由早期性能標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)計(jì)算定頻房間空調(diào)器APF的方法

吳國(guó)明　任 滔　丁國(guó)良　成建宏

(1上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所　上海　200240； 2 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院　北京　100191)

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由早期性能標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)計(jì)算定頻房間空調(diào)器APF的方法

吳國(guó)明1任 滔1丁國(guó)良1成建宏2

(1上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所上海200240； 2 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院北京100191)

房間空調(diào)器目前同時(shí)用兩種完全不同的能效指標(biāo)EER、COP指標(biāo)以及APF指標(biāo)來(lái)標(biāo)稱空調(diào)器能效。為了便于比較不同能效指標(biāo)標(biāo)稱的空調(diào)器性能，需要將傳統(tǒng)的EER和COP能效指標(biāo)轉(zhuǎn)化成APF能效指標(biāo)。本文給出了一種利用GB7725—1996中EER和COP等性能參數(shù)直接計(jì)算APF的方法。該方法首先將APF轉(zhuǎn)化為關(guān)于“額定制冷量”、“額定制冷功率”、“額定制熱量”和“額定制熱功率”的函數(shù)，然后聯(lián)立EER、COP和APF的計(jì)算式消除中間變量。根據(jù)本文開(kāi)發(fā)的公式，房間空調(diào)器的APF可以通過(guò)制冷和制熱的額定能力和能效進(jìn)行簡(jiǎn)單四則運(yùn)算便可得到。

房間空調(diào)器；空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)；APF；定頻

早期空調(diào)器性能國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“GB7725—1996房間空氣調(diào)節(jié)器”提出將額定制冷能效EER和額定制熱能效COP作為房間空調(diào)器的能效指標(biāo)[1]。EER和COP指標(biāo)均只由單個(gè)工況點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算得到，不能反映空調(diào)器在不同工況下的性能變化。為了更加全面的衡量空調(diào)器的性能，修訂后的空調(diào)器性能國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“GB7725—2004房間空氣調(diào)節(jié)器”將全年性能系數(shù)APF作為房間空調(diào)器的能效指標(biāo)[2]，其中APF通過(guò)多個(gè)工況點(diǎn)的能力值與輸入功率運(yùn)算得到。

為了鼓勵(lì)節(jié)能空調(diào)器的開(kāi)發(fā)，國(guó)家通過(guò)制訂能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于空調(diào)器進(jìn)行能效等級(jí)的劃分，強(qiáng)制淘汰低能效空調(diào)器?？照{(diào)器能效國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“GB12021.3—2010 房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級(jí)”規(guī)定了如何按照EER劃分定頻空調(diào)器的能效等級(jí)[3]，“GB21455—2013 轉(zhuǎn)速可控型房間空調(diào)器能效限定值及能效等級(jí)”則規(guī)定了如何按照APF劃分空調(diào)器的能效等級(jí)、更新了APF計(jì)算所用的各個(gè)室外溫度的小時(shí)數(shù)，所用的APF計(jì)算方法適用于定頻和變頻空調(diào)[4]。

目前EER及COP指標(biāo)與APF指標(biāo)都有使用，導(dǎo)致不同廠商以及同一廠商不同類型的空調(diào)器使用不同的能效指標(biāo)[5-6]。EER及COP指標(biāo)和APF指標(biāo)的計(jì)算方法不同，導(dǎo)致EER及COP指標(biāo)與APF指標(biāo)值之間無(wú)法直接進(jìn)行比較，從而使得消費(fèi)者不能根據(jù)EER、COP和APF的值直接判斷哪種空調(diào)器更加節(jié)能。為了便于判斷選擇節(jié)能的空調(diào)，需要有EER及COP與APF的換算關(guān)系。

