無塵室中風冷壓縮單元式空調器節能分析

1 選題背景

   改革開放 30 年來，我國經濟的發展憑借著10%的年經濟增長率已近躍居世界第三大經濟國和第二大能源消費國。我國目前有超過13億的人口，占全球人口的 1/5，是美國和西歐人口總數的近兩倍。每年平均有 1800 萬人口從農村涌入城市。中國的住宅建筑面積是美國的兩倍甚至更多，而每年新增的發電量都高于英國全年的發電總量。根據預測，未來 15~20 年內我國的城市化進程將持續增長，由此將引發建筑面積翻番，超過200所城市的平均人口達到100萬以上。如何提高能源使用效率是我國環境政策的重要目標之一。在“十二五”期間，建筑節能項目將占國家節能項目的 40%。

2 研究意義

   風冷壓縮式空調器由于技術成熟，價格低廉，應用簡單，而便于小型用戶和分戶計量用戶使用。同時由于其應用的季節性強，備受人們關注。空調節能也是每年僅次于溫室氣體排放的業內人士關心的問題。由于風冷壓縮式空調器應用較為成熟、普及，那么合理的應用或者合理的從能量和原理方面進行優化組合，則是實現主動節能的一種思路。主動節能有別于控制節能、變頻節能，其旨在從設備本身的合理優化利用來實現節能，在做好專業主動節能的前提下，與各種控制節能措施相互配合，將能產生更好的節能效果。

   將以上述思路為指導，從傳統的風冷壓縮單元和熱泵機單元的組合入手，以夏季工況下的熱水需求與制冷需求為對象進行探討。

3 傳統風冷壓縮式機組的節能方式簡析

3.1 提高壓縮機的工作壓力

   分析 ：

   a. 技術方面：技術難度加大。由于需要提高壓縮機的工作壓力勢必要直接導致冷凝器、蒸發器、系統管路都要提高壓力等級。

   b. 經濟方面：由于設備壓力等級提高必然導致成本提高。近年來，有色金屬特別是空調用的主要材料鋼鐵和銅價格不斷上漲。機組效率雖然有所提高，但造價也隨之增大，實不可取。當然這也是市場上很少有很高壓力的風冷機的一個主要原因。

3.2 增大“兩器”（蒸發器、冷凝器）的換熱面積及提高換熱效率

分析 ：

   a. 技術方面：增大換熱面積是提高效率的可行手段，但是換熱面積并不能無限制地增大，不同功率的設備換熱面積也是有所限制的，同時由于兼顧美觀、空間等因素，無論是蒸發器還是冷凝器都不宜做得過大；提高換熱效率的研究在暖通領域一直以來都是研究的焦點，但是目前并沒有十分有效的技術誕生。

   b. 經濟方面：增大換熱面積和采用新型的換熱技術勢必增加成本，然而對于單一功能的設備在增大投入換取效率的小幅度提高的同時，我們還更應該為用戶多加考慮。

3.3 增大“兩器”（蒸發器、冷凝器）風量

   分析 ：

   a . 技術方面：增加“兩器”風量，技術方面完全可行，換更大的風扇就可以了，但是隨之而來的是噪聲、振動的加大，考慮到此類空調多是舒適性空調，主要為人員服務，須慎重選擇。

   b. 經濟方面：增大“兩器”風量，必然引起風機能耗加大。考慮到風機風量加大所產生的噪聲和振動，勢必要在減震和減噪上有一定投入。

4 空氣源熱泵熱水模塊＋空氣源壓縮制冷模塊機模式一

   我們設想了如圖1、圖2兩個工作模式的熱泵熱水＋風冷制冷單元的風冷空調機。

  （1）室外空氣。

  （2）經過空氣源熱泵熱水模塊降溫的空氣，通過壓縮制冷模塊。

  （3）經過壓縮制冷模塊升溫后的空氣。在圖1的工作模式下，夏季室外較高溫度的空氣1，首先經過空氣源熱泵熱水模塊，在空氣源熱泵熱水模塊中空氣中的部分熱量轉移到水中使自身溫度降低形成空氣2，從空氣源熱泵熱水模塊出來的溫度降低的空氣2，進入壓縮制冷模塊在壓縮制冷模塊中與冷凝器進行熱交換溫度升高3 排出。整個流程中空氣中的一部分熱量加熱了水，此過程中產生熱水的效率遠遠比電發熱效率要高（熱泵原理不再贅述），尤其是夏季我們開空調制冷時室外溫度一般都較高，此時熱泵熱水的效率更高。經過空氣源熱泵熱水模塊的空氣溫度已經降低，此時較低溫度的空氣2 冷卻壓縮制冷模塊的冷凝器，經過壓縮制冷模塊的空氣3 回到室外空氣中，整個流程中，室外空氣先經過熱泵熱水模塊再經過壓縮制冷模塊的目的就是為了更加高效地提高制冷效率，同時能夠得到熱水這個副產品，夏季熱泵熱水出水溫度一般在 50℃左右，正好滿足我們的盥洗沐浴要求，相對于電熱水器，更加高效節能。

   針對上述流程，筆者的思路是通過熱泵技術提高熱水的效率，同時提高了風冷的效率，實現了電能的合理高效的利用。

5 空氣源熱泵熱水模塊＋空氣源壓縮制冷模塊機模式二

  （1）室外空氣。

  （2）經過壓縮制冷模塊升溫的空氣，通過空氣源熱泵熱水模塊。

  （3）經過空氣源熱泵熱水模塊降溫的空氣。在圖2 的工作模式下，夏季室外空氣1 首先經過空氣源壓縮制冷模塊，與風冷機冷凝器發生熱交換后溫度升高，溫度升高后的空氣2進入空氣源熱泵熱水模塊，由于經過與空氣源壓縮制冷模塊后的空氣溫度遠高于室外空氣溫度，空氣2進入熱泵熱水模塊后熱泵熱水的效率會明顯有所提高。

   針對上述流程，筆者的思路是通過利用壓縮制冷后冷凝器排出的較高溫度的熱空氣，提高熱泵制取熱水的效率，實現了電能的合理高效的利用。

6 夏季工況下基于室內空氣為熱源的熱泵熱水器

   這個流程的思路是夏季工況下利用室內空氣為熱源制取熱水，即制取熱水的同時降低了室內空氣的溫度，做到了能量的合理利用。在空調房間熱負荷較小或面積較小的情況下，為了產生足夠的熱水，可以開窗通風，這樣一方面降低了室內溫度，另一方面減少了電熱水的能源浪費，更為重要的是解決了夏季房間新風問題，提高了室內空氣品質。

7 結論

   通過上述分析，依靠傳統的風冷壓縮式空調器的運行原理，合理地對蒸發器、冷凝器進行模塊化設計，既可獲得生活熱水，又可為房間制冷，在能源綜合利用方面有一定的應用優勢。