低能耗家用电冰箱设计及效果研究：土耳其能源节约与减排示范

工程科学与技术，国际期刊23（2020）365完整文章一种低能耗家用电冰箱AliEtemGürela、ÜmitAgbuluta、AlperErgünb、I_lhanCeylanba土耳其Duzce Duzce大学技术学院机械和制造工程系b土耳其卡拉布克，卡拉布克大学技术学院能源系统工程系阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2019年2019年5月9日修订2019年6月12日接受在线预订2019年保留字：节能减排土耳其A B S T R A C T能源消费是一个国家经济增长的最大障碍。近年来，土耳其进口的能源占其总能源需求的四分之三在过去的10年里，土耳其为能源账单支付了近5000亿美元能源消耗的大部分因此，节能具有非常重要的意义，特别是在建筑物中。冰箱是最主要的电能消耗率，占房屋总能耗的32%因此，本文提出了一种新的家用冰箱设计，以降低能耗。在建议的设计中，冷却过程所需的空气将在适当的天气条件下从室外环境中提供。因此，压缩机功将通过这种方式减少，并有助于降低能耗。结果表明，该系统在63个省可以有效地使用1至4个月，并有助于减少3600万美元的土耳其电力账单，仅使用1年的时间。此外，通过应用本研究中提出的设计，土耳其每年可减少约85万吨二氧化碳。因此，土耳其不仅可以为持续的经济增长做出贡献，还可以减少该国发电方法产生的有害气体排放©2019 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍近年来，快速发展的技术和不断增长的人口导致全球能源消耗和能源需求大幅增加[1]。与此同时，世界一次能源消费在过去10年中平均每年增长1.7%。今天，化石燃料经常被用作最主要的能源，约占85%[2]。另一方面，化石燃料同样是全世界电力生产中最主要的能源根据国际能源署（IEA）的《2017年世界能源展望》（WEO）报告，2017年世界电力生产由化石燃料提供65%，如图1所示[3]。如图 1，最常用的能源是煤炭，2017年的比例为38%。事实上，煤炭通常在世界各地的电力生产中占有然而，McLeish（2008年）报告说，燃煤发电生产是负责90%的碳排放量在美国*通讯作者。电子邮件地址：umitagbulut@duzce.edu.tr（电子邮件地址： Agbulut）. 由Karabuk大学负责进行同行审查。而燃煤发电仅占美国总发电量的52%[4]。就像许多其他国家一样，土耳其也依赖化石燃料。电力生产从一开始。图2显示了土耳其2017年的发电量化石燃料的主要使用也导致了全球变暖、温室效应和臭氧层消耗的风险[6]。另一方面，根据国际能源署的数据，一次能源的使用在过去20年中呈上升趋势。例如，世界人口增加了27%，而人均能源消耗增加了10%。因此，一次能源消耗增加了49%，而二氧化碳排放量增加了43%[7，8]。发电量的增加与二氧化碳排放量和温室气体排放量的增加直接相关。例如，1970年至2017年期间的电力生产变化见图。3.第三章。显然，与前一年相比，土耳其的电力生产几乎全年都在增加。这一增长不仅对该国的电费和经济增长产生了负面影响，而且还排放了燃烧化石燃料产生的有害气体。例如，2008年土耳其的能源消费总量比2008年增长了86%，https://doi.org/10.1016/j.jestch.2019.06.0032215-0986/©2019 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestch命名法TESTCSW组件EEPDN参考编总节能，kWh总成本节约，$压缩机日能耗，kWh电能单价，$/kWh天数冰箱总数wCO2ZCO2zCO2/CO2燃煤发电的平均二氧化碳排放量，kgCO2/kWh环境经济成本、国际碳价格、每年减排吨二氧化碳量、千克二氧化碳量东经366号Gürel等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）3651990年，达到7400万吨油当量。工业和住宅是能源消耗的最大份额之一[10]。另一方面，土耳其从外国进口的能源要多得多，是世界上进口能源最多的国家之一。表1显示了土耳其能源进口百分比和在能源进口名单中的排名。Fig. 1. 2017年按来源划分的全球电力生产份额图二. 2017年土耳其各部门电力生产[5]。表1土耳其年能源进口所占百分比，%排在世界200065.9626200165.2427200267.5125200369.7125200470.1324200571.5824200671.7125200772.7324200870.6426200969.0425201069.6227201171.6125201274.0223201373.0724201474.2123从表1中可以清楚地看到，土耳其为能源账单支付的费用要高得多。如今，能源进口是土耳其经济发展的最大障碍实际上，在过去的10年里，中国为能源进口总额支付了近万亿美元的一半。此外，表2显示了2008年至2017年期间土耳其的能源进口账单。与此同时，土耳其能够通过使用该国的国内资源来满足其45根据土耳其统计局（Turkstat）的数据，2016年土耳其约有22%的电力消耗用于住房[14]。在房屋的电能消耗源中，冰箱占总能耗的32%。其次是照明，占12%，加热器占9%，洗衣机占8%[15]。土耳其工业和贸易部起草了一项条例，350000300000250000200000150000100000500000年图三. 土耳其每年发电量（图表来自[9]的数据）。GWh197019721974197619781980198219841986198819901992199419961998200020022004200620082010201220142016A.E. Gürel等人 /工程科学与技术，国际期刊23（2020）365-372367表2土耳其该部在2010年，以减少这种消费，使消费者倾向于冰箱节能[16]。根据该法规，冰箱和冰柜根据其能耗分为7个不同的能效等级[17]。