中美两国冷水机组标准的IPLV评价体系差异性分析

史 敏 何亚峰 钟 瑜

(压缩机技术国家重点实验室 合肥通用机械研究院 合肥 230088)

中美两国冷水机组标准的IPLV评价体系差异性分析

史 敏 何亚峰 钟 瑜

(压缩机技术国家重点实验室 合肥通用机械研究院 合肥 230088)

介绍中美两国冷水机组IPLV评价的现状，从IPLV的构建原理和权重系数的推导方法、试验工况、测试方法、测试允差、插值计算方法等方面对两国冷水机组IPLV评价体系进行对比分析，指出我国当前IPLV评价体系已不适应我国建筑业和暖通空调产业现阶段发展水平，该工作对于明确两国标准的差异性、推动我国冷水机组产品性能评价体系的改进与完善具有参考价值。关键词 冷水机组；IPLV；权重系数；测试允差；插值计算

IPLV是用一个单一数值表示的空气调节用冷水机组的部分负荷效率指标，基于机组部分负荷时的性能系数值、按照机组在各种负荷下运行时间的加权因素，通过计算获得。IPLV的概念起源于美国，1986年开始应用，1988年被美国空调制冷协会ARI采用，1992年和1998年进行了两次修改[1-2]；而我国起步较晚，是在GB 50189—2005《公共建筑节能设计标准》中才开始使用IPLV性能评价指标[3]。采用IPLV的原因在于蒸汽压缩循环冷水(热泵)机组绝大部分时间运行在变工况和部分负荷工况下，仅用名义制冷工况下的EER难以体现其部分负荷运行时的效率水平。因此，在考核冷水机组性能时，既要考虑名义工况下的满负荷COP指标，也须考虑机组的部分负荷性能指标(IPLV/NPLV)，这样才能更为合理地评价一台冷水机组产品性能的优劣。

为推动我国冷水机组性能评价体系的发展和完善，本文将从IPLV构建原理和权重系数的推导方法、实验工况、测试方法、测试允差、插值计算方法等多个方面对中美两国冷水机组性能评价方法进行对比分析，以明确中美两国冷水机组产品标准的差异性。

1 两国IPLV的构建原理及权重系数推导方法对比

现行的AHRI 550/590—2011[4]版标准的附录D介绍了IPLV的推导过程，同时也说明了IPLV是由4个部分负荷性能系数加权评价单台冷水机组的指标。这4个不同的运行条件是考虑了综合气候数据并结合各种建筑负荷和环境运行条件确定的。制定IPLV指标的目的是创建一种评价在部分负荷工况和变工况(受周围环境影响)条件下的能效指标，除了用于设计标定(名义工况)之外，能够为一些能源立法机构规定冷水机组最低能效水平，以及为一些工程公司比较类似技术冷水机组提供一种有用的方法。但不应用IPLV数值来预测一台冷水机组在任何特定工程与运行条件下的全年能耗。

IPLV是冷水机组在部分负荷下的性能表现。其基本原理为：将建筑负荷整理成BIN参数的形式，再根据将整个负荷以100%、75%、50%、25%为中心划分为四个区域，最后计算得到每个区域占总负荷小时数的比例(即公式中的权重系数)，对100%、75%、50%、25%的EER按权重系数进行加权得到IPLV，见式(1)：

IPLV=a×(EER100%)+b×(EER75%)+c×(EER50%)+d×(EER25%)

(1)

1.1 美国标准冷水机组IPLV权重系数的推导方法

AHRI 550/590IPLV的测试计算方法见式(2)：

IPLV=0.01A+ 0.42B+0.45C+ 0.12D

(2)

式中：A为100%负荷率时的EER，W/W；B为75%负荷率时的EER，W/W；C为50%负荷率时的EER，W/W；D为25%负荷率时的EER，W/W。

图1 负荷-室外干球温度图Fig.1 Load-outdoor air temperature, DB

图2 平均运行时间-室外干球温度图Fig.2 Average running time-outdoor air temperature, DB

图3 负荷小时数-室外干球环境温度图Fig.3 Load hours-outdoor air temperature, DB

在ARI 550/590标准中，IPLV公式中的4个权重系数是基于实际建筑类型，并对美国29个城市的气温进行加权平均，对机组的负荷时间数进行加权平均得到的。其推导过程如下：

首先根据1992年的DOE和BOMA研究，将全美国使用冷水机组的建筑按使用情形分为四大组：

第1组：一周7 d工作制，每天24 h运行，0 ℉(-17.8 ℃)及以上机组开始运行；

第2组：一周7 d工作制，每天24 h运行，55 ℉(12.8 ℃)及以上机组开始运行；

第3组：一周5 d工作制，每天12 h运行，0 ℉(-17.8 ℃)及以上机组开始运行；

第4组：一周5 d工作制，每天12 h运行，55 ℉(12.8 ℃)及以上机组开始运行。

其次，针对每组建筑的冷水机组使用情形，分别按照全美29个城市的气温与负荷根据冷水机组销售容量的比重进行加权可得到图1，针对每组建筑使用情形时，可得75%负荷、50%负荷和25%负荷对应的测试工况；再将气温和运行时间根据机组销售容量的比重进行加权可以得到图2，根据图1和图2，可以得到负荷小时数与气温的关系(见图3)，再以负荷的100%、75%、50%和25%为中心划分为4个区域，其中100%负荷区域为1个设计点温频数，75%和50%负荷区域为4个温频数，剩下的为25%负荷的温频数。对每个区域加权平均后可以得到每组建筑的冷水机组使用情形下的a，b，c和d的4个系数。

