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文章编号:1005－0329(2011)03－收稿日期:2010－09－09修稿日期:2011－03－01基金项目:国家科技部支撑课题资助项目(No．2006BAK04A22－3)制冷与热泵产品热力学完善度的原理与实例马一太1，凌泓2(1．天津大学，天津300072;2．上海富田空调冷冻设备有限公司，上海201108)摘要:介绍制冷与热泵产品的热力学完善度的原理和计算方法，比起常规应用的EER或COP性能参数，热力学完善度具有稳定性、可比性、相对性、统计性和合理性等特点，可用于同类产品或相似产品在不同工况下的性能比较。文中给出了热力学完善度的应用实例。关键词:热力学完善度，EER，COP，冷水机组、水源热泵中图分类号:TB61文献标识码:Adoi:10．3969/j．issn．1005－0329．2011．03．016PrincipleandExamplesofThermodynamicPerfectibilityofRefrigerationandHeatPumpProductionMAYi-tai1，LINGHong2(1．TianjinUniversity，Tianjin300072，China2．ShanghaiFutianAirconditioningEquipmentCO．，LTD．，Shanghai201108，China)Abstract:Theprincipleandcalculationofthermodynamicperfectibilityofrefrigerationandheatpumpproductionisintro-duced．ComparingwiththetraditionalperformancessuchasEERandCOP，thermodynamicperfectibilityhasfivefeatures:stabili-ty，comparability，relativity，statisticsandrationality，anditisusefulforperformancecomparisonofsameorsimilarproductionindifferenceworkingconditions．Severaltypicalexamplesarestatedtoo．Keywords:thermodynamicperfectibility;EER;COP;waterchiller;watersourceheatpump1引言20世纪90年代以来，通过与美国、德国、日本等国家相关机构组织和专家的交流互访，了解到国外能效标准的制订与实施活动正在深入进行，取得节约能源、提高产品质量的效果，为中国能效标准的研究提供了许多可供借鉴的经验。而且，随着国内生产企业的升级换代，中国制冷空调产品的研制、生产水平也有了很大提高，为进一步提高能源利用效率、促进节能创造了技术条件。从1995年起，中国标准研究中心、全国能源基础与管理标准化技术委员会陆续开始组织首批能效标准的修订和部分新的用能产品能效标准的制定工作，从此，中国能效标准的研究工作进入了一个稳步发展的阶段，能效标准涉及的产品范围已由家用电器逐步扩展到家用电器、工商用制冷、热泵设备［1，2］。本文提出的性能指标，即热力学完善度(ThermodynamicPerfectibility)。它可以将不同工况下制冷空调设备统一在一个基准上进行比较分析，而且热力学完善度是热力学第二定律效率，它反映的是设备偏离理想状态的程度，此参数可以帮助分析设备提高性能的空间和努力方向，进而提高我国制冷空调设备水平，提高我国制冷空调设备的竞争力。2实际蒸气压缩制冷循环的分析图1给出了从实际的蒸气压缩制冷循环，到理论的蒸气压缩制冷循环，再到理想的劳伦兹循环的分析示意。172011年第39卷第3期流体机械图1蒸气压缩制冷循环分析示意图1中:四边形a'b'c'd'(点划线)是用高低温热源的温度所确定，如水冷式冷水机组名义工况:冷却水温度Th．in/Th．out为30/35℃，冷冻水温度Tl．in/Tl．out为12/7℃。它形成一个变温的理想循环，即认为是劳伦兹循环［3］。矩形abcd(短划线)是上述劳伦兹循环的等价逆卡诺循环，为简化计算，该等价逆卡诺循环高低温热源温度取劳伦兹循环两热源进出口温度的平均值，即Th和Tl，其循环效率按照等价逆卡诺循环计算所得。多边形1234(方点线)是理论的蒸气压缩循环，此时压缩机的效率为100%，节流过程按照等焓过程进行，蒸发过程和冷凝过程均在等压条件下进行。其蒸发温度和冷凝温度与冷热源的温度有关。理论循环是进行热力循环计算的依据。多边形1'2'3'4'(实线)是实际蒸气压缩循环。此循环考虑了压缩机的实际等熵效率，蒸发过程和冷凝过程的压降损失以及膨胀阀的吸热情况，其循环效率按照实验室所规定的测试方法从实际测试中获得。3热力学完善度的计算方法3．1逆卡诺循环高低温热源温度逆卡诺循环高低温热源温度按照式(1)和式(2)计算:Tl=(Tl．in/Tl．out)/2(1)Th=Tl=(Th．in/Th．out)/2(2)3．2制冷工况热力学完善度逆卡诺循环制冷工况能效比EERC按照式(3)计算EERC=TlTh－Tl(3)实际蒸气压缩循环制冷工况下能效比EERr按照规定的测试方法实际测试所得。制冷工况热力学完善度按照式(4)计算ηre=EERrEERC(4)3．3制热工况热力学完善度逆卡诺循环制热工况性能系数COPc按照式(3)～(5)计算COPc=ThTh－Tl(5)实际蒸气压缩循环制热工况下性能系数COPr按照规定的测试方法实际测试所得。制热工况热力学完善度按照式(6)计算ηhp=COPrCOPc(6)4冷水机组的热力学完善度［5，6］如果不考虑冷却塔和室内系统，按冷水机组的外部热源条件，即冷冻水和冷却水的进出口温度进行测量制冷系数。