开空调一晚大概多少钱 ?

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作者 / 微醺的工程狗

干货较多,为了节省小伙伴们的时间,还是先说结论:

耗电量多少取决于很多因素,例如墙体保温,外界气温,新风风量,空调能效比等等。

维持其他条件不变,变频空调比定频空调省电许多,因为空调在实际运行中长期处于中低频,而热泵的原理决定了空调在低频下能效比会极大的提高。

以成都夏天的气候,普通保温,较大新风量,一晚(晚 11 点至次日早晨 7 点,共 8 个小时)只消耗一度电是很常见的情况。

结合夜间峰谷电优惠,抵消三档电价,电费按 0.5 元 / 度计算,一晚耗电约五毛钱~

如果再加上空调折旧费,空调寿命按 10 年计,每年开 180 天,共 1800 天,空调售价按 2400 元计,那么一天就是 1.33 元的样子,一晚约 0.45 元,加上电费,就是 1 元左右~

然后可以开始正文了

首先,虽然是老生常谈了,但是还是用空调原理来开头,因为不懂这个的话,下面的具体分析和计算就更不好理解了~ 熟悉制冷循环的大佬可以直接跳过了~

空调运行的是一个经典的逆卡诺循环,由于物质的沸点通常与压力成正比,通过控制压力的变化使制冷剂在不同温度下进行气液相变达到从低温搬运热量到高温的目的。详细循环如下图:

(图片来自百度)

压缩机:它吸入低温低压气体,挤压气体,对气体做功,使其往高压区移动,气体压力升高。假设压缩机不与外界热交换,据热力学第一定律,内能增加等于传热和做功的和,这里没有传热,但是有做功,因此内能增加,温度升高。因此压缩机输出高温高压气体。

冷凝(换热)器:在高压下,气体沸点升高,高于外界温度,高温高压气体流经冷凝器时与外界空气换热,空气温度升高,气态制冷剂温度降至沸点,并被进一步冷凝成液体。冷凝器输出中温高压液体。

膨胀器:膨胀器消耗高压液体的压力,使其减压,液体压力突降,沸点降低,部分液体气化,气化带走热量使系统降温,直至温度降低至该压力下对应的沸点。膨胀器输出低温低压气液混合物。

蒸发(换热)器:室内空气的温度高于膨胀器输出的气液混合物沸点,室内空气通过蒸发器加热气液混合物,使其完全蒸发为气体,室内空气降温。蒸发器输出低温低压气体。低温低压气体又被压缩机吸入,完成一个循环。

这个循环在各个帖子里已经出现无数次了,耳朵都听出茧了,这次我们来看看怎么把数据带进循环里面,模拟实际工作时的空调状态和能耗情况。

保持我们要讨论先假设的习惯,先来最简单的理想状态,假设条件走起来:

1. 压缩机为等熵压缩机,效率 100%

2. 忽略管路和换热器阻力

3. 膨胀器为可逆等熵膨胀机(此处与家用空调差别较大,家用的均为不可逆等焓膨胀)

4. 除蒸发器与冷凝器外其余部件均不与外界发生热交换

5. 冷凝器刚好将气态制冷剂全部冷凝,制冷剂在冷凝器出口温度等于外界空气温度,为 35℃

6. 蒸发器刚好将液态制冷剂全部蒸发,制冷剂在蒸发器出口温度等于室内空气温度,为 25℃

以上就构成了一个完美的逆卡诺循环,可以用理想卡诺循环效率公式来计算:

Tc – 蒸发温度,单位 K

Th – 冷凝温度,单位 K

计算可得理想效率为 29.815,就是说,2500w 制冷量(约等于 1 匹空调)在完美状态下,只需要消耗 84w 电力,基本和一个大风扇差不多,可以说相当因吹斯听了。

从这个公式也可以看到,理想效率只和蒸发温度与冷凝温度有关,蒸发温度越低,蒸发冷凝温差越大,效率越低。如果空调在极端寒冷气候条件下制热,我们重新设定假设 5 和 6,来看看效率如何变化:

· 冷凝器刚好将气态制冷剂全部冷凝,制冷剂在冷凝器出口温度等于室内空气温度,为 25℃

· 蒸发器刚好将液态制冷剂全部蒸发,制冷剂在蒸发器出口温度等于外界空气温度,为 -30℃

计算可得,制冷理想效率为 4.42,加热效率是 5.42,对比常用的制冷工况,极端寒冷的情况下制热对空调是非常不友好了,假如我们需要 2500w 制热量,即使在完美状态下,也需要消耗 461w 电力,比起小温差制冷工况,耗电多了 5 倍多,效率降低了 82%,可以说打击非常惨烈了…

