變頻空調(diào)器能效的制冷劑種類差異研究

(1 北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院 北京 100124； 2 環(huán)境保護(hù)部環(huán)境保護(hù)對(duì)外合作中心 北京 100035)

我國(guó)家用空調(diào)器市場(chǎng)中的變頻房間空調(diào)器主要制冷劑為R22和R410A，根據(jù)《蒙特利爾議定書》的第19、28次修正案，兩者分別在2015年和2029年開始逐步削減使用量[1-2]。低GWP制冷劑R290是中國(guó)主推的房間空調(diào)器替代制冷劑[3]。

目前針對(duì)R290的相關(guān)研究很多，涉及換熱特性與換熱器[4-5]、壓縮機(jī)性能[6-7]、系統(tǒng)性能[8-11]、潤(rùn)滑油[12-13]、泄漏特性[14-15]、安全應(yīng)用技術(shù)[16-17]等方面。

隨著技術(shù)的快速發(fā)展，中國(guó)市場(chǎng)將出現(xiàn)多種低GWP制冷劑系統(tǒng)的變頻空調(diào)器。相關(guān)能效標(biāo)準(zhǔn)等政策應(yīng)鼓勵(lì)支持低GWP制冷劑的應(yīng)用和發(fā)展。以歐盟為例，2011年發(fā)布的EEC362空調(diào)器和舒適性風(fēng)扇生態(tài)設(shè)計(jì)要求[18]、EEC363空調(diào)器能效標(biāo)識(shí)[19]兩項(xiàng)實(shí)施指令中，均以GWP=150為分界線，分別規(guī)定了不同制冷劑系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的能效標(biāo)準(zhǔn)值及實(shí)施過程時(shí)間進(jìn)度。但目前我國(guó)實(shí)行的《GB 21455—2013轉(zhuǎn)速可控型房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級(jí)》[20]標(biāo)準(zhǔn)中，并未按照制冷劑種類來分別規(guī)定單冷型變頻空調(diào)器的季節(jié)能效比SEER或熱泵型變頻空調(diào)器的全年能源消耗效率APF。

因此，忽略制冷劑差異是現(xiàn)階段變頻空調(diào)器能效標(biāo)準(zhǔn)存在的問題。設(shè)定能效標(biāo)準(zhǔn)的目的是節(jié)能，進(jìn)而減少系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的不良影響。這種影響包括制冷劑自身的直接影響和制冷系統(tǒng)的間接影響。前者主要包括制冷劑的毒性、可燃性、ODP、GWP等性質(zhì)及其生產(chǎn)制造過程對(duì)環(huán)境的影響；后者主要包括制冷系統(tǒng)的制冷劑充注量、制冷劑年泄漏率、制冷劑報(bào)廢回收率、系統(tǒng)能效、運(yùn)行年限、電力排放因子、系統(tǒng)中的金屬及非金屬材料使用量、材料報(bào)廢回收率及其生產(chǎn)加工過程對(duì)環(huán)境的影響等因素。能效標(biāo)準(zhǔn)納入的上述影響因素越多，對(duì)變頻空調(diào)器的評(píng)價(jià)結(jié)果就越科學(xué)、合理。

目前，《GB 21455—2013轉(zhuǎn)速可控型房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級(jí)》[20]僅考慮了間接影響中的系統(tǒng)能效這一單獨(dú)因素，不夠全面、合理。但從客觀角度，全面考慮所有環(huán)境影響因素是不現(xiàn)實(shí)的，也是不必要的。它使能效標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)過程變得異常復(fù)雜，導(dǎo)致廠家的變頻空調(diào)器產(chǎn)品檢測(cè)環(huán)節(jié)的難度和成本大大增加。因此，計(jì)算過程較為簡(jiǎn)單且囊括了制冷系統(tǒng)對(duì)環(huán)境兩方面影響主要因素的變暖影響總當(dāng)量TEWI是納入到能效標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)中較為可行的環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)。

