学术咨询服务正当时学报期刊咨询网是专业的学术咨询服务平台！
发布时间：2022-05-09 11:09所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次
摘 要 制冷空调行业对产品能效的要求日益提升,产品试验装置的能耗也逐渐受到关注。制冷空调产品试验装置有不同的类型,实际应用中也存在各种差别,对其能耗进行分析和评价有一定的复杂性。文章通过分析讨论能耗系数作为制冷空调试验装置能耗评估指标所受到的各种影响
摘 要 制冷空调行业对产品能效的要求日益提升,产品试验装置的能耗也逐渐受到关注。制冷空调产品试验装置有不同的类型,实际应用中也存在各种差别,对其能耗进行分析和评价有一定的复杂性。文章通过分析讨论能耗系数作为制冷空调试验装置能耗评估指标所受到的各种影响因素,用实测数据对比阐述了其变化趋势和适用性,认为能耗系数在特定的应用条件下可以作为评价制冷空调试验装置能耗水平的有效指标。
关键词 空调;试验装置;能耗系数
近年来,制冷空调行业在我国蓬勃发展,以工商用制冷空调为例,到2020年底参与市场竞争的企业接近1200家,连续5年呈增长趋势,全年度累计营业总收入超过2500亿元[1]。2019年6月,国家发展和改革委员会等7部委印发《绿色高效制冷行动方案》,明确提出了2030年行业节能减排方面发展的指导思想和目标任务[2]。随着我国“十四五”规划的部署,各行各业都积极在碳达峰、碳中和方向寻找新的机遇;制冷空调相关企业在设备能效提升,环保制冷剂替代,零部件技术开发等方面也开展了广泛的研究和尝试。
新产品和新技术的开发离不开试验验证环节,空调性能试验室是空调企业的重点用电单位,其耗电约占企业用电量的20%左右[3]。因此,制冷空调试验装置的能耗越来越受到行业的重视。事实上,在过去的十几年里,空调行业对试验装置的能耗进行了不少分析和研究,并发现了其中巨大的节能潜力。唐峥等[4]对空调焓差测试中设备投入总能耗进行分析,通过对试验装置进行节能改造使典型测试的能耗降低近50%。郝颖磊等[5]针对冷水机组不同的性能测试装置,提出了8套节能方案,为实现最大限度节能提供了参考。
杨强等[6]指出空调试验装置通过热回收方式可以有效减少电加热作为热源和冷却塔向大气排放热量,使某大型焓差试验室年度节电20kWh。由于制冷空调试验装置种类和方法较多,如何使用统一的指标分析同类试验装置的能源利用,进而对比不同试验装置和方法的能耗水平,需要不同角度来探讨和验证。本文在刘效德等[7]提出的电能消耗指数的基础上,进一步分析影响试验装置能耗系数的因素,讨论其在应用中的复杂性和适用性,以期为制冷空调试验装置能耗分析和评价在行业应用推广起到借鉴作用。
1 制冷空调试验装置
众所周知,制冷空调试验装置就是通过模拟空调产品使用侧和冷(热)源侧的不同工况对产品性能进行评估的。根据空调产品的分类和应用形式的不同,制冷空调产品的试验装置大致可以分为“风—风”系 统,“风—水”系 统,“水—风”系 统,“水—水”系统4个类别。这几类试验装置的特点各有差异,能耗组成也有所不同。
1.1 “风—风”系统使用侧和源侧都是与空气进行热交换的空调产品属于“风—风”系统,大部分家用空调和单元式空气调节器都属于这一类。测试这类空调产品需要两个独立控制温湿度的环境间,分别模拟建筑物室内和室外的环境工况。通 常情况下,室 内 侧 和 室 外 侧 的 冷 热 负 荷 相 反,两 者之间可通过热回 收 来 实 现 节 能,可 称 之 为“异 侧热回收”,这种热 回 收 可 以 通 过 制 冷 剂 侧 在 室 内外环境之 间 进 行[8],也 可 以 利 用 空 空 热 交 换 器,直接进行热回收[9]。此外,有些试验装置采用再热盘管替代 电 加 热 在 室 内 侧 或 室 外 侧 内 部 进 行热回收,可称之为”同 侧 热 回 收”,也 能 达 到 较 好的节能效果[10-11]。