文献中有一些关于家用冰箱节能的研究。例如，Yusufo gJingluetal. （2015）通过两种不同的冰箱模型研究了四种不同的相变材料（PCM）。在相关研究中，作者重点关注压缩机的开/关时间，并试图优化该时间。他们取得了更好的能源效率。此外，PCM效应随着冷凝器表面积的增加而增强[18]。Sonnenrein等人（2015）研究了潜热存储元件对商用家用冰箱冷凝器温度的影响。在相关研究中获得的结果表明，特别是PCM的应用导致较低的冷凝器温度。此外，该方法显著降低了功耗[19]。Ghadiri和Rasti（2014）重点研究了一些参数对家用冰箱能耗的影响，如结果表明，通过去除热壁冷凝器、增加冷凝器空气冷却量和降低压缩机冷却能力，能耗和制冷机装料量分别降低了23.6%和19.3%[20]。Cheng和Yuan（2011）关注具有SSPCM（形状稳定相变材料）HSC（储热冷凝器）的新设计家用冰箱的动态模型[21]。在另一项研究中，Saidur等人（2000）进行了温度、相对湿度、恒温器位置设置、门打开/关闭因素和负载对家用冰箱冷冻箱能耗的影响[22]。Kim等人（2006年）借助动态规划，使用生命周期优化模型研究了美国中型冰箱型号的最佳寿命。管理该模型的运行，以找到全球变暖潜力的最佳寿命，最小化能源，并在1985年至2020年的时间范围内实现成本目标[23]。本文主要研究家用电冰箱的设计可在土耳其81个省的室外温度值下运行。所设计的系统将能够在室外空气具有产品冷却潜力时使用室外空气，因此，其目的不仅在于节省压缩机工作，而且还在于减少燃烧化石燃料产生的有害气体排放。一旦室外温度高于或低于设计温度，冰箱将继续正常运行。将对所设计的系统的可用性在81个省进行调查，并确定该系统可以使用的地区本研究将计算和讨论使用拟议系统节省的能源2. 方法本文从土耳其气象总局（GDM）获得了土耳其81个省的月平均室外温度值此外，这些值在表3中给出[24，25]。全省月平均室外气温-实际值小于或等于6 °C的标记在表3中。由于这些值是平均值，应注意的是，每月的温度将高于这些值。因此，假设温度将为6 °C，并低于相关月份的一半。在这项研究中，必须作出一些假设，以便从数学上评价这项研究。这些假设列示如下：冰箱的设计温度被接受为平均4 °C（2至6 °C）。本文提出，在制造商建议的工作条件下，一般家用电冰箱制冷部分的温度应控制在4 °C，以避免食品变质。在冰箱的平均室内温度为0 °C及以下的情况下，存在冻结食物的风险。因此，计算中不包括0 °C及以下的平均室内温度。传统家用冰箱每年的能源消耗已被接受为385千瓦时。冰箱的总数被认为等于家庭的数量[26]。美元汇率被接受为等于5.35土耳其里拉（1美元= 5.35 TL）。为了获得更准确的结果，假设在标记月份的一半时间内，室外温度将在0至6 °C之间。将实施该设计的省份的家庭数量是通过将该省的人口数量除以4获得的。换句话说，假设这些省份的每个家庭中有4人[27]。2.1. 操作程序对于本研究，图4简要显示了所提出的操作模型和条件的流程图。文中给出了该设计的操作步骤1-. 基本上，本文提出的设计能够工作在不同的两种运行模式，即正常运行模式和建议运行模式。2-.在室外温度为6 °C或以上的情况下，冰箱将以正常模式工作。之所以选择这个温度是为了不让冰箱里的产品变质。3-.同样，在室外温度低于2 °C的情况下，冰箱将以正常模式工作。选择这个温度的原因是不允许冰箱中的产品冻结。4-.另一方面，在室外温度为2 ~ 6 °C的情况下，冰箱将工作在本文所提出的工作模式。5-. 在所提出的模式中，冷却食物所需的空气将从室外空气提供，因此其目的是节省大量压缩机工作并减少电力消耗的排放。●●●●●●●年2008200920102011201220132014201520162017总进口（10亿美元）48.329.938.554.160.155.954.937.827.237.2443.9公元368年Gürel等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）365表3系统可接受的月份和各地区的月平均室外温度（°C）。1月省二月三月四月五月六月七月八月九月十月Nov.号决定地中海地区每月平均室外温度（°C）安塔利亚AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA. Burdur 2.63.6 AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.2.8 AT.NOA. AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.3.5梅尔辛AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA. 阿达纳AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA. 哈塔伊AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA. OsmaniyeAT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA. AT.NOA.卡赫拉曼马尔a，s4.8 AT.NOA. AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.每月平均室外温度在安纳托利亚东部地区（°C）Erzincan AT.NOA.AT.NOA.4.4 AT.NOA. AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.5.2 0.1ElazoburgA.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.1.9TunceliAT.NOA.AT.NOA.5.6 AT.NOA. AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.1Bingöl AT.NOA.AT.NOA.3.8 AT.NOA. 