“集成智能通風與光伏的超高效空調器”實現節(jié)能80%—全球制冷技術創(chuàng)新大獎賽獲勝項目

楊子旭 崔夢迪 肖寒松 趙家安 王寶龍 石文星 張有林 莊嶸 梁祥飛 李欣

1. 清華大學建筑技術科學系 北京 100084；

2. 珠海格力電器股份有限公司制冷技術研究院 廣東珠海 519000

1 研究背景

近年來，人們對舒適制冷的需求不斷增長，據分析，2050年全球房間空調器的總使用量將超過45億臺，達到目前的4倍，其能源消耗將超過全球總能耗的10%[1]，這將給全球的能耗問題及落實巴黎協(xié)議、《蒙特利爾協(xié)議書》[3,4]、基加利修正案[4]帶來重大負擔。除了通過建造高質量建筑及采用智能運營方案減少制冷負荷外，研發(fā)制造高效的空調器產品是實現室內舒適且降低碳排放的必要手段。

研究表明，只有空調器的碳排放量下降80%才能抵消新增空調器導致的電量需求增長，即只能通過大幅度降低空調器的電能用量和使用全球變暖潛能值（GWP）更低的制冷劑，才能實現巴黎協(xié)議的目標。為此，由Mission Innovation、落基山研究所（RMI）和印度政府等共同發(fā)起了全球制冷技術創(chuàng)新大獎賽，旨在探索制冷行業(yè)的突破性創(chuàng)新技術，為人類尋求氣候友好型制冷解決方案。

大獎賽以未來空調器主要市場之一的印度為背景，旨在研發(fā)氣候影響（同時考慮電網能耗與制冷劑全球變暖潛能值GWP）降低當前空調器基準水平80%的住宅制冷解決方案，并且要求量產規(guī)模下的成本不能超過當前市場常見機型的2倍以保證產品的可支付性。比賽定義的基準產品和對創(chuàng)新技術的要求如表1所示。

表1 房間空調器基準產品性能以及對創(chuàng)新技術的要求

競賽分為初賽及決賽兩個階段，其日程如圖1所示。在初賽階段，要求參賽隊伍提交詳細技術方案及模擬結果，并從全球參賽團隊中優(yōu)選8支隊伍進入決賽；在決賽階段，需依據初賽方案研發(fā)產品樣機，并在印度進行制冷季節(jié)能效比（ISEER）測試、10天典型氣象日實驗室測試以及實際現場運行測試。

圖1 競賽安排及流程

最終，格力電器-清華大學團隊（GREEarTH團隊）和日本大金空調-日建設計團隊從全球近百個國家2100多支參賽團隊中脫穎而出，實現了氣候影響降低80%以上，成為最終獲勝者。本文將介紹GREEarTH團隊研發(fā)的“集成智能通風與光伏的超高效空調器”的技術方案、模擬分析及實測結果。

2 技術方案

2.1 設計理念

GREEarTH團隊基于印度氣象特征，以大賽氣候影響降低80%和經濟成本不超過2倍為目標，在最大運行功率和耗水量等約束條件下，確定了如下設計理念：1）基于使用地區(qū)的氣候特征，構建高效蒸氣壓縮制冷循環(huán)與蒸發(fā)冷卻新風裝置的復合空調器，將自然能源作為調控手段，根據室外逐時氣象參數制定通風控制策略，實現通風、降溫、除濕功能；2）采用環(huán)保制冷劑R152a，構建基于雙蒸發(fā)器、雙冷凝器的梯級冷卻補氣高效制冷循環(huán)系統(tǒng)，研發(fā)并行三缸轉子壓縮機、蒸發(fā)式冷凝器等關鍵部件，提升空調器的制冷季節(jié)能效比；3）通過光伏直驅與市電耦合控制技術，減少市電用量。

2.2 系統(tǒng)方案

根據設計理念，團隊研發(fā)的集成智能通風與光伏的超高效空調器如圖2所示，主要包括以下四部分：

圖2 集成智能通風與光伏的超高效空調器原理圖

（1）梯級冷卻補氣高效蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)。構建基于雙蒸發(fā)器、雙冷凝器梯級補氣高效制冷循環(huán)系統(tǒng)，在該制冷循環(huán)中，經并行三缸轉子壓縮機的高溫高壓制冷劑以相同排氣壓力分別進入翅片管冷凝器及微通道冷凝器，在室外冷凝器冷凝放熱后，經初級節(jié)流進入閃發(fā)罐，被閃發(fā)出的氣態(tài)制冷劑進入壓縮機小缸，另一部分液態(tài)制冷劑經不同阻力的節(jié)流裝置，分別進入高溫蒸發(fā)器及低溫蒸發(fā)器，實現與室內空氣的梯級換熱，其中高溫蒸發(fā)器主要處理顯熱、低溫蒸發(fā)器還需處理潛熱，制冷劑吸熱氣化后，分別進入壓縮機吸氣缸，其制冷劑流程參見圖3。

