家用空调制冷冷凝水回收利用研究
时间：2023-11-03 17:55:02 来源：小苹果范文网 本文已影响 人 
白军辉
（广东美的制冷设备有限公司，广东 佛山 528311）
使用空调已成为能源消耗的主要途径之一，国家能源局颁布的政策文件《能源生产和消费革命战略（2016-2030）》提出了能源生产和消费的目标，空调的智能化和节能化被提上日程。研究人员从能源角度对空调进行了一些改进，有研究者结合空气流量、浓度和温度，通过复合除湿设计了用于节能的新除湿系统。也有学者使用空调冷凝热回收，将其作为电热水器加热热源来降低电热水器的能源消耗，达到节能的目的。这些研究在源头上节省空调的电量或者将其收集用于辅助设备，但在效果上都大打折扣。空调产生的冷凝水在能力消耗过程中，若能够用于自身冷凝系统，那么能量的损失将大为降低。该文从空调冷凝水的利用角度出发，深入分析冷凝水的回收利用，设计出冷凝器冷却空调系统，进而达到节能效果。
冷凝水的回收方式主要可以分为降低制冷剂温度、用于室内加湿和冷却空调系统部件，利用方式较为零散，效率不高。为了更加有效地利用冷凝水，该方案进行综合设计。
STM32控制模块作为主体控制整个系统的运行，当空调开始工作时，STM32中的湿度检测装置用于检测室内湿度，当湿度低于40%时，空调热量湿度加湿开始工作，使冷凝水加热成水蒸气送入室内，当检测湿度达到40%时，冷凝水便送入冷却冷凝水模块，冷却冷凝器模块开始工作，待室内湿度重新低于40%时，冷凝水便重新回送到加湿模块，以此循环往复。具体系统模块如图1所示。
图1 系统模块构成图
1.1 湿度检测模块
湿度检测装置主要为湿度传感器，湿度传感器是用于测量大气中水分含量多少的装置，不同含量会使电敏元件的电压发生变化，硬件接收到的电信号转化为信息处理的数字信号，根据取值范围，形成具体的湿度数值。湿度传感器的内部结构如图2所示。
图2 湿度传感器内部结构图
湿度传感器的工作流程由单片机进行控制，其中触摸屏部分可以设置湿度测量的具体数值，该文为了研究方便，设置湿度测量的具体数值为40%，数字传感器用于测量具体的温度和湿度，并将数值传入单片机中，然后单片机进行计算。
经过综合考虑，为了便于研究，试验采用了电阻式氯化锂湿敏元件，氯化锂是一种湿敏物质，当空气中的水分量增大时，会使带电粒子的活性增加，其电阻值下降。氯化锂湿敏元件与温度和湿度有关，具体如公式（1）所示。
式中：表示湿敏元件的电阻；
为检测室内的相对湿度；
为室内的温度；
其他为常量。根据公式可得，湿敏元件的电阻值和湿度有关，它随湿度的变化而变化，利用这一特性，可测量室内的湿度值。研究发现，当湿度低于20%时，可吸入颗粒物会增多，人体容易患呼吸道疾病，湿度为40%～60%时，较为合适，当湿度高于80%时，人体的黏膜会产生不适，对身体有较大影响，综上所述，湿度为40%～60%比较符合人体的基本需求。
根据国家规范，较为常用的湿度校准工作通常在20℃～25℃的条件下进行，这也符合家用空调的一般温度，校准点间隔10%RH整数点，湿度校准范围通常在10%RH～90%RH。当进行校准时，根据相对湿度来确定，它与水汽的温度、压力条件相对应，为了减少误差，一般需要进行多次测量。
1.2 空调热量回收加湿模块
当空调在工作时，主机的转动会产生一部分热量，通常这部分热量会随气管导出，排到外机风扇，然后传输到大气中。热能的排放导致了一部分热量的损失和浪费，通过热回收技术将这部分热量作为余热回收，可以作为其他能量的供给。综合考虑，这部分能量可以加热冷凝水，使冷凝水形成水蒸气流入空中，达到加湿的目的。图3为空调热量回收图。
图3 空调热量回收加湿图
图3中，温度较低的冷凝水经过空调热交换系统后，会形成60℃～65℃的热水和55℃～65℃的回油温度，其中热水用于加湿。根据湿度检测模块检测，当湿度不能满足条件时，由空调的继电器控制管道内水分的进出量。
在加湿过程中，为了提高水分的安全性，需要对水分进行净化，在管道内加入反渗透薄膜，水分中含有杂质，不同物质的渗透压不同，反渗透膜利用渗透压的特性将不能透过薄膜的物质与水分离，可以去除水中的盐类、胶体和微生物等。薄膜具有许多优点，能量消耗低、污染排放小、操作方便、价格低廉，比较适合用户水分的净化。
