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        房間空調(diào)器熱力學(xué)完善度分析

        2016-06-02 03:09:46西安科技大學(xué)薛韓玲程凱麗
        電子世界 2016年9期

        西安科技大學(xué) 薛韓玲 程凱麗

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        房間空調(diào)器熱力學(xué)完善度分析

        西安科技大學(xué) 薛韓玲 程凱麗

        【摘要】房間空調(diào)器是使用相當(dāng)廣泛的小型空調(diào)設(shè)備,也是我國改革開放以來發(fā)展最快的制冷與熱泵產(chǎn)品。本文對比分析了中國和一些主要國家空調(diào)器能效標(biāo)準(zhǔn),引入了熱力學(xué)完善度的理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法。同時對未來房間空調(diào)器EERR標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了預(yù)測分析。分析可見,熱力學(xué)完善度它反映了動力循環(huán)設(shè)備偏離狀態(tài)的程度[1]。此參數(shù)可以幫助分析設(shè)備性能以及判斷產(chǎn)品的節(jié)能潛力,可作為指導(dǎo)我國制定空調(diào)與熱泵裝置能效標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)。

        【關(guān)鍵詞】房間空調(diào)器;能效標(biāo)準(zhǔn);EER;COP;熱力學(xué)完善度

        注:本文系國家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(編號:51404191)。

        0 引言

        能源是推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步的動力??v觀人類社會發(fā)展的歷史,每一次重大進(jìn)步都伴隨著能源的改進(jìn)和更替。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高,房間空調(diào)器和單元式空調(diào)器相關(guān)產(chǎn)品得到了廣泛應(yīng)用,同時也帶來了巨大的能源消耗。因此能效標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)示制度的建立和實(shí)施能緩解能源供需矛盾,保證經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長,是非常有必要的政策工具。另一方面,能源需求的減少還可以節(jié)約電力基建投資,降低電網(wǎng)峰荷,提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性,改善環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的雙重效益。因此,基于熱力學(xué)完善度房間空調(diào)器的設(shè)備性能分析為制定產(chǎn)品能效標(biāo)準(zhǔn)具有十分重要的意義。

        本文提出的熱力學(xué)完善度,表征實(shí)際熱力循環(huán)系統(tǒng)接近卡諾循環(huán)的程度;用其表示實(shí)際熱力循環(huán)裝置的用能水平[2]。這在通常也是合理的;用此參數(shù)來分析房間空調(diào)器的性能優(yōu)劣,進(jìn)而為提高制冷空調(diào)設(shè)備水平和能源利用效率提供理論依據(jù)。

        1 房間空調(diào)器能效標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)識對比

        我國,歐盟,美國以及日本的能效標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)識制度,雖然在各自范圍內(nèi)都發(fā)揮了節(jié)能作用,但在彼此執(zhí)行方面存在較大的區(qū)別。區(qū)別在于:我國和歐盟均實(shí)施等級制度,且歐盟實(shí)施7級,我國目前主要實(shí)施5級或3級能效等級,而美國能源之星則不存在等級的做法,能源指南雖然也是一種強(qiáng)制性比校標(biāo)識,但它是一種連續(xù)的標(biāo)識而不連續(xù)的等級。同時,就制度的嚴(yán)格程度而言,由于地理、歷史、市場技術(shù)等諸多方面的原因,各國的標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品的適用范圍,產(chǎn)品劃分方法以及測試方法等方面存在一些差異。這里選取具有共同點(diǎn)的房間空調(diào)器進(jìn)行對比,如圖1所示。

        圖1 中國、美國、歐盟空調(diào)器最低能效比較

        另外,在新版房間空調(diào)器的能效等級標(biāo)準(zhǔn)中,已經(jīng)將2004年的5級能效標(biāo)準(zhǔn)改為3級能效標(biāo)準(zhǔn)。對于冷水機(jī)組以及水源熱泵機(jī)組這類使用壽命長的產(chǎn)品,其技術(shù)水平達(dá)到的情況下能效越高越好。房間空調(diào)器3級能效水平如表1所示。

