基于氣候因素的變轉速空調器全年能效分析及實驗研究

李堂 王芳 屈巖 孟照峰 王瑜 趙亞樂 郭超

(上海理工大學制冷及低溫技術研究所 上海 200093)

基于氣候因素的變轉速空調器全年能效分析及實驗研究

李堂 王芳 屈巖 孟照峰 王瑜 趙亞樂 郭超

(上海理工大學制冷及低溫技術研究所 上海 200093)

對變轉速空調器能效標準GB21455—2013中的評價指標全年能源消耗效率APF進行研究，以某型號變轉速空調器為研究對象，結合典型氣象年的資料建立兩種運行模式。通過實驗并計算獲得該空調器在不同城市、不同模式下的制冷季節(jié)能效比SEER、制熱季節(jié)能效比HSPF。引入運行時間在溫度區(qū)間上的累計速度TAS，分析了SEER、HSPF與TAS之間的關系，得出:提升空調器的能效比應注重不同溫度區(qū)間段上的提升。計算出各標準、各城市及各模式下的APF，分析SEER、HSPF與APF之間的關系得出:標準中規(guī)定的制冷、制熱溫度發(fā)生時間并不能全面體現(xiàn)變轉速空調器在我國不同地區(qū)實際運行時的APF，提高APF必須側重于提高HSPF。

變轉速空調器；季節(jié)能效比；全年能源消耗效率；氣候因素；運行特點

從2013年10月起，新的變轉速空調器能效標準正式施行，評價指標從之前的制冷季節(jié)能效比SEER轉為全年能源消耗效率APF。APF對變轉速空調能源消耗的評估更加全面[1－2]。本文根據(jù)空調器使用場所的不同，建立了兩種運行模式。制冷季節(jié)對武漢、上海、廣州、北京，而制熱季節(jié)對武漢、上海、北京進行了統(tǒng)計，得到了不同城市不同運行模式下，空調器在各溫區(qū)的運行時間。計算出不同城市不同模式下的SEER、HSPF及APF，通過對比不同城市不同模式下的 SEER、HSPF、APF和各個溫區(qū)模型中的相關參數(shù)，尋找之間的聯(lián)系并進行分析。

1 城市氣象模型的建立

先根據(jù)典型氣象年全年8760 h逐時的氣象資料[3]，獲得了4個城市的日干球溫度，并在國標規(guī)定的制冷季節(jié)24～38℃每隔1℃劃分為15個溫區(qū)及制熱季節(jié)－9～16℃每隔1℃劃分為26個溫區(qū)。然后對不同城市、不同模式下的溫度區(qū)間小時數(shù)進行統(tǒng)計。

統(tǒng)計各個溫度區(qū)間小時數(shù)的原則為:制冷季節(jié)按連續(xù)5天日平均氣溫超過24℃的第一天起算，直至連續(xù)5天日平均氣溫低于24℃的第一天為止；制熱季節(jié)按連續(xù)5天日平均氣溫低于16℃的第一天起算，直至連續(xù)5天日平均氣溫高于16℃的第一天為止。建立兩種不同的溫區(qū)統(tǒng)計模式:模式Ⅰ——設定空調器依照每天24 h工作來建立溫區(qū)統(tǒng)計模型；模式Ⅱ——設定空調器依照每天8:00～17:00的正常工作時間段來建立溫區(qū)統(tǒng)計模型[4]。

制冷季節(jié)對不同溫區(qū)的4個城市武漢、上海、廣州、北京，而制熱季節(jié)對不同溫區(qū)的武漢、上海、北京3個城市進行了統(tǒng)計，獲得了不同運行模式下的數(shù)據(jù)，為后幾章進行變轉速空調器的SEER，HSPF以及APF的準確計算和分析奠定了基礎。表1、表2分別是典型氣象年制冷季節(jié)和制熱季節(jié)變轉速空調器在兩個運行模式下的溫區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

表1 典型氣象年制冷季節(jié)室外溫度發(fā)生時間Tab·1 Outdoor temperature occurrence time in the cooling season of typicalmeteorological year

