“集成智能通風(fēng)與光伏的超高效空調(diào)器”實(shí)現(xiàn)節(jié)能80%—全球制冷技術(shù)創(chuàng)新大獎賽獲勝項(xiàng)目

楊子旭 崔夢迪 肖寒松 趙家安 王寶龍 石文星 張有林 莊嶸 梁祥飛 李欣

1. 清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系 北京 100084；

2. 珠海格力電器股份有限公司制冷技術(shù)研究院 廣東珠海 519000

1 研究背景

近年來，人們對舒適制冷的需求不斷增長，據(jù)分析，2050年全球房間空調(diào)器的總使用量將超過45億臺，達(dá)到目前的4倍，其能源消耗將超過全球總能耗的10%[1]，這將給全球的能耗問題及落實(shí)巴黎協(xié)議、《蒙特利爾協(xié)議書》[3,4]、基加利修正案[4]帶來重大負(fù)擔(dān)。除了通過建造高質(zhì)量建筑及采用智能運(yùn)營方案減少制冷負(fù)荷外，研發(fā)制造高效的空調(diào)器產(chǎn)品是實(shí)現(xiàn)室內(nèi)舒適且降低碳排放的必要手段。

研究表明，只有空調(diào)器的碳排放量下降80%才能抵消新增空調(diào)器導(dǎo)致的電量需求增長，即只能通過大幅度降低空調(diào)器的電能用量和使用全球變暖潛能值（GWP）更低的制冷劑，才能實(shí)現(xiàn)巴黎協(xié)議的目標(biāo)。為此，由Mission Innovation、落基山研究所（RMI）和印度政府等共同發(fā)起了全球制冷技術(shù)創(chuàng)新大獎賽，旨在探索制冷行業(yè)的突破性創(chuàng)新技術(shù)，為人類尋求氣候友好型制冷解決方案。

大獎賽以未來空調(diào)器主要市場之一的印度為背景，旨在研發(fā)氣候影響（同時考慮電網(wǎng)能耗與制冷劑全球變暖潛能值GWP）降低當(dāng)前空調(diào)器基準(zhǔn)水平80%的住宅制冷解決方案，并且要求量產(chǎn)規(guī)模下的成本不能超過當(dāng)前市場常見機(jī)型的2倍以保證產(chǎn)品的可支付性。比賽定義的基準(zhǔn)產(chǎn)品和對創(chuàng)新技術(shù)的要求如表1所示。

表1 房間空調(diào)器基準(zhǔn)產(chǎn)品性能以及對創(chuàng)新技術(shù)的要求

競賽分為初賽及決賽兩個階段，其日程如圖1所示。在初賽階段，要求參賽隊(duì)伍提交詳細(xì)技術(shù)方案及模擬結(jié)果，并從全球參賽團(tuán)隊(duì)中優(yōu)選8支隊(duì)伍進(jìn)入決賽；在決賽階段，需依據(jù)初賽方案研發(fā)產(chǎn)品樣機(jī)，并在印度進(jìn)行制冷季節(jié)能效比（ISEER）測試、10天典型氣象日實(shí)驗(yàn)室測試以及實(shí)際現(xiàn)場運(yùn)行測試。

圖1 競賽安排及流程

最終，格力電器-清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)（GREEarTH團(tuán)隊(duì)）和日本大金空調(diào)-日建設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)從全球近百個國家2100多支參賽團(tuán)隊(duì)中脫穎而出，實(shí)現(xiàn)了氣候影響降低80%以上，成為最終獲勝者。本文將介紹GREEarTH團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“集成智能通風(fēng)與光伏的超高效空調(diào)器”的技術(shù)方案、模擬分析及實(shí)測結(jié)果。

2 技術(shù)方案

2.1 設(shè)計(jì)理念

GREEarTH團(tuán)隊(duì)基于印度氣象特征，以大賽氣候影響降低80%和經(jīng)濟(jì)成本不超過2倍為目標(biāo)，在最大運(yùn)行功率和耗水量等約束條件下，確定了如下設(shè)計(jì)理念：1）基于使用地區(qū)的氣候特征，構(gòu)建高效蒸氣壓縮制冷循環(huán)與蒸發(fā)冷卻新風(fēng)裝置的復(fù)合空調(diào)器，將自然能源作為調(diào)控手段，根據(jù)室外逐時氣象參數(shù)制定通風(fēng)控制策略，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)、降溫、除濕功能；2）采用環(huán)保制冷劑R152a，構(gòu)建基于雙蒸發(fā)器、雙冷凝器的梯級冷卻補(bǔ)氣高效制冷循環(huán)系統(tǒng)，研發(fā)并行三缸轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)、蒸發(fā)式冷凝器等關(guān)鍵部件，提升空調(diào)器的制冷季節(jié)能效比；3）通過光伏直驅(qū)與市電耦合控制技術(shù)，減少市電用量。

