问题

空调的室外机排出的热气可以被利用吗?能否转化为其他形式的能源?

回答
空调的室外机,那玩意儿嗡嗡作响,呼呼地往外吹着一股股热浪,咱们夏天依赖它纳凉,但有没有想过,这股被“排挤”出来的热气,其实是个被浪费掉的宝藏呢?答案是肯定的,而且这宝藏还能变废为宝,转化成其他有用的能源。

咱们先得弄清楚这股热气是怎么来的。空调的工作原理,说白了就是一个热量的搬运工。它不是凭空制冷,而是把室内空气中的热量“搬”到室外去。这个搬运过程,需要制冷剂在室内机和室外机之间循环流动,吸收和释放热量。当制冷剂吸收了室内的热量,变成高温高压的气体流到室外机时,它就像一个热情的拥抱者,需要把这些热量释放出去,才能变回低温低压的液体,继续下一轮的制冷任务。而室外机的风扇,就是为了加速这个散热过程,把热量强行吹散到空气中。所以,你感受到的那股热风,就是空调辛辛苦苦从你家里“搬”出来的情感热量,哦不,是热能。

那么,这股被丢弃的热气,到底能干点啥呢?最直接也是最常见的利用方式,就是热水制造。

你可能听说过“冷凝水回收利用”,这跟它有异曲同工之妙。只不过这次不是水,是热量。有一个专门的设备叫做热回收器或者热泵热水器。它的原理很简单:在空调的室外机和室内机之间,加装一个热交换装置。当制冷剂在室外机散热的时候,它会把一部分热量传递给流经热交换器的水。这样,原本要白白排到空气中的热量,就被“截胡”了,用来加热生活用水。

想象一下,在你享受空调带来的清凉时,你的热水器也在同步工作,源源不断地提供热水。这可不是科幻片里的场景,而是真实存在的节能技术。尤其是在需要同时制冷和供应热水的场景,比如酒店、医院、健身房、大型商场等,这种热回收空调的优势就特别明显。它们可以在制冷的同时,免费获得大量的热水,极大地降低了能源消耗和运营成本。

除了直接加热生活用水,这股热气还能转化为其他形式的能源,虽然不像热水那么直接,但同样具有潜力。

一种比较前沿的利用方式是发电。没错,就是用热量来发电。这听起来有点玄乎,但其实也有成熟的技术支撑,比如有机朗肯循环(ORC)。

有机朗肯循环的工作原理跟传统的蒸汽朗肯循环发电类似,只是它使用的不是水,而是沸点较低的有机工质(比如制冷剂本身,或者其他有机化合物)。这些有机工质在受热时会蒸发产生高压气体,然后推动涡轮机旋转,驱动发电机发电。

将空调室外机的废热应用于有机朗肯循环,可以通过一个专门的热交换器将热量传递给有机工质,使其蒸发。虽然空调室外机的温度不像大型发电厂的锅炉那么高,但其排出的热量仍然足以使一些有机工质蒸发并产生一定的功率。

这种技术尤其适合那些废热量较大且温度相对稳定的场合。比如,大型中央空调系统,或者一些工业制冷过程中产生的废热,都可以考虑通过有机朗肯循环进行发电。虽然单台空调产生的废热发电量可能不大,但如果规模化应用,还是能贡献可观的清洁能源。而且,这种发电方式是“随风而行”,不需要额外的燃料,是一种非常环保的发电方式。

还有一种可能性,虽然目前应用相对较少,但也是一个研究方向,那就是制冷耦合供暖。

这听起来有点像“逆向操作”,怎么用热气来供暖呢?其实这里的“热气”并不是指你直接吹出来的热风,而是利用热回收装置中的低温热源。

在一些高效的热泵系统中,尤其是一些多联机系统或者变频多联机系统,它们在制冷的同时,会将排出的热量收集起来。如果在一个建筑内同时存在制冷和制热的需求(比如,一部分区域需要制冷,另一部分区域需要供暖),那么通过智能的控制系统和热交换管路,就可以将室外机排出的热量,一部分用于加热生活用水,另一部分通过热泵技术,以更高效的方式输送到需要供暖的区域,实现制冷和供暖的能量耦合。

打个比方,夏天你在客厅吹空调,把热量搬到了室外,但与此同时,你的卧室可能需要一点点取暖,或者你的厨房需要热水。这时候,这股被搬到室外的热量,并没有完全浪费,一部分被用来加热热水,另一部分则可以通过一套精密的管道系统,以更低能耗的方式,输送到卧室里,帮你稍微暖和一下。这种“能量共享”的概念,是未来建筑节能的一个重要发展方向。

