影響DOE標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)空調(diào)SACC和CEER的關(guān)鍵特性分析

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1 引言

美國(guó)是移動(dòng)空調(diào)產(chǎn)品的主要市場(chǎng)，一直以來(lái)美國(guó)移動(dòng)空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于能效沒(méi)有規(guī)定。隨著節(jié)能減排要求的不斷提高，美國(guó)能源局（DOE）也適時(shí)發(fā)布了移動(dòng)空調(diào)新標(biāo)準(zhǔn)，將在2025年2月強(qiáng)制執(zhí)行，新標(biāo)準(zhǔn)采用SACC和CEER來(lái)評(píng)判移動(dòng)空調(diào)的能力和能效水平。SACC是修正季節(jié)制冷能力，CEER是綜合能效比。加利福尼亞州頒布的CEC法令更是在2020年2月就開(kāi)始執(zhí)行新DOE標(biāo)準(zhǔn)中的能效限值規(guī)定。新DOE標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)于老標(biāo)準(zhǔn)在測(cè)試方法和能力能效評(píng)價(jià)方法上差異很大，雖然目前大部分廠家都已開(kāi)始在開(kāi)發(fā)符合新DOE標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)空調(diào)，但目前行業(yè)內(nèi)對(duì)于DOE標(biāo)準(zhǔn)中的SACC和CEER的影響因素公開(kāi)的研究成果較少。本文從實(shí)際出發(fā)，通過(guò)分析新標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)因素，結(jié)合試驗(yàn)對(duì)比研究，著重研究了影響SACC和CEER的關(guān)鍵特性，為優(yōu)化DOE標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)空調(diào)的SACC和CEER提供了一些方法。

2 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析

新舊標(biāo)準(zhǔn)主要差異對(duì)比如表1所示。舊標(biāo)準(zhǔn)ASHARE 128-2001中對(duì)能效沒(méi)有規(guī)定。新DOE標(biāo)準(zhǔn)主要考慮了移動(dòng)空調(diào)的使用特性，對(duì)于單風(fēng)管來(lái)講，風(fēng)管將冷凝器的熱空氣帶出室外，室內(nèi)形成負(fù)壓，導(dǎo)致室外的熱空氣會(huì)通過(guò)門(mén)窗的縫隙進(jìn)入室內(nèi)，降低了制冷效果，這一部分損失稱(chēng)為泄漏空氣漏熱量。另外風(fēng)管本身也會(huì)對(duì)室內(nèi)有熱傳導(dǎo)和熱輻射，這部分損失稱(chēng)為風(fēng)管漏熱量。新的DOE標(biāo)準(zhǔn)將這兩部分損失綜合考慮，制定了評(píng)價(jià)移動(dòng)空調(diào)制冷量的新標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 單風(fēng)管移動(dòng)空調(diào)新舊標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法對(duì)比

移動(dòng)空調(diào)新舊標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比如表1所示。

表1 移動(dòng)空調(diào)新舊標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

2.2 新DOE標(biāo)準(zhǔn)SACC和CEER計(jì)算解析（以單風(fēng)管移動(dòng)空調(diào)為例）

（1）SACC（修正季節(jié)制冷能力，單位為Btu/h）

其中：

Qsd：標(biāo)準(zhǔn)工況制冷量，焓差法測(cè)定，單位為Btu/h；

Qduct：風(fēng)管漏熱量，單位為Btu/h；

Qinf_95：室外溫度95℉時(shí)的空氣泄漏漏熱量，單位為Btu/h；

Qinf_83：室外溫度83℉時(shí)的空氣泄漏漏熱量，單位為Btu/h；

其中：

h：固定系數(shù)；

Aduct：風(fēng)管表面積，單位為m2；

Tduct：標(biāo)準(zhǔn)工況測(cè)試Qsd時(shí)風(fēng)管表面平均溫度，單位為℉；

Tei：內(nèi)側(cè)進(jìn)風(fēng)溫度，單位為℉（取80℉）。

Qinf_83和Qinf_95主要和冷凝側(cè)風(fēng)量和冷凝側(cè)出風(fēng)溫濕度相關(guān)，這里不詳細(xì)展開(kāi)。

（2）CEER（綜合能效比，單位：Btu/Wh）

其中各模式時(shí)長(zhǎng)見(jiàn)表2。

表2 不同模式時(shí)長(zhǎng)

2.3 CEER限值要求

DOE標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)空調(diào)能效需在式（5）計(jì)算值以上。從式（5）可以看出，CEER隨著SACC上升而上升，典型機(jī)型的CEER要求見(jiàn)表3。