1.3 冷却冷凝器模块
当室内的湿度已经达到设置的标准时，冷凝水不需要再经过加热送入空气中，为了进一步提升冷凝水的利用效益，冷凝水与冷凝器进行结合，将冷凝器的高热量传输至冷凝水，并设计了冷凝器系统模块。该模块主要为冷凝水水箱、喷淋器、水管和运输水的水泵。整个模块的工作流程可以分为如下步骤：当环境中的空气进入室内机时，空调蒸发的温度低于周围环境温度，冷凝水会出现在蒸发器上，产生的冷凝水流入室外水箱，喷洒器将流过来的冷凝水喷洒到冷凝器上，使冷凝器温度降低，冷凝水温度升高后，形成水蒸气进入室外空气中，另一部分则在冷凝水箱中重复使用。冷却冷凝器模块图如图4所示。
图4 冷凝器模块图
冷凝器散热量计算。冷凝水通过喷洒器对冷凝器进行降温，为了将其量化来分析出更加直观的结果，该文对冷凝器的散热量进行了研究，并结合实际进行计算。冷凝水在喷洒过程中有空气共同作用，因为空气是基础作用，所以可以优先分析出冷却冷凝器的散热量。当空调正常工作时会将室外的空气吸入，这部分空气直接流向冷凝器，部分冷凝器热量会被进入的空气吸收，直接排出室外，具体冷却过程如图5所示。
点1到点2的情况变化为冷凝器的散热量，如公式（2）所示。
式中：Q为冷凝器的散热量，为经过冷凝器的空气质量，、为进出冷凝器的焓值。冷凝器的散热量可以分为两个部分，一是被室外空调带来的空气带走，这一部分热量的冷却过程可以视为等湿加热过程，图5中为点1到点3的等湿线，另一部分是该模块中用冷凝水来吸收的热量，这一过程可以视为一个等温过程，图5中为点3到点4的一条等温线。在焓值情况相等的情况下，冷凝器总共散热量如公式（3）所示。
图5 冷凝器冷却热量图
式（3）中各项，见式（4）～式（6）。
根据传热方程，可得式（7）。
当冷凝器的温度降低时，会将次信号传入压缩机，压缩机的耗电量也随之降低，根据空调的工作原理，制冷量会随之增加，在家用空调中，制冷量的增加会使空调运行的总耗电量降低，进而达到节能的效果。
1.4 控制模块的设计
为了使冷凝水系统更智能化，在室内空气加湿的同时令冷凝器降温冷却，该系统加入了控制模块，控制模块通过STM32进行控制，STM32是一种嵌入式应用设计的内核处理器，外部可以连接相关传感器和输入输出设备，能根据程序实现智能化控制，具有耗电量低、性能好、成本低的特点，适合该系统的要求。湿度传感器连入至STM32中，通过程序实现湿度触发器，持续检测室内环境湿度，如果室内湿度符合设置的湿度，则湿度模块暂停工作，冷却冷凝器模块开始工作，当湿度触发器检测的湿度不在设置范围内时，冷却冷凝器停止工作，湿度加湿模块开始工作，如此循环往复。
根据以上设计，该文研究了冷凝水量和冷凝器的冷凝温度、空调总功率的变化和总功率降低的百分比之间的关系。具体结果如图6～图8所示。
经过分析，如果所收集的所有冷凝水量都用于冷凝器的降温，那么当冷凝水量为0.5kg/h时，冷凝器约降温0.8℃，当冷凝水量为2.0kg/h时，冷凝器约降温5.8℃。图7为冷凝水量与制冷量增加的关系。
图7中，冷凝量的单位为kg/h，环境温度的单位为℃。从图6可以看出，当冷凝水量不变时，制冷量大小随室外温度的变化而变化。温度越低，制冷量越大；
当温度不变时，冷凝水量越大，制冷量也越高。
图6 冷凝水量与降低冷凝器温度的关系
图7 冷凝水量与制冷量增加的关系。
从图8可以看出，在冷凝水量不变的情况下，温度越低，空调的耗电量越低；
当温度不变时，冷凝水量越高，空调的耗电量越低。
图8 节省的空调功率与冷凝水量的关系
针对空调冷凝水回收利用问题，该文提出了一种设计方案。通过控制系统，在冷凝水产生后，一部分用于加湿室内空气，另一部分冷却冷凝器，使冷凝水能够达到多功能充分利用的效果。为了量化该系统的成效，该文通过冷凝水产生量、空调的总功率以及冷凝器温度的变化情况来进行综合分析，并在不同的温度下进行了测验，数据表明这在一定程度上降低了电量的损耗，达到了节能的目的。
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