2.2 系統(tǒng)方案

根據(jù)設(shè)計(jì)理念，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的集成智能通風(fēng)與光伏的超高效空調(diào)器如圖2所示，主要包括以下四部分：

圖2 集成智能通風(fēng)與光伏的超高效空調(diào)器原理圖

（1）梯級冷卻補(bǔ)氣高效蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)。構(gòu)建基于雙蒸發(fā)器、雙冷凝器梯級補(bǔ)氣高效制冷循環(huán)系統(tǒng)，在該制冷循環(huán)中，經(jīng)并行三缸轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的高溫高壓制冷劑以相同排氣壓力分別進(jìn)入翅片管冷凝器及微通道冷凝器，在室外冷凝器冷凝放熱后，經(jīng)初級節(jié)流進(jìn)入閃發(fā)罐，被閃發(fā)出的氣態(tài)制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)小缸，另一部分液態(tài)制冷劑經(jīng)不同阻力的節(jié)流裝置，分別進(jìn)入高溫蒸發(fā)器及低溫蒸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)與室內(nèi)空氣的梯級換熱，其中高溫蒸發(fā)器主要處理顯熱、低溫蒸發(fā)器還需處理潛熱，制冷劑吸熱氣化后，分別進(jìn)入壓縮機(jī)吸氣缸，其制冷劑流程參見圖3。

圖3 制冷工作壓焓原理圖

（2）蒸發(fā)冷卻新風(fēng)系統(tǒng)。除常規(guī)機(jī)械制冷的蒸氣壓縮制冷循環(huán)外，超高效空調(diào)器還包括帶有蒸發(fā)冷卻噴淋裝置的新風(fēng)機(jī)，通過引入室外新風(fēng)共同調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫濕度。根據(jù)室內(nèi)、外空氣的狀態(tài)制定控制策略，如圖4所示，其基本思想是：

圖4 新風(fēng)運(yùn)行焓濕圖

①I區(qū)：當(dāng)室外溫濕度分別低于室內(nèi)溫濕度，且能處理室內(nèi)負(fù)荷，采用直接通風(fēng)模式，將室外新風(fēng)通過新風(fēng)機(jī)送入室內(nèi)；

②II區(qū)：室外溫度高于室內(nèi)溫度，而室外濕度和焓分別低于室內(nèi)濕度和焓時，或位于一區(qū)通風(fēng)機(jī)最高速運(yùn)行，室內(nèi)溫度不能達(dá)到設(shè)定溫度，采用蒸發(fā)冷卻通風(fēng)模式；

③III區(qū)：室外焓高于室內(nèi)焓，而室外濕度低于室內(nèi)濕度時，當(dāng)通風(fēng)模式更節(jié)能（顯熱負(fù)荷增加而潛熱負(fù)荷降低，而處理顯熱耗電量低于潛熱），啟動通風(fēng)模式。

④IV區(qū)：當(dāng)以上條件均不滿足，室內(nèi)存在負(fù)荷將完全依靠機(jī)械制冷處理。

（3）光伏直驅(qū)系統(tǒng)。技術(shù)方案采用光伏發(fā)電板及光伏直驅(qū)多電源耦合供電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)空調(diào)器用電同時產(chǎn)生電能，從用能側(cè)直接降低機(jī)組能耗。

（4）自動控制系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)光伏直驅(qū)，技術(shù)方案采用直流/交流協(xié)調(diào)裝置，以從電網(wǎng)用電和太陽能發(fā)電驅(qū)動壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；此外，為實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫濕度精確控制，系統(tǒng)還采用了人工智能運(yùn)行節(jié)能控制技術(shù)等多種控制方式。

此外，本系統(tǒng)采用零ODP、GWP=138的R152a制冷劑，不僅從用電量上實(shí)現(xiàn)了降低碳排放、同時有效削減了HFCs的使用，也實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排。