表2 典型氣象年制熱季節(jié)室外溫度發(fā)生時間Tab·2 Outdoor temperature occurrence time in the heating season of typicalmeteorological year

2 實驗測試環(huán)境與裝置簡介

變轉速空調器的制冷季節(jié)及制熱季節(jié)能效比測試通過多功能環(huán)境實驗室來完成。多功能環(huán)境實驗室主要由制冷系統(tǒng)、空氣調節(jié)處理柜、電氣控制系統(tǒng)和加熱、加濕系統(tǒng)構成。多功能環(huán)境實驗室采用全自動控制，其室外側控制溫度范圍為－20～60℃，控制精度±0.2℃；濕度控制范圍30%～95%，控制精度±2%，從初始工況到穩(wěn)定工況的時間不超過1.5 h。實驗室系統(tǒng)的設備如圖1所示。

圖1 多功能環(huán)境實驗室Fig·1 multifunctional environmental laboratory

3 實驗結果及數(shù)據(jù)分析

3·1 制冷季節(jié)實驗數(shù)據(jù)及分析

以型號KFR-25GW/BpT的變轉速空調器作為研究對象，依據(jù)國標GB21455—2013和國標GB21455—2004[5]的相關規(guī)定，利用焓差實驗室測得計算SEER需要的各項性能參數(shù)，測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 變轉速空調器制冷測試數(shù)據(jù)(單位/W)Tab·3 Variable speed air-conditioner cooling test data(unit/W)

由實驗測得的數(shù)據(jù)再加上之前列出的溫區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，就能夠獲得變轉速空調器在該氣候條件下的制冷季節(jié)能效比SEER值[6]，變轉速空調器在不同城市下的季節(jié)能效比SEER值見表4。

表4 變轉速空調器在不同城市的SEER值Tab·4 Variable speed air conditioner SEER values in different cities

SEER計算公式如下所示，式中CSTE表示制冷季節(jié)耗電量，CSTL表示制冷季節(jié)制冷量。

為了研究運行時間對SEER的影響，此處引入運行時間在溫度區(qū)間上的累計速度TAS(Time Accumulating Speed)，對溫度區(qū)間中運行時間的分布規(guī)律進行量化，其計算方法如下:

武漢、上海、廣州、北京4個城市在不同運行模式下室外溫度運行時間累計速度TAS比較如圖2和圖3所示。

由上圖能夠看出，TAS在24～29℃的低溫區(qū)間段中累計速度快慢順序依次是上海、北京、廣州和武漢；而在29～35℃的中溫區(qū)間段中廣州的TAS超過了北京。對比表中變轉速空調器在不同城市運行模式Ⅰ下的SEER值大小，發(fā)現(xiàn)季節(jié)能效比SEER大小順序與TAS在24～29℃的低溫區(qū)間段累計速度的快慢順序一致。

3·2 制熱季節(jié)實驗數(shù)據(jù)及分析

與制冷季節(jié)相同，利用焓差實驗室測得計算制熱季節(jié)能效比HSPF需要的各項性能參數(shù)，測試數(shù)據(jù)如表5所示。

圖2 模式Ⅰ下各城市TAS比較Fig·2 Compare each city TAS in modeⅠ

圖3 模式Ⅱ下各城市TAS比較Fig·3 Compare each city TAS in modeⅡ

表5 變轉速空調器制熱測試數(shù)據(jù)(單位/W)Tab·5 Variable speed air-conditioner heating test data(unit/W)

從表6能夠看出，不同運行模式下的HSPF上海最大，武漢其次，北京最小，說明地域會影響變轉速空調器制熱季節(jié)能效比HSPF，這是由于各個地域氣候條件的不同從而造成變轉速空調器在各個溫度下的運行時間的不同，因而對HSPF值產生影響。HSPF的計算式如式(3)所示，式中HSTE表示制熱季節(jié)耗電量，HSTL則表示制熱季節(jié)制熱量。

表6 變轉速空調器在不同城市的HSPF值Tab·6 Variable speed air-conditioner HSPF values in different cities

