163蓄冷空调机组循环效率研究-论文全文

蓄冷空调机组循环效率研究南京大学方贵银杨帆邢琳摘要本文阐述小型空调系统的工作原理和循环特性，基于热力学第一定律和第二定律分析了该蓄冷空调系统的能效比（制冷系数）和有效能效率，结果表明该系统的能效比和有效能效率都得到提高和改善，实施该蓄冷空调系统是可行的。关键字蓄冷空调系统循环效率1前言由于我国近年来经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，大中城市制冷空调的用电量与日俱增，因此出现了电力供应高峰不足、低谷过剩的矛盾。要解决这个问题，除了加强能源建设外，还要科学的节约用电，移峰填谷，充分利用电力资源，大力开发低谷用电。在电力供应紧张的情况下，充分利用低谷电能成为蓄冷空调技术的一大优势。根据蓄冷介质的不同，蓄冷系统又可分为水蓄冷，冰蓄冷和共晶盐蓄冷等几种类型[1]。由于蓄冷介质水的热学性能较好以及价格低廉，它被广泛应用在蓄冷系统中；但水蓄冷是利用显热蓄冷，它具有蓄冷密度低、蓄冷槽体积大及槽内不同温度的冷水易混合的缺点。冰蓄冷是利用水的相变凝固潜热来储存冷量，其相变潜热大（334kJ/kg）；但冰的相变凝固点较低（0℃），且蓄冰时存在较大的过冷度（4～6℃）[2]。为了储存冷量，空调机组必须运行在较低的工作温度范围（-8～-10℃），这样就势必造成了空调机组的效率下降，空调机组在蓄冰工况的效率一般只有空调工况的，另外，在空调工况和蓄冰工况时要配置双工况制冷主机，增加了系统的复杂性。共晶盐的优点是其相变温度与空调主机的蒸发温度相吻合，选用一台空调主机即可进行制冷、蓄冷工况运行。缺点是蓄冷密度较低，相变凝固时存在过冷现象，且材料易老化变质、蓄冷性能易发生衰减[3]。如果蓄冷材料的相变温度在5~9℃范围，该材料就能被应用到蓄冷空调系统中。%70现在大型的蓄冰空调已经在我国得到推广，而小型的、家用的蓄冷空调却迟迟未能出现，关键的一点是未能找到合适的相变蓄冷材料。本文拟对这种小型蓄冷空调系统的循环效率进行分析，掌握其性能变化规律,为实际开发该空调机组奠定基础。2蓄冷空调循环系统普通空调的制冷运行，通常是制冷剂经过压缩机压缩后，经过冷凝器冷凝成为高压中温的液体，再流经膨胀阀节流，成为低压低温的液体，然后在蒸发器中蒸发制冷，气化后的制冷剂蒸气再进入压缩机压缩而形成制冷循环。而小型蓄冷空调系统只是在室外单元或室内单元中加入一个小型的蓄冷单元，使之小巧方便易用，具有实用价值[4]。在中小型建筑物空调中，大量应用着分体式空调机。我们以蓄冷分体式空调机组为例，介绍小型蓄冷空调的工作循环系统。蓄冷分体式空调机在结构上与非蓄冷分体式空调机比较，它是在室内单元和室外单元间增加了一个蓄冷单元，其中蓄冷槽的作用是在用电低谷时蓄存冷量以供白天空调工况运转时对制冷系统中的制冷剂进行过冷之用，从而降低空调机高峰用电时的耗电量。图1所示为小型蓄冷空调系统的工作循环。夜间蓄冷运转时，蓄冷单元作为蒸发器使用，制冷剂只在蓄冷槽和室外单元之间循环。在蓄冷槽盘管内制冷剂蒸发，在盘管外部空间蓄冷材料凝固储冷。白天空调工况运转时，用电磁阀切换制冷剂的流动方向，蓄冷槽作为过冷器使用。这时其盘管内通过的制冷剂液体由盘管外的固态蓄冷材料融化过冷。过冷了的制冷剂液体再经室内机的电子膨胀阀节流降温后，供蒸发器蒸发制冷，以降低室内空气温度。图1小型蓄冷空调系统工作循环图2小型蓄冷系统制冷循环压—焓图图2所示为其制冷循环压—焓图。由该图可知由于蓄冷槽的过冷作用，单位制冷量将增加，增加量可用4和两点的焓差表示。同时，因为系统能效比（制冷系数）'4)('44hh−12410hhhhwqCOP−−==，经过过冷后，减小为，减小为，因此，COP值也提高了。由此可见，制冷剂的过冷提高了循环制冷量及制冷系数，同时也使压缩机的排气压力得以适当降低（当冷凝器结构一定时，夏季炎热高温的室外环境影响风冷冷凝器的冷凝效果，致使冷凝压力有所升高，这是由于少量制冷剂气体未完全冷凝成液体，增加过冷器后，可是这部分气体全部冷凝成液体，并使所有冷凝器内液体在节流前成为过冷液体）。4h'4h2h'2h3蓄冷空调系统循环效率分析目前，衡量空调机性能指标采用的主要是能效比COP（亦即制冷系数），它表示在单位耗功下所能产生的制冷量大小，为了实现空调机节能，我国已颁布了强制性空调能效比标准，它规定了各种类型空调机组的最低能效比及各个节能级别的能效比，严格地说，该指标并不能反映空调机组的节能程度，通过调高空调机组的蒸发温度和增大换热器（蒸发器、冷凝器）的面积也能达到提高空调能效比的目的，但这种空调并不是真正意义上的节能，因为它仅从能量的“数量”角度去考虑。根据热力学第一定律，一种形式的能量是由有效能和无效能组成，所谓“节能”应指“有效能”的节省，应从能量的“品位”去考虑。因此，节能空调应有两个评价指标：能效比（制冷系数）和有效能效率。根据热力学第一定律和第二定律，空调机组的能效比（制冷系数）和有效能效率可按下式确定：wqCOP0=（1）COPTTwqTTweeaeaq⋅−=−==)1()1(00η（2）式中：—环境温度，℃；—蒸发温度，℃；—单位制冷量，kJ/kg；—单位功耗，kJ/kg；—单位冷量的有效能，kJ/kg，表示为从低于环境温度的热源中取出热量（即制冷量）所需要消耗的最小功；—空调机组的能效比（制冷系数）；aTeT0qw0qe0qCOPη—空调机组的有效能效率。