1.2 “水—风”系统源侧以水或其他类似介质作为载冷剂的空气调节器可以称之为“水—风”系统。这类产品的测试只需要一个模拟室内工况的环境间,另外需要一个恒温水箱和配套调节水温的装置(图2)。环境间所需要的设备与测试“风—风”系统试验装置的室内 侧 完 全 一 样。其 能 耗 的 组 成 包 括 压 冷 机组、冷却塔、循环水泵、循环风机、加热/加湿装置、风量测试静压箱中的引风机等。与“风—风”系统试验装置类似,也可通过热回收的方式减少测试能耗,例如 在 制 冷 工 况 测 试 时,把 恒 温 水 箱 的 热量,通过表冷器与室内侧回风进行热交换,减少甚至完全替代电加热的使用。
1.3 “风—水”系统风冷冷水(热泵)机组的源侧是用空气作为冷(热)源的空调,而使用侧是水或类似介质作为载冷剂,这类系统属于 “风—水”系 统。测 试 “风—水”系统的试验装置与“水—风”系统在原理上刚好相反,相当于在“风—风”系统测试装置的室外侧增加一个恒温水系统。根据空调的实际应用,源侧需要调节的环境工况比使用侧水温调节的幅度大得多,对环境间设备的调节能力,保温性能要求也更高。其能耗来源与“水—风”系统几乎完全一样,只是没有了风量测试静压箱的功耗。
1.4 “水—水”系统使用侧和源侧都用水或类似介质作为载冷剂的空调产品属于水冷冷水(热泵)机组,可称之为“水—水”系统。测试这类系统需要两个可以提供测试工况的恒温水箱及配套的调节系统,如图4所示。其能耗主要来源于为恒温水箱提供工况调节的压冷机组,电加热装置,循环水泵,冷(热)源塔等。由于这类产品的制冷量通常非常大,测试过程中在使用侧和源侧产生的冷、热负荷也非常高,通过“混水”方式来降低设备能耗投入很必要,而且与前面3种测试装置比较,“水—水”系统试验装置进行热回收相对投入小,收益大。
2 能耗分析和评价方法讨论
空调产品测试过程中的能耗是由被测试机组自身运行的能耗和为提供特定测试工况所投入设备的能耗两部分组成,被测试机组的能耗高低是空调测试考核的目的之一,该能耗客观存在,且对于同一个产品在相同工况下基本恒定。而测试设备的能耗则根据试验装置设计的不同,所处环境的差异,装置老化程度等因素会有很大的差异,不同试验室在同一工况下测试同一个空调产品所消耗的能源也不尽相同。能耗系数是一个能够为空调试验装置的能耗分析和评价提供量化考核的指标依据。
2.1 能耗系数及其影响因素能耗系数的定义是试验装置设备总能耗与被测试机组能耗的比值。比值越小,说明为了满足指定产品的试验目的所消耗的能源越少,试验装置越节能,反之则能耗大,不节能。
2.1.1 不同类型空调系统
根据前面章节的介绍,不同类型空调系统所需要的试验装置和投入的设备差异较大,其能耗系数自然也不应该放在一起评估。表1中是上述4种典型试验装置在环境条件比较接近的条件下,进行额定制冷工况测试时能耗系数的比较。为了比较不同类型试验装置的差异,数据使用相对值进行处理,即以“水—风”类型系统为基准值1,其他类型测试能耗系数转换为相对值,以便于进行对比(下同)。“风—水”和“水—水”试验装置多为测试冷水机组,采用了热回收方式节能,能耗系数相对较低;“水—风”和“风—风”试验装置多为测试单元机,没有热回收,能耗系数相对较高,说明热回收 对 试 验 装 置 节 能 的 作 用 是 很 明 显 的。此外,“风—风”试验装置需要两个环境间,漏风漏热相对较多,因此能耗系数相对最高。
2.1.2 空调测试工况的变化
