改革開(kāi)放 30 年來(lái),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(guò)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(wàn)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(lái) 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(guò)200所城市的平均人口達(dá)到100萬(wàn)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(hù)和分戶(hù)計(jì)量用戶(hù)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。空調(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(wèn)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(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能,在做好專(zhuān)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(lái),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(wú)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(guān)、空間等因素,無(wú)論是蒸發(fā)器還是冷凝器都不宜做得過(guò)大;提高換熱效率的研究在暖通領(lǐng)域一直以來(lái)都是研究的焦點(diǎn),但是目前并沒(méi)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(hù)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(lái)的是噪聲、振動(dòng)的加大,考慮到此類(lèi)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。考慮到風(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(guò)空氣源熱泵熱水模塊降溫的空氣,通過(guò)壓縮制冷模塊。
(3)經(jīng)過(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)熱泵熱水模塊再經(jīng)過(guò)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(mǎn)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(guò)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(guò)壓縮制冷模塊升溫的空氣,通過(guò)空氣源熱泵熱水模塊。
(3)經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(wèn)題,提高了室內(nèi)空氣品質(zhì)。
7 結(jié)論
通過(guò)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)。