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AT.NOA. 2.41月省二月三月四月五月六月七月八月九月十月Nov.号决定在东南安纳托利亚地区的每月平均室外温度（°C）加济安泰普3 4.2 AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.4.9基利斯5.6 AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA. Adıyaman 4.55.7 AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA. 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Gürel等人 /工程科学与技术，国际期刊23（2020）365-372369表3（续）省一月二月三月四月可以六月七月八月九月十月Nov.号决定Tekirdag4.85.1AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.克尔克拉雷利2.83.9AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.5I_伊斯坦布尔AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.囊5.2AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.亚洛瓦AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.科贾埃利AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.比莱吉克2.43.5AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.4.7萨卡里亚5.9AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.爱琴海地区每月平均室外温度（°C）伊兹密尔AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.代尼兹利5.8AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.马尼萨AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.屈塔希亚0.41.75.2AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.2.6艾登AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.Us，ak2.33AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.4.2Mugla5.56AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.阿菲永0.21.55.4AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.AT.NOA.2.5*AT.NOA.：环境温度不合适。见图4。不同温度下的正常和建议操作模式的流程图。2.2. 经济分析按照本文的验收标准，冰箱压缩机年能耗为385 kWh该值对应于每天计算的约1 kWh的能耗在这项研究中，假设每天的能源消耗的一半由压缩机提供，另一半由室外空气提供。这种接受的原因是室外空气温度的可能变化。总节能量（TES）可以通过使用公式计算（一）TES¼W组件：N参考号：DN100基于本研究的假设，总成本节约（TCS）通过以下公式计算，包括能源价格和冰箱数量。TCS¼W组件：EEP：N参考号：DN2000式中，Wcomp为压缩机日能耗（kWh），EEP为电能单价，（取0.088$/kWh）和Nref.是冰箱的总数。最后，方程中的DN也是可以节省的天数[28]。2.3. 环境经济（环境成本）分析在历史的每一个时期，世界上主要使用的化石燃料都增加了释放到大气中的CO2随着CO2排放量的不断增加，环境污染、全球变暖等问题也随之而来。一些国家已经采取了一些措施来减少二氧化碳的排放，并解决这些问题。在此基础上，采用环境经济（环境成本）分析法计算了CO2减排量。在本研究中，CO2减排量（/CO2）用以下公式计算。/CO2¼wCO2×TES3.5在方程式中，wCO2代表以煤为燃料的发电厂每千瓦时发电所产生的CO2排放量通过检查文献中的研究，可以看出该值可以取为980gCO2/kWh[29]。考虑到输电损耗（40%）、配电损耗（20%）和其他损耗，该值约为2.08 kg CO2/kWh[30]。国际碳价（zCO2）范围为13 $/tCO2至16 $/tCO2[31，32]。在计算中，该值取为14.5 $/tCO2。因此，环境成本值可以使用等式（1）计算。 （4）[33]。ZCO2 1/4zCO2×/CO2×4×3. 结果和讨论在这项研究中，冰箱的设计与低能耗的研究，通过使用土耳其的气候数据。表3显示了根据设计冰箱的室外温度值，在这些产品中使用的适当省份和月份。TES值通过Eq. （1）、人口信息、家用冰箱数量、适宜月数、TCS、CO2减排量和医疗费用见表4。表4显示，这一设计的系统可在土耳其63个省的某些月份适用。可以看出，平均室外温度为6 °C及以下的省份数量相当多。