由于空调产品在实际应用中需要满足不同应用,不同季节的环境条件,为了验证空调在各个工况下都能可靠运行,也需要在不同的环境工况下进行试验,而试验装置为了提供不同的测试工况需要投入的能耗也会有很大差别。图5为一台风冷冷水机组在不同制冷工况下能耗系数的差异,当额定工况能耗系数为1.0时,4个边界工况的能耗系数在0.7~2.0区间变化。
2.1.3 被测机与试验装置能力的匹配
通常试验装置的设计能力可以满足一定制冷量范围内的空调产品测试,试验室为了提高试验装置的使用范围减少重复投资会倾向于把能力范围做大。例如一个设计能力600冷吨的水冷冷水机组试验装置,在测试150冷吨和450冷吨机组时的能耗系数有超过30%的差异。通常,被测机组的能力越接近试验装置设计测试能力,能耗系数越小;被测机能力越小,能耗系数反而越大,即“大马拉小车”现象,从能源投入的角度讲是不经济的。
2.1.4 天气环境的影响
空调试验装置需要为被测机组提供的环境,最终需要把自然环境作为冷源或热源,而最常用的都是与大气换热。因而,天气环境的差异也对试验装置的能耗系数有很大影响(以相对恒温的水和土壤做冷热源的除外)。图 6 是一个典型的“水—水”试验装置在测试名义制冷工况下能耗系数随环境湿球温度的变化,当湿球温度超过26℃时,通常需要开启压冷机组才能稳定测试工况,因此能耗系数在26℃左右有比较明显的变化。
2.2 试验装置能耗评价的复杂性
如前文介绍,空调试验装置的原理并不复杂,但实现同样的测试功能的方法多种多样,这也导致同类试验装置的能耗组成千差万别。同时,试验装置的建造需要考虑的因素很多,也有不少制约条件,这些都会让空调试验装置能耗的评价变得比较复杂。
2.2.1 试验室功能的差异化空调试 验 室 从 使 用 的 侧 重 点 可 以 分 为 两 大类,一类是以产品检验和认证为主,如大多数的第三方检验检测机构所属的试验室,另一类是以产品研究开发为主,主要是企业和科研机构所属的试验室。研发类试验室为了达到各种恶劣极限测试工况,往往配备较大能力的压冷机组,从而导致在额定工况测试时产生冗余的制冷量且必须由电加热或蒸 汽 加 热 来 “对 冲”以 达 到 需 要 的 测 试 条件。而检 验 认 证 试 验 室 通 常 以 测 试 额 定 工 况 为主,设备 能 力 可 以 适 当 优 化 来 避 免 “对 冲”损 失。表3数据显示有“对冲”损失的试验装置测试同样的机组要“浪费”近30%的能量。
2.2.2 试验装置的经济性试验室在投建空调试验装置的时候,需要考虑初投资和运行成本等综合因素,一些已经被普遍认可的节能技术,如变频调节,热回收[12],集中式冷(热)源[13]等,在建造时会增加额外的投资,而对现有试验装置的节能改造也会考虑投入成本和回报周期等因素。以“风—风”试验装置为例,变频改造可以使能耗系数下降24%(表4),即使试验室持续进行额定制冷工况测试,其投资回报周期也需要8~10个月,对于研发类试验室由于额定工况测试占比较小,回报周期将更长。
2.2.3 能源种类的多样化
空调试验装置的测试原理是基本相同的,但实现的方式可以有多种多样。从能源消耗的角度看可能会涉及到多种能源的使用和相互转换,这跟试验室当地的能源供给,价格结构和试验室规模等方面都有关系。如很多空调试验装置中会使用蒸汽作为热源,也可以使用更为普遍的电加热作为热源来调节需要的测试工况。以一个“风—风”试验装置为例,使用蒸汽热源调节温度比电加热能耗系数高15%(蒸汽管损),如果试验室所在地的管道蒸汽价格更有优势,也可以成为试验室的首选。
2.3 试验装置能耗评价的适用性
