色高效制冷行動，以建筑中央空調、數據中心、商務產業(yè)園區(qū)、冷鏈物流等為重點，更新升級制冷技術、設備，優(yōu)化負荷供需匹配，大幅提升制冷系統(tǒng)能效水平。

1 風冷機組耗能性能變化情況分析

1）在既有的建筑中，因為空調老化導致的建筑耗能增加尤為突出。目前我國既有的建筑中幾乎都安裝了空調制冷系統(tǒng)，其中有部分建筑安裝了風冷型多聯(lián)空調機組，由于該類型機組運行自動化程度高、可冷可暖、使用方便等特點，比水冷型空調省去了冷卻搭等水路系統(tǒng)，具有安裝周期短、設備占地面積小、成本低等等優(yōu)點，因此在在中小型場所，如商用寫字樓、辦公樓、高檔商住樓、飯店、學校中得到了廣泛的應用。風冷型多聯(lián)空調主機使用的風冷式冷凝器結構為銅管+鋁翅片式的換熱器，該冷凝器長時間在室外惡劣的工作環(huán)境中運行后，冷凝器翅片容易產生老化腐蝕、積塵現(xiàn)象，冷凝器的表面污垢系數變大，傳熱系數變小，散熱性能下降，性能下降系數約為每增加使用1年，性能下降（1.5～2）%，而且該性能下降系數始終貫穿整個空調使用階段。

以廣州某品牌電梯工廠辦公樓安裝的一套20HP多聯(lián)機空調為例，該空調于2010年12月安裝并投入使用，該工廠對每臺空調都安裝了能耗及運行參數采集監(jiān)控系統(tǒng)，調取近10年的符合標準工況機組運行條件下的采集數據進行分析（見表1），可見隨著使用時間變長，空調機組的耗電量在逐年增加，耗電量年增長幅度約為2 %（見圖1），符合上述1）條款表述的特征。

表1 廣州某辦公樓20HP多聯(lián)機耗電量監(jiān)控數據（制冷季節(jié)）

圖1 空調機組的使用年限耗電量趨勢圖

2）根據中央氣象臺提供的近10年夏天高溫天氣趨勢線走勢圖（見圖2），中國進入了歷史上最熱的10年連續(xù)高溫期并有持續(xù)惡化的跡象，夏季極端高溫天氣溫度不斷向上突破，高溫天氣天數持續(xù)增加，特別是去年，高溫天氣連續(xù)79天，在陜西、四川、重慶、湖北、湖南、江西、安徽、江蘇、上海、浙江等地，部分地區(qū)最高氣溫已達（40～42）℃，南方地區(qū)40 ℃以上站點已連成片，達到駭人的地步，這樣的高溫天氣下，風冷型空調超出正常工作的適應區(qū)間，能效比急劇下降的同時反而進入高耗能工作區(qū)間，極端高溫及持續(xù)高溫天氣導致早期設計并安裝的風冷型空調主機的制能力下降，從而影響建筑內的人員的體感舒適性，處于能耗高卻舒適性下降的窘境。

圖2 全國平均氣溫趨勢圖

3）若此時建筑物的風冷型主機因上述2個因素疊加，將導致其風冷型空調能效與性能嚴重下降，能耗增高，同時風冷空調主機在這種條件下長時間運行后，最終會導致冷凝器失效，空調機組工作電流增大、故障頻發(fā)，機組的耗電量也大幅增加，空調制冷效果反而劣化，大大縮短了空調機組的使用壽命，甚至會引起電源電流超出負荷引起火災、爆炸等安全事故[1]。

2 蒸發(fā)式冷凝器的技術原理和特點

技術原理：從壓焓圖（圖3）來說明本產品技術路線。傳統(tǒng)的風冷型冷凝器的散熱方式完全是顯熱方式的熱交換模式，效率低（補充數據說明），而蒸發(fā)冷則是利用了水氣化的相變過程吸收大量熱的潛熱原理（水的氣化潛熱約為2 450 kJ/kg）來交換從壓縮機出來的高溫高壓氣態(tài)冷媒的熱量，因此蒸發(fā)冷比風冷方式效率更高。換句話說，排除等量熱量用水冷方式比風冷方式耗 去的能量要小得多。從圖3來看顯熱的干球溫度為35 ℃時，對應的濕球溫度值下降到28 ℃附近（假定值），因此同樣的天氣條件下，用水來做熱交換能使高溫高壓氣態(tài)冷媒有更好的冷凝作用，能充分保證被交換的冷媒完全液化，理論上冷媒的冷凝溫度每下降1℃，其蒸發(fā)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。圖3理論值提示，最高制冷系統(tǒng)可省電40 %以上蒸發(fā)冷冷凝原理在制冷行業(yè)應用廣泛，但實現(xiàn)的手段各有不同。本文中實現(xiàn)蒸發(fā)冷冷凝的方式如圖4：蒸發(fā)式冷凝器以水為工作介質，由排風風機、散熱濕膜、換熱器和循環(huán)水泵系統(tǒng)組成，工作時水泵將水槽里經冷卻后的水送至冷凝換熱器內吸收制冷劑蒸汽熱量，換熱后水經過噴淋裝置噴灑到散熱濕膜，散熱風機使空氣自下而上強制對流經過濕膜，濕膜表面水蒸發(fā)，以潛熱方式聯(lián)同水蒸氣本身把熱量傳遞給空氣，剩余的水落在水槽中供水泵循環(huán)使用。蒸發(fā)式冷凝器具有節(jié)能、節(jié)水和對環(huán)境友好的特點。蒸發(fā)式冷凝器的冷凝溫度與空氣的濕球溫度有關，冷凝溫度比風冷式冷凝器要低（5～11）℃，冷凝溫度降低能使壓縮機的排氣溫度和壓力降低，提高制冷機組的制冷效率從而實現(xiàn)節(jié)能。而且在工作過程中，冷凝器周圍空氣溫度不會明顯升高，甚至環(huán)境溫度會下降，濕度會增加，不會和風冷型空調機組一樣產生熱島效應，造成環(huán)境熱污染，對環(huán)境友好。另外由于水的氣化潛熱約為2 450 kJ/kg，而水冷式冷凝器中冷卻水的溫升只有約（4～8）℃，即每千克冷卻水帶走的熱量約為（25～35）kJ，所以蒸發(fā)式冷凝器消耗的水量理論上僅為水冷式的1/70～1/100[2]，用水量比普通水冷式冷凝器要少。蒸發(fā)式冷凝器的研究起步較早[2-5]，作為一種強化傳熱換熱器，具有結構緊湊和占地面積小的優(yōu)點，蒸發(fā)式冷凝器在電廠換熱中得到一定的應用[6-8]，近年來也逐漸應用到制冷領域中[9]。本文通過對蒸發(fā)式冷凝器應用于風冷多聯(lián)空調機組進行節(jié)能應用研究。