表3 典型機(jī)型CEER要求

3 影響SACC的關(guān)鍵特性

原標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試工況蒸發(fā)溫度高，濕度大，進(jìn)風(fēng)焓值較高，相同系統(tǒng)測(cè)試的潛熱量較大，而且冷凝水經(jīng)過(guò)打水電機(jī)后有效幫助冷凝器冷卻，整機(jī)能效比也相對(duì)較高。切換新DOE標(biāo)準(zhǔn)后，潛熱下降明顯，以我司型號(hào)K08為試驗(yàn)機(jī)型，目標(biāo)值為SACC 6000 Btu/h。工作人員在制冷系統(tǒng)不變情況下在新舊標(biāo)準(zhǔn)下對(duì)比測(cè)試，結(jié)果如表4所示。

表4 相同制冷系統(tǒng)在不同標(biāo)準(zhǔn)下對(duì)比結(jié)果

從表4結(jié)果可以看出，如果不優(yōu)化設(shè)計(jì)，SACC是原標(biāo)準(zhǔn)60%左右，離目標(biāo)值相差較大；CEER僅為5.69，離目標(biāo)值6.51也相距甚遠(yuǎn)。

為了制定科學(xué)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化方案，工作人員根據(jù)測(cè)試方法和計(jì)算公式，得出SACC和CEER的影響因素并推導(dǎo)分解出子因素，見(jiàn)表5。

表5 影響SACC和CEER因素列表

首先將SACC結(jié)果詳細(xì)分解如表6，并對(duì)影響因素逐一進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證。

表6 SACC分解結(jié)果

3.1 額定制冷量

標(biāo)準(zhǔn)工況下的制冷量是SACC的最大影響因素，因測(cè)試工況不同，對(duì)應(yīng)的毛細(xì)管和制冷劑量的最佳點(diǎn)不同，在壓縮機(jī)和換熱器不變的情況下重新調(diào)整毛細(xì)管和灌注量，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 調(diào)整毛細(xì)管和制冷劑灌注量實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

R410A系統(tǒng)優(yōu)化后有了較大提升，但仍未滿足要求，本文考慮使用R32，因?yàn)镽32比R410A有更出色的能效表現(xiàn)[4]，而且美國(guó)在2017年也放寬了R32的應(yīng)用范圍。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，R32相比R410A能效可以提升5%，相同排量制冷量可以提高12%[2]。R32和R410A的制冷循環(huán)對(duì)比見(jiàn)表8。

表8 R32和R410A制冷循環(huán)對(duì)比

從表8可以看出，R32系統(tǒng)的工作壓力略高于R410A，在系統(tǒng)循環(huán)性能方面，R32系統(tǒng)的壓比與R410A基本一致，而R32的單位質(zhì)量制冷量比R410A高約55.6%，單位容積制冷流量高約12.6%，R32的單位容積耗功較R410A高8.1%，綜合來(lái)看能效提高4%。所以理論上換用同排量的R32壓縮機(jī)成本相當(dāng)，能力能效都可以提升[3]。表9是K08機(jī)型上用R32測(cè)試結(jié)果。

表9 R32測(cè)試結(jié)果

從表9測(cè)試結(jié)果看，采用R32冷媒并適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，SACC滿足要求。

3.2 風(fēng)管對(duì)風(fēng)管漏熱量和空氣泄漏漏熱量的影響

風(fēng)管大小及安裝方式不僅會(huì)通過(guò)影響冷凝側(cè)的換熱對(duì)額定制冷量和額定功率造成影響，而且也是風(fēng)管漏熱量和空氣泄漏漏熱量的直接影響因素。DOE標(biāo)準(zhǔn)里明確說(shuō)明如果在說(shuō)明書(shū)中未注明風(fēng)管安裝方式，將按照標(biāo)準(zhǔn)中的安裝方式進(jìn)行測(cè)試，安裝方式對(duì)比示意見(jiàn)圖1，從圖1中可見(jiàn)，標(biāo)準(zhǔn)安裝方式中風(fēng)管是最不利于冷凝器換熱的形狀。不同的風(fēng)管直徑和安裝方式實(shí)驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表10。

圖1 不同風(fēng)管安裝方式示意

從表10可以看出：

表10 不同風(fēng)管直徑和安裝方式對(duì)比測(cè)試結(jié)果

（1）使用直徑150 mm風(fēng)管后風(fēng)量提高了17%，整體額定能力上升和功率下降，雖然因空氣泄漏量增加導(dǎo)致SACC有所下降，但CEER的提升更為明顯，值得采用；

（2）從兩種安裝方式對(duì)比來(lái)看，按標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的安裝方式會(huì)導(dǎo)致SACC和CEER均下降，建議生產(chǎn)商在說(shuō)明書(shū)中標(biāo)注相對(duì)有利的安裝方式；

