引言随着城市公共建筑、房地产开发、轨道交通等各类建设项目的快速推进，空调系统在建筑中的应用增多，其中热泵型空调的应用尤为突出。设置热泵机组的场所受限较多，风热环境模拟不理想。随着极端天气出现，夏季高温天较多，该类型空调的正常运行存在很大隐患，且机组能效较低。宁波夏季高温天气较多，热泵型空调机组的能效比较低。通过引入新型细水雾装置，对比案例建筑改造前后的运行数据，探讨高温天提高热泵机组能效的有效措施。1细水雾降温装置原理1.1细水雾降温装置的原理装置安装于冷凝器冷却空气进口处，水流经过雾化，形成雾滴。运动过程中，雾滴和空气充分混合并迅速蒸发。水汽化潜力较大，蒸发时会吸收大量热量，从而降低空调冷凝器周边环境空气温度。降温后的空气被空调机组吸入冷凝器表面，强化冷凝器的散热[1]。整个冷却过程近似于等焓加湿降温过程。空气加湿冷却过程焓湿图如图1所示。在喷雾处理后空气温度持续降低，并保持更高的含湿量，通过图1的点1、点2，能够判断喷雾前、后空气状态[2]。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.008.F001图1空气加湿冷却过程焓湿图1.2细水雾降温装置的水质影响空调室外机冷凝器翅片为铝质，管道为铜质。采用细水雾降温装置，水质硬度较高时，长期使用会造成冷凝器翅片结垢，从而影响换热效果；水质的溶解氧含量高时，对翅片易产生耗氧型腐蚀[3]。因此，细水雾降温装置使用前，应根据使用水源情况，设计适合的水处理方案，经过滤，软化处理后使用。1.3细水雾降温装置的喷洒角度和喷水量影响保持喷雾量不变的前提下，随着雾化角提升，对应雾滴在区间内喷洒更为均匀；随着降温区域增加，区域内截面温度均匀分布，对应的降温作用更明显，冷凝器空气温度分布保持均匀状态，充分利用冷凝器散热面完成散热处理，有效保护散热器[4]。因此，细水雾降温装置对喷嘴的要求是雾化效果好、喷射角大、喷射面积大、不易堵塞。1.4细水雾降温装置系统运行原理细水雾降温装置系统通常由进水装置、水处理装置、水箱、管路、水阀、水泵、喷雾装置组成。喷雾控制器常用的控制方式有手动控制、定时控制、根据环境温度自动控制启停等。根据喷雾控制器指令，通过电磁阀对每路进入喷雾头的供水进行控制[5]。2案例分析《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015）对热泵机组性能系数COP的规定基于名义制冷工况和规定条件制定，热泵机组标准工况的环境温度为35 ℃，但根据宁波天气网站公布《宁波市二〇二〇年度气候》，宁波市区全年高温日数（日最高气温≥35 ℃）为31 d，较常年偏多8.6 d。2.1办公楼风冷系统的安装现状分析宁波地区多数办公楼采用风冷热泵系统、多联式(VRF)空调系统，该系统具有节能高效、安装便利、使用灵活等优点。但是为了追求建筑物的外观美感，大部分多联机室外设备平台以普通防雨百叶为主[6]。部分用户为了降低室外机安装空间需求，直接将室外机放置在天井、凹槽等通风较差的区域。现有室外机布置密度较高，存在室外机放置于屋面，被屋面女儿墙两面甚至三面围住遮挡等现象[7]。室外机的布置方式对多联机室外机通风换热效果产生直接影响，导致多联机室外机进风温度持续攀升[8]。多联机室外机通风缺乏良好的换热效果，对多联机运作造成不利影响，导致设备使用寿命降低，不利于系统制冷效果的提升和房间热舒适度的提高[9]。高温天气时，设备平台环境温度暴增，严重影响空调系统的运行效果，甚至出现外机高压保护停机现象。2.2某办公楼的空调系统改造以宁波市高新区某办公楼空调系统为例，整幢建筑共8层，均为办公用房，立面采用玻璃幕墙。空调系统采用多联式(VRF)系统，每层空调室外机均集中放置于屋面的东、西两侧，西侧总装机容量350匹，东侧总装机容量258匹，合计608匹，即1 702 kW制冷量，运行8年。部分室外机原始安装平面布置如图2所示。随着屋面保温层老化，业主反映空调系统在高温天的效果不佳，特别是顶层，房间温度保持在29 ℃左右，亟须进行改造。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.008.F002图2部分室外机原始安装平面布置（单位：mm）考察现场屋面情况，空调外机摆放较为密集。实测气温为32~38 ℃时空调外机冷凝器表面温度为45~48 ℃，导致冷凝温度比标准工况温度提升6~9 ℃。不考虑改造空调机组的情况下，引入细水雾降温装置对屋面环境温度进行改善，东西侧各增加1套降温管网系统。设计过滤系统以及水箱、控制柜集成系统，并设计实现其在不同工况下的自动运行控制。集中设置喷雾管网，在每台外机冷凝侧均匀设置6个高压喷头。