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

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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(guó)改革開放以來(lái)發(fā)展最快的制冷與熱泵產(chǎn)品。本文對(duì)比分析了中國(guó)和一些主要國(guó)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(shí)對(duì)未來(lái)房間空調(diào)器EERR標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。分析可見，熱力學(xué)完善度它反映了動(dòng)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(guó)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(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目（編號(hào)：51404191）。

0 引言

能源是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的動(dòng)力。縱觀人類社會(huì)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(shí)也帶來(lái)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(zhǎng)，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(lái)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(shí)對(duì)比

我國(guó)，歐盟，美國(guó)以及日本的能效標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)識(shí)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(guó)和歐盟均實(shí)施等級(jí)制度，且歐盟實(shí)施7級(jí)，我國(guó)目前主要實(shí)施5級(jí)或3級(jí)能效等級(jí)，而美國(guó)能源之星則不存在等級(jí)的做法，能源指南雖然也是一種強(qiáng)制性比校標(biāo)識(shí)，但它是一種連續(xù)的標(biāo)識(shí)而不連續(xù)的等級(jí)。同時(shí)，就制度的嚴(yán)格程度而言，由于地理、歷史、市場(chǎng)技術(shù)等諸多方面的原因，各國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品的適用范圍，產(chǎn)品劃分方法以及測(cè)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(duì)比，如圖1所示。

圖1 中國(guó)、美國(guó)、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(jí)標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)將2004年的5級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)改為3級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于冷水機(jī)組以及水源熱泵機(jī)組這類使用壽命長(zhǎng)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(jí)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(jí)的劃分更為清晰簡(jiǎn)潔，也能適當(dāng)拉大級(jí)差，便于在測(cè)量時(shí)準(zhǔn)確判斷級(jí)別。因此，有必要對(duì)現(xiàn)行能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的不合理處進(jìn)行深入分析研究，為下一個(gè)較為合理的能效標(biāo)準(zhǔn)制定做技術(shù)準(zhǔn)備。

表1 3級(jí)能效等級(jí)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(duì)性、合理性及統(tǒng)計(jì)性等特征。對(duì)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(gè)等溫過程和兩個(gè)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(dòng)阻力和外界的無(wú)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(gè)熱源（T1）向一個(gè)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(wú)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(gè)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(duì)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(jí)分布

圖6 轉(zhuǎn)速可控房間空調(diào)器的等級(jí)分布

3.2 房間空調(diào)器及其熱力學(xué)完善度分析

對(duì)市場(chǎng)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(chǎng)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(gè)等級(jí)所占市場(chǎng)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(jí)、3級(jí)產(chǎn)品，1級(jí)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(chǎng)上主要有4級(jí)5級(jí)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)將能效限定級(jí)提高了3個(gè)等級(jí)，且用3級(jí)能效等級(jí)代替了原來(lái)的5級(jí)，所以3級(jí)產(chǎn)品占大多數(shù)。市場(chǎng)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(jí)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(jí)差距較大，入門級(jí)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(lái)房間空調(diào)器EERR標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)測(cè)

基于以上分析，未來(lái)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(shí)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(lái)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(cè)值。

表2 未來(lái)房間空調(diào)器預(yù)測(cè)值

5 結(jié)論

熱力完善度是評(píng)價(jià)一個(gè)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(lái)評(píng)價(jià)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(duì)比分析了中國(guó)和一些主要國(guó)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(shí)對(duì)未來(lái)房間空調(diào)器能耗進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。通過對(duì)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(duì)我國(guó)冷水機(jī)組能效標(biāo)準(zhǔn)超前性研究［J］.中國(guó)制冷學(xué)會(huì)，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(jí)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(jiǎn)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。