房間空調器熱力學完善度分析

西安科技大學 薛韓玲 程凱麗

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房間空調器熱力學完善度分析

西安科技大學 薛韓玲 程凱麗

【摘要】房間空調器是使用相當廣泛的小型空調設備，也是我國改革開放以來發展最快的制冷與熱泵產品。本文對比分析了中國和一些主要國家空調器能效標準，引入了熱力學完善度的理論基礎和計算方法。同時對未來房間空調器EERR標準進行了預測分析。分析可見，熱力學完善度它反映了動力循環設備偏離狀態的程度［1］。此參數可以幫助分析設備性能以及判斷產品的節能潛力，可作為指導我國制定空調與熱泵裝置能效標準的依據。

【關鍵詞】房間空調器；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

能源是推動經濟發展和社會進步的動力。縱觀人類社會發展的歷史，每一次重大進步都伴隨著能源的改進和更替。隨著經濟的發展和人民生活水平的提高，房間空調器和單元式空調器相關產品得到了廣泛應用，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，保證經濟的持續增長，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約電力基建投資，降低電網峰荷，提高電力系統的穩定性，改善環境和經濟的雙重效益。因此，基于熱力學完善度房間空調器的設備性能分析為制定產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，表征實際熱力循環系統接近卡諾循環的程度；用其表示實際熱力循環裝置的用能水平［2］。這在通常也是合理的；用此參數來分析房間空調器的性能優劣，進而為提高制冷空調設備水平和能源利用效率提供理論依據。

1 房間空調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，雖然在各自范圍內都發揮了節能作用，但在彼此執行方面存在較大的區別。區別在于：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，但它是一種連續的標識而不連續的等級。同時，就制度的嚴格程度而言，由于地理、歷史、市場技術等諸多方面的原因，各國的標準對產品的適用范圍，產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器進行對比，如圖1所示。

圖1 中國、美國、歐盟空調器最低能效比較

另外，在新版房間空調器的能效等級標準中，已經將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品，其技術水平達到的情況下能效越高越好。房間空調器3級能效水平如表1所示。

從表1中可以看出，這樣設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準備。

表1 3級能效等級劃分

2 熱力學完善度理論基礎

熱力學完善度也稱為熱力學第二效率，其具有穩定性、可比性、相對性、合理性及統計性等特征。對于實際的整齊壓縮制冷循環系統，它的理想循環是卡諾循環。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分析

理想循環系統中，制冷劑在管路內從壓縮機→冷凝器→節流閥→蒸發器→壓縮機的循環，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 實際制冷循環系統的lnp-h圖

圖2中，蒸氣壓縮制冷循環由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，在膨脹裝置中的節流過程3-4，在蒸發器中的定壓吸熱過程4-1，且制冷劑以飽和蒸汽狀態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4進入蒸發器，如此完成循環過程［3］。

2.2 熱力完善度的熱力計算

逆卡諾循環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分別為逆卡諾循環高低溫熱源溫度。

3 房間空調器及其熱力學完善度分析

3.1 房間空調器的能效

制冷與熱泵產品的能源效率或用能效率是在指定條件下產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定的，用輸出的功率比上輸入的功率。

制冷系數EER=Q0/W0=q0/w0，制熱系數COP=QK/WK=qkqk/wk.式中，Q0，QK和w0，wk分別為設備所輸出的冷量、熱量及輸入的電功。對于空調器而言，其制冷能效比EER和制熱性能系數COP按規定的方法計算所得。在相同的工況下，制造越精良的產品的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，產品的能源效率越高。

圖3 定速房間空調器的統計值

圖4 轉速房間空調器的統計值

圖5 定速房間空調器的等級分布

圖6 轉速可控房間空調器的等級分布

3.2 房間空調器及其熱力學完善度分析

對市場上常見的空調器能效值進行了調研分析，見圖3圖4，分別為市場上定速和轉速可控房間空調器的統計數據。分析知，絕大多數的空調器為小于8KW的小容量空調器，定速空調器與轉速房間空調器的各個等級所占市場的比例見圖5圖6，從圖分析可得，定速房間空調器大部分為2級、3級產品，1級產品僅占總數的11.42%［4］，這是由于2004年頒布房間空調器能效標準后，市場上主要有4級5級能效產品。2010年以后，開始實施的新房間空調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級產品占大多數。市場上定速房間空調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。轉速可控房間空調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，轉速可控房間空調器的能效升值空間還較大。

4 未來房間空調器EERR標準的預測

基于以上分析，未來房間空調器額定制冷量在7.1～14KW的標準值的最小值將為0.27，EER的數值將由相應的值決定。到2020年額定制冷量小于4.5KW的房間空調器標準中的最小值將為0.35，同時EER的數值將由相應的值決定。最小值分析原理將被用于計算未來房間空調器標準中EER的數值，見表2，分別為2020年以及2025年預測值。

表2 未來房間空調器預測值

5 結論

熱力完善度是評價一個熱力循環系統與工作溫度完全相同的理想循環的接近程度，用其來評價空調器熱力性能能很直觀的了解房間空調器的耗能水平。本文對比分析了中國和一些主要國家空調器能效標準，引入了熱力學完善度的理論基礎和計算方法。同時對未來房間空調器能耗進行了預測分析。通過對房間空調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的經濟性提供理論依據。

參考文獻

［1］馬一太，田華.制冷與熱泵產品的能效標準研究和循環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，碩士生導師。

程凱麗（1992—），女，西安科技大學工學碩士研究生在讀。