变频空调器能效的制冷剂种类差异研究

(1 北京工业大学环境与能源工程学院 北京 100124； 2 环境保护部环境保护对外合作中心 北京 100035)

我国家用空调器市场中的变频房间空调器主要制冷剂为R22和R410A，根据《蒙特利尔议定书》的第19、28次修正案，两者分别在2015年和2029年开始逐步削减使用量[1-2]。低GWP制冷剂R290是中国主推的房间空调器替代制冷剂[3]。

目前针对R290的相关研究很多，涉及换热特性与换热器[4-5]、压缩机性能[6-7]、系统性能[8-11]、润滑油[12-13]、泄漏特性[14-15]、安全应用技术[16-17]等方面。

随着技术的快速发展，中国市场将出现多种低GWP制冷剂系统的变频空调器。相关能效标准等政策应鼓励支持低GWP制冷剂的应用和发展。以欧盟为例，2011年发布的EEC362空调器和舒适性风扇生态设计要求[18]、EEC363空调器能效标识[19]两项实施指令中，均以GWP=150为分界线，分别规定了不同制冷剂系统对应的能效标准值及实施过程时间进度。但目前我国实行的《GB 21455—2013转速可控型房间空气调节器能效限定值及能效等级》[20]标准中，并未按照制冷剂种类来分别规定单冷型变频空调器的季节能效比SEER或热泵型变频空调器的全年能源消耗效率APF。

因此，忽略制冷剂差异是现阶段变频空调器能效标准存在的问题。设定能效标准的目的是节能，进而减少系统对环境的不良影响。这种影响包括制冷剂自身的直接影响和制冷系统的间接影响。前者主要包括制冷剂的毒性、可燃性、ODP、GWP等性质及其生产制造过程对环境的影响；后者主要包括制冷系统的制冷剂充注量、制冷剂年泄漏率、制冷剂报废回收率、系统能效、运行年限、电力排放因子、系统中的金属及非金属材料使用量、材料报废回收率及其生产加工过程对环境的影响等因素。能效标准纳入的上述影响因素越多，对变频空调器的评价结果就越科学、合理。

目前，《GB 21455—2013转速可控型房间空气调节器能效限定值及能效等级》[20]仅考虑了间接影响中的系统能效这一单独因素，不够全面、合理。但从客观角度，全面考虑所有环境影响因素是不现实的，也是不必要的。它使能效标准评价过程变得异常复杂，导致厂家的变频空调器产品检测环节的难度和成本大大增加。因此，计算过程较为简单且囊括了制冷系统对环境两方面影响主要因素的变暖影响总当量TEWI是纳入到能效标准评价中较为可行的环境影响评价指标。

本文根据理论选取和国标规定的两种时间曲线数据，对不同容量、不同能效变频空调器在相同环境影响(TEWI指标)下的R22、R410A、R290 3种系统的能效差异进行了分析研究，并提出针对制冷剂差异的解决措施。

1 研究方法

1.1 技术路线

将理论选取得出的全国时间曲线及《GB 21455—2013转速可控型房间空气调节器能效限定值及能效等级》[20]中规定全国统一的时间曲线带入空调器负荷计算软件中，可以得出不同容量的变频空调器在全国范围内的年总负荷。在此基础上通过设定R22的APF数据，可以得到R22的年用电量，进而得出R22变频空调器的TEWI。保持TEWI不变，可以反推出该TEWI下R290和R410A的年用电量并最终得出其APF。图1所示为技术路线。

图1 技术路线Fig.1 Technical route

1.2 运行时间曲线获取

1.2.1理论运行时间曲线

根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》软件得到55座不同城市的典型年气象数据。在气象数据的基础上，选取日平均气温>24 ℃的正数第3天至倒数第3天[21]，全天室外环境温度≥24 ℃的时间作为制冷季节运行时间；选取集中供暖日期以外，日平均气温<16 ℃的正数第3天至倒数第3天[21]，06∶00—23∶00时间段内室外环境温度≤16 ℃的时间作为制热季节运行时间。从城市到建筑气候分区逐步求取时间加权平均值，图2所示为变频空调器理论制冷/制热运行时间曲线。

图2 变频空调器理论制冷/制热运行时间曲线Fig.2 Theoretical refrigeration/heating operation time curves of the inverter air conditioner

1.2.2国标运行时间曲线

由图2可知，制冷运行总时间为1 136 h，制热运行总时间为433 h。理论运行时间曲线与国标运行时间曲线差异较大，在低温制冷段和高温制热段尤为明显。这是因为理论运行时间曲线的获取是在假设用户使用习惯(开机温度与运行时间)的基础上得到的，与真实情况存在一定的差异(国内家庭一般有尽可能不用或少用空调的习惯)；而国标运行时间曲线数据来源于全国范围内的抽样调查，更接近用户的真实使用情况。

1.3 负荷计算

根据《GB/T 7725—2004房间空气调节器》[22]中规定的空调器负荷计算方法，将图2运行时间曲线中的参数及变频空调器的容量参数代入《空调器负荷计算软件》中，可以得到不同容量的变频空调器在全国范围内使用时的年总负荷。

1.4 变暖影响总当量计算

本文采用变暖影响总当量TEWI作为环境影响指标[23]，计算R290、R410A、R22 3种不同制冷剂变频空调器在相同TEWI下的能效差异。TEWI计算所需数据如表1所示。

表1 不同种类制冷剂变频空调器参数Tab.1 Parameters of the inverter air conditioners using different refrigerants

TEWI=DE+IE

(1)

