基本信息
- 项目名称：
- 水冷式空调节能装置开发
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本项目研制了一种适用于风冷式/变频式机房空调的节能装置。该装置利用数字控制技术，采用单片微型计算机作为主控制器，实现了对机械装置的优化控制，达到了空调节能的目标。该装置的基本原理是利用水蒸发时可降低温度的工作原理，通过布水管将水均匀的喷洒在蒸发湿帘上，使外界热空气与蒸发湿帘的水粒充分进行热交换，水分子蒸发吸热，降低了空调冷凝器的进风温度，即通过水冷的方式实现空调节能。
- 详细介绍：
- 本项目采用的冷却节能装置，包括由内至外依次设置在风冷式空调主机冷凝器前端的连接支架、蒸发湿帘，蒸发湿帘垂直设置在加压风机进风口的前端，蒸发湿帘下端设有含补水浮子及水泵的水槽，蒸发湿帘的上方设有布水管，布水管与水槽之间设有循环水管，水泵接驳布水管预先冷却室外空气，降低空气温度，然后再经过空调进行空气的冷却和转换，达到降低能源的消耗及延长空调使用寿命的效果。该装置以单片机为主控制器，机械装置包括冷却水帘组、冷却泵、电磁阀及其相应的辅助装置，以及检测环境参数和系统参数的传感器，通过各传感器检测空调系统中的空气温度和湿度的变化，由存放在单片机中的中央空调专家经验知识库及控制程序，对环境参数和系统状态进行分析、判断、处理，对湿帘水量、湿帘温度进行无级调节，使系统在高效率状态下运行，实现最大限度的节能。 湿帘是由表面积很大的特种纸质波纹蜂窝状制成，当空气通过时湿帘腔内产生负压、使机外空气通过吸水性很强的湿帘进入腔内，湿帘上的水在绝热状态下蒸发，带走大量潜热，净化、冷却的冷气被风机送入湿帘腔内，从而使腔内达到比外界低的温度。 当设备开始工作时，循环水泵将水箱中的水输送到设备顶部的淋水器，淋水器确保水均匀分配到湿膜材料上，水从湿膜材料顶部向下渗透，形成均匀循环水的湿帘。当干燥的空气通过湿帘时，一部分水与空气接触，汽化、蒸发，使空气湿润，汽化蒸发带走了干燥空气中大量的热量，从而降低了进入冷凝器中的空气的温度。 由于湿帘的作用，使进入冷凝器和离开冷凝器的空气的温差加大，单位流量的空气带走的热量增加，从而降低空调机组的冷凝温度，具体过程如下面的压焓图（图5）显示（注：压焓图是空调系统中计算制冷循环中各个工况点的唯一工具，包括压缩机功率，制冷量以及能效比都必须通过压焓图计算） （图5）表示，蓝色区域为空调制冷系统原有的工作区域，红色区域为采取节能措施后的工作区域。两个区域对比可以得出，空调制冷系统的单位制冷量增加了（h1- h1′），压缩机的单位输入功率减少（h3- h3′）。故整个空调制冷系统的节能效果由两部分组成，一是增加的冷量，二是减少的压缩机输入功率，综合表现为整个空调制冷系统的能效比（制冷量/输入功率）增加。其中压缩机输入功率可以通过电流表进行实时的测量，而增加的冷量目前还没有专门的测量工具，只能通过计算比较得出。为了能将空调制冷系统的实际情况表现在压焓图上面，必须通过现场采集相关的数据：蒸发温度t0，冷凝温度tk，压缩机出口温度，以及过冷度和过热度。通过上述参数便可在压焓图中找出制冷系统运行过程中的各个参数，绘制出实时的制冷运行压焓图。因为制冷系统的质量流量没有变化，所以单位质量的制冷量和输入功率代表了整个系统的制冷量和输入功率的变化。 当测出温度变化前后的相应的各个工况点参数后，并可以在压焓图上得到类似上图的压焓图曲线以及各相应的参数。系统增加的冷量为（h1- h1′），压缩机减少的输入功率为（h3- h3′）。制冷系统的节能率 ，其中 为系统冷量增加产生的节能效率， 为系统压缩机减少输入功率产生的节能效率。 创新点 1.利用湿帘水冷式节能方法，节能效率高，全年节能率超过20％，投资回收期在2年内； 2.