西安科技大學 薛韓玲 程凱麗

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房間空調(diào)器熱力學完善度分析

西安科技大學 薛韓玲 程凱麗

【摘要】房間空調(diào)器是使用相當廣泛的小型空調(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)器能效標準，引入了熱力學完善度的理論基礎(chǔ)和計算方法。同時對未來房間空調(diào)器EERR標準進行了預(yù)測分析。分析可見，熱力學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)與熱泵裝置能效標準的依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】房間空調(diào)器；能效標準；EER；COP；熱力學完善度

注：本文系國家自然科學青年基金項目（編號：51404191）。

0 引言

能源是推動經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的動力。縱觀人類社會發(fā)展的歷史，每一次重大進步都伴隨著能源的改進和更替。隨著經(jīng)濟的發(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。因此能效標準和標示制度的建立和實施能緩解能源供需矛盾，保證經(jīng)濟的持續(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)濟的雙重效益。因此，基于熱力學完善度房間空調(diào)器的設(shè)備性能分析為制定產(chǎn)品能效標準具有十分重要的意義。

本文提出的熱力學完善度，表征實際熱力循環(huán)系統(tǒng)接近卡諾循環(huán)的程度；用其表示實際熱力循環(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)器能效標準和標識對比

我國，歐盟，美國以及日本的能效標準和標識制度，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：我國和歐盟均實施等級制度，且歐盟實施7級，我國目前主要實施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制性比校標識，但它是一種連續(xù)的標識而不連續(xù)的等級。同時，就制度的嚴格程度而言，由于地理、歷史、市場技術(shù)等諸多方面的原因，各國的標準對產(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的房間空調(diào)器進行對比，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)器的能效等級標準中，已經(jīng)將2004年的5級能效標準改為3級能效標準。對于冷水機組以及水源熱泵機組這類使用壽命長的產(chǎn)品，其技術(shù)水平達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，也能適當拉大級差，便于在測量時準確判斷級別。因此，有必要對現(xiàn)行能效等級標準的不合理處進行深入分析研究，為下一個較為合理的能效標準制定做技術(shù)準備。

表1 3級能效等級劃分

2 熱力學完善度理論基礎(chǔ)

熱力學完善度也稱為熱力學第二效率，其具有穩(wěn)定性、可比性、相對性、合理性及統(tǒng)計性等特征。對于實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→冷凝器→節(jié)流閥→蒸發(fā)器→壓縮機的循環(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進入壓縮機，被定熵壓縮到冷凝壓力，以過熱蒸汽進入冷凝器，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算

逆卡諾循環(huán)制冷工況下能效比計算公式如下：

制冷工況熱力學完善度計算公式如下：

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)高低溫熱源溫度。

3 房間空調(diào)器及其熱力學完善度分析

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)計值

圖4 轉(zhuǎn)速房間空調(diào)器的統(tǒng)計值

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)器及其熱力學完善度分析

對市場上常見的空調(diào)器能效值進行了調(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)器能效標準后，市場上主要有4級5級能效產(chǎn)品。2010年以后，開始實施的新房間空調(diào)器能效等級標準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)器的熱力學完善度分布在0.198～0.239，其熱力學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)器的熱力學完善度分布在0.136～0.295，其熱力學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標準的預(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的標準值的最小值將為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)器標準中的最小值將為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算未來房間空調(diào)器標準中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)器能效標準，引入了熱力學完善度的理論基礎(chǔ)和計算方法。同時對未來房間空調(diào)器能耗進行了預(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)濟性提供理論依據(jù)。

參考文獻

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

［2］馬一太，安青松.對我國冷水機組能效標準超前性研究［J］.中國制冷學會，2012.

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

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

作者簡介：

薛韓玲，女，博士，西安科技大學副教授，碩士生導(dǎo)師。

程凱麗（1992—），女，西安科技大學工學碩士研究生在讀。