3 結(jié)果分析

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及系統(tǒng)全年模擬仿真，GREEarTH團(tuán)隊(duì)提交的技術(shù)方案通過了組委會評審并進(jìn)入最終決賽。在進(jìn)入決賽后，研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了相應(yīng)的產(chǎn)品樣機(jī)，并由組委會技術(shù)部門進(jìn)行ISEER測試、10天典型氣象日實(shí)驗(yàn)室測試以及31天實(shí)際現(xiàn)場運(yùn)行測試。

3.1 初賽模擬分析

初賽模擬得到的全年耗電量為585 kW?h，相較于基準(zhǔn)樣機(jī)年耗電量下降80.3%。其中，壓縮機(jī)能耗占整個系統(tǒng)能耗的79.8%，而包括新風(fēng)風(fēng)機(jī)及室內(nèi)外風(fēng)機(jī)在內(nèi)的動力裝置能耗占所有能耗的20.0%。系統(tǒng)采用R152a作為超高效空調(diào)器的制冷劑，并采用超鋁質(zhì)微通道換熱器將用作冷凝器，以減少制冷劑的加注量和材料成本。R152a的GWP=138，因此，與基準(zhǔn)制冷劑R22相比，全球變暖潛能值將下降92.2%，綜合節(jié)能79.8%，其氣候影響達(dá)到了降低83.2%（=81%×80% +92.2%×20%）的競賽目標(biāo)。

競賽要求的總安裝成本為1092美元，但其中僅40%為原材料成本，其余60%作為安裝、人工費(fèi)等計(jì)入，因此，可用成本為437美元。其中，主要部件為壓縮機(jī)（球墨鑄鐵、硅鋼片、銅線和冷凍油等）、換熱器（銅管、銅鋁片等）、風(fēng)機(jī)、太陽能光伏板及支架等，計(jì)算得到的總材料成本為424.1美元，總安裝成本為1060.3美元，滿足競賽經(jīng)濟(jì)性2X的要求。需要說明的是，該成本為生產(chǎn)規(guī)模超過10萬臺時的材料成本，因此該數(shù)據(jù)并不具有代表性。

初賽其他指標(biāo)對應(yīng)結(jié)果、對應(yīng)基準(zhǔn)樣機(jī)及競賽要求被整理為表2。

表2 初賽結(jié)果對應(yīng)基準(zhǔn)樣機(jī)及競賽要求情況

3.2 決賽性能測試

（1）制冷季節(jié)能效比ISEER

對超高效空調(diào)器按照ISO 16358[5]、IS 1391[6]進(jìn)行測試，其中，額定制冷能效比為6.28、中間制冷能效比達(dá)到9.32（注：數(shù)據(jù)基于團(tuán)隊(duì)對全新樣機(jī)測試結(jié)果）。按照印度標(biāo)準(zhǔn) IS 1391[6]計(jì)算的ISEER達(dá)到8.43，高于基準(zhǔn)樣機(jī)（ISEER=3.5）110.7%。需要說明的是，由于IS 1391標(biāo)準(zhǔn)在測試ISEER時的額定和1/2能力工況均在室外溫度為35℃且不進(jìn)入光伏電能條件下測試，因此直接新風(fēng)、蒸發(fā)冷卻新風(fēng)等模式的節(jié)能優(yōu)勢均不能得以體現(xiàn)。此外，印度標(biāo)準(zhǔn)中的室外高溫工況時間占比較大（如圖5所示），因此，其季節(jié)能效比計(jì)算值相比中國標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算值（依據(jù)GB 21455-2013標(biāo)準(zhǔn)[7]，其SEER=8.54）更低。

圖5 不同標(biāo)準(zhǔn)溫度發(fā)生小時數(shù)比例

（2）10天典型氣象日實(shí)驗(yàn)室測試

典型日實(shí)驗(yàn)室測試是決賽最重要的環(huán)節(jié)，其將印度新德里的氣象綜合為10天的工況，通過加權(quán)計(jì)算超高效空調(diào)器全年運(yùn)行的能耗。典型日工況測試的方法是：兩個相鄰的實(shí)驗(yàn)室分別作為被測超高效空調(diào)器的室外側(cè)及室內(nèi)側(cè)（焓差室），其中室外側(cè)可以用空氣調(diào)節(jié)機(jī)組調(diào)節(jié)溫濕度，用以模擬室外工況；室內(nèi)側(cè)放置電熱器、加濕器，用以模擬由圍護(hù)結(jié)構(gòu)、新風(fēng)、室內(nèi)照明設(shè)備人員產(chǎn)生的顯熱及潛熱負(fù)荷。最終得到的折合全年耗電量為746.2 kW?h，耗電量相比基準(zhǔn)樣機(jī)（基準(zhǔn)樣機(jī)的實(shí)測折合年耗電量為4338 kW?h）降低82.8%。圖6給出了實(shí)驗(yàn)室測試的日耗電量與耗水量。

