自供能家庭空调冷凝水利用装置

时间：2024-05-18

冉神坤

自供能家庭空调冷凝水利用装置

冉神坤

（武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉 430070）

随着空调的普及，大量的排放冷却水引发了资源浪费，而冷凝水理论上是纯净水，但考虑到空气中的灰尘等有害物质会随着水蒸气的析出混入等其他原因，其虽不是绝对的纯净水，但其水质较好完全可以回收利用。在空调外机处设计了一种将空调工作产生的冷凝水收集利用的新型装置。装置分为太阳能收集模块、冷凝水收集模块、超声雾化模块。经过运行，收集利用冷凝水，对工作时温度较高的空调外机进行降温，达到了提升工作效率的目的。该装置可用于各种空调外机。

空调冷凝水；回收利用装置；节能减排；家用电器

1 项目背景及研究意义

随着全球气候变暖，夏季各地的温度也越来越高，空调成为每家每户必备的家用电器。在空调的使用过程中，由于热量的转移，空调的外机部分温度会越来越高，如果不及时散热，则会影响其工作效率。如果能在工作过程中对其进行冷凝降温，能提升空调的冷凝效率和延长其工作寿命。本装置旨在利用太阳能对空调自身产生的冷凝水进行超声雾化，后将其用于对空调室外机，达到降温效果，从而提高冷却效率，达到利用冷凝水的目的。

2 家用空调冷凝水量的实例计算

以KFR-50LW型空调器为例，其额定制冷量为5 000 W，额定输入功率为1 890 W，送风量为800 m3/h，能源效率为2.65。室内空气参数是以空调房室内设计标准为依据，其干球温度N为26 ℃，相对湿度为50%；室外干球温度W为34 ℃，相对湿度为72%。机器露点温度L设定为15 ℃，相对湿度（为经蒸发器去湿后的送风状态点）为95%，即冷凝水产生量的计算，假设新风量按新风比取定（＝15%），状态点的计算公式为：

式（1）中：为新风用状态；为回风用状态；为新风与回风的混合状态点。

将上述提到的参数代入式（1）中可知，＝12.74 g/kg，冷凝水生成量＝2.62 kg/h。

由此可以看出，一台家用的空调每小时产生的冷凝水量很大，而中国的家用空调对冷凝水的处置主要采用向室外排放的方法，这种做法是对资源的一种浪费，严重违背了国家提倡的节能减排要求。鉴于此笔者设计了自供能家用空调冷凝水利用装置。

3 设计方案

3.1 整体装置

该装置主要由太阳能收集模块、冷凝水收集模块、超声雾化模块组成，太阳能收集模块主要用于提供装置工作所需能量，超声雾化模块主要是超声波雾化器，由其对水进行雾化。

3.2 太阳能收集模块

太阳能收集模块主要由太阳能光伏板组成，为了提高太阳能利用效率，将其设计为抛物线槽式太阳能板，获得的太阳能能够支撑超声波雾化器进行工作，此模块可以安装在空调外机上端，可以获得更好的光照条件。

3.3 冷凝水收集模块

家用空调冷凝水收集装置由空调室内机、空调冷凝水出水管、冷凝水收集箱、冷凝水收集箱上的圆形孔、液位传感器、液位传感器导线构成。家用空调冷凝水收集装置由太阳能收集模块进行供能，其液位传感器测量水箱的冷凝水量，然后反馈到中央控制模块自动开启超声波雾化。

3.4 超声波雾化模块

在此模块通过超声波雾化原理将收集的冷凝水雾化，用超声波定向压强，使液体表面隆起，在隆起的液面周围发生空化作用，使液体雾化成小分子的气雾，再喷洒至空调外机的温度上升处，水雾接触面积大，散热效果较为良好。此外，选取的超声波雾化器的振荡频率为1.7 MHz或2.4 MHz，超出了人的听觉范围，该振荡对人体及动物无伤害。

3.5 空调外机散热模块

技术方案的要点为：包括室外机和设于所述室外机下方的底盘，所述底盘上设有排气孔，用于方便气流的交换。所述底盘下方设有接水盘。达到了利用冷凝水对室外机进行适当降温，提高空调工作效率进而节能的目的。夏季当空调开始工作时，产生的冷凝水被收集后通过超声波雾化装置雾化成喷雾喷洒至空调外机散热端，辅助散热，提高工作效率。空调外机改造如图1所示。

图1 空调外机改造

3.6 工作原理及性能分析

工作原理：在家用空调冷凝水的收集装置中，空调室内机上装有空调冷凝水出水管，空调冷凝水出水管穿过冷凝水收集箱底部3～5 mm处，冷凝水箱上装有液位传感器，但达到预定值后由电子控制单元发出信号到电磁阀开关，空调冷凝水进入超声波雾化器。超声雾化器利用电子高频震荡，通过陶瓷雾化片的高频谐振，将液态水分子结构打散而产生自然飘逸的水雾，不需加热或添加任何化学试剂。与加热雾化方式相比，能源节省了90%。另外，在雾化过程中将释放大量的负离子，其与空气中漂浮的烟雾、粉尘等产生静电式反应，使其沉淀，同时还能有效去除甲醛、一氧化碳、细菌等有害物质，使空气得到净化，减少疾病的发生。目前商用的硅基太阳能电池板的效率可以稳定达到15%以上，意味着每平方米的太阳能电池板功率大约为150 W，可以满足工作需求。

性能分析：在此装置中选用50K蘑菇形超声波雾化器，符合空调外机大小的需求以及无需较大的功率支撑，可以满足冷凝要求。此外，根据计算数据，每小时空调冷凝水可以产生2.62 L左右，可满足雾化器的需求。圆锥形的覆盖面让降温效果更好。

各种型号的超声波喷雾器的数据如表1所示。

表1 各种型号的超声波喷雾器的数据

工作频率/kHz功率/W平均雾化量/（L·h﹣1）平均雾化粒径/μm质量/kg喷洒形状 15K5001506212环抛形 30K10050392.5环抛形 50K蘑菇形302280.5圆锥形 50K锥形300.5280.5微喷形 50K长嘴形300.5280.5微喷形

4 效益分析

节能减排效益：解决了空调长时间使用以及室外机一直暴露在室外，室外温度过高时容易影响其整体运行、降低效率，使得能耗上升的技术问题。当空调外机温度降低时，冷凝器的冷却效果得到提升。

经济效益：接入水预冷系统、机房负荷不变，机房空调运行电流接入前电流为9.959 A，接入后下降为8.281 A，电流下降1.678 A，节电率为16.85%；考虑到7、8月份平均气温为35 ℃，每个空调屏还可以节电0.15 A，电流可以下降1.828 A，节电率可达18.3%。

装置成本：分析了太阳能板的发电效率，按照目前光伏测试系统的常用条件，功率密度大约为1 000 W/m2，商用的硅基太阳能电池板的效率可以稳定达到15%以上，意味着每平方米的太阳能电池板功率大约为150 W。超声波雾化器只需要30 W左右的功率便可完成工作，所选取的太阳能板面积为1 m2即可。因此，所需太阳能板价格大概为100元，而小型超声波加湿器价格大概是60元，整套装置应该在200元之内。

在正确使用情况下，雾化片的使用寿命约3 000 h，且极易更换。假设工作了3 000 h，用了本装置可以节约 1.828 A的电流，以武汉市为例每度电价格为0.573元计算，可节约电费为3 000×220×1.828×10﹣3×0.573=691.3元。由此可见，使用本装置能带来一定的经济效益。