所以那些号称零下三十度不衰减的空调... 你就问他们是不是想挑战热二定律

因此,对于理想情况,我们可以得出结论,控制冷凝器和蒸发器的温度对空调的能效比(省电效果)有决定性影响。

讲完了理想,我们来谈一谈现实

那么,空调是怎么控制冷凝器和蒸发器温度的呢?我们就需要脱离理想,进入现实了,我们重新设置一下假设,让它稍微接近实际情况一些:

1. 压缩机等熵压缩效率 80%

2. 忽略管路和换热器阻力

3. 膨胀器为等焓节流膨胀

4. 除蒸发器与冷凝器外其余部件均不与外界发生热交换

5. 参与换热的空气为干空气,即湿度为 0%

6. 蒸发器刚好将液态制冷剂全部蒸发

7. 室内温度均设置为 25°C 设定三种外界温度:1.极端高温 40°C 2.普通高温 35°C 3.有点热 30°C

8. 采用 R32 作为制冷剂

9. 冷凝器空气流量设定为 1200 立方 / 小时,蒸发器空气流量设定为 600 立方 / 小时

10. 制冷功率设定为 2500w

这里面就涉及到了压缩机,换热器能力和制冷剂性质的计算,想要在一篇帖子里讲清楚是不现实的,而且写了也不会有人看,看了也会有 99% 表示不懂(其实就是懒)… 肿么办呢?上 ASPEN 呗。

ASPEN 是一款化工流程模拟软件,有非常强大的物质热力学数据库,可计算混合物和纯净物的性质,工艺设备模型齐全(包含压缩机,水泵,管道,蒸馏塔,换热器,反应器等等),能自动计算流程的物料和能量平衡,基础应用可模拟工厂的稳态运行,高级应用可以模拟动态系统,自控模拟,自建模型,经济因素也可以写进模型,无论是设计新工艺流程,还是已有工艺的参数优化,都是一把好手。

对于制冷循环这个只有四个设备,两三种物质的简单流程来说,有点杀鸡用牛刀的感觉了,但是建好模型,直接出结果,爽歪歪~

废话不多说,先来试试定频空调,不过在开始之前,还要专门给定频空调加上一些条件:

1. 为使定频空调在高温模式下可以正常制冷,设定制冷剂在冷凝器出口温度为 50°C,由此可知压缩机出口压力为 31.44bar

2. 为使定频空调可以在室内正常制冷,设定制冷剂在蒸发器出口温度为 10°C,由此可知膨胀阀出口压力为 11.057bar

3. 由于没有压缩机的性能曲线,又有定频空调的压缩机转速是定值,且空调压缩机多为容积式,因此作简化处理,设定频机的压缩比为定值,其值为 31.44/12.795=2.843

把这些条件放进模型,我们就可以进行运算了,第一步先模拟极端高温制冷情况,室外空气温度为 40°C。ASPEN 运算结果如下图:

名称解释:

C1 - 压缩机

COND - 冷凝器

V1 - 膨胀器

VAP - 蒸发器

结果显示,需要约 40kg/h 的制冷剂在管道里循环,压缩机消耗功率 0.61kw,室外空气从 40 度升至 48.25 度,室内空气出风温度 12.39 度。ASPEN 简单逆流换热器模拟给出冷凝器换热面积为 0.53949 平方米,蒸发器换热面积为 0.42799 平方米。我们最关心的制冷效率,用蒸发器换热量 2.5kw 除以压缩机消耗功率 0.61kw,得 4.1。

由于空调换热面积一旦固定很难改变,所以将极端制冷情况算出换热器面积带入普通制冷(室外温度 35°C)进行计算,得出结果如下图:

蒸发器换热量还是 2.5kw,压缩机功率降低至 0.52kw,但是蒸发器无法将制冷剂完全蒸发。由于家用空调的压缩机通常不耐受液体,在进入压缩机之前会有气液分离器将液体和气体分开,只留气体在循环内。但是我们的压缩机是一个容积压缩机,转速不变时,总是会在单位时间内输送同等体积的气体,现在由于汽化不完全,气体变少了,送走的体积却是一样的,密度和压力就肯定减小了。因此,重新做一次模拟,调低膨胀器出口压力,使蒸发器刚刚将制冷剂全部蒸发,获得结果如下图:

