蔣宇帆
(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司,北京 102600)
在全球溫室效應(yīng)和城市熱島效應(yīng)的影響下,我國南方地區(qū)夏季高溫炎熱,因此建筑物中大量使用空調(diào)器,以提供舒適的居住和辦公環(huán)境[1]。然而,大量空調(diào)器的使用不僅消耗了大量的能源,而且釋放的熱量加速了室外溫度的提升,導(dǎo)致城市居住環(huán)境的變差[2]。另一方面,在我國政府提出的“碳中和、碳達峰”戰(zhàn)略背景下,能源消耗問題日益受到人們的關(guān)注,大量的研究學(xué)者對建筑物空調(diào)器的運行能效展開了研究,以達到提高建筑物空調(diào)器的能效、降低二氧化碳的排放、節(jié)約能源和降低環(huán)境影響的目的。減少碳排放已然成為這個時代必須面臨的環(huán)境命題,提高空調(diào)器的節(jié)能效果在一定程度上能夠減少碳排放量和能源消耗,具有十分重要的環(huán)境保護意義[3]。
在分體式空調(diào)器中,提高其能效的方法主要有3種,分別是采用高效的壓縮機(比如渦旋式壓縮式)、高換能的換熱器(比如增加肋排管面積、增加進風(fēng)濕度等)和優(yōu)化空調(diào)器的系統(tǒng)配置(比如改進管路布置、冷凝器改造等)[4-5]。冷凝器做空調(diào)器的關(guān)鍵組件,是實現(xiàn)空調(diào)換熱制冷的重要部件,其散熱性能的好壞直接影響到空調(diào)器的運行效果[6]。在常用的通風(fēng)空氣冷卻式冷凝器中,采用的冷卻介質(zhì)是空氣,而經(jīng)過系統(tǒng)的優(yōu)化配置,可采用水和空氣混合物作為冷卻介質(zhì)[7]。具體的噴霧降溫過程見圖1,首先對自來水進行過濾處理,并用水泵抽取至儲液罐中備用,在通風(fēng)空氣冷卻式冷凝器基礎(chǔ)上增加噴霧設(shè)備(噴頭),空調(diào)器抽取空氣時,噴頭向翅片管束進行噴霧,帶走制冷劑散發(fā)的熱量,并被排風(fēng)扇排出空調(diào)器,達到了增強冷凝器的散熱效果的目的。噴霧冷卻式冷凝器的換熱過程可以具體描述為噴嘴噴出水體,在傳熱管上形成薄水膜,當(dāng)空調(diào)中的制冷劑在傳熱管上流動時,管內(nèi)溫度高而管外溫度低,形成溫度梯度,溫度逐步向管外散熱傳遞,其溫度傳遞過程中可分兩個步驟:第一步是管內(nèi)制冷劑溫度向水膜傳遞溫度;第二步是水膜向空氣傳遞溫度,產(chǎn)生了熱交換,傳遞的熱量可以用公式(1)進行計算[8-10]。
圖1 分體空調(diào)冷凝器噴霧降溫過程
式中:Q1為管內(nèi)制冷劑溫度向水膜傳遞的熱量;Q2為水膜向空氣傳遞的熱量;A0為冷凝器翅片的外表面積;Tk為管內(nèi)冷凝機的溫度;Tw為薄水膜的溫度;dwm為水霧的質(zhì)量除以干燥空氣的質(zhì)量;dam為無水霧時空氣中水質(zhì)量除以干燥空氣的質(zhì)量;h''wm為水霧狀態(tài)下飽和空氣狀態(tài)下,單位質(zhì)量空氣的熱量;ham為無水霧狀態(tài)下飽和空氣狀態(tài)下,單位質(zhì)量空氣的熱量;Aw為薄水膜與空氣的接觸面積;βd為傳質(zhì)系數(shù),K0為傳熱系數(shù),可以按公式(3)計算。
式中:ai為管內(nèi)對流的換熱系數(shù);ri為管內(nèi)壁上的油垢熱阻;r0為管外壁上的水垢熱阻;Ai為管的表面積。