本文根據(jù)理論選取和國(guó)標(biāo)規(guī)定的兩種時(shí)間曲線數(shù)據(jù)，對(duì)不同容量、不同能效變頻空調(diào)器在相同環(huán)境影響(TEWI指標(biāo))下的R22、R410A、R290 3種系統(tǒng)的能效差異進(jìn)行了分析研究，并提出針對(duì)制冷劑差異的解決措施。

1 研究方法

1.1 技術(shù)路線

將理論選取得出的全國(guó)時(shí)間曲線及《GB 21455—2013轉(zhuǎn)速可控型房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級(jí)》[20]中規(guī)定全國(guó)統(tǒng)一的時(shí)間曲線帶入空調(diào)器負(fù)荷計(jì)算軟件中，可以得出不同容量的變頻空調(diào)器在全國(guó)范圍內(nèi)的年總負(fù)荷。在此基礎(chǔ)上通過設(shè)定R22的APF數(shù)據(jù)，可以得到R22的年用電量，進(jìn)而得出R22變頻空調(diào)器的TEWI。保持TEWI不變，可以反推出該TEWI下R290和R410A的年用電量并最終得出其APF。圖1所示為技術(shù)路線。

圖1 技術(shù)路線Fig.1 Technical route

1.2 運(yùn)行時(shí)間曲線獲取

1.2.1理論運(yùn)行時(shí)間曲線

根據(jù)《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》軟件得到55座不同城市的典型年氣象數(shù)據(jù)。在氣象數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，選取日平均氣溫>24 ℃的正數(shù)第3天至倒數(shù)第3天[21]，全天室外環(huán)境溫度≥24 ℃的時(shí)間作為制冷季節(jié)運(yùn)行時(shí)間；選取集中供暖日期以外，日平均氣溫<16 ℃的正數(shù)第3天至倒數(shù)第3天[21]，06∶00—23∶00時(shí)間段內(nèi)室外環(huán)境溫度≤16 ℃的時(shí)間作為制熱季節(jié)運(yùn)行時(shí)間。從城市到建筑氣候分區(qū)逐步求取時(shí)間加權(quán)平均值，圖2所示為變頻空調(diào)器理論制冷/制熱運(yùn)行時(shí)間曲線。

圖2 變頻空調(diào)器理論制冷/制熱運(yùn)行時(shí)間曲線Fig.2 Theoretical refrigeration/heating operation time curves of the inverter air conditioner

1.2.2國(guó)標(biāo)運(yùn)行時(shí)間曲線

由圖2可知，制冷運(yùn)行總時(shí)間為1 136 h，制熱運(yùn)行總時(shí)間為433 h。理論運(yùn)行時(shí)間曲線與國(guó)標(biāo)運(yùn)行時(shí)間曲線差異較大，在低溫制冷段和高溫制熱段尤為明顯。這是因?yàn)槔碚撨\(yùn)行時(shí)間曲線的獲取是在假設(shè)用戶使用習(xí)慣(開機(jī)溫度與運(yùn)行時(shí)間)的基礎(chǔ)上得到的，與真實(shí)情況存在一定的差異(國(guó)內(nèi)家庭一般有盡可能不用或少用空調(diào)的習(xí)慣)；而國(guó)標(biāo)運(yùn)行時(shí)間曲線數(shù)據(jù)來源于全國(guó)范圍內(nèi)的抽樣調(diào)查，更接近用戶的真實(shí)使用情況。

1.3 負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)《GB/T 7725—2004房間空氣調(diào)節(jié)器》[22]中規(guī)定的空調(diào)器負(fù)荷計(jì)算方法，將圖2運(yùn)行時(shí)間曲線中的參數(shù)及變頻空調(diào)器的容量參數(shù)代入《空調(diào)器負(fù)荷計(jì)算軟件》中，可以得到不同容量的變頻空調(diào)器在全國(guó)范圍內(nèi)使用時(shí)的年總負(fù)荷。

1.4 變暖影響總當(dāng)量計(jì)算

本文采用變暖影響總當(dāng)量TEWI作為環(huán)境影響指標(biāo)[23]，計(jì)算R290、R410A、R22 3種不同制冷劑變頻空調(diào)器在相同TEWI下的能效差異。TEWI計(jì)算所需數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同種類制冷劑變頻空調(diào)器參數(shù)Tab.1 Parameters of the inverter air conditioners using different refrigerants