        從表1中可以看出,這樣設(shè)置不但可以使能效等級的劃分更為清晰簡潔,也能適當(dāng)拉大級差,便于在測量時準(zhǔn)確判斷級別。因此,有必要對現(xiàn)行能效等級標(biāo)準(zhǔn)的不合理處進(jìn)行深入分析研究,為下一個較為合理的能效標(biāo)準(zhǔn)制定做技術(shù)準(zhǔn)備。

        表1 3級能效等級劃分

        2 熱力學(xué)完善度理論基礎(chǔ)

        熱力學(xué)完善度也稱為熱力學(xué)第二效率,其具有穩(wěn)定性、可比性、相對性、合理性及統(tǒng)計(jì)性等特征。對于實(shí)際的整齊壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng),它的理想循環(huán)是卡諾循環(huán)。由兩個等溫過程和兩個絕熱過程交替進(jìn)行。

        2.1 理想蒸氣壓縮制冷循環(huán)分析

        理想循環(huán)系統(tǒng)中,制冷劑在管路內(nèi)從壓縮機(jī)→冷凝器→節(jié)流閥→蒸發(fā)器→壓縮機(jī)的循環(huán),沒有流動阻力和外界的無組織熱交換。由于溫差傳熱是不可逆的,因此只有定溫吸熱、放熱過程是可逆的,為使熱機(jī)從一個熱源(T1)向一個冷源(T2)的吸、放熱過程可逆,工質(zhì)與冷源或熱源間的傳熱溫差均為無限小。如圖2所示。

        圖2 實(shí)際制冷循環(huán)系統(tǒng)的lnp-h圖

        圖2中,蒸氣壓縮制冷循環(huán)由4個過程組成;在壓縮機(jī)中的定熵壓縮過程1-2,在冷凝器中的定壓放熱過程2-3,在膨脹裝置中的節(jié)流過程3-4,在蒸發(fā)器中的定壓吸熱過程4-1,且制冷劑以飽和蒸汽狀態(tài)1進(jìn)入壓縮機(jī),被定熵壓縮到冷凝壓力,以過熱蒸汽進(jìn)入冷凝器,放熱后離開冷凝器。此過程中,制冷劑的溫度下降至被制冷空間的溫度以下,并以干度較低的濕蒸汽狀態(tài)4進(jìn)入蒸發(fā)器,如此完成循環(huán)過程[3]。

        2.2 熱力完善度的熱力計(jì)算

        逆卡諾循環(huán)制冷工況下能效比計(jì)算公式如下:

        制冷工況熱力學(xué)完善度計(jì)算公式如下:

        式1、2為制冷工況下的情形.其中T1、T2分別為逆卡諾循環(huán)高低溫?zé)嵩礈囟取?/p>

        3 房間空調(diào)器及其熱力學(xué)完善度分析

        3.1 房間空調(diào)器的能效

        制冷與熱泵產(chǎn)品的能源效率或用能效率是在指定條件下產(chǎn)品所輸出的為用戶所用的能量與所消耗能量的比值,如果能量的輸出和輸入是穩(wěn)定的,用輸出的功率比上輸入的功率。

        制冷系數(shù)EER=Q0/W0=q0/w0,制熱系數(shù)COP=QK/WK=qkqk/wk.式中,Q0,QK和w0,wk分別為設(shè)備所輸出的冷量、熱量及輸入的電功。對于空調(diào)器而言,其制冷能效比EER和制熱性能系數(shù)COP按規(guī)定的方法計(jì)算所得。在相同的工況下,制造越精良的產(chǎn)品的EER、COP值越大,在電能輸入相同情況下,獲得越多的冷量或熱量,產(chǎn)品的能源效率越高。

