定速及变频空调器节能技术的探讨

定速及变频空调器节能技术的探讨 定速及变频空调器节能技术的探讨 殷光文 上海市中山南路28号15楼 艾默生环境优化技术（苏州）有限公司上海分公司   摘要：本文对空调器提高能效比进行了理论分析，并指出喷气增焓技术是从压缩机角度提高空调能效的之一，并同时对变容量空调SEER的测试方法提出建议。 关键词：能效比 压缩机 喷气增焓 变频空调 定速空调   背景 能源是国民经济的基础，是综合国力有机组成部分，也是经济社会可持续发展的重要制约因素之一。中国作为世界上经济增长速度最快的国家之一，同时也是一个能源消耗大国，其能源消费总量居世界第二，仅次于美国。从1985年开始，中国的能源消耗量以每年5%的速度增长，电能消耗增长则更快，随着工业化与城镇化进程的加快，经济持续发展和人民生活水平日益提高，对空调器（包括房间空调器和集中式空调）电力消费持续增长，空调器的节能已成为推动政府节能和企业技术进步的行业驱动力。 从亚洲范围来看，不断提高的空调器能效等级标准已较为普及。日本无疑成为节能空调走得较快的国家。与其他国家不同的是，日本在房间空调器上基本采用变制冷剂流量的技术路线，这与其比较发达的消费能力和技术领先密不可分。日本房间空调器的测试标准及JIS一般以东京地区标准气象数据为参，绝大部分运行时间在环境温度30℃以下（见图1），因此强调部分负荷下空调器的节能效果。最新的报道指出，日本已趋向采用同时考虑制冷和制热的APF（Annual Performance Factors）来代替单纯考核制冷季节能效比的SEER，作为衡量空调器节能指标。 图1 日本空调标准环境温度时间分布   空调器的节能潜力 在中国，定速空调仍占据目前绝大部分空调的销售份额，定速空调的节能趋势，在这几年得到了显著的发展。截止2007年底，根据中国标准化研究院能效标识管理中心的统计，在通过备案的所有房间空调器中，节能型1-2级产品占总量的10%。随着国家进一步提升空调器节能等级，高能效的空调必然成为生产企业更加关注的课题。如果用一个典型能效比为2.8 W/W的定速空调来分析其能效水平情况，我们可以发现： 1. 以室外35℃，室内干球27℃为条件，其理论卡诺循环理想能效比为35.9 W/W。 2.     由于在蒸发侧和冷凝侧分别存在换热温差，如冷凝侧换热温差为14℃，蒸发侧换热温差24℃，则理论能效比会从近36 W/W 下降到6.0 W/W 。这是一个幅度非常大的下降，也是空调器提高能效比工作中潜力最大的部分。 3.     目前使用的制冷剂R22为非理想气体，同时其蒸发压缩循环也是非理想气体循环，将导致理论能效比进一步下降到4.96 W/W。 4.     压缩机的电机效率损失，机械摩擦损失，气流阻力损失等将再次将理论能效比拉低37%左右，下降至3.13 W/W。 5.     空调器的风扇电机等电气件的功耗损失，最终整台空调能效为2.8 W/W 。 从理想能效比36 W/W到2.8 W/W的衰减过程，可以让我们找到提高空调器能效的路径吗？我们不妨从压缩机、制冷剂、换热器、风扇电机、节流元器件等项目逐一探讨。    1. 换热器 通过以上分析，可以发现提高空调器能效比最有潜力的部分在换热器，也就是说尽可能减少蒸发器及冷凝器的换热温差，将对提高整机能效比有决定因素。当然考虑到现有工艺及生产成本条件下，我们仍然可以看到未来在换热器方面的改进前景： 1.1 强化传热效率，使用高效传热转换管、低齿内螺纹管、非对称齿型等通过改变换热器内面形状以强化热传效率。在空调行业中也可以看到微通道换热器技术已被用在某些商用空调机组冷凝器应用中。 1.2 从大管径向小管径的改变。由于换热管管径变小而导壁厚变薄，减小热阻而提高K值，并在此基础上减小的材料消耗。根据国际铜业协会的报导资料，因管径变细而达到材料节约率最大可能性可达到30-40%，采用减小管径的现实问题可能在生产设备的更改，空调器与换热器的优化匹配方面。 1.3换热翅片形状的改变,风扇叶片及风扇电机性能提高，都是与换热器密切相关的技术进步，而在实际生产及应用中，这些都是空调器整机性能中有关噪音、制热熔霜循环也密切相关的。 2． 压缩机 2.1 空调压缩机是蒸气压缩循环的心脏，也是决定空调能效比的最大影响因素之一。在过去30年的发展过程中，考虑到压缩机密封电机效率、机械摩擦损失、气体流动损失等研究进步，以及生产制造领域的快速发展，用综合概括的所谓“压缩机整体效率”这一概念来评述的话，已由50%提升至目前70%左右。