變頻空調(diào)器能效的地域差異研究

(1 北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院 北京 100124； 2 中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院 北京 100191)

隨著技術(shù)的進(jìn)步和人們生活水平的提高，變頻房間空調(diào)器(簡稱：變頻空調(diào)器)在我國的應(yīng)用越來越普遍。2007-01—2015-06，國內(nèi)累計(jì)銷售變頻空調(diào)器3.26億臺[1]，龐大的使用量同時(shí)也意味著巨大的能源消耗。為了減少能源消耗，促進(jìn)產(chǎn)品節(jié)能減排，我國從2008年開始制定并逐步完善變頻空調(diào)器的能效標(biāo)準(zhǔn)[2]。目前實(shí)行的是《GB 21455—2013轉(zhuǎn)速可控型房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級》[3]，該標(biāo)準(zhǔn)中以制冷季節(jié)能效比SEER來評價(jià)單冷型變頻空調(diào)器，以全年能源消耗效率APF來評價(jià)熱泵型變頻空調(diào)器。SEER與APF的計(jì)算需要用到變頻空調(diào)器的測試數(shù)據(jù)(制冷能力、制熱能力、功率等)及運(yùn)行時(shí)間曲線(也稱溫度發(fā)生時(shí)間)數(shù)據(jù)。前者的獲取較為簡單，而后者則相對困難。運(yùn)行時(shí)間曲線的含義是變頻空調(diào)器在不同溫度段內(nèi)的運(yùn)行時(shí)間，因此它既受地域因素(地域不同可能導(dǎo)致氣象數(shù)據(jù)不同)的影響，也受用戶使用習(xí)慣(開機(jī)溫度和運(yùn)行時(shí)間等)的影響[4]。

近年來各國學(xué)者格外關(guān)注用戶使用習(xí)慣對房間空調(diào)器能效的影響[5-10]。相比于用戶使用習(xí)慣，地域?qū)\(yùn)行時(shí)間曲線的影響較容易考慮，只需將全國劃分成幾個(gè)氣候相近的區(qū)域并分別規(guī)定其運(yùn)行時(shí)間曲線。美國標(biāo)準(zhǔn)[11]將全國劃分成6個(gè)地區(qū)對應(yīng)不同的運(yùn)行時(shí)間曲線，用來分別計(jì)算房間空調(diào)器在不同地區(qū)的SEER和制熱季節(jié)能源消耗效率HSPF。日本也將本土劃分為5個(gè)區(qū)域[12]，房間空調(diào)器制冷運(yùn)行時(shí)所有區(qū)域均用一組運(yùn)行時(shí)間曲線，而制熱運(yùn)行時(shí)則將5個(gè)區(qū)域進(jìn)一步劃分為溫帶區(qū)和寒帶區(qū)，并分別規(guī)定兩組不同的運(yùn)行時(shí)間曲線來計(jì)算SEER和APF。與美國和日本形成鮮明對比的是，目前GB 21455—2013中并沒有對全國進(jìn)行地域劃分，給出的時(shí)間曲線是全國通用的，其中制冷時(shí)間為1 136 h，制熱時(shí)間為433 h[13]。

顯然，這一點(diǎn)是現(xiàn)階段能效標(biāo)準(zhǔn)中存在的問題。早期國內(nèi)學(xué)者通過實(shí)際測試[14]和理論計(jì)算[15]驗(yàn)證了SEER在少數(shù)典型城市的地域差異性。之后有學(xué)者[16-18]通過實(shí)際調(diào)研的方式對個(gè)別地區(qū)的空調(diào)器運(yùn)行時(shí)間曲線進(jìn)行研究，均發(fā)現(xiàn)實(shí)際獲得的時(shí)間曲線與國標(biāo)中規(guī)定的時(shí)間曲線有較大差別。雖然發(fā)現(xiàn)變頻空調(diào)器能效地域差異的存在，但他們的研究均只得到少數(shù)幾個(gè)城市的時(shí)間曲線數(shù)據(jù)，覆蓋范圍不夠廣泛和全面，缺乏說服力；且研究均關(guān)注于能效的影響因素及如何提升能效[15,18]，并未從能效標(biāo)準(zhǔn)層面提出針對地域差異的解決措施。隨著技術(shù)的提高，變頻空調(diào)器的能效已經(jīng)達(dá)到很高的水平，解決能效標(biāo)準(zhǔn)中忽視地域差異的問題與繼續(xù)提高空調(diào)器能效相比，將更有助于節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

