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空调能效比发展趋势的研究

点击:2056 日期:[ 2014-04-26 21:35:31 ]
                          空调能效比发展趋势的研究                             马一太 刘秋菊 刘圣春                                (天津大学)     摘要:分析当前国内外空调能效标准的现状,指出我国空调能效比仍有较大提升空间。从理论上分析空调能效比的极限,同时对提高能效比的措施所影响到的生命周期成本进行分析,明确空调器不能一味追求高能效比,而应将生命周期成本作为衡量产品的尺度,寻找最佳的生命周期成本,这样即可以节能又能够减少消费者投资。     关键词:空调 能效比 生命周期成本     目前,我国房间空调器的能效状况并不理想,按照已颁布的GB12021.3-2004《房间空气调节器能源效率限定值及能源效率等级标准》来衡量,在其正式颁布的2005年初,大约有28%的空调器能效处于不合格状态,能效比(EER)大于3.0的只占7.7%。按照新标准确定的能效指标,每台新的家用空调每年可以节电80 kWh[1]。可见,无论从节能还是环保角度出发,降低空调器能耗、提高空调能效比都有重要意义。笔者结合空调能效比的研究,分析当前国内外空调能效标准的现状,从理论上分析空调能效比的极限,同时对提高能效比的措施所影响到的生命周期成本进行分析,明确能效比的提高并非无止境,是有极限的。     1·国内外能效标准现状对比分析     自2006年1月23日起,美国家用空调的季节能效比(SEER)被强制提升至13 Btu/Wh,这意味着空调等相关制造业面临新的技术挑战。应该特别注意的是,目前日本提出了空调能效的“领跑制度”,对于小于2 500 W和2 500~3 200 W的两档,日本标准规定的非常高(5.27和4.90),而这也正是日本生产安装最多的产品档次,这种制度有利于激励企业技术革新,普遍提高空调能效水平。表1给出了美国于2006年1月23日生效的空调新的最小能效标准[2],表2给出了日本最新能效标准[3],表3给出了我国新制定的能效标准[4]。美国标准的制定主要针对季节能效比,中国和日本仍以能效比为衡量空调器优劣的依据。                                 将中国与日本的能效标准对比可见,对于整体式空调,我国所制定的能效比的1级和2级与日本的相当,并略有提高,其余级别均低于日本标准。但是我国市场上能满足1级和2级的空调产品只占25%。对于制冷量小于4.5 kW的分体式空调,我国制定的标准均低于日本标准;当制冷量大于4.5 kW时,只有标准的1级同日本的相当。因此可以说我国制定的新能效标准总体低于日本标准。     由以上对比分析表明,与发达国家相比,我国空调器的能效水平比较低,其原因是我国本土制冷空调行业基本没有掌握高效压缩机制造和高效换热器加工的核心技术。但是随着我国空调产业技术的不断进步,空调器的能效水平还有提升的空间。     2·空调能效比极限分析     根据上述国内外现有能效标准的对比分析,我国空调的能效比还有待进一步提高,但是,空调机组的能效比是生产制造技术水平的综合体现,能效比的提高受热力学和传热学基本原理的制约,有理论上的极限,即逆卡诺循环效率。逆卡诺循环是在相同温度范围内工作的最有效的循环,即逆卡诺循环的制冷系数最大。在室内温度27℃,室外温度35℃的条件下,逆卡诺循环效率为37.5。逆卡诺循环不考虑温差传热,但在实际的制冷设备中,两个换热器是在有限温差下工作的,令高温为54.4℃,低温为7.2℃后的逆卡诺循环效率,下降到5.94。     前述两个循环均是由两个等温过程和两个等熵过程组成的逆卡诺循环,但实际的制冷装置并不按逆卡诺循环工作,而是依所用制冷剂的性质采用不同的循环。图1中给出了以R22为制冷剂的蒸气压缩制冷循环,其理想的循环效率为4.58。     通常将冷凝温度54.4℃和蒸发温度7.2℃作为比较各种制冷剂效率高低的基准,但在实际应用中,为了提高制冷循环的性能,可以采用增大换热面积和强化传热的方式以降低冷凝温度、提高蒸发温度。图1中给出的是冷凝温度为45℃,蒸发温度为10℃,压缩机效率为1时的情况,对应R22的循环效率为6.71。考虑到系统中的流动损失以及压缩机效率等因素,对应R22的循环效率为5.5。     目前市场上实际空调的循环效率仅为2.8~3.2,与理论分析存在一定距离。可见,现有的能效水平仍有很大的提升空间。但是,提高空调能效比是一个系统工程,空调的能效比与热交换器、压缩机、电机、制冷剂、控制系统、系统匹配等众多因素有着非常密切的关系。     提高空调能效比的主要技术解决方案是:     1)增加换热器面积。空调能效比的增加与两器(蒸发器和冷凝器)换热面积的增加存在很大关系。空调机组的换热器中遵循传热方程:     Q = kAΔtm    (1)     根据传热方程可见,在传热系数和传热温差不变的情况下,传热面积的增加与传热量成正比,但是随着传热面积增加,传热温差也在减小。因此,传热量与传热面积是非线性的关系,但是传热面积与成本却是线性关系。