2004年我国相关部门制定了冷水机组的能效标准［4］，根据不同的容量段和5级能效的划分，标准中给出了一个表格。根据这两侧的温度，可以用上述原则计算理想卡诺循环的制冷系数EER=12．28。这样在这个表格中还可按本文给出相应的热力学完善度(参见表1)。表1冷水机组能源效率等级/循环完善度η等级GB19577－2004额定制冷量(CC)kW能效等级12345≤5285．00/0．4074．70/0．3824．40/0．3584．10/0．3343．80/0．309水冷式528～11635．50/0．4485．10/0．4154．70/0．3824．30/0．354．00/0．326＞11636．10/0．55．60/0．4565．10/0．4154．60/0．3754．20/0．342注:水冷式EERc=12．28注意在水冷式的冷水机组中，标准中规定的制冷系数折算的热力学完善度为0．309～0．5，这反映了我国当前冷水机组的技术水平。可以理解为实际循环的用能效率相当于理想循环的三分之27FLUIDMACHINERYVol.39，No.3，2011一到二分之一。5热力学完善度的特性和意义热力学完善度具有如下特性:5．1稳定性对于一台具体的产品，当工况变化不大时，例如热源水的温度变化小于10℃，热力学完善度变化非常小，具有稳定性。分析某公司产品的变工况运行表，热泵机组两器的进出口温度在一定范围内变化，热源水从10℃到19℃，可提供的热水从45℃到60℃，COP变化范围从3．02到4．52为1．5倍，但循环完善度变化较小，基本在0．4～0．46之间，仅变化1．15倍，见表2。这时热力学完善度的差别，主要体现在压缩机的效率随工况而变化(参见图2)，而其它的不可逆因素变化不大。图2不同工况下某些型号螺杆压缩的效率表2某公司水源热泵(最高出水温度60℃)变工况分析COPc/COPr/η热水进/出温度(℃)热源水进/出温度(℃)10/513/515/717/919/1140/459．01/4．08/0．459．42/4．08/0．4310．02/4．24/0．4210．69/4．38/0．4111．47/4．52/0．4045/508．01/3．70/0．468．32/3．70/0．448．78/3．84/0．449．29/3．98/0．439．86/4．11/0．4250/557．23/3．34/0．467．48/3．35/0．457．84/3．48/0．448．24/3．61/0．448．68/3．73/0．4355/606．61/3．02/0．466．81/3．02/0．447．11/3．15/0．447．43/3．26/0．447．78/3．38/0．435．2可比性如果仅知道几台设备的EER或COP，而没有给出是在什么条件下测量的，这些EER或COP之间基本不具有可比性，而热力学完善度因具有稳定性，是可以比较的。这一比较有两种含义，第一种是同一产品不同工况下其热力学完善度趋于一致;第二种是不同产品有相似的运行方式，也可进行比较，例如冷水机组和水源热泵之间。5．3相对性虽然热力学完善度有可比性，但其比较也是相对的。一方面我们可以给出不同的理想循环，如可用无限大热源的卡诺循环，也可以用有限热源的劳伦兹循环，这样得到的热力学完善度不一样，但是只要理想循环确定了，不同水平的热力学完善度的排列次序是不会变的。有时不同的热源条件下得出的热力学完善度是不能直接比较的，一个典型的例子是冷水机组和房间空调之间的热力学完善度不能比较。除去这两种设备的容量差别很大、测试的条件也不一样外，它们的最终目的是不一样的。冷水机组是产生低温冷水，冷水机组EER只包括压缩机功率。房间空调是产生冷风的，它的EER包括压缩机和风机所用的电功。如果是用作室内空调的目的，房间空调器是一步到位的，而冷水机组还要通过其它环节才能达到房间内空调的目的。所以这两者之间的热力学完善度是不能直接比较的，通过一定的换算，例如也将风机、水泵的功率计算在内，才可进行比较。5．4统计性热力学完善度所以能够从理论分析走向实际应用，也在于通过大量产品的数据分析，其数据符合统计学规律。例如，根据大量的数据统计，目前我国的冷热水型水源热泵机组在0～1600kW范围内，EER随制冷量的增加而增加，而制冷量大于1600kW时，EER或COP随制冷量的变化迅速趋缓甚至不变化。因此首先对制冷量在1600kW以内的部分空调厂家的产品的能效比和性能系数数据进行了统计，并对统计数据进行了线性拟合，拟合结果如图3所示。图3水冷式冷水机组能效比统计数据分布及线性拟合分析372011年第39卷第3期流体机械图3的拟合直线的线性函数如下:EER=kQ0+a=0．0059Q0+4．121(7)或η=k1Q0+b=4．8×10－5Q0+0．3356(8)需要说明的是，冷水机组具有代表性。但不只是冷水机组，也包括水源热泵等制冷热泵系统都有类似的规律。线性规律最好的是家用电冰箱，已经用于冰箱的能效标准的制定。5．5合理性热力学完善度的数值，并不是凭空想象或纯理论计算的，它在大量统计规律的基础上，可以经过技术经济分析或生命周期分析而得出最优值。热力学完善度非常高的设备，由于采用了最先进的技术，用了比较多的材料，其造价可能非常高，以至于在它的全部运行时间内所节约的能量价格，抵不上其销售价格的增加。这样，尽管它的热力学完善度很高，并不能形成产品，可能是个概念样机。但不排除若干年后，加工精度的提高和新技术的出现，能源价格的提升，目前没有经济效益的装置，可能走向市场。由于制冷、空调和热泵装置往往是变工况或变容量运行，以适合外界气候变化或负荷的变化。生命周期分析需要用季节能效分析或变容量调节分析，才能得出合理的结果。另外，由于能源价格也是变动的，而制冷、空调和热泵装置的生命周期可能达到20年，所以在分析时要考虑价格变动的因素。6热力学完善度的应用实例6．1实例1两台相同的水源热泵机组，样本工况为标准工况(7℃/15℃，40℃/45℃)样本COP为4．56，经计算热力学完善度是0．450。在工程安装后运行的工况