TEWI=DE+IE

(1)

式中：DE為直接全球變暖效應(yīng)，kgCO2；IE為間接全球變暖效應(yīng)，kgCO2。

DE=GWPm[LN+(1-α)]

(2)

式中：GWP為全球變暖潛值，kgCO2/kg；m為制冷劑充注量，kg；L為制冷劑年泄漏率，取2 %/a[24]；N為設(shè)備壽命，取10 a[24]；α為設(shè)備報(bào)廢時(shí)的制冷劑回收率，取90%。

IE=EannNβ

(3)

式中：Eann為年耗電量，(kW·h)/a；β為電力排放因子，即提供1 kW·h能量所產(chǎn)生的CO2排放量，取0.96 kgCO2/(kW·h)[25]。

2 結(jié)果與分析

圖3所示為當(dāng)TEWI不同時(shí)，1 HP變頻空調(diào)器理論APF隨制冷劑種類的變化。

圖3 1 HP變頻空調(diào)器理論APF隨制冷劑種類的變化Fig.3 Theoretical APF of 1 HP inverter air conditioner changes with different refrigenrants

由圖3可知，對(duì)于制冷量為1 HP的變頻空調(diào)器，同工況下系統(tǒng)APF由高到低依次為R410A系統(tǒng)、R22系統(tǒng)、R290系統(tǒng)。由式(1)～式(3)可知，當(dāng)TEWI一定時(shí)，DE越低，IE越高，系統(tǒng)能耗越高，在同一地區(qū)的能效越低。計(jì)算中1 HP變頻空調(diào)器，DE由低到高依次為R290系統(tǒng)、R22系統(tǒng)、R410A系統(tǒng)，因此出現(xiàn)圖3所示的結(jié)果。

由圖3還可知，3種制冷劑系統(tǒng)之間的APF差值隨著TEWI的增大而減小。根據(jù)式(3)，APF可以表示為：

(4)

式中：ATL為全年總負(fù)荷，kW·h。

對(duì)于同一地區(qū)相同TEWI下，制冷劑1與制冷劑2系統(tǒng)之間的APF差值為：

(5)

由式(1)可知，在TEWI相等時(shí)，對(duì)于制冷劑1與制冷劑2系統(tǒng)有：

DE1-DE2=IE2-IE1

(6)

故式(5)可以寫為：

(7)

圖3中，隨著TEWI的增大，3種制冷劑系統(tǒng)各自的DE不變，故兩者的DE差值為定值。

DE1-DE2=Const

(8)

因此式(7)中的分子項(xiàng)保持不變，但3種制冷劑系統(tǒng)各自的IE隨著TEWI的增大而增大，即式(7)中分母項(xiàng)增大，所以同一地區(qū)、相同TEWI下R22、R290和R410A系統(tǒng)之間的ΔAPF隨著TEWI的增大而減小。綜上所述，隨著變頻空調(diào)器對(duì)環(huán)境影響的增大，DE相對(duì)于IE越來越小，對(duì)IE的影響也越來越小，最終可忽略不計(jì)。

圖4所示為當(dāng)TEWI不同時(shí)，1 HP變頻空調(diào)器國(guó)標(biāo)APF隨制冷劑種類的變化，其變化趨勢(shì)和規(guī)律與圖3一致，原因是兩者之間僅運(yùn)行時(shí)間曲線數(shù)據(jù)不同。

圖4 1 HP變頻空調(diào)器國(guó)標(biāo)APF隨制冷劑種類的變化Fig.4 Standard APF of 1 HP inverter air conditioner changes with different refrigenrants

由式(1)～式(3)可知，運(yùn)行時(shí)間曲線的不同會(huì)使ATL及Eann不同，但3種不同制冷劑系統(tǒng)之間的APF變化趨勢(shì)一致。但由于運(yùn)行時(shí)間曲線不同，導(dǎo)致圖4和圖3中的數(shù)據(jù)對(duì)比沒有意義，并不一定滿足ΔAPF隨著TEWI的增大而減小這一規(guī)律。根據(jù)式(7)得出理論結(jié)果與國(guó)標(biāo)結(jié)果對(duì)比時(shí)的APF差值變化：