（3）在風(fēng)管上加保溫管，可以明顯降低風(fēng)管漏熱，有效提高SACC和CEER，在遇到瓶頸時(shí)可采用風(fēng)管加保溫管的方法。

3.3 空氣泄漏漏熱量

空氣泄漏漏熱量和冷凝風(fēng)量、出風(fēng)溫濕度有關(guān)。在迎風(fēng)面積不變的情況下，采用3排普通管距φ5冷凝器換成3排小管距φ5冷凝器，提高了換熱效果，降低了冷凝風(fēng)量。當(dāng)然風(fēng)量減小的同時(shí)可能會(huì)帶來(lái)風(fēng)管表面溫度的提升，需要綜合考慮。

4 影響CEER的因素

4.1 額定能效比

和SACC一樣，使用能效高的R32壓機(jī)，優(yōu)化系統(tǒng)，使用小管徑冷凝器可提高額定能效比[1]，從而提高CEER。

4.2 風(fēng)管直徑和安裝方式

風(fēng)管直徑和安裝方式不僅影響SACC，同時(shí)也影響CEER，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表11。

4.3 達(dá)溫停機(jī)功率

原達(dá)溫停機(jī)方案是當(dāng)房間溫度達(dá)到設(shè)定溫度后，壓縮機(jī)和冷凝側(cè)風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行，蒸發(fā)側(cè)風(fēng)機(jī)持續(xù)運(yùn)行，這樣達(dá)溫停機(jī)功率就等于蒸發(fā)側(cè)風(fēng)機(jī)功率加電控及顯示功率。優(yōu)化方案一是達(dá)溫后蒸發(fā)側(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行3 min后停止，這個(gè)方案的缺點(diǎn)是因?yàn)槭覂?nèi)溫度傳感器一般在機(jī)器背部，風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行后傳感器不能有效感知室內(nèi)溫度場(chǎng)的變化，對(duì)用戶(hù)體驗(yàn)造成一定影響。優(yōu)化方案二是達(dá)溫后風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)低風(fēng)以運(yùn)行3 min停17 min的方式循環(huán)。達(dá)溫停機(jī)方案優(yōu)化后CEER對(duì)比數(shù)據(jù)如表11。

表11 達(dá)溫停機(jī)方案優(yōu)化后CEER對(duì)比

由表11可知，方案一和方案二的CEER都比原方案提升較大，兩個(gè)優(yōu)化方案相差不大，因此可選擇用戶(hù)體驗(yàn)較好的方案二。

4.4 待機(jī)功率

優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，待機(jī)功率降到1 W以下。待機(jī)功率對(duì)CEER的影響見(jiàn)表12。

由表12可知，待機(jī)功率對(duì)CEER影響輕微，可以忽略，只要滿足市場(chǎng)對(duì)待機(jī)功率要求即可。

表12 待機(jī)功率對(duì)CEER影響

5 整機(jī)優(yōu)化方案

經(jīng)過(guò)以上分析和對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)SACC和CEER的影響因素有了比較清晰的認(rèn)識(shí)，綜合各項(xiàng)優(yōu)化方案后，DOE標(biāo)準(zhǔn)下的SACC和CEER都能達(dá)到目標(biāo)要求，具體方案和結(jié)果見(jiàn)表13。

表13 綜合優(yōu)化方案后的結(jié)果

6 結(jié)論

從以上分析可看出，額定工況的制冷量和能效比是影響SACC和CEER的主要因素，更換R32制冷劑和小管徑冷凝器可以有效提高SACC和CEER。風(fēng)管漏熱量Qduct和泄漏空氣漏熱量Qinf也可以通過(guò)各相關(guān)因素進(jìn)行優(yōu)化，其中風(fēng)管直徑的選擇也是一個(gè)比較關(guān)鍵的影響因素，不僅影響額定工況的能力能效，同時(shí)影響風(fēng)管漏熱和泄漏空氣漏熱，采用直徑較大的風(fēng)管會(huì)有更好的效果。適當(dāng)?shù)倪\(yùn)用風(fēng)管保溫材料也可以有效減少風(fēng)管漏熱。達(dá)溫停機(jī)的邏輯是影響CEER的重要因素，優(yōu)化達(dá)溫停機(jī)邏輯可以將CEER提高5%～6%，可以在不影響用戶(hù)體驗(yàn)的情況下進(jìn)行優(yōu)化。由于影響因素眾多，本文在各相關(guān)因素互相影響的內(nèi)在邏輯及規(guī)律方面的研究還不夠深入，有待進(jìn)一步深入研究。