避暑求春，将全年温度在20℃以上的5077小时改为春季的运行工况； 3.产品集成模块化，容易安装，且安装过程不影响原有设备工作； 4.提高机组能效比，延长机组寿命； 5.具有自洁和自动排污功能，采用805A高氧化性除藻技术； 6.新型材料，具有防腐、防火功能； 7.可采用远程智能化控制，可以通过电脑监控空调的远行状态； 8.维护简单方便，寿命长； 9.已经形成的型号9070-A、B、C型，适合各种条件下的风冷式/变频式空调和精密空调。 技术关键 本项目的主要技术关键有： 1. 散热湿帘的设计及选择 散热湿帘是该装置的一个重要部分，设计的好坏关系到节能装置的使用寿命，研制中设计了多种湿帘并进行了实验测试，以确定比较理想的湿帘，其中湿帘的进风角度是关键指标。 2.水位检测系统 水位检测系统要确保水槽内的水不能超过上限和下限，超过上限则可能会发生溢水问题，低于下限则可能会发生装置无法正常工作的情况，因此对水位的控制也是项目的一个技术关键。 3.控制系统 （1） 控制系统硬件部分 本装置的控制系统由单片机作为主控制器，并进行了存储器及I/O口的扩展。自此基础上，实现了对抽水泵、电磁开关阀的控制，以及对水位开关、温度数据、数据的采集。并配有液晶显示系统及功能按键，可方便地实现相关数据的采集及温度参数的设定。 （2） 控制系统软件部分 控制系统软件在硬件的基础上，按照一定的顺序，对各执行器-电磁阀等进行控制，对各传感器件进行监控。利用C程序编制的控制软件部分见附录五。 主要技术指标 本节能装置的主控制电路为数字电路，电气器件包括水泵、电磁开关阀及传感器等。其中最大的耗电器件是水泵，其功率为90瓦，装置本身的耗电很低。经实际使用测试，该装置每天的平均耗水量为0.15吨。可见，本节能装置本身的综合能耗很低。 经实测证明，利用该装置可使冷凝器进风口的空气温度较之外环境降低6—12摄氏度。据权威机构证明：进风温度每降低1℃，空调系统节能将3%。装置设备运行后进风温度最大可以降低12℃以上，系统节能最大可以达到40％。经实际使用测试表明，理论计算与实际节能数据吻合（见正文第三章的数据分析部分）。外环境温度越高，节能效果越明显。 在我国南方地区，如浙江、广东等省份，夏季7、8月份的气温可达40℃以上，空调经常出现高温报警、停机的现象。该节能装置的使用，不仅可降低能耗，同时避免高温停机的现象，有效保障机房设备的正常运行。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计、发明的目的： 能源的日渐短缺，已经严重制约了人类的经济发展。日前国际能源组织（IEA）的最新报告，中国已经超越美国，成为世界第一能源消费大国。要从根本上解决能源问题，除了寻找新的能源，节能也是目前最直接有效的重要措施。空调领域作为一用能大户，其能耗已超过总能耗的20%。空调耗电对电网峰值负荷的冲击是当前最突出的问题，故节能意义十分巨大。而从可持续发展理论出发，空调系统如何适应在低负荷下高效节能运行及在系统设计中对设备进行节能选配就成为空调节能的关键，这对于节约能源、降低运用费用、促进国民经济发展具有十分重要的意义。 基本思路： 本项目利用了水蒸发时可降低温度的工作原理。通过布水管将水均匀的喷洒在蒸发湿帘上，使外界热空气与蒸发湿帘的水粒充分进行热交换，水分子蒸发吸热，降低了空调冷凝器的进风温度。 创新点 利用湿帘水冷式节能方法，节能效率高，全年节能率超过20％，投资回收期在2年内； 新型材料，具有防腐、防火功能； 可采用远程智能化控制，可以通过电脑监控空调的远行状态； 技术关键 本项目的主要技术关键有： 1. 散热湿帘的设计及选择 2.水位检测系统 3.控制系统 （1） 控制系统硬件部分 （2） 控制系统软件部分 主要技术指标 本节能装置的主控制电路为数字电路，电气器件包括水泵、电磁开关阀及传感器等。其中最大的耗电器件是水泵，其功率为90瓦，装置本身的耗电很低。经实际使用测试，该装置每天的平均耗水量为0.15吨。