本文采用國標(biāo)規(guī)定的APF計(jì)算方法，以理論選取和抽樣調(diào)查兩種時(shí)間曲線數(shù)據(jù)對不同容量、不同能效變頻空調(diào)器在全國5個(gè)建筑氣候分區(qū)的能效地域差異進(jìn)行分析研究，并提出針對地域差異的解決措施。

1 研究方法

1.1 變頻空調(diào)器參數(shù)確定

研究采用3種能效等級(1級、2級、3級)及3種制冷量(1、1.5、2 HP)對應(yīng)的9種熱泵型變頻空調(diào)器。根據(jù)實(shí)際變頻空調(diào)器的檢測數(shù)據(jù)得到其性能參數(shù)，如表1所示。

表1 變頻空調(diào)器性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of inverter air anditioner

1.2 時(shí)間曲線獲取

在本次計(jì)算中，分別采用理論選取和抽樣調(diào)查兩種方式得到時(shí)間曲線。

1)理論選取。

不同地區(qū)的典型年氣象數(shù)據(jù)由《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[19]獲得。在此基礎(chǔ)上，為完成時(shí)間曲線的統(tǒng)計(jì)還需進(jìn)一步假設(shè)用戶使用習(xí)慣，即冬夏兩季的空調(diào)開啟溫度及空調(diào)運(yùn)行時(shí)間段，具體設(shè)定為：

制冷季節(jié)：房間空調(diào)器制冷運(yùn)行的日期段，參照《GB 17758—2010單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)》[20]中的定義，分別取日平均氣溫超過24 ℃第3次的當(dāng)天開始至日平均氣溫超過24 ℃最后一天向前數(shù)第3次當(dāng)天為止。

制冷季節(jié)內(nèi)，分別取00∶00—23∶00時(shí)間段內(nèi)室外環(huán)境溫度≥24 ℃的時(shí)間作為制冷季節(jié)溫度發(fā)生時(shí)間即開機(jī)制冷時(shí)間。

制熱季節(jié)：房間空調(diào)器制熱運(yùn)行的日期段，分別取日平均氣溫低于16 ℃第3次的當(dāng)天開始至日平均氣溫低于16 ℃最后一天向前數(shù)第3次當(dāng)天為止[19]。

制熱季節(jié)內(nèi)，分別取06∶00—23∶00時(shí)間段內(nèi)室外環(huán)境溫度≤16 ℃的時(shí)間作為制熱季節(jié)溫度發(fā)生時(shí)間即開機(jī)制熱時(shí)間，如果該城市冬天有集中供暖則需減去相應(yīng)的時(shí)間。

為了得到更加全面、準(zhǔn)確的時(shí)間曲線數(shù)據(jù)，選取城市包括所有中國直轄市、省會城市及其他重要城市等共計(jì)55個(gè)，包含中國5個(gè)建筑氣候分區(qū)。其中夏熱冬暖地區(qū)7座、夏熱冬冷地區(qū)18座、溫和地區(qū)3座、寒冷地區(qū)17座、嚴(yán)寒地區(qū)10座。將每個(gè)分區(qū)內(nèi)的所有城市的時(shí)間曲線求時(shí)間加權(quán)平均值，得到5個(gè)分區(qū)及全國的變頻空調(diào)器制冷、制熱運(yùn)行時(shí)間曲線，如圖1所示。

圖1 理論制冷與制熱運(yùn)行時(shí)間曲線Fig.1 Theoretical refrigeration and heating running time curves

2)抽樣調(diào)查。

除了理論選取獲得時(shí)間曲線外，本文利用Wu Jianghong等[17]對全國范圍內(nèi)的空調(diào)器進(jìn)行實(shí)際調(diào)研后得出運(yùn)行時(shí)間曲線。選擇了寒冷地區(qū)的北京、青島，夏熱冬冷地區(qū)的武漢、上海、杭州、成都，夏熱冬暖地區(qū)的廣州共計(jì)7座城市，對其中400戶家庭的房間空調(diào)器進(jìn)行了為期15個(gè)月(2009-07—2010-10)的監(jiān)測，得出我國不同地區(qū)的時(shí)間曲線，如圖2所示。

