無塵室中風(fēng)冷壓縮單元式空調(diào)器節(jié)能分析

1 選題背景

   改革開放 30 年來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展憑借著10%的年經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率已近躍居世界第三大經(jīng)濟(jì)國(guó)和第二大能源消費(fèi)國(guó)。我國(guó)目前有超過13億的人口，占全球人口的 1/5，是美國(guó)和西歐人口總數(shù)的近兩倍。每年平均有 1800 萬人口從農(nóng)村涌入城市。中國(guó)的住宅建筑面積是美國(guó)的兩倍甚至更多，而每年新增的發(fā)電量都高于英國(guó)全年的發(fā)電總量。根據(jù)預(yù)測(cè)，未來 15~20 年內(nèi)我國(guó)的城市化進(jìn)程將持續(xù)增長(zhǎng)，由此將引發(fā)建筑面積翻番，超過200所城市的平均人口達(dá)到100萬以上。如何提高能源使用效率是我國(guó)環(huán)境政策的重要目標(biāo)之一。在“十二五”期間，建筑節(jié)能項(xiàng)目將占國(guó)家節(jié)能項(xiàng)目的 40%。

2 研究意義

   風(fēng)冷壓縮式空調(diào)器由于技術(shù)成熟，價(jià)格低廉，應(yīng)用簡(jiǎn)單，而便于小型用戶和分戶計(jì)量用戶使用。同時(shí)由于其應(yīng)用的季節(jié)性強(qiáng)，備受人們關(guān)注?？照{(diào)節(jié)能也是每年僅次于溫室氣體排放的業(yè)內(nèi)人士關(guān)心的問題。由于風(fēng)冷壓縮式空調(diào)器應(yīng)用較為成熟、普及，那么合理的應(yīng)用或者合理的從能量和原理方面進(jìn)行優(yōu)化組合，則是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)節(jié)能的一種思路。主動(dòng)節(jié)能有別于控制節(jié)能、變頻節(jié)能，其旨在從設(shè)備本身的合理優(yōu)化利用來實(shí)現(xiàn)節(jié)能，在做好專業(yè)主動(dòng)節(jié)能的前提下，與各種控制節(jié)能措施相互配合，將能產(chǎn)生更好的節(jié)能效果。

   將以上述思路為指導(dǎo)，從傳統(tǒng)的風(fēng)冷壓縮單元和熱泵機(jī)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(duì)象進(jìn)行探討。

3 傳統(tǒng)風(fēng)冷壓縮式機(jī)組的節(jié)能方式簡(jiǎn)析

3.1 提高壓縮機(jī)的工作壓力

   分析 ：

   a. 技術(shù)方面：技術(shù)難度加大。由于需要提高壓縮機(jī)的工作壓力勢(shì)必要直接導(dǎo)致冷凝器、蒸發(fā)器、系統(tǒng)管路都要提高壓力等級(jí)。

   b. 經(jīng)濟(jì)方面：由于設(shè)備壓力等級(jí)提高必然導(dǎo)致成本提高。近年來，有色金屬特別是空調(diào)用的主要材料鋼鐵和銅價(jià)格不斷上漲。機(jī)組效率雖然有所提高，但造價(jià)也隨之增大，實(shí)不可取。當(dāng)然這也是市場(chǎng)上很少有很高壓力的風(fēng)冷機(jī)的一個(gè)主要原因。

3.2 增大“兩器”（蒸發(fā)器、冷凝器）的換熱面積及提高換熱效率

分析 ：

   a. 技術(shù)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(shè)備換熱面積也是有所限制的，同時(shí)由于兼顧美觀、空間等因素，無論是蒸發(fā)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(lǐng)域一直以來都是研究的焦點(diǎn)，但是目前并沒有十分有效的技術(shù)誕生。

   b. 經(jīng)濟(jì)方面：增大換熱面積和采用新型的換熱技術(shù)勢(shì)必增加成本，然而對(duì)于單一功能的設(shè)備在增大投入換取效率的小幅度提高的同時(shí)，我們還更應(yīng)該為用戶多加考慮。

3.3 增大“兩器”（蒸發(fā)器、冷凝器）風(fēng)量

   分析 ：

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

   b. 經(jīng)濟(jì)方面：增大“兩器”風(fēng)量，必然引起風(fēng)機(jī)能耗加大?？紤]到風(fēng)機(jī)風(fēng)量加大所產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)，勢(shì)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(jī)模式一

   我們?cè)O(shè)想了如圖1、圖2兩個(gè)工作模式的熱泵熱水＋風(fēng)冷制冷單元的風(fēng)冷空調(diào)機(jī)。

  （1）室外空氣。

  （2）經(jīng)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(jīng)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(jīng)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(zhuǎn)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(jìn)入壓縮制冷模塊在壓縮制冷模塊中與冷凝器進(jìn)行熱交換溫度升高3 排出。整個(gè)流程中空氣中的一部分熱量加熱了水，此過程中產(chǎn)生熱水的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)比電發(fā)熱效率要高（熱泵原理不再贅述），尤其是夏季我們開空調(diào)制冷時(shí)室外溫度一般都較高，此時(shí)熱泵熱水的效率更高。經(jīng)過空氣源熱泵熱水模塊的空氣溫度已經(jīng)降低，此時(shí)較低溫度的空氣2 冷卻壓縮制冷模塊的冷凝器，經(jīng)過壓縮制冷模塊的空氣3 回到室外空氣中，整個(gè)流程中，室外空氣先經(jīng)過熱泵熱水模塊再經(jīng)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(shí)能夠得到熱水這個(gè)副產(chǎn)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(duì)于電熱水器，更加高效節(jié)能。

   針對(duì)上述流程，筆者的思路是通過熱泵技術(shù)提高熱水的效率，同時(shí)提高了風(fēng)冷的效率，實(shí)現(xiàn)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(jī)模式二

  （1）室外空氣。

  （2）經(jīng)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(jīng)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(jīng)過空氣源壓縮制冷模塊，與風(fēng)冷機(jī)冷凝器發(fā)生熱交換后溫度升高，溫度升高后的空氣2進(jìn)入空氣源熱泵熱水模塊，由于經(jīng)過與空氣源壓縮制冷模塊后的空氣溫度遠(yuǎn)高于室外空氣溫度，空氣2進(jìn)入熱泵熱水模塊后熱泵熱水的效率會(huì)明顯有所提高。

   針對(duì)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(shí)現(xiàn)了電能的合理高效的利用。

6 夏季工況下基于室內(nèi)空氣為熱源的熱泵熱水器

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

7 結(jié)論

   通過上述分析，依靠傳統(tǒng)的風(fēng)冷壓縮式空調(diào)器的運(yùn)行原理，合理地對(duì)蒸發(fā)器、冷凝器進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，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(yīng)用優(yōu)勢(shì)。