改革開放 30 年來,我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展憑借著10%的年經(jīng)濟(jì)增長率已近躍居世界第三大經(jīng)濟(jì)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(shù)的近兩倍。每年平均有 1800 萬人口從農(nóng)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(fā)電量都高于英國全年的發(fā)電總量。根據(jù)預(yù)測,未來 15~20 年內(nèi)我國的城市化進(jìn)程將持續(xù)增長,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)能項目將占國家節(jié)能項目的 40%。
2 研究意義
風(fēng)冷壓縮式空調(diào)器由于技術(shù)成熟,價格低廉,應(yīng)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(yīng)用的季節(jié)性強,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,則是實現(xiàn)主動節(jié)能的一種思路。主動節(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)化利用來實現(xiàn)節(jié)能,在做好專業(yè)主動節(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(jìn)行探討。
3 傳統(tǒng)風(fēng)冷壓縮式機組的節(jié)能方式簡析
3.1 提高壓縮機的工作壓力
分析 :
a. 技術(shù)方面:技術(shù)難度加大。由于需要提高壓縮機的工作壓力勢必要直接導(dǎo)致冷凝器、蒸發(fā)器、系統(tǒng)管路都要提高壓力等級。
b. 經(jīng)濟(jì)方面:由于設(shè)備壓力等級提高必然導(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(dāng)然這也是市場上很少有很高壓力的風(fēng)冷機的一個主要原因。
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,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)勢必增加成本,然而對于單一功能的設(shè)備在增大投入換取效率的小幅度提高的同時,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)機能耗加大??紤]到風(fēng)機風(fēng)量加大所產(chǎn)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(shè)想了如圖1、圖2兩個工作模式的熱泵熱水+風(fēng)冷制冷單元的風(fēng)冷空調(diào)機。
(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)制冷時室外溫度一般都較高,此時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,同時能夠得到熱水這個副產(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,相對于電熱水器,更加高效節(jié)能。
針對上述流程,筆者的思路是通過熱泵技術(shù)提高熱水的效率,同時提高了風(fēng)冷的效率,實現(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(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,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)器的運行原理,合理地對蒸發(fā)器、冷凝器進(jìn)行模塊化設(shè)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(yīng)用優(yōu)勢。