式中：DE为直接全球变暖效应，kgCO2；IE为间接全球变暖效应，kgCO2。

DE=GWPm[LN+(1-α)]

(2)

式中：GWP为全球变暖潜值，kgCO2/kg；m为制冷剂充注量，kg；L为制冷剂年泄漏率，取2 %/a[24]；N为设备寿命，取10 a[24]；α为设备报废时的制冷剂回收率，取90%。

IE=EannNβ

(3)

式中：Eann为年耗电量，(kW·h)/a；β为电力排放因子，即提供1 kW·h能量所产生的CO2排放量，取0.96 kgCO2/(kW·h)[25]。

2 结果与分析

图3所示为当TEWI不同时，1 HP变频空调器理论APF随制冷剂种类的变化。

图3 1 HP变频空调器理论APF随制冷剂种类的变化Fig.3 Theoretical APF of 1 HP inverter air conditioner changes with different refrigenrants

由图3可知，对于制冷量为1 HP的变频空调器，同工况下系统APF由高到低依次为R410A系统、R22系统、R290系统。由式(1)～式(3)可知，当TEWI一定时，DE越低，IE越高，系统能耗越高，在同一地区的能效越低。计算中1 HP变频空调器，DE由低到高依次为R290系统、R22系统、R410A系统，因此出现图3所示的结果。

由图3还可知，3种制冷剂系统之间的APF差值随着TEWI的增大而减小。根据式(3)，APF可以表示为：

(4)

式中：ATL为全年总负荷，kW·h。

对于同一地区相同TEWI下，制冷剂1与制冷剂2系统之间的APF差值为：

(5)

由式(1)可知，在TEWI相等时，对于制冷剂1与制冷剂2系统有：

DE1-DE2=IE2-IE1

(6)

故式(5)可以写为：

(7)

图3中，随着TEWI的增大，3种制冷剂系统各自的DE不变，故两者的DE差值为定值。

DE1-DE2=Const

(8)

因此式(7)中的分子项保持不变，但3种制冷剂系统各自的IE随着TEWI的增大而增大，即式(7)中分母项增大，所以同一地区、相同TEWI下R22、R290和R410A系统之间的ΔAPF随着TEWI的增大而减小。综上所述，随着变频空调器对环境影响的增大，DE相对于IE越来越小，对IE的影响也越来越小，最终可忽略不计。

图4所示为当TEWI不同时，1 HP变频空调器国标APF随制冷剂种类的变化，其变化趋势和规律与图3一致，原因是两者之间仅运行时间曲线数据不同。

图4 1 HP变频空调器国标APF随制冷剂种类的变化Fig.4 Standard APF of 1 HP inverter air conditioner changes with different refrigenrants

由式(1)～式(3)可知，运行时间曲线的不同会使ATL及Eann不同，但3种不同制冷剂系统之间的APF变化趋势一致。但由于运行时间曲线不同，导致图4和图3中的数据对比没有意义，并不一定满足ΔAPF随着TEWI的增大而减小这一规律。根据式(7)得出理论结果与国标结果对比时的APF差值变化：

(9)

由于任一地区的国标运行时间曲线总时间均远小于理论时间曲线总时间，因此两者在同一地区的全年总负荷的关系为：

(10)

由式(9)可知，对比图3与图4，ΔAPF不能由TEWI大小直接得出，需要结合式(10)具体分析。

图5所示为当TEWI不同时，1.5 HP变频空调器理论/国标APF随制冷剂种类的变化。由图5可知，与1 HP变频空调器相比，相似之处在于同一地区、相同TEWI下R22、R290和R410A制冷剂系统之间的ΔAPF随着TEWI的增大而减小；不同之处在于相同TEWI下APF由高到低依次为R22系统、R410A系统、R290系统。原因是1.5 HP变频空调器的DE由低到高依次为R290系统、R410A系统、R22系统。

图5 1.5 HP变频空调器理论/国标APF随制冷剂种类的变化Fig.5 Theoretical/Standard APF of 1.5 HP inverter air conditioner changes with different refrigenrants

图6所示为2 HP的变频空调器理论/国标APF随制冷剂种类的变化。由图6可知，APF的变化规律与1 HP机一致。R290变频空调器的APF与R22和R410A系统的差值分别为0.57和0.59。

图6 2 HP变频空调器理论/国标APF随制冷剂种类的变化Fig.6 Theoretical/Standard APF of 2 HP inverter air conditioner changes with different refrigenrants

3 结论

本文以理论选取和国标规定的两组运行时间曲线数据为基础，研究了不同制冷量的变频空调器在相同环境影响、不同制冷剂种类下所产生的APF差值，得到如下结论：

1)当TEWI相同、制冷量不同时，R22、R410A变频空调器的APF均较接近，相对大小需根据具体空调器参数而定；R290变频空调器的APF明显小于R22与R410A系统，最大差值分别为0.57和0.59(2 HP机国标运行时间曲线的结果)；R22、R410A、R290 3种制冷剂系统ΔAPF随着TEWI的减小而增大，即3种制冷剂系统自身的APF越大，相同TEWI下，ΔAPF越大。

2)目前所有制冷剂系统的变频空调器均采用一套能效标准系列值是不合理的。能效标准应当以尽可能减小环境影响为最终目标，并在此前提下充分考虑制冷剂自身的直接影响和制冷系统的间接影响，最终得出不同种类制冷剂对应的最优能效标准系列值。对于环境友好性优良的制冷剂可以采用时间阶梯式的能效标准系列值，即在初期适当降低能效标准值，推动其应用与发展，待技术较为成熟时再逐步提高其能效标准。