圖3 制冷工作壓焓原理圖

（2）蒸發(fā)冷卻新風系統(tǒng)。除常規(guī)機械制冷的蒸氣壓縮制冷循環(huán)外，超高效空調器還包括帶有蒸發(fā)冷卻噴淋裝置的新風機，通過引入室外新風共同調節(jié)室內的溫濕度。根據室內、外空氣的狀態(tài)制定控制策略，如圖4所示，其基本思想是：

圖4 新風運行焓濕圖

①I區(qū)：當室外溫濕度分別低于室內溫濕度，且能處理室內負荷，采用直接通風模式，將室外新風通過新風機送入室內；

②II區(qū)：室外溫度高于室內溫度，而室外濕度和焓分別低于室內濕度和焓時，或位于一區(qū)通風機最高速運行，室內溫度不能達到設定溫度，采用蒸發(fā)冷卻通風模式；

③III區(qū)：室外焓高于室內焓，而室外濕度低于室內濕度時，當通風模式更節(jié)能（顯熱負荷增加而潛熱負荷降低，而處理顯熱耗電量低于潛熱），啟動通風模式。

④IV區(qū)：當以上條件均不滿足，室內存在負荷將完全依靠機械制冷處理。

（3）光伏直驅系統(tǒng)。技術方案采用光伏發(fā)電板及光伏直驅多電源耦合供電技術，實現空調器用電同時產生電能，從用能側直接降低機組能耗。

（4）自動控制系統(tǒng)。為實現光伏直驅，技術方案采用直流/交流協(xié)調裝置，以從電網用電和太陽能發(fā)電驅動壓縮機運轉；此外，為實現室內溫濕度精確控制，系統(tǒng)還采用了人工智能運行節(jié)能控制技術等多種控制方式。

此外，本系統(tǒng)采用零ODP、GWP=138的R152a制冷劑，不僅從用電量上實現了降低碳排放、同時有效削減了HFCs的使用，也實現了節(jié)能減排。

3 結果分析

根據系統(tǒng)設計原理及系統(tǒng)全年模擬仿真，GREEarTH團隊提交的技術方案通過了組委會評審并進入最終決賽。在進入決賽后，研究團隊研發(fā)了相應的產品樣機，并由組委會技術部門進行ISEER測試、10天典型氣象日實驗室測試以及31天實際現場運行測試。

3.1 初賽模擬分析

初賽模擬得到的全年耗電量為585 kW?h，相較于基準樣機年耗電量下降80.3%。其中，壓縮機能耗占整個系統(tǒng)能耗的79.8%，而包括新風風機及室內外風機在內的動力裝置能耗占所有能耗的20.0%。系統(tǒng)采用R152a作為超高效空調器的制冷劑，并采用超鋁質微通道換熱器將用作冷凝器，以減少制冷劑的加注量和材料成本。R152a的GWP=138，因此，與基準制冷劑R22相比，全球變暖潛能值將下降92.2%，綜合節(jié)能79.8%，其氣候影響達到了降低83.2%（=81%×80% +92.2%×20%）的競賽目標。

競賽要求的總安裝成本為1092美元，但其中僅40%為原材料成本，其余60%作為安裝、人工費等計入，因此，可用成本為437美元。其中，主要部件為壓縮機（球墨鑄鐵、硅鋼片、銅線和冷凍油等）、換熱器（銅管、銅鋁片等）、風機、太陽能光伏板及支架等，計算得到的總材料成本為424.1美元，總安裝成本為1060.3美元，滿足競賽經濟性2X的要求。需要說明的是，該成本為生產規(guī)模超過10萬臺時的材料成本，因此該數據并不具有代表性。

初賽其他指標對應結果、對應基準樣機及競賽要求被整理為表2。

表2 初賽結果對應基準樣機及競賽要求情況

3.2 決賽性能測試

（1）制冷季節(jié)能效比ISEER

對超高效空調器按照ISO 16358[5]、IS 1391[6]進行測試，其中，額定制冷能效比為6.28、中間制冷能效比達到9.32（注：數據基于團隊對全新樣機測試結果）。按照印度標準 IS 1391[6]計算的ISEER達到8.43，高于基準樣機（ISEER=3.5）110.7%。需要說明的是，由于IS 1391標準在測試ISEER時的額定和1/2能力工況均在室外溫度為35℃且不進入光伏電能條件下測試，因此直接新風、蒸發(fā)冷卻新風等模式的節(jié)能優(yōu)勢均不能得以體現。此外，印度標準中的室外高溫工況時間占比較大（如圖5所示），因此，其季節(jié)能效比計算值相比中國標準的計算值（依據GB 21455-2013標準[7]，其SEER=8.54）更低。