虽然能耗系数用来对空调试验装置能耗评价具有上述的复杂性,想要全面评估能耗水平或者试验装置综合经济性并不简单;但是作为一个可以相对客观,在某些特定条件下来评估或对比试验装置耗能情况的参数,具有现实指导意义。随着行业的发展,空调企业对产品研发的投入不断增加,同时也促进了新建试验装置的需求。过去在设计 和 建 造 试 验 装 置 的 技 术 要 求 中,更 注重功能的实现,初投资的费用控制;比较少去量化考核运行成本,尤其是能源成本,而试验装置的验收标准自然也不会考虑系统的能耗水平。
能耗系数可以为空调试验装置在验收过程中提供一定的能效参考,试 验 室 可 以 在 设 计 技 术 要 求 中 明 确 提出能效要求,在不同工况下都满足能耗要求,作为工程验收 的 条 件 之 一。与 此 同 时,在 国 家 大 力 倡导节能减排 的 大 背 景 下,空 调 产 品 在 能 效 方 面 的要求越来高,与 之 相 对 应 的 空 调 试 验 装 置 能 效 也会越来越受 到 重 视,会 在 一 定 程 度 上 促 使 相 关 试验室对高耗能,低能效的试验装置进行节能改造。如何评估节能改造的效果是否到达预定目标,如何验证改造项目的投资回报预期,利用能耗系数也可以为量化考核提供依据。从而在行业内类似的试验室之间,对比相同类型的试验装置在节能方面的不同表现。
3 结束语
本文通过对制冷空调试验装置的能耗组成进行分析,并研究了典型空调机组和不同测试工况下的实际测试结果对比,得出了以下结论:1)能耗系数———测试设备投入总能耗与被测试机组总能耗之比,在特定的产品类型、测试工况等条件下,可以作为衡量制冷空调试验装置的能耗评价指标。2)不同产品类型的试验装置能耗系数差异较大,“风—风”试验装置在额定工况下能耗系数可能超过10,“水—水”试验装置可以低至0.3左右。
3)测 试 工 况 对 能 耗 系 数 也 有 较 大 影 响,以“风—水”产品类型为例,极限工况的能耗系数最多可能达到额定工况的2倍。4)同一个试验装置,测试额定制冷量达到试验装置能力75%的机组和25%的机组,能耗系数的差异可能超过30%。综上所述,全面评价制冷空调试验装置的能耗水平具有一定的复杂性,本文探讨了能耗系数的影响因素,以及试验室在考虑能耗系数评价时,在差异化、经济性和能源结构等方面所处的客观条件。本文的讨论在很多方面还有待完善,如能耗系数在各种影响因素变化时(如环境温度)是否可以进行一定的修正,以便使其结果更科学有效等。在整个行业大力提倡节能减排的背景下,相信对空调试验装置能耗评价的讨论会越来越成熟。
参 考 文 献
[1] 中国制冷空 调 工 业 协 会 信 息 部.中 国 制 冷 空 调 行 业2020年 度 报 告 [R].北 京:中 国 制 冷 空 调 工 业 协会,2021.
[2] 中国制冷空调工业协会信息部.2019中国制冷空调产业发展白皮书[R].北京:中国制冷空调工业协会,产业在线,2020(3):13.
[3] 卜康太.空调器性能实验室节能分析与研究[J].家电科技,2008(21):18-20.
[4] 唐峥,罗祥坤,邓本峥.焓差试验室的节能研究及应用[J].制冷,2018,37(1):1-5.[
5] 郝颖磊,张秀平,张朝辉,等.如何实现冷水机组性能试验装置 最 大 限 度 的 节 能[J].制 冷 与 空 调,2006,6(1):101-104.
[6] 杨强,徐昭炜,吕伟华,等.大型焓差实验室利用高温热泵回收冷凝热工程实例分析[J].暖通空调,2016,46(003):70-74.
[7] 刘效德,郭洪飞,路阳,等.制冷空调产品性能测试实验室电能消耗分析及节能管理研究[J].制冷与空调,2021(2):68-72.
作者：陈旭 路阳 刘亮 张维加
转载请注明来源。原文地址：http://www.xuebaoqk.com/xblw/7545.html
《浅谈制冷空调试验装置能耗的分析与评价》