膨胀阀压差为 19.08bar,与 40°C 工况时的 20.38bar 相差不大,流速变化不大,因此为简便计算,此处忽略压力和密度变化对流量造成的影响。

可以看到压缩机功率依然是 0.61kw,但是制冷量上涨到 2.8634kw,效率 4.69,比极端高温工况高了一丢丢…

按照同样的思路,计算 30°C 工况定频空调的效率:

制冷量提高到 3kw,压缩机功率基本维持 0.61kw,热泵效率提高到 4.92。

三种工况,定频空调计算所得效率在 4.1 至 4.9 之间,在优势工况下,定频空调提升有限。

接下来我们计算变频空调,由于变频空调可以调整压缩机转速,所以压缩机出口的压力可以按需求进行控制,由于制冷剂沸点与压力有一一对应关系,因此可以调整制冷剂沸点和流量,使其在冷凝器内刚刚完成冷凝,因此我们可以做以下假设:

1. 换热器换热面积同定频机,冷凝器换热面积为 0.53949 平方米,蒸发器换热面积为 0.42799 平方米

2. 冷凝器刚好将气态制冷剂全部冷凝

3. 制冷剂流量可以任意变化

4. 膨胀压力保持在 11.057bar

5. 变频器效率为 100%

6. 压缩机等熵压缩效率为定值 80%

极端高温制冷先走一个:

毫不不意外,与定频的情况几乎完全一样,因为所有条件都和定频时保持一致,微小差别可能是设置换热器面积时精度不够造成的。计算出制冷效率为 4.1。

然后计算室外 35°C 时的制冷情况:

通过调整压力和流量,使冷凝器出口温度最小并刚刚好完成冷凝,计算得制冷量为 1.0241kw,效率为 1.0241/0.1625=6.3,比相同工况下的定频多了 34%,但是功率低很多。也就是说,外界温度为 35°C 时,如果一个房间需要 200kwh 的冷量,定频空调需要耗费 200/4.717=42.4 度电,变频空调只需要 200/6.3=31.7 度电,省电约 25%。

我们再对外界温度为 30°C 时跑一个模拟,结果如图:

制冷量为 1.0596,压缩机功率 0.1338,制冷效率为 7.92,高出 35°C 工况 1.62,省电 20%;高出 40°C 工况 3.82,省电 48%。

在这个模拟中我们只优化了冷凝器温度,实际上可以看到蒸发器出口的制冷剂温度过热程度很高,没有发挥出最佳效果,如果我们调整蒸发器温度让它刚刚能蒸发效果如何呢?一言不合那就跑个模拟呗,以 30°C 工况为基础,模拟结果如下:

能效比提高到了惊人的 13.9,高出 30°C 普通工况 6,省电 43%;高出 35°C 普通工况 7.6,省电 55%;高出 40°C 高温工况 9.8,省电 70%...

至此,我们已经讨论了热泵的效率,但是决定空调整体效率的还有压缩机的效率。理论上它的效率在额定制冷工况下最高,无论压缩机减速或加速偏离额定转速,它的效率都会降低。如果综合热泵效率来看,整机效率随压缩机功率的曲线类似下面这张图:

乱画的看个意思

可以看到整机效率有一个最高值,所以在转速过低时,能效比会降低,因此虽然在低功率运转时理论上热泵的效率达到最高,但如果细看空调说明书的话,空调的最低制冷 / 热的能效比通常会比额定工况还要低很多。

因此,从原理上讲变频空调是可以省电的,但是它与运行时的参数和压缩机低转速下的性能关系密切,一台空调如何在不同的工况下调整至最佳状态就比较考验厂家的水平和良心了。

控制程序和其系统如果能根据换热条件调整出最佳换热状态,那就会比同等硬件的定频省电,如果控制程序不给力,制冷剂温度不能在最佳状态运行,那省电效果就会打折扣,如果控制程序给力,但是关键动作机构,压缩机和膨胀阀配合不给力,那有可能给出完全相反的效果… 当然,如果厂家愿意,也可以通过程序故意把节能效果变差,等到国家标准提高,或是等竞争对手给自己造成威胁时再提高,还有可能给同品牌的换壳高价商品让路… 所以理论上是省的,实际省不省,以及省多少,还要看厂家良心…

