无尘室中风冷压缩单元式空调器节能分析

1 选题背景

   改革开放 30 年来，我国经济的发展凭借着10%的年经济增长率已近跃居世界第三大经济国和第二大能源消费国。我国目前有超过13亿的人口，占全球人口的 1/5，是美国和西欧人口总数的近两倍。每年平均有 1800 万人口从农村涌入城市。中国的住宅建筑面积是美国的两倍甚至更多，而每年新增的发电量都高于英国全年的发电总量。根据预测，未来 15~20 年内我国的城市化进程将持续增长，由此将引发建筑面积翻番，超过200所城市的平均人口达到100万以上。如何提高能源使用效率是我国环境政策的重要目标之一。在“十二五”期间，建筑节能项目将占国家节能项目的 40%。

2 研究意义

   风冷压缩式空调器由于技术成熟，价格低廉，应用简单，而便于小型用户和分户计量用户使用。同时由于其应用的季节性强，备受人们关注。空调节能也是每年仅次于温室气体排放的业内人士关心的问题。由于风冷压缩式空调器应用较为成熟、普及，那么合理的应用或者合理的从能量和原理方面进行优化组合，则是实现主动节能的一种思路。主动节能有别于控制节能、变频节能，其旨在从设备本身的合理优化利用来实现节能，在做好专业主动节能的前提下，与各种控制节能措施相互配合，将能产生更好的节能效果。

   将以上述思路为指导，从传统的风冷压缩单元和热泵机单元的组合入手，以夏季工况下的热水需求与制冷需求为对象进行探讨。

3 传统风冷压缩式机组的节能方式简析

3.1 提高压缩机的工作压力

   分析 ：

   a. 技术方面：技术难度加大。由于需要提高压缩机的工作压力势必要直接导致冷凝器、蒸发器、系统管路都要提高压力等级。

   b. 经济方面：由于设备压力等级提高必然导致成本提高。近年来，有色金属特别是空调用的主要材料钢铁和铜价格不断上涨。机组效率虽然有所提高，但造价也随之增大，实不可取。当然这也是市场上很少有很高压力的风冷机的一个主要原因。

3.2 增大“两器”（蒸发器、冷凝器）的换热面积及提高换热效率

分析 ：

   a. 技术方面：增大换热面积是提高效率的可行手段，但是换热面积并不能无限制地增大，不同功率的设备换热面积也是有所限制的，同时由于兼顾美观、空间等因素，无论是蒸发器还是冷凝器都不宜做得过大；提高换热效率的研究在暖通领域一直以来都是研究的焦点，但是目前并没有十分有效的技术诞生。

   b. 经济方面：增大换热面积和采用新型的换热技术势必增加成本，然而对于单一功能的设备在增大投入换取效率的小幅度提高的同时，我们还更应该为用户多加考虑。

3.3 增大“两器”（蒸发器、冷凝器）风量

   分析 ：

   a . 技术方面：增加“两器”风量，技术方面完全可行，换更大的风扇就可以了，但是随之而来的是噪声、振动的加大，考虑到此类空调多是舒适性空调，主要为人员服务，须慎重选择。

   b. 经济方面：增大“两器”风量，必然引起风机能耗加大。考虑到风机风量加大所产生的噪声和振动，势必要在减震和减噪上有一定投入。

4 空气源热泵热水模块＋空气源压缩制冷模块机模式一

   我们设想了如图1、图2两个工作模式的热泵热水＋风冷制冷单元的风冷空调机。

  （1）室外空气。

  （2）经过空气源热泵热水模块降温的空气，通过压缩制冷模块。

  （3）经过压缩制冷模块升温后的空气。在图1的工作模式下，夏季室外较高温度的空气1，首先经过空气源热泵热水模块，在空气源热泵热水模块中空气中的部分热量转移到水中使自身温度降低形成空气2，从空气源热泵热水模块出来的温度降低的空气2，进入压缩制冷模块在压缩制冷模块中与冷凝器进行热交换温度升高3 排出。整个流程中空气中的一部分热量加热了水，此过程中产生热水的效率远远比电发热效率要高（热泵原理不再赘述），尤其是夏季我们开空调制冷时室外温度一般都较高，此时热泵热水的效率更高。经过空气源热泵热水模块的空气温度已经降低，此时较低温度的空气2 冷却压缩制冷模块的冷凝器，经过压缩制冷模块的空气3 回到室外空气中，整个流程中，室外空气先经过热泵热水模块再经过压缩制冷模块的目的就是为了更加高效地提高制冷效率，同时能够得到热水这个副产品，夏季热泵热水出水温度一般在 50℃左右，正好满足我们的盥洗沐浴要求，相对于电热水器，更加高效节能。

   针对上述流程，笔者的思路是通过热泵技术提高热水的效率，同时提高了风冷的效率，实现了电能的合理高效的利用。

5 空气源热泵热水模块＋空气源压缩制冷模块机模式二

  （1）室外空气。

  （2）经过压缩制冷模块升温的空气，通过空气源热泵热水模块。

  （3）经过空气源热泵热水模块降温的空气。在图2 的工作模式下，夏季室外空气1 首先经过空气源压缩制冷模块，与风冷机冷凝器发生热交换后温度升高，温度升高后的空气2进入空气源热泵热水模块，由于经过与空气源压缩制冷模块后的空气温度远高于室外空气温度，空气2进入热泵热水模块后热泵热水的效率会明显有所提高。

   针对上述流程，笔者的思路是通过利用压缩制冷后冷凝器排出的较高温度的热空气，提高热泵制取热水的效率，实现了电能的合理高效的利用。

6 夏季工况下基于室内空气为热源的热泵热水器

   这个流程的思路是夏季工况下利用室内空气为热源制取热水，即制取热水的同时降低了室内空气的温度，做到了能量的合理利用。在空调房间热负荷较小或面积较小的情况下，为了产生足够的热水，可以开窗通风，这样一方面降低了室内温度，另一方面减少了电热水的能源浪费，更为重要的是解决了夏季房间新风问题，提高了室内空气品质。

7 结论

   通过上述分析，依靠传统的风冷压缩式空调器的运行原理，合理地对蒸发器、冷凝器进行模块化设计，既可获得生活热水，又可为房间制冷，在能源综合利用方面有一定的应用优势。