房间空调器热力学完善度分析

西安科技大学 薛韩玲 程凯丽



房间空调器热力学完善度分析

西安科技大学 薛韩玲 程凯丽

【摘要】房间空调器是使用相当广泛的小型空调设备，也是我国改革开放以来发展最快的制冷与热泵产品。本文对比分析了中国和一些主要国家空调器能效标准，引入了热力学完善度的理论基础和计算方法。同时对未来房间空调器EERR标准进行了预测分析。分析可见，热力学完善度它反映了动力循环设备偏离状态的程度［1］。此参数可以帮助分析设备性能以及判断产品的节能潜力，可作为指导我国制定空调与热泵装置能效标准的依据。

【关键词】房间空调器；能效标准；EER；COP；热力学完善度

注：本文系国家自然科学青年基金项目（编号：51404191）。

0 引言

能源是推动经济发展和社会进步的动力。纵观人类社会发展的历史，每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替。随着经济的发展和人民生活水平的提高，房间空调器和单元式空调器相关产品得到了广泛应用，同时也带来了巨大的能源消耗。因此能效标准和标示制度的建立和实施能缓解能源供需矛盾，保证经济的持续增长，是非常有必要的政策工具。另一方面，能源需求的减少还可以节约电力基建投资，降低电网峰荷，提高电力系统的稳定性，改善环境和经济的双重效益。因此，基于热力学完善度房间空调器的设备性能分析为制定产品能效标准具有十分重要的意义。

本文提出的热力学完善度，表征实际热力循环系统接近卡诺循环的程度；用其表示实际热力循环装置的用能水平［2］。这在通常也是合理的；用此参数来分析房间空调器的性能优劣，进而为提高制冷空调设备水平和能源利用效率提供理论依据。

1 房间空调器能效标准和标识对比

我国，欧盟，美国以及日本的能效标准和标识制度，虽然在各自范围内都发挥了节能作用，但在彼此执行方面存在较大的区别。区别在于：我国和欧盟均实施等级制度，且欧盟实施7级，我国目前主要实施5级或3级能效等级，而美国能源之星则不存在等级的做法，能源指南虽然也是一种强制性比校标识，但它是一种连续的标识而不连续的等级。同时，就制度的严格程度而言，由于地理、历史、市场技术等诸多方面的原因，各国的标准对产品的适用范围，产品划分方法以及测试方法等方面存在一些差异。这里选取具有共同点的房间空调器进行对比，如图1所示。

图1 中国、美国、欧盟空调器最低能效比较

另外，在新版房间空调器的能效等级标准中，已经将2004年的5级能效标准改为3级能效标准。对于冷水机组以及水源热泵机组这类使用寿命长的产品，其技术水平达到的情况下能效越高越好。房间空调器3级能效水平如表1所示。

从表1中可以看出，这样设置不但可以使能效等级的划分更为清晰简洁，也能适当拉大级差，便于在测量时准确判断级别。因此，有必要对现行能效等级标准的不合理处进行深入分析研究，为下一个较为合理的能效标准制定做技术准备。

表1 3级能效等级划分

2 热力学完善度理论基础

热力学完善度也称为热力学第二效率，其具有稳定性、可比性、相对性、合理性及统计性等特征。对于实际的整齐压缩制冷循环系统，它的理想循环是卡诺循环。由两个等温过程和两个绝热过程交替进行。

2.1 理想蒸气压缩制冷循环分析

理想循环系统中，制冷剂在管路内从压缩机→冷凝器→节流阀→蒸发器→压缩机的循环，没有流动阻力和外界的无组织热交换。由于温差传热是不可逆的，因此只有定温吸热、放热过程是可逆的，为使热机从一个热源（T1）向一个冷源（T2）的吸、放热过程可逆，工质与冷源或热源间的传热温差均为无限小。如图2所示。

图2 实际制冷循环系统的lnp-h图

图2中，蒸气压缩制冷循环由4个过程组成；在压缩机中的定熵压缩过程1-2，在冷凝器中的定压放热过程2-3，在膨胀装置中的节流过程3-4，在蒸发器中的定压吸热过程4-1，且制冷剂以饱和蒸汽状态1进入压缩机，被定熵压缩到冷凝压力，以过热蒸汽进入冷凝器，放热后离开冷凝器。此过程中，制冷剂的温度下降至被制冷空间的温度以下，并以干度较低的湿蒸汽状态4进入蒸发器，如此完成循环过程［3］。