為了測試噴嘴個數(shù)對分體空調(diào)冷凝器噴霧降溫效果的影響,在室內(nèi)設(shè)計了相應(yīng)的對比試驗進行測試。分析中,采用典型的室外空氣溫度和濕度工況,即空氣溫度為30 ℃,空氣相對濕度為70%,空氣濕球溫度為25.6 ℃,空氣含濕量為19 g/kg,在進風(fēng)口設(shè)置了3 種噴嘴工況,分別為6 個噴嘴、8 個噴嘴和10 噴嘴,噴嘴均勻布置于冷凝器周圍。噴嘴的壓力也設(shè)置了3種工況,分別為2 MPa、3 MPa 和4 MPa。試驗時,選用的分體空調(diào)器為國產(chǎn)空調(diào)器,設(shè)備型號為KFR-72LW,設(shè)備的額定制冷量為7 200 W,效能比COP為3.19,功率為23.20 W,制冷劑型號為R22,室內(nèi)循環(huán)風(fēng)量為1 200 m2/h,室內(nèi)機的尺寸為530 mm×1810 mm×300 mm,室外機尺寸為860 mm×730 mm× 308 mm。
圖2 為不同噴嘴個數(shù)和不同噴壓條件下相對濕度隨著風(fēng)量的測試結(jié)果。從圖中可以看出,隨著風(fēng)量的增加,所有相對濕度曲線均呈現(xiàn)出逐漸增加后下降的趨勢;在相同噴嘴個數(shù)的情況下,隨著風(fēng)量的增加,噴嘴壓力為2 MPa 的相對濕度略大于噴嘴壓力為3 MPa 的相對濕度,噴嘴壓力為2 MPa 和噴嘴壓力為3 MPa 的相對濕度均明顯大于噴嘴壓力為4 MPa 的相對濕度,以6 個噴嘴為例,2 MPa 噴嘴壓力的最大相對濕度為70.65%,3 MPa 噴嘴壓力的最大相對濕度為70.57%,4 MPa 噴嘴壓力的最大相對濕度為63.29%;在相同噴嘴壓力的情況下,隨著風(fēng)量的增加,噴嘴個數(shù)為8 個和噴嘴個數(shù)為10 個的相對濕度相近,但噴嘴個數(shù)為6 個的相對濕度明顯小于噴嘴個數(shù)為8 個和噴嘴個數(shù)為10 個的相對濕度,以2 MPa 噴嘴壓力,噴嘴個數(shù)為6 個的最大相對濕度為70.66%,噴嘴個數(shù)為8 個的最大相對濕度為84.83%,嘴個數(shù)為10 個的最大相對濕度為81.69%。
圖2 不同噴嘴個數(shù)和不同噴壓條件下相對濕度隨著風(fēng)量的變化曲線
圖3 為不同噴嘴個數(shù)和不同噴壓條件下冷凝器溫度隨著風(fēng)量的測試結(jié)果。從圖中可以看出,隨著風(fēng)量的增加,所有冷凝器溫度曲線均呈現(xiàn)出逐漸降低后略微抬升并收斂的趨勢;在相同噴嘴個數(shù)的情況下,隨著風(fēng)量的增加,噴嘴壓力2 MPa 的冷凝器溫度、噴嘴壓力3 MPa 的冷凝器溫度、噴嘴壓力3 MPa 的冷凝器溫度整體而言逐漸增加。以6 個噴嘴為例,2 MPa噴嘴壓力的最小冷凝器溫度為27.03 ℃,3 MPa 噴嘴壓力的最大相對濕度為28.33 ℃,4 MPa 噴嘴壓力的最大相對濕度為29.14 ℃;在相同噴嘴壓力的情況下,隨著風(fēng)量的增加,噴嘴個數(shù)為6 個、噴嘴個數(shù)為8個和噴嘴個數(shù)為10 個的冷凝器溫度整體而言逐漸增加,以2 MPa 噴嘴壓力,噴嘴個數(shù)為6 個的最小冷凝器溫度為27.03 ℃,噴嘴個數(shù)為8 個的最小冷凝器溫度為28.30 ℃,嘴個數(shù)為10 個的最小冷凝器溫度為29.13 ℃。
圖3 不同噴嘴個數(shù)和不同噴壓條件下溫度隨著風(fēng)量的變化曲線