当然,将空调室外机的废热进行有效利用,并不是一件随随便便就能做到的事情。它需要专业的设计、安装和控制系统。

首先,热回收的效率是关键。你得保证从热风里能有效地“舀”走足够的热量,并且这些热量足够“有价值”。其次,集成性也很重要。将热回收系统与现有的空调系统无缝集成,不影响空调本身的制冷效果,是必须考虑的因素。另外,成本效益也是要算一笔账的。毕竟,加装这些设备需要额外的投入,需要权衡投资回报期和长期的节能效益。

目前,一些新型的住宅和商业建筑,在设计之初就已经考虑到了热回收的集成,通过更智能的系统设计,实现能源的最大化利用。而对于已经安装的普通空调系统,如果想要进行热回收改造,则需要评估可行性,并选择合适的第三方设备和技术方案。

总而言之,空调室外机排出的热气,绝不是简单的“废气”,而是一种可以被转化为有用的能源,特别是热水和电能的“热资源”。随着节能环保意识的不断提高和相关技术的进步,这种“变废为宝”的利用方式,必将在未来扮演越来越重要的角色,让我们的生活更加绿色、高效和舒适。下次你感觉到那股热浪时,不妨想想,这股热能,或许正在悄悄地为你做着另一份贡献呢。

网友意见

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很有意思的问题,想起一件往事了。

刚刚参加工作时分配在一家老国企,实习期当了一段时间的电工和仪表工。

国企的玻璃纤维纺织车间有几台巨大的排风机,排出来的热风温度很高。某日和几位电工一起突发奇想,能不能把这些热量收集利用起来,说不定能成为很好的技术革新项目。要知道,当年工资很低,若能开发出技术革新项目,所获得的奖金是1年的工资总和!

仪表专业的特征是各种元器件都有,即便没有,可以立即下订单给采购部门,他们就会按时采购到位。

于是立刻动手设计。想法是这样的:我们把热风中的能量收集起来,储存到蓄电池中,这样就可以实现能量转换了。

用什么来转换?首先想到的是热电偶。

大家都知道测温的热电偶,它的原理如下:

想法很简单:我们制作一个热电偶阵列,利用它把热能转换为电能,并存入蓄电池即可。

我找来若干废旧的镍铬-镍硅热电偶,把它拆开,将镍铬丝和镍硅丝切成百段,用点压焊机把它们焊接成100个热电偶,再组成10X10的热电偶阵列。

下图是镍铬-镍硅热电偶的分度值表:

热风风口在冬天的温度是60到70度,夏天更高。当时是冬天,温度大约在65度,我们看到镍铬-镍硅输出的电压是2.643毫伏。

我设计了一个电路,输入端就是来自热电偶阵列的100个毫伏电压。我把它们做了组态,通过串并联获得较高的电压;电路的中间级是用运放构建的电压-电流变换器,输出端是恒流源电路,实现向蓄电池恒流充电。

电路制作完毕,和几位电工一起把转换器安装到位。

效果如何?一个蓄电池充满需要近2天。于是,打算修改电路,进一步提高转换效率。

然而,因为突然在排风机风口出现这么一个怪东西,动力车间的工程师来观察一番,接着把我们告到厂部技术科,说我们的东西挡住了排风风口,造成散热流量损失,影响N大。

技术科科长来看后,通知我们立刻拆除。大家面面相觑,毫无办法。

总工也知道了这件事,专门找我谈话。这位留苏的玻璃工业专家,他对我说了几件事:

第一:这种电路的测量原理是对的,可以实现能量转换;

第二:从卡诺循环的原理可知,这件事是得不偿失的。因为温度场的温度太低,我们付出的成本和转换效率与收益相比,没有价值;

第三:这种技术革新不实用,它会破坏生产条件,增加事故隐患。必须立刻拆除;

第四:建议要把思路从技术革新改变为技术创新。让我们的发明在市场中得到运用和检验,这才能实现名利双收。

最后,当然是忍痛拆除了。

老国企的共青团组织得知此事,立刻写了一个广播稿,把我们大加鼓励和赞赏。说试验虽然不可行,但精神可嘉,并给我们几元钱的午餐补贴。于是午餐时,大家美美地吃了一顿,品尝这来之不易的美味奖赏。

当然,我们立刻出名了,全公司近五万名职工都知道我们了,连进大门处的保安都对我们点头致意。开心!