圖2 抽樣制冷與制熱運(yùn)行時(shí)間曲線Fig.2 Sampling refrigeration and heating running time curves

1.3 能效計(jì)算

將上述各地區(qū)的變頻空調(diào)器制冷、制熱季節(jié)運(yùn)行時(shí)間曲線及變頻空調(diào)器的性能參數(shù)代入《季節(jié)能效比計(jì)算軟件》中，可以得到不同容量、能效等級的變頻空調(diào)器在不同地區(qū)的能效。軟件截圖見圖3。

圖3 變頻空調(diào)器季節(jié)能效比計(jì)算軟件Fig.3 Seasonal energy efficiency calculation software of inverter air conditioner

2 結(jié)果與分析

理論時(shí)間曲線得出的9種變頻空調(diào)器在不同地區(qū)的APF差異如圖4所示。

圖4 理論時(shí)間曲線所得APF地域差異Fig.4 APF regional difference obtained from theoretical time curves

由圖4可知，不同容量、不同能效的9種變頻空調(diào)器的APF均因地域差異而產(chǎn)生了變化，且變化趨勢相同。APF在夏熱冬暖地區(qū)達(dá)到最高，夏熱冬冷地區(qū)出現(xiàn)大幅下降并在溫和地區(qū)達(dá)到最低值。之后，APF又在寒冷地區(qū)再次升高，嚴(yán)寒地區(qū)再次下降。由以上5個(gè)建筑氣候分區(qū)的時(shí)間曲線求時(shí)間加權(quán)平均，可以得到全國的APF數(shù)據(jù)，圖中該數(shù)值位于寒冷地區(qū)與嚴(yán)寒地區(qū)的APF之間。同一變頻空調(diào)器在不同地區(qū)的APF差異最大值均為夏熱冬暖地區(qū)與溫和地區(qū)之差，其中3號空調(diào)器APF差值最大為1.33，9號空調(diào)器APF差值最小為0.54。

圖5所示為抽樣時(shí)間曲線所得APF與地域關(guān)系，也體現(xiàn)出了APF的地域差異。APF在華南地區(qū)達(dá)到最高，華東地區(qū)其次，華中地區(qū)最低，由以上3個(gè)地區(qū)的時(shí)間曲線求時(shí)間加權(quán)平均，可得全國的APF數(shù)據(jù)，圖中該數(shù)值位于華東地區(qū)與華南地區(qū)的APF之間。同一變頻空調(diào)器在不同地區(qū)的APF差異最大值均為華南地區(qū)與華中地區(qū)之差，其中3號空調(diào)器APF差值最大為1.86，9號空調(diào)器APF差值最小為1.18。

圖5 抽樣時(shí)間曲線所得APF地域差異Fig.5 APF regional difference obtained from sampling time curves

由圖4和圖5的全國APF數(shù)據(jù)對比可知，雖然理論結(jié)果與抽樣結(jié)果均體現(xiàn)出變頻空調(diào)器APF的地域差異，但具體到某一城市的APF，兩者存在一定差異。這種情況的產(chǎn)生是時(shí)間曲線的差異導(dǎo)致，理論時(shí)間曲線的獲取是在假設(shè)用戶使用習(xí)慣(開機(jī)溫度與開機(jī)時(shí)長等)的基礎(chǔ)上得到的，與真實(shí)情況必然存在著一定的差異；而抽樣調(diào)查獲得的時(shí)間曲線則更接近該地區(qū)用戶的真實(shí)使用情況。

同一臺變頻空調(diào)器在我國不同地區(qū)APF可能會存在很大差異。一臺由全國統(tǒng)一的時(shí)間曲線計(jì)算APF達(dá)到能效限定值的變頻空調(diào)器，在實(shí)際使用中，可能會出現(xiàn)APF大幅下降甚至低于市場準(zhǔn)入能效限定值的情況，圖4中的溫和地區(qū)、圖5中的華中地區(qū)均屬于這種情況。我國有5個(gè)建筑氣候分區(qū)，即使在同一氣候分區(qū)中不同城市之間的時(shí)間曲線也可能產(chǎn)生較大差異。因此變頻空調(diào)器在實(shí)際使用中的能效地域差異可能會比圖4、圖5中的結(jié)果更加顯著。這種情況下，能效標(biāo)準(zhǔn)中采用一組時(shí)間曲線來評價(jià)變頻空調(diào)器顯然是不合理的，應(yīng)進(jìn)行分區(qū)評價(jià)。