從圖4～圖5中能夠看出，北京全溫區(qū)TAS曲線明顯高于上海和武漢兩條曲線，而上海和武漢兩條TAS曲線十分接近并且互有交叉，并無十分明顯的特點能看出與HSPF值的關系。從圖6中能夠看出，6條曲線TAS累計速度順序依次為上海Ⅱ、武漢Ⅱ、上海Ⅰ、武漢Ⅰ、北京Ⅱ、北京Ⅰ，對比兩個模式下3個城市的制熱季節(jié)能效比HSPF值大小，可得:制熱季節(jié)能效比HSPF值大小順序與7～16℃高溫區(qū)TAS累計速度順序一致。

3·3 全年能源消耗效率

從2013年10月1日起，變轉速空調新的能效標準正式施行，我國空調行業(yè)的能效評價指標從制冷季節(jié)能效比SEER轉為全年能源消耗效率APF，APF的計算式如下所示:

圖4 運行模式Ⅰ下各城市全溫區(qū)TAS比較Fig·4 The whole temperature TAS comparison of each city in modeⅠ

從以上表格可以看出，同一款變轉速空調器，在不同標準下的全年能源消耗效率APF不同，而且差別非常大。在北京地區(qū)，這款產品低于GB21455—2013規(guī)定的APF最低標準；以GB/T 7725—2004標準來計算的話，其處于3級能效等級；而放在GB21455—2013及上海和武漢模式Ⅱ下運行的話，其能效等級甚至可以達到2級。

表7 各城市及各標準在各模式下的APF計算值Tab·7 The APF of different cities under different standards and modes

圖5 運行模式Ⅱ下各城市全溫區(qū)TAS比較Fig·5 The whole temperature TAS comparison of each city in modeⅡ

圖6 不同城市兩個運行模式下高溫區(qū)TAS比較Fig·6 The high temperature TAS comparison of each city in twomodes

因此，以GB21455—2013所給出的制冷、制熱運行小時數(shù)作為單一標準的話，并不能準確評價變轉速空調器在我國不同地區(qū)實際運行時的全年能源消耗效率。

3·4 效率降低系數(shù)CD對SEER的影響

CD系數(shù)是用來量化空調器開停產生的能效損失，根據(jù)ARI210/240—2008[7]標準的規(guī)定，對于采用定轉速壓縮機的空調系統(tǒng)，其SEER計算公式如公式7(式中EERB表示在低溫制冷工況下的能效比)，由此看出CD系數(shù)對SEER有很大影響[8]，是由于CD系數(shù)決定部分負荷率PLF的測定，而對于變頻空調器，當空調器在額定中間制冷能力以下運行時，Pclm(tj)(制冷溫度為tj時，空調器在額定中間制冷能力下，對應房間熱負荷的能力保持連續(xù)可變運行時所消耗的電量)設計計算包含部分負荷率PLF。因此CD系數(shù)的選擇同樣影響著變頻空調器能效比的測定。下面公式用于定速空調系統(tǒng)，但對我們分析變轉速系統(tǒng)也有一定指導作用，EERcycdry()和EERssdry()分別表示D工況(斷續(xù)制冷實驗工況)和C工況(低溫制冷實驗工況)下的能源消耗功率，CLF為制冷負荷系數(shù)。

3·5 實例分析

統(tǒng)計了上海2011年全年8760 h逐時溫度與上海典型氣象年的數(shù)據(jù)作比較并分析實際情況。表8和表9分別是2011年上海制冷季節(jié)和制熱季節(jié)在不同運行模式下的室外溫度發(fā)生時間。