        圖3 定速房間空調(diào)器的統(tǒng)計(jì)值

        圖4 轉(zhuǎn)速房間空調(diào)器的統(tǒng)計(jì)值

        圖5 定速房間空調(diào)器的等級分布

        圖6 轉(zhuǎn)速可控房間空調(diào)器的等級分布

        3.2 房間空調(diào)器及其熱力學(xué)完善度分析

        對市場上常見的空調(diào)器能效值進(jìn)行了調(diào)研分析,見圖3圖4,分別為市場上定速和轉(zhuǎn)速可控房間空調(diào)器的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。分析知,絕大多數(shù)的空調(diào)器為小于8KW的小容量空調(diào)器,定速空調(diào)器與轉(zhuǎn)速房間空調(diào)器的各個等級所占市場的比例見圖5圖6,從圖分析可得,定速房間空調(diào)器大部分為2級、3級產(chǎn)品,1級產(chǎn)品僅占總數(shù)的11.42%[4],這是由于2004年頒布房間空調(diào)器能效標(biāo)準(zhǔn)后,市場上主要有4級5級能效產(chǎn)品。2010年以后,開始實(shí)施的新房間空調(diào)器能效等級標(biāo)準(zhǔn)將能效限定級提高了3個等級,且用3級能效等級代替了原來的5級,所以3級產(chǎn)品占大多數(shù)。市場上定速房間空調(diào)器的熱力學(xué)完善度分布在0.198~0.239,其熱力學(xué)完善度分布比較集中,各級的差別較小。轉(zhuǎn)速可控房間空調(diào)器的熱力學(xué)完善度分布在0.136~0.295,其熱力學(xué)完善度分布比較分散,各級差距較大,入門級能效水平較低。因此,轉(zhuǎn)速可控房間空調(diào)器的能效升值空間還較大。

        4 未來房間空調(diào)器EERR標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)測

        基于以上分析,未來房間空調(diào)器額定制冷量在7.1~14KW的標(biāo)準(zhǔn)值的最小值將為0.27,EER的數(shù)值將由相應(yīng)的值決定。到2020年額定制冷量小于4.5KW的房間空調(diào)器標(biāo)準(zhǔn)中的最小值將為0.35,同時EER的數(shù)值將由相應(yīng)的值決定。最小值分析原理將被用于計(jì)算未來房間空調(diào)器標(biāo)準(zhǔn)中EER的數(shù)值,見表2,分別為2020年以及2025年預(yù)測值。

        表2 未來房間空調(diào)器預(yù)測值

        5 結(jié)論

        熱力完善度是評價一個熱力循環(huán)系統(tǒng)與工作溫度完全相同的理想循環(huán)的接近程度,用其來評價空調(diào)器熱力性能能很直觀的了解房間空調(diào)器的耗能水平。本文對比分析了中國和一些主要國家空調(diào)器能效標(biāo)準(zhǔn),引入了熱力學(xué)完善度的理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法。同時對未來房間空調(diào)器能耗進(jìn)行了預(yù)測分析。通過對房間空調(diào)器能效比和熱力完善度的分析,為以后更好的解決不同工況差異問題以及制冷循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性提供理論依據(jù)。

        參考文獻(xiàn)

        [1]馬一太,田華.制冷與熱泵產(chǎn)品的能效標(biāo)準(zhǔn)研究和循環(huán)熱力學(xué)完善度的分析[M].北京﹕科學(xué)出版社,2012﹕58-59.

        [2]馬一太,安青松.對我國冷水機(jī)組能效標(biāo)準(zhǔn)超前性研究[J].中國制冷學(xué)會,2012.

        [3]劉文利.能量守恒定律在制冷循環(huán)中的解析[J].廣州﹕廣東省機(jī)械高級技工學(xué)校,510450.

        [4]李曉鳳,閆秋輝.房間空調(diào)器的熱力學(xué)完善度分析[J].天津﹕天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,300072.

        作者簡介:

        薛韓玲,女,博士,西安科技大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師。

        程凱麗(1992—),女,西安科技大學(xué)工學(xué)碩士研究生在讀。

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