圖5 不同標準溫度發(fā)生小時數比例

（2）10天典型氣象日實驗室測試

典型日實驗室測試是決賽最重要的環(huán)節(jié)，其將印度新德里的氣象綜合為10天的工況，通過加權計算超高效空調器全年運行的能耗。典型日工況測試的方法是：兩個相鄰的實驗室分別作為被測超高效空調器的室外側及室內側（焓差室），其中室外側可以用空氣調節(jié)機組調節(jié)溫濕度，用以模擬室外工況；室內側放置電熱器、加濕器，用以模擬由圍護結構、新風、室內照明設備人員產生的顯熱及潛熱負荷。最終得到的折合全年耗電量為746.2 kW?h，耗電量相比基準樣機（基準樣機的實測折合年耗電量為4338 kW?h）降低82.8%。圖6給出了實驗室測試的日耗電量與耗水量。

圖 6 實驗室測試的日耗電量與耗水量

（3）實際現場運行測試

空調器在印度新德里某真實房間進行了為期31天的測試（2020.10.1—2020.10.31），如圖7所示。可以看到，機組的逐時功率不超過700 W，尤其在10月17日之后，由于室外干濕球溫度都有所降低、尤其室外濕度明顯降低，機組有較長時間運行在直接通風、蒸發(fā)冷卻通風的范圍內，計算得到的總耗電量為42.8 kW?h，與實測結果相比其節(jié)電量高達89.8%。

圖7 實際測試結果

需要說明的是，實驗室典型日測試及現場實際測試也滿足其他要求。在實驗室典型日測試中，室內溫濕度超標時間僅為1 h；單日最高耗水量為16.1 L/d，計算年化日均耗水量僅為4.67 L/d；圖7中的電網最高功率為633 W（扣除太陽能的發(fā)電量），滿足競賽指標的要求；競賽樣機的安裝體積、零碳材料等也均滿足要求。圖8還給出了現場測試的安裝情況。

圖8 現場實際測試的安裝效果圖

根據競賽評比規(guī)則，10天典型氣象日實驗室測試與實際現場運行測試權重分別為0.8615及0.1835[8]，因此計算得到的綜合節(jié)電量為84.1%，考慮到環(huán)保制冷劑R152a的使用，折合碳排放降低達到85.7%。

4 結論與展望

根據全球制冷技術創(chuàng)新大獎賽的要求，針對印度新德里室外氣象特征，提出了集成智能通風與光伏的超高效空調器技術方案，并研發(fā)出空調器樣機，取得了顯著的環(huán)保效應和節(jié)能減排效果。

（1）超高效空調器包括梯級冷卻補氣制冷循環(huán)、蒸發(fā)冷卻新風系統(tǒng)、光伏直驅技術和自動控制系統(tǒng)四部分。其雙蒸發(fā)器、雙冷凝器的制冷循環(huán)，分別主要處理顯熱和潛熱，降低系統(tǒng)壓比、提升機組能效。

（2）模擬得到的全年用電量為585 kW?h，與基準樣機相比節(jié)電80.2%，氣候影響降低83.2%，實現大賽目標。

（3）研發(fā)超高效空調器樣機，實測ISEER達到8.43，在模擬全年氣候特征的10天典型氣象日實驗室測試中，總節(jié)電量達到82.8%；31天實際運行測試中，在穩(wěn)定控制室內溫濕度條件下，節(jié)電量達到89.8%。樣機的綜合節(jié)電率為84.1%，折合碳排放降低85.7%。

住宅空調是居住建筑的主要空調采暖設備，也是建筑的碳排放大戶。我國是世界上最大的房間空調器生產和銷售國家，住宅空調一項每年耗能導致的CO2排放量就達到約1.1億噸，而空調所使用的HFCs和HCFCs制冷劑泄漏年均碳排放量也超過了約0.5億噸。推廣超高效節(jié)能空調器，將有效推動住宅空調的節(jié)能減排；同時，空調器主動適應與利用可再生能源，將建筑、空調與蓄能有機結合，將為住宅建筑“碳中和”目標的實現做出應有的貢獻。