以基准能效为2.5,基本成本为2 000元的空调机组为例,在不更换压缩机等部件的情况下,能效比、成本与传热面积的关系如图2和图3所示。可见,增加空调产品的热交换面积,进而减小传热温差来提高效率,但EER随换热面积增加上升趋缓,但成本却是线性增加,考虑经济性,换热面积的增加也有一定限度。                  2)强化传热。根据传热方程(1),传热系数的增加同样可以减小传热温差,提高效率,但是理论上强化传热是有限度的,因此采用这种方式提高能效也是有限度的。     3)采用高效压缩机。由于压缩机的效率对空调总体性能影响较大(见图4),因此采用高效压缩机是提高空调能效的主要手段。但是压缩机的效率同样存在极限,目前最好水平的空调压机效率在0.8左右。                    4)提高室内外风机的风速,提高风机效率,但是增加风速受噪声限制,风机效率提高有上限。对于提高空调能效比的措施中,增加换热面积对能效的贡献是连续的,而其他措施对于能效比的增加是阶跃式的。图2和图3只是单纯分析了换热面积的影响,对于其他措施的影响可以从图5和图6得到验证。仍以基准能效比为2.5,产品成本为2 000元的普通家用空调为例,根据上述提高能效比的方向,提出了6种改进措施,并给出了在不同的措施下能效比提高幅度的情况(图5),同时对应的价格如图6所示。从图中可以看出,采用这些措施可以提高能效比,不同措施提高的幅度不同,其中采用高效涡旋压缩机提高幅度最大,当然同时伴随着产品成本的上升幅度也较大。     3·技术经济分析     为了更好地衡量提高空调EER的各个措施,应考虑采用产品的全生命周期成本LCC[5]。生命周期成本是指购买成本与在产品寿命周期(N,单位为年)内经过折现的年运行费用之和。生命周期成本中包括2个附加因素:电器的使用寿命和折现率。计算LCC时应考虑到颁布标准那年的投入,用折现率来决定产品在未来的使用中能源节约量的现行价值。它的计算如下:          式中:DR为折现率(%);OC为运行费用。若运行费用是常量,则上式可简化为:     LCC = PC+PWF·OC      (3)     式中:PWF为现有价格因素,按下式计算:          空调器的生命周期成本投资回收期除受其自身制冷量、能效比以及价格等因素影响外,主要受年运行时间、电价以及折现率的影响。图7给出了对应图2和图3的单纯换热面积增加所影响到的生命周期成本。图8给出了在换热面积不变的情况下,对应图5和图6的提高能效措施对生命周期成本的影响。     从图7中可以看出,单纯换热面积的增加对应的生命周期成本均在增加,年运行时间越长生命周期成本增加的趋势减缓。                   从图8中可以看到,所有的曲线均存在最低点,即生命周期成本最小的点。图中曲线1在EER为3.29处达到最低,曲线2和3均在EER为2.675处达到最低。在相同的年运行时间500小时的情况下,在EER大于2.675后,生命周期成本均有明显上升趋势。可见,虽然采用高效压缩机和增加换热器面积的措施可以明显提高EER,但是相应的生命周期成本也大幅度增加。                   由图8中还可以看出,年运行500小时时,生命周期成本在EER大于2.675后随着能效比的增加而增加,而年运行1 000小时时,生命周期成本在EER大于3.29后随着能效比的增加而增加。可见,对于年运行时间较短,电价较低情况下,选择高能效产品不是最经济的方式,因为设备占压了大量的有色金属,同样是一种浪费。这对于空调期很短又基本不用于热泵运行的我国北方大部分地区是要考虑的。     总之,从图8得出的结论是:EER并不是越高越好,而是存在一个最佳值,此最佳值受年运行时间和电价的影响。     4·结 论     通过对比国内外现有的能效标准可以看出,目前我国空调器的能效水平比较低。随着我国空调产业技术的不断进步,空调器的能效水平还有较大提升的空间,需要循序渐进。     通过热力学循环分析,能效比的提高受热力学和传热学基本原理的制约,有理论上的极限。同时通过对比分析不同提高能效水平的措施对于EER,成本以及生命周期成本的影响可知,对于空调器不能一味追求高能效比,而应将生命周期成本作为衡量产品的尺度,寻找最佳的生命周期成本,这样即可以节能又能够减少消费者投资。 参考文献 [1]徐风.新型家用空调每台年节电可达80kWh[N/OL].中国质量报,[2004-9-17日]. [2]张明圣.单元式空调机和冷水机组国家能效标准制定.制冷技术,2005,(2):11-14. [3]JRA4046-2005日本房间空调器能效标准. [4]GB12021.3-2004房间空气调节器能源效率限定值及能效等级.北京:中国标准出版社,2004. [5]David Fridley, Gregory Rosenquist, Jiang Lin, et al.Technical and  Economic Analysis of Energy Efficiency of Chinese Room Air Conditioners ∥LBNL Report45550, University of California Berkeley, USA, CA,2001.
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