“集成智能通风与光伏的超高效空调器”实现节能80%—全球制冷技术创新大奖赛获胜项目

杨子旭 崔梦迪 肖寒松 赵家安 王宝龙 石文星 张有林 庄嵘 梁祥飞 李欣

1. 清华大学建筑技术科学系 北京 100084；

2. 珠海格力电器股份有限公司制冷技术研究院 广东珠海 519000

1 研究背景

近年来，人们对舒适制冷的需求不断增长，据分析，2050年全球房间空调器的总使用量将超过45亿台，达到目前的4倍，其能源消耗将超过全球总能耗的10%[1]，这将给全球的能耗问题及落实巴黎协议、《蒙特利尔协议书》[3,4]、基加利修正案[4]带来重大负担。除了通过建造高质量建筑及采用智能运营方案减少制冷负荷外，研发制造高效的空调器产品是实现室内舒适且降低碳排放的必要手段。

研究表明，只有空调器的碳排放量下降80%才能抵消新增空调器导致的电量需求增长，即只能通过大幅度降低空调器的电能用量和使用全球变暖潜能值（GWP）更低的制冷剂，才能实现巴黎协议的目标。为此，由Mission Innovation、落基山研究所（RMI）和印度政府等共同发起了全球制冷技术创新大奖赛，旨在探索制冷行业的突破性创新技术，为人类寻求气候友好型制冷解决方案。

大奖赛以未来空调器主要市场之一的印度为背景，旨在研发气候影响（同时考虑电网能耗与制冷剂全球变暖潜能值GWP）降低当前空调器基准水平80%的住宅制冷解决方案，并且要求量产规模下的成本不能超过当前市场常见机型的2倍以保证产品的可支付性。比赛定义的基准产品和对创新技术的要求如表1所示。

表1 房间空调器基准产品性能以及对创新技术的要求

竞赛分为初赛及决赛两个阶段，其日程如图1所示。在初赛阶段，要求参赛队伍提交详细技术方案及模拟结果，并从全球参赛团队中优选8支队伍进入决赛；在决赛阶段，需依据初赛方案研发产品样机，并在印度进行制冷季节能效比（ISEER）测试、10天典型气象日实验室测试以及实际现场运行测试。

图1 竞赛安排及流程

最终，格力电器-清华大学团队（GREEarTH团队）和日本大金空调-日建设计团队从全球近百个国家2100多支参赛团队中脱颖而出，实现了气候影响降低80%以上，成为最终获胜者。本文将介绍GREEarTH团队研发的“集成智能通风与光伏的超高效空调器”的技术方案、模拟分析及实测结果。

2 技术方案

2.1 设计理念

GREEarTH团队基于印度气象特征，以大赛气候影响降低80%和经济成本不超过2倍为目标，在最大运行功率和耗水量等约束条件下，确定了如下设计理念：1）基于使用地区的气候特征，构建高效蒸气压缩制冷循环与蒸发冷却新风装置的复合空调器，将自然能源作为调控手段，根据室外逐时气象参数制定通风控制策略，实现通风、降温、除湿功能；2）采用环保制冷剂R152a，构建基于双蒸发器、双冷凝器的梯级冷却补气高效制冷循环系统，研发并行三缸转子压缩机、蒸发式冷凝器等关键部件，提升空调器的制冷季节能效比；3）通过光伏直驱与市电耦合控制技术，减少市电用量。

2.2 系统方案

根据设计理念，团队研发的集成智能通风与光伏的超高效空调器如图2所示，主要包括以下四部分：

图2 集成智能通风与光伏的超高效空调器原理图

（1）梯级冷却补气高效蒸气压缩制冷系统。构建基于双蒸发器、双冷凝器梯级补气高效制冷循环系统，在该制冷循环中，经并行三缸转子压缩机的高温高压制冷剂以相同排气压力分别进入翅片管冷凝器及微通道冷凝器，在室外冷凝器冷凝放热后，经初级节流进入闪发罐，被闪发出的气态制冷剂进入压缩机小缸，另一部分液态制冷剂经不同阻力的节流装置，分别进入高温蒸发器及低温蒸发器，实现与室内空气的梯级换热，其中高温蒸发器主要处理显热、低温蒸发器还需处理潜热，制冷剂吸热气化后，分别进入压缩机吸气缸，其制冷剂流程参见图3。