3 地域差異的應(yīng)對策略

能效標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該針對全國范圍內(nèi)變頻空調(diào)器的環(huán)境影響程度進(jìn)行控制和考量，文中只討論地域差異的情況下，這種影響程度可以用APF衡量。雖然在分區(qū)評價(jià)的思路下，各區(qū)域計(jì)算變頻空調(diào)器能效的時(shí)間曲線各不相同，但顯然能效標(biāo)準(zhǔn)對變頻空調(diào)器影響環(huán)境程度的控制應(yīng)一致，即工作在全國各區(qū)域的變頻空調(diào)器的能效限定值和節(jié)能評價(jià)值一致，對于熱泵型空調(diào)器而言，即要求APF一致。因此對于熱泵型變頻空調(diào)器的能效評價(jià)，單獨(dú)依靠APF指標(biāo)并不能對地域進(jìn)行區(qū)分，為了體現(xiàn)不同區(qū)域的制冷、制熱特點(diǎn)，需要增加SEER或HSPF指標(biāo)作為補(bǔ)充。

全年能源消耗效率APF為：

(1)

式中：ATL為全年總負(fù)荷，kW·h； APC為全年耗電量，kW·h；CSTE為制冷季節(jié)耗電量，kW·h；HSTE為制熱季節(jié)耗電量，kW·h；CSTL為制冷季節(jié)負(fù)荷，kW·h；HSTL為制熱季節(jié)負(fù)荷，kW·h。

特別當(dāng)變頻空調(diào)器的SEER與HSPF相等時(shí)由式(1)可得：

(2)

對于某一確定區(qū)域容量確定的變頻空調(diào)器而言，其全年及制冷、制熱季節(jié)的負(fù)荷不變，此時(shí)設(shè)定某一APF為全國共同參照的能效標(biāo)準(zhǔn)值，則根據(jù)式(1)可得該容量變頻空調(diào)器在該地區(qū)實(shí)現(xiàn)能效達(dá)標(biāo)時(shí)對應(yīng)不同的SEER、HSPF，從而解決地域差異引發(fā)的能效差異問題。

以制冷量為1 HP的4號變頻空調(diào)器理論時(shí)間曲線為例，將其理論全國APF=4.30設(shè)定為能效標(biāo)準(zhǔn)值。全國及5個(gè)建筑氣候分區(qū)的負(fù)荷等數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 制冷量為1 HP的變頻空調(diào)器理論地域負(fù)荷Tab.2 Theoretical regional load of 1 HP refrigerating capacity inverter air conditioner

將表2中的數(shù)據(jù)代入式(1)，可得5種應(yīng)用于不同建筑氣候分區(qū)制冷量為1 HP且APF均為4.30的變頻空調(diào)器SEER與HSPF的關(guān)系式，如表3所示，關(guān)系曲線如圖6所示。

表3 不同地域SEER與HSPF關(guān)系式Tab.3 Regional relations between SEER and HSPF

圖6所示為雙曲線中處于第一象限的半支，可知5個(gè)區(qū)域的曲線均相交于A點(diǎn)，即上文提到的APF=SEER=HSPF=4.30的特殊情況。對于A點(diǎn)上方的曲線即SEER>4.30、HSPF<4.30，當(dāng)5個(gè)區(qū)域空調(diào)器的SEER、HSPF分別相等時(shí)，HSPF、SEER取值由大到小順序一致，依次為溫和地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)。對于A點(diǎn)下方的曲線即SEER<4.30、HSPF>4.30，當(dāng)5個(gè)區(qū)域空調(diào)器的SEER、HSPF分別相等時(shí)，HSPF、SEER取值由大到小順序一致，但與A點(diǎn)上方順序正好相反。原因是，不同地域制冷負(fù)荷、制熱負(fù)荷占全年總負(fù)荷的比例不同。以夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)為例，由表2可知前者的制冷負(fù)荷占總負(fù)荷比例大，后者的制熱負(fù)荷占總負(fù)荷比例大。當(dāng)兩地區(qū)空調(diào)器的SEER相等且高于4.30時(shí)，其對前者空調(diào)器的制冷正面影響大于對后者空調(diào)器的影響，因此前者制熱HSPF小于后者；當(dāng)兩地區(qū)空調(diào)器的SEER相等且低于4.30時(shí)，其對前者空調(diào)器的制冷負(fù)面影響大于對后者空調(diào)器的影響，因此前者制熱HSPF高于后者。