EER及COP與APF的換算，并不能根據(jù)自身的定義直接給出。EER及COP指標(biāo)只考慮單個(gè)制冷工況的性能或單個(gè)制熱工況的性能，其影響因素包括額定制冷量和額定制冷功率以及額定制熱量和額定制熱功率[7]；APF指標(biāo)同時(shí)考慮多個(gè)制冷工況和制熱工況的性能，其影響因素包括全年所有工況的性能，以及全年的運(yùn)行室外溫度和對(duì)應(yīng)的小時(shí)數(shù)[5-7]，并通過(guò)復(fù)雜的計(jì)算得出。EER及COP指標(biāo)和APF指標(biāo)的定義包含的影響因素不同，導(dǎo)致EER及COP指標(biāo)與APF指標(biāo)值之間無(wú)法直接進(jìn)行換算。

對(duì)于EER、COP和APF的換算關(guān)系，目前的研究只分析了APF指標(biāo)和其他性能指標(biāo)的影響因素[8]，APF與空調(diào)器各部件的關(guān)系[9-11]以及APF各測(cè)試工況點(diǎn)的權(quán)重[7, 12]，但是沒(méi)有文獻(xiàn)能夠給出EER、COP與APF直接換算的簡(jiǎn)單方法。GB7725—2004標(biāo)準(zhǔn)中也沒(méi)有給出利用EER、COP直接計(jì)算APF的方法。

本文的目的是提出利用早期標(biāo)準(zhǔn)GB7725—1996中的EER、COP等性能指標(biāo)，得到APF的換算方法。

1 利用GB7725—1996中的性能參數(shù)計(jì)算APF的思路

性能國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7725—1996中的性能參數(shù)主要有：1)EER、2)COP、3)額定制冷量φcr、4)額定制熱量φhr、5)額定制冷功率Pc、6)額定制熱功率Ph，如公式(1)[1]和公式(2)[1]所示。

(1)

(2)

新的性能國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7725—2004中定義的APF定義為公式(3)[2]。

(3)

式中：CSTL為制冷季節(jié)總負(fù)荷；HSTL為制熱季節(jié)總負(fù)荷；CSTE為制冷季節(jié)耗電量；HSTE為制熱季節(jié)耗電量。

由式(3)可知，APF并不能依據(jù)GB7725—1996中給出的各個(gè)性能參數(shù)直接計(jì)算。

本文的目的是利用GB7725—1996中各個(gè)性能參數(shù)建立APF的關(guān)系式。即使不能建立嚴(yán)格的關(guān)聯(lián)式，也要建立盡可能精確的近似關(guān)聯(lián)式。

所采用的方法是，先將APF定義式中所含的四項(xiàng)參數(shù)盡可能轉(zhuǎn)化為GB7725—1996中的性能參數(shù)的函數(shù)，然后再給出APF與GB7725—1996中性能參數(shù)的函數(shù)。

2 APF推導(dǎo)為GB7725—1996中的性能參數(shù)的函數(shù)

2.1 制冷季節(jié)總負(fù)荷推導(dǎo)為GB7725—1996中的性能參數(shù)的函數(shù)

根據(jù)GB7725—2004，制冷季節(jié)總負(fù)荷CSTL由公式(4)計(jì)算，該公式中的相關(guān)變量由公式(5)～(8)給出[2]。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

將公式(5)～(8)依次代入公式(4)，可以得到制冷季節(jié)總負(fù)荷CSTL關(guān)于額定制冷量的函數(shù)，如公式(9)所示。

CSTL=626.67×φcr

(9)

表1 制冷工況下各個(gè)室外溫度的小時(shí)數(shù)[4]

2.2 制熱季節(jié)總負(fù)荷推導(dǎo)為GB7725—1996中的性能參數(shù)的函數(shù)

根據(jù)GB7725—2004，制熱季節(jié)總負(fù)荷HSTL由公式(10)計(jì)算，該公式中的相關(guān)變量由公式(11)給出[2]。

(10)

(11)

式中：tj是室外溫度， ℃；nj是各個(gè)室外溫度的小時(shí)數(shù)，h，取值如表2所示；BLh(tj)是建筑熱負(fù)荷，W；φcr是額定制冷量，W。