此后数年,我得到若干项专利技术。正如总工所说,要实现技术创新,才能让发明的价值充分发挥出来。

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故事讲完了,题主的问题答案也有了。答案是:当然可以把空调室外机排出来的热气能量收集起来并转换为电能。然而,这种能量转换的价值不大,投入的成本和转换成本远远高于收益。

其实,想想物理学的卡诺循环效率即可得知此事的可行性了。

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这个帖子发布已经有1天了,看到许多知友在评论区提了各种看法和建议,很有意思。

为了让大家多了解这个问题,我把我做过的试验再给大家描述一下:

我所工作过的老国企属于玻璃制造业。它有3种产品,第一种是平板玻璃,第二种是玻璃纤维和玻璃钢。玻璃制造企业属于资金和技术密集型企业,而玻璃纤维因为有织布工序因而属于劳动密集型企业,所以职工人数的绝大部分就在玻璃纤维车间。

玻璃纤维的制造过程是这样的:首先要有一座专门日产近百吨玻璃珠的玻璃熔窑,然后在专门的玻璃纤维抽丝机里让玻璃珠熔融,经过白金坩埚的孔板,玻璃液被抽丝机拉制成直径为数微米的玻璃纤维。一颗玻璃珠据说可以拉制成近1千千米的玻璃纤维。再往下自然就是将玻璃纤维纺织成玻璃布了。

我们想象一下,一百多台玻璃纤维抽丝机工作是怎样的情景:从人头顶高处熔融的红色玻璃液流出,在人膝盖处有高速旋转的玻璃纤维线框,线框把玻璃纤维缠绕起来。在这个过程种,被抽出的玻璃纤维运行速度极快,它从红热到常温依靠空气来降温散热,可见,拉制玻璃纤维的工段一定是温度相当高的工作环境。

车间里配备了数台大功率(55kW)的风机,它的叶片直径大约有2米。这些风机利用风管延伸到玻璃纤维抽丝机机台上,把高温的空气抽走,最后直排到大气中。

本文谈到的排风机指的就是这些风机。

至于抽丝工段所配备的大功率中央空调机组,它的散热依靠建筑物顶端的水循环散热塔,这部分不在本文的讨论范围之内。

我们来看下图:

从图中我们看到,热空气的流量十分重要。若流量受限,则系统的散热效率会大打折扣。

我们还看到,热电偶阵列尽管尺寸不大,但它的确会对热空气流量产生一定的影响。

如果我们利用热电偶阵列把热空气的热量转换为电能,正如一位知友所说,情况类似于在自行车上安装了发电机,给自己造成了阻力。可见,这的确有点得不偿失的。

对于空调外机,它的示意图如下:

在这里,我们看到了毛细管风栅,它由细密的毛细管组成,毛细管管道里流动的就是需要散热的热态制冷剂。当风扇吹风时,毛细管风栅中的热量被空气带走,形成了空调外机前端的热风。在这里,热态制冷剂被强制降温,然后被压缩机抽回室内机实施循环降温。

如果我们也在毛细管风栅处安装热电偶阵列,或者安装在空调外机前不远处,我们很容易想到,冷空气的流量必定会受阻,毛细管风栅的工作效率必然会下降。

根据卡诺循环的原理,热机工作在高温热源和低温热源之间,热机的工作效率与高低温热源的温度差成正比。空调外机吹出的热风与冷空气之间的温度差其实并不高,即便我们安装了热电偶阵列,但可以想见,所获得的电能十分有限。

由此我们能看出,不管采取什么方法,只要我们安装的能量转换部件(哪怕只是一件衣服)阻碍了空调外机的空气流量,就会降低空调外机的工作效率,而我们从这些能量转换部件中所获得的能量却很少。

如果我们把毛细管风栅本身制作成热电偶阵列,当然可以获得一些能量,但这些可怜兮兮的能量用来点燃几个LED指示灯恐怕都有问题,更别想回馈给空调机作为动力能源了。

最后,我给大家总结一下:

空调外机的风扇吹出了热风,热风扩散在大气中。如果我们期望把散失在大气中的热量回收起来,就存在回收效率的问题。

物理学的卡诺循环告诉我们,效率与高温热源和低温热源的温度差有关。但请注意以下两点:

第一:我们不可能把空调外机所排出的热空气全部都收集起来,热量会有大量的散失;

第二:空调外机所排出的热空气温度与冷空气之间的温度差太低。

基于这两个原因,不管采用什么方法,我们能从空调外机所排出的热空气中回收的能量是很有限的,转换效率很低。如果要提高效率,所投入的设备和成本会大幅度增加,反过来又进一步降低了效率。

如果我们能把空调外机所排出的热空气能量全部回收,事实上就是永动机了。热力学告诉我们,永动机是不存在的,我们也不可能从空调热风中获得什么实际效益。

当然,利用热风吹干衣服还是可以的,但距离一定要远一些,不要影响空调机组的风场流量才行。

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