专题:2011年中国制冷学会年会中国创造之路

    制冷快报 - 近日,从2011年制冷学会年会上的专家讲座中了解到,来自天津大学的马一太教授就制冷与热泵产品的能效标准和循环热力学完善度作了详细分析,据了解,我国冰箱能效标准颁布之后,市场上很快以1级和2级的冰箱为主导产品,基本见不到4级以下的电冰箱。房间空调器的形势也很快以节能型为主,据相关专家统计预测,电冰箱新标准后的十年间,可以累计节电260亿KWh,节省104亿元人民币,减排二氧化碳0.32亿吨;而房间空调器能效指标若提高20%,未来十年间,可累计节电288KWh,约合129亿元,累计减排二氧化碳0.88亿吨。通过这些标准的实施,2015全年的总节电量将为2000亿KWh,2020年达到2540亿KWh,可以分别减少排放二氧化碳1.91亿吨和2.42亿吨,分别减少二氧化硫排放1058和1352万吨。

    回顾我国制冷空调的能效标准,2003年国家颁布了GB12021.2-2003电冰箱能效标准,2007年对其进行了修订,比03年标准平均节能约10%;2005年颁布了《房间空调器能源效率限定值及能效等级》,2009年修订提高20%,《单元空气调节机能源效率限定值及能效等级》两项能效国家标准;2005年9月开始实施《冷水(热泵)机组能效限定值及能源效率等级》;2008年《多联式空调(热泵)机组能效限定值及能源效率等级》,《转速可控型房间空气调节器能源效率限定值及能效等级》;当前正在报批中的2010年《水源热泵机组能效限定值及能源效率等级》、《热泵热水机能效限定值及能源效率等级》。

    能效标识制度的实施在一定程度上提高了用电能效水平,我国无论从小到电冰箱、房间空调器,大到冷水机组;无论是EER、SEER还是IPLV的思路,基本都是5级能效,第5级是限定值,2级、3级是节能值,这样的标准体系在世界上还是唯一的。

    一、当前我国冷水机组的能效水平决定权在于热力学完善度

    据马教授介绍,目前我国冷水机组大多数处于国家能效标准的3级、4级,个别的勉强达到5级,还有很大的节能潜力。关于影响热力学完善度的构成因素主要有:压缩机的不可逆损失,表现在压缩机和动机的效率;换热器的不可逆损失,表现在传热温差;节流阀的不可逆损失;各管道产生的流动损失;冷热量的无效损失等。
   
    而通过循环完善度分析可见,冷水机组的能源效率中,循环完善度随着等效等级的升高而增加,循环的完善度在0.3~0.5之间,据制冷快报记者了解,实际上现在工程上可实现的热力学正循环如热电厂、内燃机等动力设备,其热力学第二定律效率一般也在0.3~0.5之间,正逆循环的完善度相当吻合,不是一种巧合,而是体现目前在机械制造和换热器制造方面的水平。

    二、水源热泵机组的热力完善度
   
    当前水源热泵机组的热力完善度也主要集中在0.3~0.5之间,有部分高端产品的热力完善度可以达到0.6。这与冷水机组的热力完善度分布情况一样。据马教授研究表示,虽然水源热泵的工况条件和冷水机组不同,但其循环的完善度基本在0.34~0.62之间,这比冷水机组的完善度范围略高。在不同的热源条件下和工作状态下,完善度也体现了机组的性能好坏,因此,循环完善度可作为比较机组性能的参考指标。

    据制冷快报记者了解,同样一台水源热泵机组在炙热工况下循环完善度要明显高于其制冷工况,这是目前在螺杆机和离心机难于实现“双高效”的结果。离心机理论上需要改变压缩机的转速,或改变压缩机的级数;螺杆机理论上改变螺杆的有效长度,即改变内容积比,以达到压缩比的目的。据空调制冷大市场调查数据显示,目前我国的冷水机组或水源热泵机组在0~1500KW范围内,EER或COP随制冷量的增加而增加。

    三、房间空调器与空气源热泵热水机的热力学完善度分析

    据介绍,因风冷传热温差较大,并考虑风机的功率,房间空调器热力学完善度η范围为0.185~0.229。而以热泵热水机的名义工况条件,计算得出空气源普通型热泵热水机的COPc(W/W)为14.51,据我国目前技术条件,可得出空气源热泵热水机的合理的热力学完善度为0.25~0.33,COP为3.6~4.8之间。

    四、如何利用热力完善度分析产品的能效等级

    利用热力完善度分析产品的能效等级,可从五个方面着手分析:第一,稳定性;第二,可比性,可比较同一产品不同工况下其热力学完善度,也可比较不同产品有相似的运行方式,如冷水机组和水源热泵之间;第三,相对性,可以给不同的理想循环,如可用无限大热源的卡诺循环,也可以用有限热源的劳伦兹循环,这样得到的热力学完善度的排列次序是不会变的;第四,统计性,热力学完善度所以能从理论分析走向实际应用,也在于通过大量产品的数据分析,其数据符合统计统计学规律;第五,合理性,热力学完善度的数值,并不是凭空想象或纯理论计算的,它在大量统计规律的基础上,可以经过技术经济分析或生命周期分析而得出最优值。

    在评定能效等级时运用热力学完善度分析一方面可以大大减少能效标准制定的工作量,例如原理相似、容量相近的制冷热泵产品,应该具有的热力学完善度,房间空调器与单元式空调机之间、冷水机组与水源热泵之间、变频式空调器与多联机之间的完善度应该相近或持平;而且可以发现当前技术的薄弱环节,大众型水源热泵供热的完善度一般比制冷的完善度高,两者的比值约为1.4,。这是由于螺杆压缩机也好,离心压缩机也好,都是定压缩比设计的。通过螺杆机变内容积比、离心机变频调速等技术,可以解决“双高效”的难题;另一方面还可在产品偏离工况时估算装置的能效等级,可以比较不同制冷热泵设备的能效等级。

    报告上马教授认为:分析可见热力学完善度表征着当前产品设计制造的综合水平,是评价产品能效水平的“公平秤”,是制定相关产品能效标准的限定值、节能值及能效等级的依据。