图3 制冷工作压焓原理图

（2）蒸发冷却新风系统。除常规机械制冷的蒸气压缩制冷循环外，超高效空调器还包括带有蒸发冷却喷淋装置的新风机，通过引入室外新风共同调节室内的温湿度。根据室内、外空气的状态制定控制策略，如图4所示，其基本思想是：

图4 新风运行焓湿图

①I区：当室外温湿度分别低于室内温湿度，且能处理室内负荷，采用直接通风模式，将室外新风通过新风机送入室内；

②II区：室外温度高于室内温度，而室外湿度和焓分别低于室内湿度和焓时，或位于一区通风机最高速运行，室内温度不能达到设定温度，采用蒸发冷却通风模式；

③III区：室外焓高于室内焓，而室外湿度低于室内湿度时，当通风模式更节能（显热负荷增加而潜热负荷降低，而处理显热耗电量低于潜热），启动通风模式。

④IV区：当以上条件均不满足，室内存在负荷将完全依靠机械制冷处理。

（3）光伏直驱系统。技术方案采用光伏发电板及光伏直驱多电源耦合供电技术，实现空调器用电同时产生电能，从用能侧直接降低机组能耗。

（4）自动控制系统。为实现光伏直驱，技术方案采用直流/交流协调装置，以从电网用电和太阳能发电驱动压缩机运转；此外，为实现室内温湿度精确控制，系统还采用了人工智能运行节能控制技术等多种控制方式。

此外，本系统采用零ODP、GWP=138的R152a制冷剂，不仅从用电量上实现了降低碳排放、同时有效削减了HFCs的使用，也实现了节能减排。

3 结果分析

根据系统设计原理及系统全年模拟仿真，GREEarTH团队提交的技术方案通过了组委会评审并进入最终决赛。在进入决赛后，研究团队研发了相应的产品样机，并由组委会技术部门进行ISEER测试、10天典型气象日实验室测试以及31天实际现场运行测试。

3.1 初赛模拟分析

初赛模拟得到的全年耗电量为585 kW•h，相较于基准样机年耗电量下降80.3%。其中，压缩机能耗占整个系统能耗的79.8%，而包括新风风机及室内外风机在内的动力装置能耗占所有能耗的20.0%。系统采用R152a作为超高效空调器的制冷剂，并采用超铝质微通道换热器将用作冷凝器，以减少制冷剂的加注量和材料成本。R152a的GWP=138，因此，与基准制冷剂R22相比，全球变暖潜能值将下降92.2%，综合节能79.8%，其气候影响达到了降低83.2%（=81%×80% +92.2%×20%）的竞赛目标。

竞赛要求的总安装成本为1092美元，但其中仅40%为原材料成本，其余60%作为安装、人工费等计入，因此，可用成本为437美元。其中，主要部件为压缩机（球墨铸铁、硅钢片、铜线和冷冻油等）、换热器（铜管、铜铝片等）、风机、太阳能光伏板及支架等，计算得到的总材料成本为424.1美元，总安装成本为1060.3美元，满足竞赛经济性2X的要求。需要说明的是，该成本为生产规模超过10万台时的材料成本，因此该数据并不具有代表性。

初赛其他指标对应结果、对应基准样机及竞赛要求被整理为表2。

表2 初赛结果对应基准样机及竞赛要求情况

3.2 决赛性能测试

（1）制冷季节能效比ISEER

对超高效空调器按照ISO 16358[5]、IS 1391[6]进行测试，其中，额定制冷能效比为6.28、中间制冷能效比达到9.32（注：数据基于团队对全新样机测试结果）。按照印度标准 IS 1391[6]计算的ISEER达到8.43，高于基准样机（ISEER=3.5）110.7%。需要说明的是，由于IS 1391标准在测试ISEER时的额定和1/2能力工况均在室外温度为35℃且不进入光伏电能条件下测试，因此直接新风、蒸发冷却新风等模式的节能优势均不能得以体现。此外，印度标准中的室外高温工况时间占比较大（如图5所示），因此，其季节能效比计算值相比中国标准的计算值（依据GB 21455-2013标准[7]，其SEER=8.54）更低。