根据上述空调机组的能效比和有效能效率分析该小型蓄冷空调循环特性，该蓄冷空调系统的制冷剂为R134a，冷凝温度50=kT℃，蒸发温度50=T℃，环境温度35=aT℃。由图3、图4可以看出，随着过冷度的增加，该蓄冷空调系统的单位制冷量和能效比都随之增加。一般只需要10℃~15℃的过冷度，就可将制冷机性能提高15%~25%。0510152025303540120130140150160170180q0(kJ/kg)过冷度(oC)05101520253035403.23.43.63.84.04.24.44.64.8COP过冷度(0C)图3制冷量与过冷度之间的关系图4能效比与过冷度之间的关系空调系统在实际运行时，由于受不同地区气候条件的影响，冷凝温度也有变化。当蒸发温度为5℃，冷凝温度分别为50℃、55℃，过冷度在0~35℃之间变化时，其能效比和有效能效率如图5、图6所示。由图5和图6可以看出：随着冷凝温度的增加，该循环系统的能效比和有效能效率都降低。这主要是由于随着冷凝温度的升高，系统的功耗将增加，从而使系统能效比和有效能效率降低。从图5和图6还可看出：随着过冷度的增加，该蓄冷空调系统的能效比和有效能效率都随之增加。这就意味着,在较高的冷凝温度下，可以通过增加系统的过冷度来提高其能效比和有效能效率。而普通空调系统若冷凝温度越高，其能效比和有效能效率就越低。因此，在较高冷凝温度下，采用蓄冷槽将制冷剂过冷是提高空调系统性能的一种行之有效的方法。05101520253035402.83.03.23.43.63.84.04.24.44.64.8COP过冷度(0C)Tk=500CTk=550C05101520253035400.300.320.340.360.380.400.420.440.460.480.500.52η过冷度(0C)Tk=500CTk=550C图5能效比与过冷度之间的关系图6有效能效率与过冷度之间的关系现在来分析空调系统蒸发温度的变化对系统性能的影响。当冷凝温度为50℃，蒸发温度分别为0℃、5℃，过冷度在0~35℃之间变化时，其能效比和有效能效率如图7、图8所示。05101520253035402.83.03.23.43.63.84.04.24.44.64.8COP过冷度(0C)Te=00CTe=50C05101520253035400.340.360.380.400.420.440.460.480.500.52η过冷度(0C)Te=00CTe=50C图7能效比与过冷度之间的关系图8有效能效率与过冷度之间的关系由图7可知：随着蒸发温度的升高，该循环系统的能效比增加，这主要是由于系统的单位制冷量增加、系统的功耗降低所致。从图8可知：随着蒸发温度的升高，其有效能效率降低，根据有效能效率公式（2）可知，有效能效率与蒸发温度成反比、与能效比成正比，尽管蒸发温度的升高可以增加系统的能效比，但有效能效率取决于蒸发温度和能效比两个参数。这说明蒸发温度升高，并不表明系统就具有节能效果，不能仅关注能效比一个指标。盲目提高蒸发温度来增加系统的能效比不是可取之处；另外它还影响室内空气的除湿能力，最终还是影响系统的性能。从图7和图8还可看出：随着过冷度的增加，该蓄冷空调系统的能效比和有效能效率都随之增加。这就意味着,在蒸发温度不升高的情况下，可以通过增加系统的过冷度来提高其能效比和有效能效率，使该蓄冷空调系统具有节能效果。因此，采用蓄冷过冷方法来提高空调机组的性能是可行的。4结论本文阐述了小型蓄冷空调的工作原理和循环特性，基于热力学第一定律和第二定律分析了该蓄冷空调系统的能效比和有效能效率，结果表明该系统的能效比和有效能效率都得到提高和改善，实施该蓄冷空调系统是可行的。通过以上分析可知：评价空调机组的节能效果应考虑两个指标：能效比和有效能效率。在较高的冷凝温度下，可以通过增加系统的过冷度来提高其能效比和有效能效率。在蒸发温度不升高的情况下，可以通过增加系统的过冷度来提高其能效比和有效能效率，使该蓄冷空调系统具有节能效果。若开发出相变温度适宜、相变潜热较高的蓄冷材料，这种小型蓄冷空调系统就能迅速走向实用。目前，我们正在研制这种适合空调应用的复合相变蓄冷材料。参考文献[1]方贵银.蓄冷空调工程实用新技术.北京：人民邮电出版社，2000[2]ChenSih-Li,ChenChin-Lung,TinChun-Chuh,etal.Anexperimentalinvestigationofcoldstorageinanencapsulatedthermalstoragetank.ExperimentalThermalandFluidScience,2000,23:133-144[3]Ames,D.A.Thepast,presentandfutureofeutecticsaltstoragesystems.ASHRAEJournal,1989,(5):26-28[4]方贵银，徐锡斌.小型蓄冷空调系统研究.制冷，2003，22（1）：5-8