從圖7和圖8可以看出，2011年28℃是最高峰，最高峰比典型年明顯延后，高溫區(qū)間的百分比明顯比典型年高，因此2011年是比較炎熱的一年，其TAS在24～29℃區(qū)間內的累計速度也明顯慢于典型年，從上面的分析看，2011年的SEER應該是明顯低于典型年的SEER的?；?011年溫度數(shù)據(jù)計算出的上海模式Ⅰ的SEER為4.63，明顯低于典型年模式Ⅰ的5.01，符合結論。同理可得上海模式Ⅱ的SEER 為4.39，明顯低于典型年的4.95，原因同模式Ⅰ。從圖9和圖10可以看出，室外溫度時間百分比曲線相互交錯，沒有明顯的規(guī)律可循，但從高溫區(qū)TAS比較可以看出2011年數(shù)據(jù)在7～16℃區(qū)間內累計速度快于典型年數(shù)據(jù)，因此推斷基于2011年實測溫度數(shù)據(jù)的HSPF計算值大于典型年數(shù)據(jù)的計算值?；?011年實測溫度數(shù)據(jù)的HSPF計算值為3.96，大于基于典型年的3.71，符合結論。同理可得上海模式Ⅱ的HSPF為4.22，明顯高于典型年的3.88，原因同模式Ⅰ。

表8 上海2011年制冷季節(jié)室外溫度發(fā)生時間Tab·8 Seasonal outdoor temperature refrigeration time of shanghai in 2011

表9 上海2011年制熱季節(jié)室外溫度發(fā)生時間Tab·9 Seasonal outdoor temperature refrigeration time of Shanghai in 2011

圖7 室外溫度發(fā)生時間百分比比較Fig·7 Compare the percentage of outdoor temperature occurrence time

利用統(tǒng)計出的2011年上海全年逐時溫度數(shù)據(jù)計算出的SEER，HSPF及APF與典型年上海全年逐時數(shù)據(jù)計算出的值進行比較。

圖8 室外溫度TAS比較Fig·8 Compare the percentage of outdoor temperature TAS

圖9 室外溫度百分比比較Fig·9 Compare the percentage of outdoor temperature

圖10 室外溫度TAS比較Fig·10 Compare the percentage of outdoor temperature TAS

結合表8～表9中的相關數(shù)據(jù)和新舊能效標準(標準不再單獨列出)，新標準GB21455—2013規(guī)定的APF能效等級和舊標準GB21455—2008規(guī)定的SEER能效等級?？梢钥闯?，2011年模式Ⅰ和典型年模式Ⅱ下，該變轉速空調器在新舊兩個標準下都是2級能效；典型年的模式Ⅰ下，該變轉速空調器在新標準中是3級能效，而在舊標準中是2級能效；2011年的模式Ⅱ下，改變轉速空調器在新標準中2級能效，而在舊標準中是3級能效。這充分說明了在新標準推出后，變轉速空調器的研發(fā)側重點與以往有了很大的不同。以典型年的模式Ⅰ為例，變轉速空調器的SEER值為5.01，比舊標準的2級能效限定值4.50高出不少，甚至接近了1級能效限定值5.20，但是其APF只有3.93，在新標準下只是3級標準，剛剛達到了市場準入門檻；而另一方面，2011年的模式Ⅱ下，變轉速空調器的SEER值只有4.39，在舊標準下只是3級能效，但其APF卻高達4.30，在新標準下卻達到了2級能效。

表10 典型年與2011年數(shù)據(jù)比較Tab·10 Typical year data compared with 2011 data

綜上所述，新標準下的變轉速空調器的研發(fā)側重點與過去有著很大的不同，現(xiàn)在要在保持SEER的同時側重于提升HSPF，而且還要盡可能的降低制熱季節(jié)時的總耗電量HSTE，以降低其在全年運行總耗電量中所占的比重。

4 結論

本文以某型號變轉速空調器作為研究對象，依據(jù)GB21455—2013和 GB21455—2008的相關標準，分析其典型氣象年和上海某年夏季制冷、冬季制熱及全年綜合的能效比。通過實驗并計算獲得空調器在不同城市不同模式下的制冷季節(jié)能效比SEER、制熱季節(jié)能效比HSPF。然后計算出各標準及各城市各模式下的全年能源消耗效率APF值，并作了簡要分析，分析了CD系數(shù)對變轉速空調系統(tǒng)SEER的影響。緊接著討論了新標準中規(guī)定的制冷、制熱溫度發(fā)生時間并不能全面體現(xiàn)變轉速空調器在我國不同地區(qū)實際運行時的全年能源消耗效率，得出了提高APF必須側重于提高HSPF的結論。上述的工作或許會對新國標GB21455—2013的推廣和使用具有一定的促進作用。

本文受2013年上海大學生創(chuàng)新訓練計劃(SH2013019)和上海市重點學科建設項目(S30503)資助。(The project was supported by the 2013 Shanghai Students’Innovative Training Program(No.SH2013019)and Important Subject Foundation Programof Shanghai(No.S30503).)