加装降温系统后，选取某工作日空调运行后启动装置，室外温度高于32 ℃时，细水雾装置自动启动，并记录各检测点的数据，并与开启装置前一天的空调运行数据进行对比。降温装置开启后的运行情况如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.008.F003图3降温装置开启后的运行情况3优化前后运行数据对比及节能性分析3.1环境温度对喷雾前后机组性能的影响对比开启降温装置后室外温度感测点数据和前一天未开启降温装置的同时段数据，开启降温装置后全天内同时段环境平均温度降低5~8 ℃。未开启喷雾降温装置时室外进风温度过高，可达46 ℃。由于多联机压缩机为变频压缩机，室外进风温度升高时，系统的冷凝温度随之升高，为了防止系统运行压力过高，压缩机自动降频运行。室外机进风温度对制冷量及压缩机运行频率的影响如图4所示。室外进风温度从46 ℃降至39 ℃时，压缩机运行频率提升36%，相对于额定制冷量的比例提升20%[10]。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.008.F004图4室外机进风温度对制冷量及压缩机运行频率的影响3.2喷雾方向和喷雾量对喷雾前后机组性能的影响喷雾量加大初期，对能效的影响明显，喷雾量达到一定值后，效果影响减弱。以1台制冷量22匹的外机作为实验对象，分别在相同环境温度下对多联机系统的朝向方向冷凝器布置2个、4个、6个、8个喷嘴，朝向冷凝器方向喷雾。通过室外感温数据发现，喷嘴数量由2个增至6个时，环境温度降温明显。继续增加到至8个后，降温幅度不大。因为水雾保持饱和状态时，降温效果达到最大值，喷雾水量过高将导致喷雾水浪费。改造过程中发现，如果喷嘴的喷雾不均匀，喷嘴雾化能力不大，水雾喷到的地方温度降低，其他地方温度变化不大。水雾仅喷到温度传感器附近时，易造成压缩机降频，导致制冷量下降。因此，应选择雾化效果好、喷射角大、喷射面积大、不易堵塞的喷头，确保喷头布置均匀、覆盖面广。本改造选择流量为8 L/h的喷嘴，单个外机均匀布置6个喷嘴。3.3喷雾前后空调系统能耗变化统计喷雾前后两天的数据，开启喷雾装置后，30 s内室外机冷凝器周边环境温度有效降低5 ℃。冷凝温度持续降低，冷凝压力降低，使压缩机排气压力降低，压缩机负载减少，压缩机的输入功率减小使电能消耗量降低。未开启降温装置时办公楼总能耗为4 862 kWh，开启降温装置后办公楼空调总能耗为4 001 kWh，空调能耗降低17.7%。3.4喷雾前后经济性及回收期分析选择1台22匹空调作为实验对象，机组额定工况制冷量为61.5 kW。空调系统在不同外机工况温度下的运行数据如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.008.T001表1空调系统在不同外机工况温度下的运行数据外机工况温度/℃输入功率/kW功率差/kW每月耗电量/kWh每月电费/元4321.82.8492.83204120.91.9334.42173920.11.1193.61253719.60.6105.6683519.0000注：每月按工作日22 d计算，空调每天运行8 h，电费按0.7元/kWh计。喷雾装置每天运行4 h，每月按工作日22 d计算，水费价格为6.5元/m3。喷嘴耗水量为8 L/h，每台外机（6喷嘴）每月用水量为4 224 L，每月水费为27.4元。办公楼总装机容量608匹，按整个制冷季（3.5个月）计算，安装喷雾降温装置后，总电费节约43 120 kWh，折合电费30 184元。喷雾装置1个制冷季的耗水量约369 t，折合水费约2 398元。1个制冷季节约费用约27 786元。此次改造安装2套喷雾降温装置，总投资6万元。项目回收期为2.15年。4结语以宁波市某办公楼的改造项目为例，对比加装细水雾降温装置前后的运行数据。采用细水雾降温装置后室外机环境温度有效降低，30 s内可降温5 ℃左右。室外环境改善后，机组能效提高，室内热舒适性得到改善。设计时应选择雾化效果好、喷射角大、喷射面积大、不易堵塞的喷头，喷头布置应均匀、覆盖面广。通过经济性分析，加装细水雾降温装置成本可控，回收期短。近几年宁波地区高温极端天气增多，采用风冷冷却空调系统时，室外环境严重影响室外机的散热，导致机组的能效降低，加装细水雾装置能够有效改善室外机的热环境，值得推广。后续研究中可以进一步对装置进行优化，以达到更好的节能效果。可以回收空调冷凝水作为降温装置的水源。检测空调系统的多点数据（冷凝温度、冷凝压力，压缩机进出口压力等），根据数据反馈，计算最优的运行启停点。利用数值模拟优化风冷机组外机安装限值，浙江省《绿色建筑设计标准》（DB 33/1092—2021）对风冷空调系统室外机提出安装限值，可以通过热环境模拟，采用细水雾降温系统对室外机安装限值进行优化。