變頻空調器能效的制冷劑種類差異研究

(1 北京工業大學環境與能源工程學院 北京 100124； 2 環境保護部環境保護對外合作中心 北京 100035)

我國家用空調器市場中的變頻房間空調器主要制冷劑為R22和R410A，根據《蒙特利爾議定書》的第19、28次修正案，兩者分別在2015年和2029年開始逐步削減使用量[1-2]。低GWP制冷劑R290是中國主推的房間空調器替代制冷劑[3]。

目前針對R290的相關研究很多，涉及換熱特性與換熱器[4-5]、壓縮機性能[6-7]、系統性能[8-11]、潤滑油[12-13]、泄漏特性[14-15]、安全應用技術[16-17]等方面。

隨著技術的快速發展，中國市場將出現多種低GWP制冷劑系統的變頻空調器。相關能效標準等政策應鼓勵支持低GWP制冷劑的應用和發展。以歐盟為例，2011年發布的EEC362空調器和舒適性風扇生態設計要求[18]、EEC363空調器能效標識[19]兩項實施指令中，均以GWP=150為分界線，分別規定了不同制冷劑系統對應的能效標準值及實施過程時間進度。但目前我國實行的《GB 21455—2013轉速可控型房間空氣調節器能效限定值及能效等級》[20]標準中，并未按照制冷劑種類來分別規定單冷型變頻空調器的季節能效比SEER或熱泵型變頻空調器的全年能源消耗效率APF。

因此，忽略制冷劑差異是現階段變頻空調器能效標準存在的問題。設定能效標準的目的是節能，進而減少系統對環境的不良影響。這種影響包括制冷劑自身的直接影響和制冷系統的間接影響。前者主要包括制冷劑的毒性、可燃性、ODP、GWP等性質及其生產制造過程對環境的影響；后者主要包括制冷系統的制冷劑充注量、制冷劑年泄漏率、制冷劑報廢回收率、系統能效、運行年限、電力排放因子、系統中的金屬及非金屬材料使用量、材料報廢回收率及其生產加工過程對環境的影響等因素。能效標準納入的上述影響因素越多，對變頻空調器的評價結果就越科學、合理。

目前，《GB 21455—2013轉速可控型房間空氣調節器能效限定值及能效等級》[20]僅考慮了間接影響中的系統能效這一單獨因素，不夠全面、合理。但從客觀角度，全面考慮所有環境影響因素是不現實的，也是不必要的。它使能效標準評價過程變得異常復雜，導致廠家的變頻空調器產品檢測環節的難度和成本大大增加。因此，計算過程較為簡單且囊括了制冷系統對環境兩方面影響主要因素的變暖影響總當量TEWI是納入到能效標準評價中較為可行的環境影響評價指標。

本文根據理論選取和國標規定的兩種時間曲線數據，對不同容量、不同能效變頻空調器在相同環境影響(TEWI指標)下的R22、R410A、R290 3種系統的能效差異進行了分析研究，并提出針對制冷劑差異的解決措施。

1 研究方法

1.1 技術路線

將理論選取得出的全國時間曲線及《GB 21455—2013轉速可控型房間空氣調節器能效限定值及能效等級》[20]中規定全國統一的時間曲線帶入空調器負荷計算軟件中，可以得出不同容量的變頻空調器在全國范圍內的年總負荷。在此基礎上通過設定R22的APF數據，可以得到R22的年用電量，進而得出R22變頻空調器的TEWI。保持TEWI不變，可以反推出該TEWI下R290和R410A的年用電量并最終得出其APF。圖1所示為技術路線。

圖1 技術路線Fig.1 Technical route

1.2 運行時間曲線獲取

1.2.1理論運行時間曲線

根據《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》軟件得到55座不同城市的典型年氣象數據。在氣象數據的基礎上，選取日平均氣溫>24 ℃的正數第3天至倒數第3天[21]，全天室外環境溫度≥24 ℃的時間作為制冷季節運行時間；選取集中供暖日期以外，日平均氣溫<16 ℃的正數第3天至倒數第3天[21]，06∶00—23∶00時間段內室外環境溫度≤16 ℃的時間作為制熱季節運行時間。從城市到建筑氣候分區逐步求取時間加權平均值，圖2所示為變頻空調器理論制冷/制熱運行時間曲線。

圖2 變頻空調器理論制冷/制熱運行時間曲線Fig.2 Theoretical refrigeration/heating operation time curves of the inverter air conditioner

1.2.2國標運行時間曲線

由圖2可知，制冷運行總時間為1 136 h，制熱運行總時間為433 h。理論運行時間曲線與國標運行時間曲線差異較大，在低溫制冷段和高溫制熱段尤為明顯。這是因為理論運行時間曲線的獲取是在假設用戶使用習慣(開機溫度與運行時間)的基礎上得到的，與真實情況存在一定的差異(國內家庭一般有盡可能不用或少用空調的習慣)；而國標運行時間曲線數據來源于全國范圍內的抽樣調查，更接近用戶的真實使用情況。

1.3 負荷計算

根據《GB/T 7725—2004房間空氣調節器》[22]中規定的空調器負荷計算方法，將圖2運行時間曲線中的參數及變頻空調器的容量參數代入《空調器負荷計算軟件》中，可以得到不同容量的變頻空調器在全國范圍內使用時的年總負荷。

1.4 變暖影響總當量計算

本文采用變暖影響總當量TEWI作為環境影響指標[23]，計算R290、R410A、R22 3種不同制冷劑變頻空調器在相同TEWI下的能效差異。TEWI計算所需數據如表1所示。

表1 不同種類制冷劑變頻空調器參數Tab.1 Parameters of the inverter air conditioners using different refrigerants

TEWI=DE+IE

(1)