图5 不同标准温度发生小时数比例

（2）10天典型气象日实验室测试

典型日实验室测试是决赛最重要的环节，其将印度新德里的气象综合为10天的工况，通过加权计算超高效空调器全年运行的能耗。典型日工况测试的方法是：两个相邻的实验室分别作为被测超高效空调器的室外侧及室内侧（焓差室），其中室外侧可以用空气调节机组调节温湿度，用以模拟室外工况；室内侧放置电热器、加湿器，用以模拟由围护结构、新风、室内照明设备人员产生的显热及潜热负荷。最终得到的折合全年耗电量为746.2 kW•h，耗电量相比基准样机（基准样机的实测折合年耗电量为4338 kW•h）降低82.8%。图6给出了实验室测试的日耗电量与耗水量。

图 6 实验室测试的日耗电量与耗水量

（3）实际现场运行测试

空调器在印度新德里某真实房间进行了为期31天的测试（2020.10.1—2020.10.31），如图7所示。可以看到，机组的逐时功率不超过700 W，尤其在10月17日之后，由于室外干湿球温度都有所降低、尤其室外湿度明显降低，机组有较长时间运行在直接通风、蒸发冷却通风的范围内，计算得到的总耗电量为42.8 kW•h，与实测结果相比其节电量高达89.8%。

图7 实际测试结果

需要说明的是，实验室典型日测试及现场实际测试也满足其他要求。在实验室典型日测试中，室内温湿度超标时间仅为1 h；单日最高耗水量为16.1 L/d，计算年化日均耗水量仅为4.67 L/d；图7中的电网最高功率为633 W（扣除太阳能的发电量），满足竞赛指标的要求；竞赛样机的安装体积、零碳材料等也均满足要求。图8还给出了现场测试的安装情况。

图8 现场实际测试的安装效果图

根据竞赛评比规则，10天典型气象日实验室测试与实际现场运行测试权重分别为0.8615及0.1835[8]，因此计算得到的综合节电量为84.1%，考虑到环保制冷剂R152a的使用，折合碳排放降低达到85.7%。

4 结论与展望

根据全球制冷技术创新大奖赛的要求，针对印度新德里室外气象特征，提出了集成智能通风与光伏的超高效空调器技术方案，并研发出空调器样机，取得了显著的环保效应和节能减排效果。

（1）超高效空调器包括梯级冷却补气制冷循环、蒸发冷却新风系统、光伏直驱技术和自动控制系统四部分。其双蒸发器、双冷凝器的制冷循环，分别主要处理显热和潜热，降低系统压比、提升机组能效。

（2）模拟得到的全年用电量为585 kW•h，与基准样机相比节电80.2%，气候影响降低83.2%，实现大赛目标。

（3）研发超高效空调器样机，实测ISEER达到8.43，在模拟全年气候特征的10天典型气象日实验室测试中，总节电量达到82.8%；31天实际运行测试中，在稳定控制室内温湿度条件下，节电量达到89.8%。样机的综合节电率为84.1%，折合碳排放降低85.7%。

住宅空调是居住建筑的主要空调采暖设备，也是建筑的碳排放大户。我国是世界上最大的房间空调器生产和销售国家，住宅空调一项每年耗能导致的CO2排放量就达到约1.1亿吨，而空调所使用的HFCs和HCFCs制冷剂泄漏年均碳排放量也超过了约0.5亿吨。推广超高效节能空调器，将有效推动住宅空调的节能减排；同时，空调器主动适应与利用可再生能源，将建筑、空调与蓄能有机结合，将为住宅建筑“碳中和”目标的实现做出应有的贡献。