尽管压缩机有不同的如涡旋式和转子式的技术区分，最新的研究方向均朝向小型化、新冷媒应用、变容量/变转速、降低噪音和振动等方面[注1]。小型化的驱动力来自于材料成本和高能效比系统匹配。 2.2 在压缩机与高效能空调系统实行匹配过程中，关注点已从压缩机“标称工况点效率”转向“实际运行工作点效率”（图2）。 压缩机能效比测试名义工况为蒸发温度7.2℃/冷凝温度54.4℃，该名义能效比参数，仅仅作为对比不同压缩机生产制造商、或是排量近似的压缩机，其比较参数是有意义的。但在高能效空调系统中，由于压缩机的EER随着蒸发压力/冷凝压力的变化而变化，使压缩机运行在最合理的工作条件，将成为压缩机生产厂商和空调生产厂商共同关心的课题。 图2 压缩机运行效率与冷凝温度关系 2.3 从压缩机能效比角度出发，冷凝温度的影响比蒸发温度更大，也就是说，每降低1℃冷凝温度，压缩机效率可提升约10%。当然降低冷凝温度并不是无代价的，通过增加换热面积、增加冷凝风扇风量，使用高效换热管等都可降低运行冷凝温度，最关键是找到效率与成本的平衡点。传统的5级能效空调器，其压缩机运行工况一般位于冷凝温度为48-50℃,甚至更高范围。高能效空调则要将压缩机运行的冷凝温度降到45-47℃范围，充分利用压缩机的高能效段提升整机的能效比。 2.4 提高空调系统能效比的另一个可行方法是采用喷气增焓压缩机技术。从图3中可以发现，压缩机喷气增焓技术可以将进入蒸发器盘管前的液态制冷剂过冷度进一步提高，结果即：单位制冷量的增益大于单位压缩机功耗的增益。开发喷气增焓压缩机技术早先目的，是提高热泵空调的制热量，特别是低环境温度减少制热量的衰减。[注2] 进一步的空调系统匹配研究表明，喷气增焓技术可以同时优化制冷和制热能效比。见表1。该项技术使用在一个市售产品标称制冷量为24KW的空气源热泵系统中，在达到相同制冷量条件下，采用喷气增焓压缩机的系统制冷能效比（EER）提高6.9%；标况制热能效比（COP）提高6.3%。该研究项目中仅仅对该产品作了少量必要的系统修改，以满足一个比常规压缩机更小排气量的喷气增焓压缩机的运作，而系统原来的换热器、风机等大型结构件均无改变。可以预见的是，当充分考虑喷气增焓压缩机特性，并在此基础上对空调器整机设计全面优化，其制冷和制热能效比提升的正面因素还有进一步扩大的可能。 图3 喷气增焓技术原理 表1：喷气增焓压缩机与常规压缩机在空调系统测试比较   压缩机　 VRI108KC 喷气增焓压缩机 VR125KC 常规压缩机 两者比较 喷气增焓打开 无喷气增焓 35℃ 标准制冷 制冷量 (W) 23478 23611 -0.6% EER (W/W) 2.91 2.72 6.9% 7℃ 标准制热 制热量(W) 29507 29125 1.3% COP (W/W) 3.63 3.40 6.7% -7°C环境 制热 制热量(W) 20344 18951 7.4% COP (W/W) 2.64 2.34 13.0% -15°C环境 制热 制热量(W) 16467 14297 15.2% COP (W/W) 2.21 1.85 19.5%   3. 制冷剂 制冷剂在帮助空调系统提高效率中扮演了重要角色。在采暖通风和空调（HVAC）行业，比较共同的观点是采用R410A这样的氢氟烃（HFC）作为家用和商用的首选制冷剂。最新的研究表明，R410A能够比R22提供更高的系统效率。与R22相比，R410A蒸发时传热系数要高35%，压力降减少28%。通过设定相等的压力降和减少所需换热器管圈回路数以增加质量流量的方法，R410A可以作为促成系统成本节约的方案之一。[注3]    4. 风扇电机及节流元件       直流风扇电机由于其电机损耗进一步减少，对空调器的整体能效提升比有非常正面的作用，预计随着电源控制技术和产量提高可进一步降低成本。       采用电子膨胀阀可根据制冷剂过热度调节进入蒸发器的冷媒流量，在轻型商用空调领域，热力膨胀阀也将是提升能效比的有效方法。 5. 变频VS.定速 由于目前国内空调消费者还会大量使用定速空调，如何校验同时衡量定速和变速空调能效水平的测试标准，将会是今后一段时间业内关注的题目。《GB/T 7725房间空气调节器》国标在制定过程中已作了一定的研究探索，并在附录中明确了定速空调和变转速空调的SEER计算方法。 针对我国的能源现状和消费者实际使用习惯，我们还有必要考虑以下几个问题：       5.1 高峰用电       空调器使用与环境温度的敏感性非常密切。