式中：DE為直接全球變暖效應，kgCO2；IE為間接全球變暖效應，kgCO2。

DE=GWPm[LN+(1-α)]

(2)

式中：GWP為全球變暖潛值，kgCO2/kg；m為制冷劑充注量，kg；L為制冷劑年泄漏率，取2 %/a[24]；N為設備壽命，取10 a[24]；α為設備報廢時的制冷劑回收率，取90%。

IE=EannNβ

(3)

式中：Eann為年耗電量，(kW·h)/a；β為電力排放因子，即提供1 kW·h能量所產生的CO2排放量，取0.96 kgCO2/(kW·h)[25]。

2 結果與分析

圖3所示為當TEWI不同時，1 HP變頻空調器理論APF隨制冷劑種類的變化。

圖3 1 HP變頻空調器理論APF隨制冷劑種類的變化Fig.3 Theoretical APF of 1 HP inverter air conditioner changes with different refrigenrants

由圖3可知，對于制冷量為1 HP的變頻空調器，同工況下系統APF由高到低依次為R410A系統、R22系統、R290系統。由式(1)～式(3)可知，當TEWI一定時，DE越低，IE越高，系統能耗越高，在同一地區的能效越低。計算中1 HP變頻空調器，DE由低到高依次為R290系統、R22系統、R410A系統，因此出現圖3所示的結果。

由圖3還可知，3種制冷劑系統之間的APF差值隨著TEWI的增大而減小。根據式(3)，APF可以表示為：

(4)

式中：ATL為全年總負荷，kW·h。

對于同一地區相同TEWI下，制冷劑1與制冷劑2系統之間的APF差值為：

(5)

由式(1)可知，在TEWI相等時，對于制冷劑1與制冷劑2系統有：

DE1-DE2=IE2-IE1

(6)

故式(5)可以寫為：

(7)

圖3中，隨著TEWI的增大，3種制冷劑系統各自的DE不變，故兩者的DE差值為定值。

DE1-DE2=Const

(8)

因此式(7)中的分子項保持不變，但3種制冷劑系統各自的IE隨著TEWI的增大而增大，即式(7)中分母項增大，所以同一地區、相同TEWI下R22、R290和R410A系統之間的ΔAPF隨著TEWI的增大而減小。綜上所述，隨著變頻空調器對環境影響的增大，DE相對于IE越來越小，對IE的影響也越來越小，最終可忽略不計。

圖4所示為當TEWI不同時，1 HP變頻空調器國標APF隨制冷劑種類的變化，其變化趨勢和規律與圖3一致，原因是兩者之間僅運行時間曲線數據不同。

圖4 1 HP變頻空調器國標APF隨制冷劑種類的變化Fig.4 Standard APF of 1 HP inverter air conditioner changes with different refrigenrants

由式(1)～式(3)可知，運行時間曲線的不同會使ATL及Eann不同，但3種不同制冷劑系統之間的APF變化趨勢一致。但由于運行時間曲線不同，導致圖4和圖3中的數據對比沒有意義，并不一定滿足ΔAPF隨著TEWI的增大而減小這一規律。根據式(7)得出理論結果與國標結果對比時的APF差值變化：

(9)

由于任一地區的國標運行時間曲線總時間均遠小于理論時間曲線總時間，因此兩者在同一地區的全年總負荷的關系為：

(10)

由式(9)可知，對比圖3與圖4，ΔAPF不能由TEWI大小直接得出，需要結合式(10)具體分析。

圖5所示為當TEWI不同時，1.5 HP變頻空調器理論/國標APF隨制冷劑種類的變化。由圖5可知，與1 HP變頻空調器相比，相似之處在于同一地區、相同TEWI下R22、R290和R410A制冷劑系統之間的ΔAPF隨著TEWI的增大而減小；不同之處在于相同TEWI下APF由高到低依次為R22系統、R410A系統、R290系統。原因是1.5 HP變頻空調器的DE由低到高依次為R290系統、R410A系統、R22系統。

圖5 1.5 HP變頻空調器理論/國標APF隨制冷劑種類的變化Fig.5 Theoretical/Standard APF of 1.5 HP inverter air conditioner changes with different refrigenrants

圖6所示為2 HP的變頻空調器理論/國標APF隨制冷劑種類的變化。由圖6可知，APF的變化規律與1 HP機一致。R290變頻空調器的APF與R22和R410A系統的差值分別為0.57和0.59。

圖6 2 HP變頻空調器理論/國標APF隨制冷劑種類的變化Fig.6 Theoretical/Standard APF of 2 HP inverter air conditioner changes with different refrigenrants

3 結論

本文以理論選取和國標規定的兩組運行時間曲線數據為基礎，研究了不同制冷量的變頻空調器在相同環境影響、不同制冷劑種類下所產生的APF差值，得到如下結論：

1)當TEWI相同、制冷量不同時，R22、R410A變頻空調器的APF均較接近，相對大小需根據具體空調器參數而定；R290變頻空調器的APF明顯小于R22與R410A系統，最大差值分別為0.57和0.59(2 HP機國標運行時間曲線的結果)；R22、R410A、R290 3種制冷劑系統ΔAPF隨著TEWI的減小而增大，即3種制冷劑系統自身的APF越大，相同TEWI下，ΔAPF越大。

2)目前所有制冷劑系統的變頻空調器均采用一套能效標準系列值是不合理的。能效標準應當以盡可能減小環境影響為最終目標，并在此前提下充分考慮制冷劑自身的直接影響和制冷系統的間接影響，最終得出不同種類制冷劑對應的最優能效標準系列值。對于環境友好性優良的制冷劑可以采用時間階梯式的能效標準系列值，即在初期適當降低能效標準值，推動其應用與發展，待技術較為成熟時再逐步提高其能效標準。