[1] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局和中國國家標準化管理委員會.GB21455—2013轉速可控型房間空氣調節(jié)器能效限定值及能源效率等級[S].北京:中國標準出版社，2013.

[2] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局和中國國家標準化管理委員會.GB21455—2008轉速可控型房間空氣調節(jié)器能效限定值及能源效率等級[S].北京:中國標準出版社，2008.

[3] 中國氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學建筑技術科學系.中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[4] 趙巍，張華，鄔志敏.氣候條件及空調器的運行模式對變容量空調器季節(jié)能效比的影響[J].上海理工大學學報，2007，29(4):391-394.(Zhao Wei，Zhang Hua，Wu Zhimin.Effect of operating in different cities and by different operationalmodes on real SEER of air conditioner [J].Journal of University of Shanghai for Science and Technology，2007，29(4):391-394.)

[5] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局和中國國家標準化管理委員會.GB/T 7725—2004房間空氣調節(jié)器[S].北京:中國標準出版社，2005.

[6] 劉圣春，馬一太，成建宏.變頻型房間空調器區(qū)域性季節(jié)能效比的研究[J].制冷學報，2005，26(2):47-50. (Liu Shengchun，Ma Yitai，Cheng Jianhong.Study on regional SEER of frequency conversion roomair conditioner [J].Journal of Refrigeration，2005，26(2):47-50.)

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[8] 饒榮水，宋銘，劉麗剛，等.節(jié)流元件對空調Cd系數(shù)影響的實驗研究[J].制冷與空調，2009，9(3):61-63.(Rao Rongshui，Song Ming，Liu Ligang，et al.Experimental investigation on the influence ofmetering device on the degradation coefficient of unitary air-conditioning equipment[J].Journal of Refrigeration and Air-conditioning，2009，9(3):61-63.)

About the corresponding author

Li Tang，male，master degree candidate，Institute of Refrigeration Technology，University of Shanghai for Science and Technology，＋86 18301781550，E-mail:578488783＠qq.com.Research fields:refrigeration and cryogenics technology.

Annual Energy Efficiency Analysis and Experiment Research on Variable Speed Air-Conditioner Based on ClimatiCFactors

Li Tang Wang Fang Qu Yan Meng Zhaofeng Wang Yu Zhao Yale Guo Chao

(Institute of Refrigeration Technology，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai，200093，China)

Research on the annual performance factor specified in variable speed air-conditioner energy efficiency standard GB21455—2013.A variable speed air-conditioner was studied，two operatingmodeswere established combining with typicalmeteorological year data.With the experiment and calculation，the air conditioner SEER and HSPF in different cities and differentmodes were obtained.The running time cumulative rate of temperature rangewas introduced and relationships between SEER，HSPF and TASwere analyzed，the results show enhancing the air conditioner energy efficiency should focus on improving the different temperature range segment.The APF of each city，eachmode and standard GB/T7725—2004 and GB21455—2013 were calculated，the relationships between SEER，HSPF and APF were analyzed.The results show cooling and heating temperature occurrence time specified in the standard do not fully reflect the actually APF of variable speed air-conditioner running at different regions of China and enhancing APFmust focus on improving the HSPF.

variable speed air-conditioner；SEER；APF；climatiCfactors；operating characteristics

TB657.2；TU831

A

0253－4339(2015)02－0106－07

10.3969/j.issn.0253－4339.2015.02.106

簡介

李堂，男，碩士研究生，上海理工大學制冷及低溫技術研究所，18301781550，E-mail:578488783＠qq.com。研究方向:制冷與低溫技術。

2014年5月20日