根据中国标准化研究院的资料显示，以上海市电力消耗为例，夏季气温最高在30℃以上时，温度每上升1℃，电力负荷增加约为24万千瓦，气温是产生上海电网高峰负荷的最后决定因素。北京、江苏等地电力消耗均显示了类似的趋势。 从国家节能环保政策，空调和采暖室内温度控制，以及消费者空调开机习惯，考虑到空调器的大规模普及会进一步从城市拓展到农村用户等因素，应满足空调使用的电力供应及需求侧管理，即35℃条件下能效比，应该被本行业高度重视。然而根据国标SEER计算中，对峰值电力消耗影响颇大的35℃环境温度点EER，目前还不被考核。 5.2 不同SEER定速和变频空调系统实际运行测试的结果比较 根据国标GB7725对变转速空调器测试定义分析，出于简化空调系统测试目的，SEER数值的唯一关联点，是优化1/2点名义制冷量的能效比，忽略最大点和最小点测试。通过对两套不同EER/SEER标称值的空调器实测（表2）,结果是值得讨论的，即SEER高的变频空调耗电量比SEER低的定速空调还要高（图4）。该项测试的时间段从5月29日至6月27日，地点在珠江三角洲的城市公寓，被测房间经热力负荷计算调整至相同，所有计量仪表均已标定。分析原因，一是这两套空调器在满负荷点（35℃环境）的EER有区别。空调运行时间大部分靠近高温区域时，EER高的空调在实际电力消耗上，好于EER低的空调器。二是因为变频空调在部分负荷时存在压缩机开停机现象，实际运行在低负荷段的高效率被打了折扣，无法反映出SEER高的优势。根据目前中国实际的消费者使用情况，绝大多数空调用户的开机时间处于环境温度比较高的区间，也就是基本上在29℃-37℃范围。不能否认，随着生活质量不断提高，国内消费者空调使用习惯将逐步朝向低环境温度区域转变，但这毕竟是若干年以后的问题。届时，SEER的标准可能相应作出进一步调整。 表2：两套不同空调参数 空调系统    优化点 空调型号 实测制冷量 （W） EER（W/W） 1/2点EER （W/W） SEER (W/W) 备注 EER点，35℃ KFR-26GW 2524 3.09   3.16 定速机 1/2 EER点， KFR-26GW/BP 2608 2.37 2.84 3.22 变频机，SEER按GB7725计算 图4：变频机和定速机耗电量比较   5.3 如何在统一平台衡量定速/变频空调能效？ 随着大量新技术的应用，在同一平台衡量不同类型空调的能源效率确实是行业面对的挑战。直接蒸发式多联机系统和冷水机组的能效对比是另外一个例子。任何测试方法均有其局限性，一个好的测试方法应该在准确性和可操作性之间取得平衡，同时也兼顾消费者实际使用条件和国家的能源政策。首先，应该有一个共同的标准同时衡量定速空调和变容量/转速空调的能源利用效率。从现在的技术条件看，SEER（IPLV）或APF是可以共同考核定速及变容量空调的季节能效比测量平台。其次，按中国目前大部分消费者使用习惯，电力生产和消耗情况，应对定速和变频空调更加注重高温运行工况的考核。具体一点讲，即针对定速和变容量/变频统一的季节能效比测试平台，既考虑高温区域35℃环境温度下EER权重，也同时考虑低温区域低于环境的开停权重（Cd值）。由公正的第三方进行一定数量要求的实际测量，并对积累数据进行合理分析，是必要和行之有效的方法之一。 实际上在美国和日本有关季节能效比的测试方法上，均有对最大点、中间点、最小点的考核，以增加季节能效比的准确度。而最新版的单元式空调器国家标准，也已经将符合中国气候条件的时间权重，作为APF的计算公式的理论依据。同时，该版标准中制冷季节能效比对最大点、中间点、最小点均作出考核要求。[注5]   本文从空调器理论能效比36.0w/w衰减到实际能效比的分析过程，提出提高空调器能效比方案。特别就压缩机喷气增焓技术的作用，用数据分析了其提高能效比的潜力。同时针对季节能效比测试方法，指出需要重视高环境温度工况的空调器能效比，以避免出现SEER高反而更加耗电的矛盾。   参考文献： [1] 苏晓耕等，满足中国新能效国标的VR系列涡旋压缩机的开发，2004年中国家用电器技术大会集，P327。 [2] 张立毅等，谷轮“低温强热涡旋”在热泵式空调器中的应用，《制冷技术》2007年01期 [3] 用于家用和商用空调的制冷剂，艾默生环境优化技术，2007.9 [4] GB/T 7725-2004《房间空气调节器》 [5] GB/T 17758 《单元式空气调节器》2008报批稿