對于不同區(qū)域的變頻空調(diào)器只要其SEER和HSPF處于對應(yīng)區(qū)域曲線上，則該空調(diào)器就滿足APF=4.30的要求。但由表1和表4可知，一般變頻空調(diào)器的SEER高于HSPF，且SEER高的空調(diào)器HSPF也較高。因此并非曲線上的任何一點(diǎn)都在實(shí)際中有性能與其相對應(yīng)的變頻空調(diào)器。

本文從實(shí)際變頻空調(diào)器中選取5臺大致符合表3中各建筑氣候分區(qū)關(guān)系式的1 HP機(jī)，計(jì)算其在理論時(shí)間曲線下，采用全國統(tǒng)一評價(jià)(利用理論全國時(shí)間曲線)與各地分區(qū)評價(jià)(利用各地區(qū)理論時(shí)間曲線)的APF數(shù)據(jù)。5臺變頻空調(diào)器的參數(shù)如表4所示，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

表4 實(shí)際選取的變頻空調(diào)器性能參數(shù)Tab.4 Performance parameters of selected real inverter air conditioner

圖7 實(shí)際選取變頻空調(diào)器的理論APF結(jié)果Fig.7 Theoretical APF values of selected real inverter air conditioner

由表4和圖7可知，對于編號10～14的5臺變頻空調(diào)器，以統(tǒng)一理論全國時(shí)間曲線計(jì)算的APF各不相同，其中10號與13號空調(diào)器未達(dá)到4.30的標(biāo)準(zhǔn)，其余3臺的能效則高出了標(biāo)準(zhǔn)值。但對上述5臺空調(diào)器以應(yīng)用地區(qū)的理論分區(qū)時(shí)間曲線計(jì)算APF時(shí)，由于它們的理論分區(qū)SEER、HSPF滿足表3中的關(guān)系式，所以各區(qū)域計(jì)算出的APF在保留兩位有效數(shù)字之后均為4.30，實(shí)現(xiàn)了能效的統(tǒng)一達(dá)標(biāo)。同時(shí)上述情況也再次證明：全國統(tǒng)一評價(jià)時(shí)APF達(dá)標(biāo)的變頻空調(diào)器，在實(shí)際應(yīng)用于不同地域時(shí)，可能會出現(xiàn)APF大幅下降甚至低于能效限定值的情況，即圖7中的夏熱冬冷、寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)。

4 結(jié)論

本文采用我國現(xiàn)行變頻空設(shè)計(jì)器能效標(biāo)準(zhǔn)《GB 21455—2013轉(zhuǎn)速可控型房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級》中規(guī)定的APF計(jì)算方法，分別對不同容量、不同能效的變頻空調(diào)器在不同地域下所產(chǎn)生的能效差異進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

1)變頻空調(diào)器能效的地域差異存在且顯著，根據(jù)本次抽樣調(diào)查時(shí)間曲線數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果，3號空調(diào)器在華南地區(qū)與華中地區(qū)的APF差值達(dá)到1.86，實(shí)際情況中APF地域差異可能會更大。

2)目前采用一條時(shí)間曲線來計(jì)算全國范圍內(nèi)變頻空調(diào)器的能效數(shù)值是不合理的。能效標(biāo)準(zhǔn)雖然對全國范圍內(nèi)變頻空調(diào)器環(huán)境影響的限制應(yīng)相同，但更應(yīng)體現(xiàn)出不同地域?qū)?yīng)的不同制冷和制熱特點(diǎn)。因此，能效標(biāo)準(zhǔn)在設(shè)定時(shí)除了全國統(tǒng)一的APF之外，還應(yīng)再增加不同地域所應(yīng)參照的SEER、HSPF。該數(shù)值可在不同地域時(shí)間曲線得出對應(yīng)的制冷和制熱負(fù)荷基礎(chǔ)上，根據(jù)APF標(biāo)準(zhǔn)值和其與SEER、HSPF的關(guān)系式，再考慮生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀、成本等因素的情況下最終確定。