將公式(11)帶入公式(10)，可以得到制熱季節(jié)總負(fù)荷HSTL關(guān)于額定制冷量的函數(shù)，如公式(12)所示。

HSTL=368.29×φcr

(12)

表2 制熱工況下各個(gè)室外溫度的小時(shí)數(shù)[4]

2.3 制冷季節(jié)耗電量推導(dǎo)為GB7725—1996中的性能參數(shù)的函數(shù)

根據(jù)GB7725—2004，制冷季節(jié)耗電量CSTE由公式(13)計(jì)算，該公式中的相關(guān)變量由公式(14)～(17)給出[2]。

(13)

(14)

(15)

PLF(tj)=1-0.25[1-X(tj)]

(16)

(17)

將公式(14)～(17)依次帶入公式(13)，可以得到制冷季節(jié)耗電量CSTE關(guān)于額定制冷功率的函數(shù)，如公式(18)所示。

CSTE=618.85×Pc

(18)

2.4 制熱季節(jié)耗電量推導(dǎo)為GB7725—1996中的性能參數(shù)的函數(shù)

根據(jù)GB7725—2004，制熱季節(jié)耗電量HSTE由公式(19)～(26)給出[2]。

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

PLF(tj)=1-0.25[1-X(tj)]

(24)

(25)

(26)

將公式(20)～(26)依次帶入公式(19)，并聯(lián)合公式(1)和(2)，可以得到制熱季節(jié)耗電量HSTE初步化簡(jiǎn)成關(guān)于“額定制冷功率”，“額定制冷量”和“額

定高溫制熱量”的函數(shù)，如公式(27)所示。

2.5 APF計(jì)算式的推導(dǎo)結(jié)果

將公式(9)、公式(12)、公式(18)和公式(27)帶入公式(3)，并與公式(1)和公式(2)聯(lián)立求解可以得到APF的計(jì)算公式(28)，其中室外溫度tj和小時(shí)數(shù)nj的取值如表2所示。

(27)

(28)

3 APF計(jì)算式的近似化簡(jiǎn)

本文的目標(biāo)是要建立APF與GB7725—1996中的性能參數(shù)的簡(jiǎn)單函數(shù)。已推導(dǎo)得到的APF計(jì)算式(28)中，變量A還是比較復(fù)雜的計(jì)算式，還需要進(jìn)一步化簡(jiǎn)。

由于式(28)中，tj、nj是取值已知的常數(shù)，因此變量A是關(guān)于φhr/φcr的一元函數(shù)。將tj、nj代入式(28b)計(jì)算，可以繪制得出A與φhr/φcr的關(guān)系曲線接近線性，如圖1所示。

通過(guò)數(shù)據(jù)擬合，得到變量A的計(jì)算公式(29)。

(29)

圖1 變量A在不同φhr/φcr下的取值Fig.1 The value of A under different φhr/φcr

將公式(29)帶入公式(28)可得APF的簡(jiǎn)化計(jì)算公式(30)。

(30)

APF的近似公式(30)的誤差由公式(31)計(jì)算。

(31)

APF的近似計(jì)算誤差僅由公式(29)中變量A的擬合誤差導(dǎo)致。由于變量A是APFfit分母的一部分，因此APF的近似計(jì)算誤差小于A的擬合誤差±0.77%。

APF的計(jì)算公式(30)的計(jì)算誤差在±0.77%以內(nèi)。

4 房間空調(diào)器的能效指標(biāo)換算案例

下面基于市場(chǎng)上比較有代表性的空調(diào)器數(shù)據(jù)，由上述方法，給出由不同EER值對(duì)應(yīng)的APF值。

房間空調(diào)器能效指標(biāo)換算的三個(gè)輸入?yún)?shù)為EER、COP和φhr/φcr。EER按照能效等級(jí)1級(jí)、2級(jí)和3級(jí)的EER限定值分別取為3.6、3.4、 3.2[3]。