類似地,為研究高溫低濕度對分體空調(diào)冷凝器噴霧降溫效果的不利影響,通過改空氣濕度的數(shù)值進行試驗。試驗采用2 MPa 噴嘴壓力,噴嘴個數(shù)為10 個,空氣采用3 種工況:工況1:空氣溫度為30 ℃,空氣相對濕度為70%,空氣濕球溫度為25.6 ℃,空氣含濕量為19 g/kg;工況2:空氣溫度為30 ℃,空氣相對濕度為50%,空氣濕球溫度為25.6 ℃,空氣含濕量為19 g/kg;工況3:空氣溫度為30 ℃,空氣相對濕度為30%,空氣濕球溫度為25.6 ℃,空氣含濕量為19 g/kg。測試結(jié)果見圖4。從圖中可以看出,隨著風(fēng)量的增加,所有溫度曲線均呈現(xiàn)先逐步減小后略有回升的趨勢,所有空氣相對濕度曲線則均呈現(xiàn)先逐步增加后逐步減小的趨勢??諝鉂穸葟?0%逐漸增加到70%時,相對濕度曲線和溫度曲線均呈現(xiàn)逐步下移的趨勢。
圖4 不同空氣濕度條件下溫度和相對濕度隨著風(fēng)量的變化曲線
工程項目為北京市某新城綜合開發(fā)的PPP 項目,開發(fā)新建工程,并對現(xiàn)有建筑立面進行施工改造,以此種方式提升城市形象,增加城市內(nèi)涵,優(yōu)化城市公共建筑的綜合服務(wù)水平。
總之,該項目所在地區(qū)是集會議中心、展覽交流、景觀生態(tài)、精品商業(yè)、智慧城市等功能于一體的城市核心和城市地標空間。此工程項目綠化工程建設(shè)用地面積為18 220.72 m2,其中包括A-19 地塊12 976.31 m2,A-20 地塊1 373.44 m2,道路3 870.98 m2。地上建筑面積29 660.64 m2[已建辦18886 m2,城市客廳6 677.62 m2(展示客廳6 036.68 m2,休息區(qū)106.69 m2,城市書屋139.61 m2,設(shè)備用房394.64 m2),配套服務(wù)4 097.02 m2(配套用房3410.16 m2,食堂460.76 m2,設(shè)備用房226.10 m2)]。地下建筑面積16 163.38 m2(已建4 802 m2,新建11 361.38 m2)。新建一棟地下2 層、地上4 層至5 層(含一層夾層)的城市客廳,建筑整體為框架式結(jié)構(gòu),建設(shè)設(shè)計涉及到多種能源的綜合利用,設(shè)計熱負荷指標為45 w/m2。
通過采用冷凝器噴霧降溫技術(shù),對項目中建筑物的分體空調(diào)器進行耗電量與制冷量的監(jiān)測,監(jiān)測時段為夏季,具體日期從當(dāng)年6 月25 日至9 月25 日,監(jiān)測結(jié)果表明,分體空調(diào)器采用噴霧降溫技術(shù)前其耗電量最大值為2.298 kW·h,最小值為2.200 kW·h,平均值為2.245 kW·h,采用噴霧降溫技術(shù)后其耗電量最大值為1.899 kW·h,最小值為1.701 kW·h,平均值為1.782 kW·h,平均節(jié)約電源0.465 kW·h;分體空調(diào)器采用噴霧降溫技術(shù)前其制冷量最大值為10.493 kW,最小值為10.003 kW,平均值為10.236 kW·h,采用噴霧降溫技術(shù)后其制冷量最大值為11.192 kW·h,最小值為10.506 kW,平均值為10.857 kW,平均提高制冷量0.594 kW。
以北京市某新城綜合開發(fā)的PPP 項目為研究對象,采用理論分析和室內(nèi)試驗研究相結(jié)合的方法對冷凝器噴霧降溫技術(shù)進行研究,得出以下幾個結(jié)論:
(1)不同噴嘴數(shù)量和噴嘴壓力條件下,隨風(fēng)量的增加,空氣相對濕度曲線則均呈現(xiàn)先逐步增加后逐步減小的趨勢,冷凝器溫度曲線均呈現(xiàn)出逐漸降低后略微抬升并收斂的趨勢。
(2)結(jié)合工程實例,對夏季建筑物采用冷凝器噴霧降溫技術(shù)后的耗電量和制冷量進行監(jiān)測,結(jié)果表明,冷凝器噴霧降溫技術(shù)可以平均降低耗電量為10.236 kW·h,平均提高制冷量為0.594 kW。