--------------- 省不省电最关键的是看能不能值回票价 ---------------

燃鹅,你们以为这就完了么?讨论节能却不讨论经济效益,这个讨论就是大忽悠!如果节能省下的费用不能在使用寿命内赚回当初购买时的差价,那这个节能就是失败的。所以需要综合分析售价和节能效果来对比看看哪些是真节能,哪些是“失败”的节能。

我们在网上看空调时,能够轻松找到的资料是能效标识图,我尝试过搜能效测试的报告,但是几乎没有…建议国家的相关部门能在能效标识网公布测试时的报告,方便小伙伴们查阅。

既然讲到能效标,那必然要讲一讲能效标里的能效测试方法。

对于定频机型,能效比的测试是人为制造一个固定温湿度环境,测试空调在额定功率下的能效比。制冷时,室外温度 35°C 湿度 40.28%,室内 27°C 湿度 46.94% 的环境;制热时,则是室外温度 7°C 湿度 86.82%,室内 20°C 湿度 58.92%。

对于变频机型,同样是人为制造一个固定温湿度环境测能效比,但是功率设置分别为额定制冷功率,中间制冷 / 热功率(大约为额定的一半),额定制热,以及低温制热。除低温制热外,温湿度设置与定频机一样。低温制热设置室外温度 2°C 湿度 83.84%,室内 20°C 湿度 58.92%。

这个设置与我们前面的模拟计算略有区别,不过没关系,模型是现成的,参数改一改,看看在同样条件下,我们这台模拟的空调有什么表现。

先把相对湿度换算成绝对湿度,如下表:

把对应的空气参数输入 ASPEN,计算制冷效果:

定频能效比:4.74

变频能效比:5.538

同样的配置,额定工况下,变频能效比较定频略有提高,增幅约 17%。

中间制冷效果:

因为环境条件不变的情况下,定频机只能通过开关电源来调节负荷,能效比没有变化,所以定频机不需要计算,能效比依然是 4.74。

变频能效比:9.51

在中间制冷工况下,变频机遥遥领先定频机,能效比增幅达 100.6%,翻了一倍…

对于制热工况同理,变频机在中间工况,能效比会涨很多。

因此,对于变频空调,需要使用 APF(全年能源效率)来判断其全年综合能效比。

其计算方法是用不同工况下测得的能效比,乘以规定的全年运行时间百分比。具体百分比如下表:

以工程狗正在使用的一台挂机为例,根据说明书整理出各个工况下的能效比:

中间制冷和中间制热的能效比分别达到了 5.6 和 5.4,而额定制热只有 3.6,额定制冷只有 4.4;在中间工况下工作要比额定工况省电 20%以上。

实际上中间工况还不是能效比的最高点,继续降频能效比还会继续提高,更加省电。

但是使用空调,省电不是目的,最终的目标是要用得舒适,在舒适度上,变频空调比定频空调有质的飞越:

1. 定频空调需要频繁启停来维持低耗能时的室温,因此造成忽高忽低的噪音,是人耳比较敏感的一种变化,你的耳朵能敏锐的捕捉到这种变化,然后让你清醒起来… 建议定频空调以后的设计中,到达设置温度后,即使压缩机停机,风机也不要停,即可改善这种体验。

2. 定频空调使用频繁启停维持温度的方法会造成温度波动较大,启动时吹出的风很凉,之后又无风,然后再吹很凉的风,如此反复,在这样的空间里生活体验自然不佳,容易生病。

因此,以 1 匹机型为例,即使预算有限,也应该优先考虑廉价的 3 级变频空调(1500-2000 元),特别是差价不大(200-300 元)的时候,基本是可以值回票价的,白捡一个变频的舒适性。今年各家几乎都把变频一级能效,甚至超一级能效也做到了 2000 档,而且老款经常有活动,1699 元买 1.5P 一级能效,怎么都值回票价了,因此定频的存在越发没有必要了。

文末小彩蛋

讲了这么多理论,能不能有个实测?

工程狗的空调这段几乎 24 小时都开着,温度设置 25°C。

每天耗电 2.X 至 3.X 度,含白天能效较高的情况,每 8 小时耗电也仅有 1 度电。

所以一个保温正常,新风风量正常,安装没有问题的一级能效空调,夏天一晚消耗一度电是常规表现,既不值得夸耀,也不应该贬低~

来源:知乎

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