表中所示温度值为月平均温度值，室外温度高于东经370度Gürel等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）365表4分省汇总节能总量和环境经济分析结果省份人口参考编号冰箱编号适当月份数工商业污水附加费（美元）/CO2CO2缓解（吨/年）ZCO2环境成本（美元/年）阿德亚曼615,076153,7692405,9509595139,130阿菲永卡拉希萨尔715,693178,9234944,71322,330323,779Agr536,285134,0711176,974418360,654Aksaray402,404100,6013398,3809416136,536阿马西亚329,88882,4723326,5897719111,931安卡拉5,445,0261,361,25735,390,578127,4141,847,498阿达汗97,09624,274132,04275710,982阿尔特温166,14341,5363164,483388856,373巴勒凯西尔1,204,824301,2062795,18418,795272,531巴尔滕193,57748,3943191,640453065,680蝙蝠侠585,252146,3133579,39913,695198,576巴伊布尔特80,41720,104126,5376279095比莱吉克221,69355,4233219,475518875,220宾格尔273,35468,3392180,415426461,833比特利斯341,47485,3692225,374532777,242博卢303,18475,7964400,2039459137,160布尔杜尔264,77966,1953262,132619689,840囊2,936,803734,2011969,14522,907332,153克兰克尔什186,07446,5194245,620580684,181阿托洛姆528,422132,1064697,52016,487239,059代尼兹利1,018,735254,6841336,1837946115,219迪亚巴克尔1 699，901424,97531,682,90139,778576,776迪兹切377,61094,4033373,8368836128,124埃迪尔内406,855101,7142268,525634792,031埃拉泽堡583,671145,9183577,83513,658198,040埃尔津詹231,51157,8783229,197541778,552埃尔祖鲁姆760,476190,1192501,91411,863172,020埃斯克山860,620215,1553852,01420,139292,008加济安泰普2,005,515501,37931,985,46146,929680,472哈内？居穆斯170,17342,5432112,314265538,493哈卡里275,76168,9402182,002430262,377伊格尔迪尔194,77548,694164,276151922,029伊斯帕尔塔433,830108,4583429,49410,152147,199卡赫拉曼马尔a，s1,127,623281,9061372,1168795127,534卡拉比克244,45361,1132161,338381355,295Karaman246,67261,6684325,6077696111,594卡尔斯287,65471,9142189,853448765,068卡斯塔莫努372,37393,0934491,53111,618168,461开塞利1,376,722344,18141,817,27642,954622,830克勒克卡莱278,74969,6873275,961652394,579克尔克拉雷利356,05089,0133352,4918332120,808克尔山234,52958,6323232,183548879,575基利斯136,31934,080144,986106315,418科尼亚2,180,149545,03732,158,34751,015739,724屈塔希亚572,256143,0644755,37817,854258,889马拉蒂亚786,676196,6693778,80918,408266,919马尔丁809,719202,4303801,62318,947274,738Mugla938,751234,6882619,57614,645212,346穆氏，404,544101,1362266,999631191,508内夫山292,36573,0913289,440684199,199Nigde352,72788,1823349,2018254119,681萨卡里亚990,214247,5541326,7717724111,993锡尔特324,39481,0993321,1527591110,068锡瓦斯621,301155,3252410,0589692140,538斯安勒乌尔法1,985,753496,4381655,29815,489224,589瑟尔纳克503,236125,8093498,20411,776170,748Tekirdag1,005,463251,3662663,60615,685227,436托卡特602,086150,5223596,06714,089204,288通杰利82,49820,625254,450128718,662Us，ak364,97191,2433361,3228540123,835Van1,106,891276,7232730,54917,268250,379约兹加特418,650104,6633414,4659796142,049宗古尔达克596,892149,2232393,9499312135,017总44,047,57711,011,90216035,936,911849,41712,316,5616 °C不包括在计算中。然而，即使在室外温度高于6 °C的日子里，气温也可能降至6 °C以下。这个案例清楚地表明，所提出的设计也可以应用于这些天。如表4所示，通过这种简单的设计可以实现显著的节省。在安纳托利亚东部和安纳托利亚中部地区，室外温度较低，储蓄也大幅增加另一个影响储蓄量的参数无疑是人口和家庭数量。换句话说，在人口密集的省份，所提出的设计可以实现大量的节能除了拟议设