額定高溫制熱量，按GB7725—2004規(guī)定不小于額定制冷量[2]，即φhr/φcr>1；市場(chǎng)上大部分空調(diào)器的φhr/φcr在1.1左右。下面計(jì)算時(shí)取φhr/φcr分別為1.0、1.1、1.2。

COP與EER的關(guān)系，在GB7725—2004中并未明確規(guī)定。按照市場(chǎng)上的產(chǎn)品調(diào)研，房間空調(diào)器的COP比EER高0～0.4左右[13]，故下面計(jì)算時(shí)COP的值分別取為比EER高0、0.2、0.4的值。

房間空調(diào)器的APF值在不同輸入條件下計(jì)算得出的結(jié)果如表3所示。

5 結(jié)論

1) 對(duì)于定頻空調(diào)器的性能指標(biāo)來(lái)說(shuō)，APF較EER更為合理；APF的準(zhǔn)確計(jì)算，可根據(jù)GB7725—2004 的定義，以及GB21455—2013對(duì)各個(gè)室外溫度小時(shí)數(shù)的規(guī)定進(jìn)行。

2) 定頻空調(diào)的APF可以由早期標(biāo)準(zhǔn)GB7725—1996中的EER、COP、額定制冷量、額定高溫制熱量近似計(jì)算獲得；本文所給出的APF近似計(jì)算公式，其計(jì)算精度在常用的空調(diào)器性能數(shù)值范圍內(nèi)，誤差小于±0.77%。

3)根據(jù)本文提供的APF近似計(jì)算方法，GB12021.3—2010劃分的定頻空調(diào)器能效等級(jí)對(duì)應(yīng)的APF范圍如下：一級(jí)能效(EER為3.6)對(duì)應(yīng)的APF范圍是2.81～3.26；二級(jí)能效(EER為3.4)對(duì)應(yīng)的APF范圍是2.68～3.11；三級(jí)能效(EER為3.2)對(duì)應(yīng)的APF范圍是2.55～2.95。

表3 不同能效等級(jí)空調(diào)器的APF值

[1]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB7725—1996 房間空氣調(diào)節(jié)器[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996.

[2]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB7725—2004 房間空氣調(diào)節(jié)器[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

[3]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB12021.3—2010 房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級(jí)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[4]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB21455—2013 轉(zhuǎn)速可控型房間空調(diào)器能效限定值及能效等級(jí)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

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About the corresponding author

Ding Guoliang, male, Ph. D. / professor, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, +86 21-34206378, E-mail: glding@sjtu.edu.cn. Research fields: Simulation and optimization research for room air conditioner and utilization of new refrigerant.

A Method to Evaluate APF for Room Air Conditioner with on/off Compressor by Using Rated Performance Data

Wu Guoming1Ren Tao1Ding Guoliang1Cheng Jianhong2

(1.Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China；2.Chinese National Institute of Standardization, Beijing, 100191, China)

Two different energy efficiency indices EER, COP and APF are both used to evaluate the energy efficiency of room air conditioners, nowadays. In order to compare which air conditioners are more energy-saving, the traditional energy efficiency index EER and COP need to be transformed to APF. This paper presents a method to evaluate APF for room air conditioner by using EER and COP. In the method, APF is transformed to equations referenced to the same intermediate variables including cooling capacity and power consumption under standard condition at first, and then combing the equations of EER and APF to eliminate the intermediate variables. The equation has the capability to calculate APF of room air conditioners with on/off compressor by the energy efficiencies of cooling and heating modes.

room air conditioner; standard of air conditioner; APF; constant-speed

0253- 4339(2016) 03- 0088- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.03.088

2015年10月14日

TB657.2

A

簡(jiǎn)介

丁國(guó)良，男，教授，博士生導(dǎo)師，上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， (021) 34206378，E-mail：glding@sjtu.edu.cn。研究方向：制冷空調(diào)裝置的仿真、優(yōu)化與新工質(zhì)應(yīng)用。