(9)

由于任一地區(qū)的國(guó)標(biāo)運(yùn)行時(shí)間曲線總時(shí)間均遠(yuǎn)小于理論時(shí)間曲線總時(shí)間，因此兩者在同一地區(qū)的全年總負(fù)荷的關(guān)系為：

(10)

由式(9)可知，對(duì)比圖3與圖4，ΔAPF不能由TEWI大小直接得出，需要結(jié)合式(10)具體分析。

圖5所示為當(dāng)TEWI不同時(shí)，1.5 HP變頻空調(diào)器理論/國(guó)標(biāo)APF隨制冷劑種類的變化。由圖5可知，與1 HP變頻空調(diào)器相比，相似之處在于同一地區(qū)、相同TEWI下R22、R290和R410A制冷劑系統(tǒng)之間的ΔAPF隨著TEWI的增大而減??；不同之處在于相同TEWI下APF由高到低依次為R22系統(tǒng)、R410A系統(tǒng)、R290系統(tǒng)。原因是1.5 HP變頻空調(diào)器的DE由低到高依次為R290系統(tǒng)、R410A系統(tǒng)、R22系統(tǒng)。

圖5 1.5 HP變頻空調(diào)器理論/國(guó)標(biāo)APF隨制冷劑種類的變化Fig.5 Theoretical/Standard APF of 1.5 HP inverter air conditioner changes with different refrigenrants

圖6所示為2 HP的變頻空調(diào)器理論/國(guó)標(biāo)APF隨制冷劑種類的變化。由圖6可知，APF的變化規(guī)律與1 HP機(jī)一致。R290變頻空調(diào)器的APF與R22和R410A系統(tǒng)的差值分別為0.57和0.59。

圖6 2 HP變頻空調(diào)器理論/國(guó)標(biāo)APF隨制冷劑種類的變化Fig.6 Theoretical/Standard APF of 2 HP inverter air conditioner changes with different refrigenrants

3 結(jié)論

本文以理論選取和國(guó)標(biāo)規(guī)定的兩組運(yùn)行時(shí)間曲線數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究了不同制冷量的變頻空調(diào)器在相同環(huán)境影響、不同制冷劑種類下所產(chǎn)生的APF差值，得到如下結(jié)論：

1)當(dāng)TEWI相同、制冷量不同時(shí)，R22、R410A變頻空調(diào)器的APF均較接近，相對(duì)大小需根據(jù)具體空調(diào)器參數(shù)而定；R290變頻空調(diào)器的APF明顯小于R22與R410A系統(tǒng)，最大差值分別為0.57和0.59(2 HP機(jī)國(guó)標(biāo)運(yùn)行時(shí)間曲線的結(jié)果)；R22、R410A、R290 3種制冷劑系統(tǒng)ΔAPF隨著TEWI的減小而增大，即3種制冷劑系統(tǒng)自身的APF越大，相同TEWI下，ΔAPF越大。

2)目前所有制冷劑系統(tǒng)的變頻空調(diào)器均采用一套能效標(biāo)準(zhǔn)系列值是不合理的。能效標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)以盡可能減小環(huán)境影響為最終目標(biāo)，并在此前提下充分考慮制冷劑自身的直接影響和制冷系統(tǒng)的間接影響，最終得出不同種類制冷劑對(duì)應(yīng)的最優(yōu)能效標(biāo)準(zhǔn)系列值。對(duì)于環(huán)境友好性優(yōu)良的制冷劑可以采用時(shí)間階梯式的能效標(biāo)準(zhǔn)系列值，即在初期適當(dāng)降低能效標(biāo)準(zhǔn)值，推動(dòng)其應(yīng)用與發(fā)展，待技術(shù)較為成熟時(shí)再逐步提高其能效標(biāo)準(zhǔn)。