圖3 技術原理壓焓圖

圖4 蒸發(fā)式冷凝器工作結構圖

圖5 蒸發(fā)式冷凝器與多聯(lián)機空調機組連接工作示意圖

3 蒸發(fā)式冷凝器在風冷多聯(lián)式空調機組中應用的改造方案

廣州某品牌電梯工廠辦公樓安裝的一套20HP多聯(lián)機空調機組于2010年12月安裝并投入使用，由于冷凝器腐蝕老化，耗電量年增長幅度約為2 %（見表1），而且經常出現(xiàn)高溫保護等故障，制冷效果劣化嚴重。如需要將機組恢復回原來狀態(tài)，需要更換機組的室外機，成本較高。我們通過在原來系統(tǒng)中接入蒸發(fā)式冷凝器模塊對機組進行節(jié)能改造，改造方案見圖5。原機組的制冷量為56 kW，冷凝器熱負荷約為67 kW，由于原風冷冷凝器老化散熱能力衰減，在節(jié)能改造中選擇散熱量為25 kW的蒸發(fā)式冷凝器模塊串聯(lián)到原風冷冷凝器流路中來提高原機組的冷凝器散熱能力，改造對原機組機構沒有破壞，僅在串聯(lián)了蒸發(fā)冷凝器后由于冷凝器管路加長追加補充了等量的制冷劑和冷凍油，由于原機組為變頻多聯(lián)機組，原機組風冷散熱系統(tǒng)同樣為變頻系統(tǒng)，通過檢測冷媒的溫度與壓力來自動調節(jié)冷媒的過冷度，因此無需對原機組的控制系統(tǒng)做任何改動。

4 蒸發(fā)冷節(jié)能改造前耗電量比較

廣州地區(qū)年制冷使用時長達9～10個月，從3月份開始進入抽濕需求，到趨近年底的11月份，甚至在12月份都有開機制冷的需求。因此，我們對制冷需求重點的4個月（6月～9月）做數據記錄收集，經歸納計算，該時間段約占全年制冷需求時長的45 %，能充分說明制冷工況的各項指標特征。

2022年6 月～9月制冷季節(jié)期間，筆者跟蹤對比了某辦公樓安裝的已經使用10年的某品牌20HP（額定制冷量：56 kW）2臺同樣制冷工況同樣制冷量主機設備的各項運行指標，被跟蹤數據的該2臺主機中，1臺為原未改造的主機（以下表格對應：改造前（純風冷）），另一臺則已經實施蒸發(fā)冷改造的主機（以下表格對應：改造后（蒸發(fā)冷+風冷）），對2臺機組的運行參數分別進行了記錄與歸納（見表2、3）。

表2 機組改造前與增加蒸發(fā)式冷凝器改造后運行指標對比表

表3 機組改造前與增加蒸發(fā)式冷凝器改造后運行耗電量對比表

由表2、3數據可知，實施節(jié)能技術改造后，機組的運行參數有了很大的改善，冷凝壓力、冷凝溫度、運行功率和電流明顯降低，室內送風溫度也有所降低，機組的效率和制冷效果明顯提高，從6～9月制冷季節(jié)（約占全年制冷時長的45 %）運行耗電量結果可知，節(jié)省耗電量6 219.5 kWh，按0.75元/kWh計算，節(jié)省電費4 665元，則全年可節(jié)省電費10 365元，同時可獲得相當于2.07噸標準煤的節(jié)能減排碳指標（注：1 t標準煤碳排放指標=3 000 kWh）。

5 節(jié)能改造投入-產出分析

按以上20HP多聯(lián)機主機為例，多聯(lián)空調機組增加蒸發(fā)冷冷凝器模塊改造工程投入成本約計3萬元，每年節(jié)能電費10 365元，投資回收期＜3年，年平均還可獲得相當于4.6 t標準煤的節(jié)能減排碳指標，改造后不僅提高主機運行的能效，同時比更換新外機節(jié)省費用 。

6 結論

通過對風冷多聯(lián)機組增加蒸發(fā)式冷凝器改造，改造后空調機組出風溫度明顯下降，空調制冷效果得到改善，同時機組的冷凝壓力、冷凝溫度、運行功率和運行電流都有明顯下降，每年可減少電費支出超過1萬元，比改造前節(jié)能近30 %（年平均），可見蒸發(fā)式冷凝器在小型風冷空調機組中的節(jié)能改造可以在建筑節(jié)能降耗方面發(fā)揮重要的作用。