圖 6 實(shí)驗(yàn)室測試的日耗電量與耗水量

（3）實(shí)際現(xiàn)場運(yùn)行測試

空調(diào)器在印度新德里某真實(shí)房間進(jìn)行了為期31天的測試（2020.10.1—2020.10.31），如圖7所示。可以看到，機(jī)組的逐時功率不超過700 W，尤其在10月17日之后，由于室外干濕球溫度都有所降低、尤其室外濕度明顯降低，機(jī)組有較長時間運(yùn)行在直接通風(fēng)、蒸發(fā)冷卻通風(fēng)的范圍內(nèi)，計(jì)算得到的總耗電量為42.8 kW?h，與實(shí)測結(jié)果相比其節(jié)電量高達(dá)89.8%。

圖7 實(shí)際測試結(jié)果

需要說明的是，實(shí)驗(yàn)室典型日測試及現(xiàn)場實(shí)際測試也滿足其他要求。在實(shí)驗(yàn)室典型日測試中，室內(nèi)溫濕度超標(biāo)時間僅為1 h；單日最高耗水量為16.1 L/d，計(jì)算年化日均耗水量僅為4.67 L/d；圖7中的電網(wǎng)最高功率為633 W（扣除太陽能的發(fā)電量），滿足競賽指標(biāo)的要求；競賽樣機(jī)的安裝體積、零碳材料等也均滿足要求。圖8還給出了現(xiàn)場測試的安裝情況。

圖8 現(xiàn)場實(shí)際測試的安裝效果圖

根據(jù)競賽評比規(guī)則，10天典型氣象日實(shí)驗(yàn)室測試與實(shí)際現(xiàn)場運(yùn)行測試權(quán)重分別為0.8615及0.1835[8]，因此計(jì)算得到的綜合節(jié)電量為84.1%，考慮到環(huán)保制冷劑R152a的使用，折合碳排放降低達(dá)到85.7%。

4 結(jié)論與展望

根據(jù)全球制冷技術(shù)創(chuàng)新大獎賽的要求，針對印度新德里室外氣象特征，提出了集成智能通風(fēng)與光伏的超高效空調(diào)器技術(shù)方案，并研發(fā)出空調(diào)器樣機(jī)，取得了顯著的環(huán)保效應(yīng)和節(jié)能減排效果。

（1）超高效空調(diào)器包括梯級冷卻補(bǔ)氣制冷循環(huán)、蒸發(fā)冷卻新風(fēng)系統(tǒng)、光伏直驅(qū)技術(shù)和自動控制系統(tǒng)四部分。其雙蒸發(fā)器、雙冷凝器的制冷循環(huán)，分別主要處理顯熱和潛熱，降低系統(tǒng)壓比、提升機(jī)組能效。

（2）模擬得到的全年用電量為585 kW?h，與基準(zhǔn)樣機(jī)相比節(jié)電80.2%，氣候影響降低83.2%，實(shí)現(xiàn)大賽目標(biāo)。

（3）研發(fā)超高效空調(diào)器樣機(jī)，實(shí)測ISEER達(dá)到8.43，在模擬全年氣候特征的10天典型氣象日實(shí)驗(yàn)室測試中，總節(jié)電量達(dá)到82.8%；31天實(shí)際運(yùn)行測試中，在穩(wěn)定控制室內(nèi)溫濕度條件下，節(jié)電量達(dá)到89.8%。樣機(jī)的綜合節(jié)電率為84.1%，折合碳排放降低85.7%。

住宅空調(diào)是居住建筑的主要空調(diào)采暖設(shè)備，也是建筑的碳排放大戶。我國是世界上最大的房間空調(diào)器生產(chǎn)和銷售國家，住宅空調(diào)一項(xiàng)每年耗能導(dǎo)致的CO2排放量就達(dá)到約1.1億噸，而空調(diào)所使用的HFCs和HCFCs制冷劑泄漏年均碳排放量也超過了約0.5億噸。推廣超高效節(jié)能空調(diào)器，將有效推動住宅空調(diào)的節(jié)能減排；同時，空調(diào)器主動適應(yīng)與利用可再生能源，將建筑、空調(diào)與蓄能有機(jī)結(jié)合，將為住宅建筑“碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。