科学性、先进性
- 对于现有的空调节能技术，一般采用变频节能的方式或者限制室内温度的方法，在空调的运作中，当环境温度过高时，风冷式空调的压缩机频繁启动、工作，同时因冷却冷凝器的气温太高，会导致冷凝器温度过高，压缩机超负荷运行，最终压缩机过载保护器动作，切断压缩机电源而停机。而冷凝器积尘造成散热不良，也常使压缩机或电动机升温过高，过热保护器，切断电路，造成空调停机。为维持良好的换热效果，必须保护空气流动风道的顺畅。由于室外空气由室外风扇吸吹，直接横向掠过翅片管，室外空气中的泥尘较易积存于翅片上，而翅片间距又较小，泥尘易积存在翅片间，阻碍空气流动，影响散热效果。为此，本项目设计了一种空调节能装置，在有效解决以上问题的同时，具有很好的节能效果。
获奖情况及鉴定结果
- 2010 年12月 31日提出专利申报并获受理，申报号 201020695042.9 获2011年新苗人才推广项目立项
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 专利转让
作品可展示的形式
- 实物、图片、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本装置用新型环保材料，能源循环利用，充分体现“节能减排”的设计理念。同时装置成本低廉，操作简便，适于推广应用。 本装置采用模块化设计，安装及维护方便。适用范围广：可应用于各种精密、大型民用空调，可用于大型商场、工厂、银行等，空调功率从25kW到60kW的范围。特别适用于大型机房、如移动、联通等电信行业的机房、场站等用电载荷大、又对工作环境温度要求严格的场合。 推广前景及技术特点、优势 综合效益 1．直观的节电效果 在进行全面的节电改造之后，用户可以从实际的电费开支减少中直接地得到实惠，降低了用户的经营成本。 2．隐含的经济效益 除了具有直观的节电效益之外，该装置的使用，可以减少压缩机的启动次数和工作时间，同时起到防尘等作用，提高空调机的使用寿命，同时亦延长了空调机的维护周期。维护费用相应减少。另外重要的一点是：实践证明，该装置的使用避免了空调机高温（一般在40℃以上较容易发生）报警、停机的现象，保障了机房设备的正常运行。
同类课题研究水平概述
- 国内外空调研究现状 目前，空调在我国建筑物中普及率的不断提高使得我国已经成为继美国、日本之后世界第三大空调市场，占全世界空调市场利用率的12%。国内大部分空调的能效比平均水平在2.5-2.6，有些所谓低价产品可以低到2.1-2.2，而美国已经生效的新标准折合成能效比大约为3.8，低于此数值的空调不许制造和销售。在用电量需求量大的夏季，用电高峰期就有近一半的电被空调所消耗，空调耗电对电网峰值负荷的冲击是当前最突出的问题，故节能意义十分巨大。而从可持续发展理论出发，空调系统如何适应在低负荷下高效节能运行及在系统设计中对设备进行节能选配就成为空调节能的关键，这对于节约能源、降低运用费用、促进国民经济发展具有十分重要的意义。 常用节能空调种类 1.风冷式空调 风冷机组，机构简单，安装方便，适合不能安装冷却塔或地源热泵的地方，使用方便，不过能效比没有水冷的高。 2.变频空调 广泛使用的变频空调是在普通空调的基础上选用了变频专用压缩机，增加了变频控制系统。其优点是节能，噪音低，温控精度高，电压要求低，环境温度要求低，保持室温恒定等。其缺点是要求空调一直持续运行才能达到省电的目的，许多技术还不够完善，使用寿命相对来说较短。 通过对常见的风冷式/变频式空调原理及结构的分析，研究小组对设计的水冷式空调节能装置进行了优化设计，通过使用表明：该装置达到了设计的目标和节能的效果。