2.2 热力完善度的热力计算

逆卡诺循环制冷工况下能效比计算公式如下：

制冷工况热力学完善度计算公式如下：

式1、2为制冷工况下的情形.其中T1、T2分别为逆卡诺循环高低温热源温度。

3 房间空调器及其热力学完善度分析

3.1 房间空调器的能效

制冷与热泵产品的能源效率或用能效率是在指定条件下产品所输出的为用户所用的能量与所消耗能量的比值，如果能量的输出和输入是稳定的，用输出的功率比上输入的功率。

制冷系数EER=Q0/W0=q0/w0，制热系数COP=QK/WK=qkqk/wk.式中，Q0，QK和w0，wk分别为设备所输出的冷量、热量及输入的电功。对于空调器而言，其制冷能效比EER和制热性能系数COP按规定的方法计算所得。在相同的工况下，制造越精良的产品的EER、COP值越大，在电能输入相同情况下，获得越多的冷量或热量，产品的能源效率越高。

图3 定速房间空调器的统计值

图4 转速房间空调器的统计值

图5 定速房间空调器的等级分布

图6 转速可控房间空调器的等级分布

3.2 房间空调器及其热力学完善度分析

对市场上常见的空调器能效值进行了调研分析，见图3图4，分别为市场上定速和转速可控房间空调器的统计数据。分析知，绝大多数的空调器为小于8KW的小容量空调器，定速空调器与转速房间空调器的各个等级所占市场的比例见图5图6，从图分析可得，定速房间空调器大部分为2级、3级产品，1级产品仅占总数的11.42%［4］，这是由于2004年颁布房间空调器能效标准后，市场上主要有4级5级能效产品。2010年以后，开始实施的新房间空调器能效等级标准将能效限定级提高了3个等级，且用3级能效等级代替了原来的5级，所以3级产品占大多数。市场上定速房间空调器的热力学完善度分布在0.198～0.239，其热力学完善度分布比较集中，各级的差别较小。转速可控房间空调器的热力学完善度分布在0.136～0.295，其热力学完善度分布比较分散，各级差距较大，入门级能效水平较低。因此，转速可控房间空调器的能效升值空间还较大。

4 未来房间空调器EERR标准的预测

基于以上分析，未来房间空调器额定制冷量在7.1～14KW的标准值的最小值将为0.27，EER的数值将由相应的值决定。到2020年额定制冷量小于4.5KW的房间空调器标准中的最小值将为0.35，同时EER的数值将由相应的值决定。最小值分析原理将被用于计算未来房间空调器标准中EER的数值，见表2，分别为2020年以及2025年预测值。

表2 未来房间空调器预测值

5 结论

热力完善度是评价一个热力循环系统与工作温度完全相同的理想循环的接近程度，用其来评价空调器热力性能能很直观的了解房间空调器的耗能水平。本文对比分析了中国和一些主要国家空调器能效标准，引入了热力学完善度的理论基础和计算方法。同时对未来房间空调器能耗进行了预测分析。通过对房间空调器能效比和热力完善度的分析，为以后更好的解决不同工况差异问题以及制冷循环的经济性提供理论依据。

参考文献

［1］马一太，田华.制冷与热泵产品的能效标准研究和循环热力学完善度的分析［M］.北京﹕科学出版社，2012﹕58-59.

［2］马一太，安青松.对我国冷水机组能效标准超前性研究［J］.中国制冷学会，2012.

［3］刘文利.能量守恒定律在制冷循环中的解析［J］.广州﹕广东省机械高级技工学校，510450.

［4］李晓凤，闫秋辉.房间空调器的热力学完善度分析［J］.天津﹕天津大学机械工程学院，300072.

作者简介：

薛韩玲，女，博士，西安科技大学副教授，硕士生导师。

程凯丽（1992—），女，西安科技大学工学硕士研究生在读。