再根据DOE和BOMA研究结论，确定4组建筑的冷水机组使用情形所占的比例，第1组为24.0%，第2组为12.2%，第3组为32.3%，第4组为31.5%。将之前计算得到每组建筑的冷水机组使用情形的a，b，c和d的4个系数按照各使用情形建筑所占的比例进行加权得到标准中的IPLV计算的权重系数。

该推导过程做了以下的假设：天气数据是针对美国29个城市的一个加权平均，选取的29个城市代表了25年中(1967～1992)全部冷水机组销售的80%的区域，同时29个城市涵盖了ASHRAE所划分8个气候区中的6个区，更能反映全美气候区的差异。包括带和不带经济器的冷水机组使用加权平均。假设建筑负荷随室外环境和平均冷凝器湿球(MCWB)温度线性向下变化到50 ℉(10 ℃)干球温度，之后其负荷变化线为水平。并预先确定A点为100%负荷，以及水冷式机组85 ℉(29.4 ℃)冷凝器进口水温(ECWT)/风冷式机组95 ℉(35 ℃)进口干球(EDB)温度的设计点。其他点通过tonR-h数、冷凝器进口水温和进口干球温度的分布分析确定。冷凝器进口水温为实际的平均冷凝器湿球温度加上一个8 ℉(4.4 ℃)确定。

1.2 中国标准冷水机组IPLV权重系数的推导方法

中国标准中涉及冷水机组IPLV的主要是GB 50189—2005[3]《公共建筑节能设计标准》，和GB/T 18430系列产品标准。其中最早采用IPLV的GB 50189—2005，因此在产品标准GB/T 18430.1—2007[5]修订时，考虑到国内相关标准制定机构已经取得的成果，尽量避免在同一国家标准体系中出现两套不同的IPLV计算公式。直接采用了我国建设部组织制定、审查、批准并与国家质量技术监督检验检疫总局联合发布的规范GB 50189—2005《公共建筑节能设计标准》中的由我国气象参数导出的IPLV计算公式。

中国标准的IPLV主要参考了AHRI 550/590的IPLV的原理，但公式中的权重系数是根据我国的实际使用现状确定的，见公式(3)：

IPLV(C)=2.3%×A+ 41.5%×B+ 46.1%×C+ 10.1%×D

(3)

式中：A、B、C、D的含义与式(2)中的相同，其部分负荷百分数是以名义制冷量(明示值)为基准定义的。

我国冷水机组IPLV指标不能直接引用美国ARI标准的一个很重要的原因是：美国的气象条件和气候分区同中国的实际情况有许多区别，与美国29个城市相比，冬季各地平均温度偏低8～10 ℃左右，夏季各地平均温度却要高出1.3～2.5 ℃。因此美国ARI标准所给数值不能真正反映出中国气象条件对建筑的负荷分布的影响。

参考AHRI 550/590的权重系数推导过程，中国的IPLV权重系数是以我国4个典型气候的19个城市典型办公建筑的平均逐时气象参数的加权平均值计得到的符合我国气候条件的权重系数[6]。我国典型办公建筑，运行时间为每周5.5 d，每天工作12 h。分别按照4个典型气候区城市的气温与负荷进行加权可以得到图4。再将气温和运行时间进行加权可以得到图5，根据图4和图5，可以得到负荷小时数与气温的关系(见图6)，以负荷的100%，75%，50%和25%为中心划分为4个区域，其中100%负荷区域为1个设计点温频数，75%和50%负荷区域为3个温频数，剩下的为25%负荷的温频数。对每个区域加权平均后可以得到每个典型气候区的a，b，c和d的4个系数，如表1所示。

图 4 负荷-室外干球温度图Fig.4 Load-outdoor air temperature, DB

图5 平均运行时间-室外干球温度图Fig.5 Average running time-outdoor air temperature, DB

图6 负荷小时数-室外干球环境温度图Fig.6 Load hours-outdoor air temperature, DB

其次，根据2003年中国统计年鉴和中国制冷空调行业年度报告的统计分析结果，以4个气候区的当年建成的总建筑面积为权重系数，如图7所示，最后通过对4个典型气候区进行加权平均并修正后，得到符合中国气象参数的IPLV权重系数，并应用于国家标准中。

图7 2003年不同气候区新建建筑面积占比Fig.7 New building area ratio of different climate zone in 2003

项目a/%b/%c/%d/%严寒地区10327512151寒冷地区0736253498夏热冬冷地区23386472119夏热冬暖地区07463417113全国加权平均13401473113

1.3 两国标准冷水机组IPLV权重系数的推导方法对比

中美两国冷水机组IPLV权重系数推导的关键要素对比见表2。

从中美两国标准中IPLV的推导过程可以发现，IPLV是一个综合的评价指标，不仅仅是在4个负荷下性能系数的综合，还是对全国气候区气象参数和销售比例或建筑面积的综合，是机组在各个建筑中的负荷和运行时间进行汇总统计加权得到的计算系数，IPLV计算结果不代表任何一个城市特定的建筑情况。因此IPLV无法预测一台冷水机组在任何特定工程与运行条件下的全年能耗。另一方面，从IPLV的计算公式来看，4个性能系数的加权并不具有像SEER那样反映季节建筑负荷和季节耗电量比值的物理意义[8-13]。IPLV仅仅是向能源立法机构规定冷水机组最低能效水平和生产企业比较类似技术冷水机组提供了一个公共评价平台。

表2 中美两国标准IPLV权重系数推导关键要素对比Tab.2 Comparison of derivation key elements of IPLV weight ratio between China standard and AHRI standard

从表2中美两国IPLV权重系数关键要素对比分析可以发现：1)中国标准参照了美国标准推导了符合中国气象和实际使用情况的IPLV计算公式；2)在某些方面存在一定的差异，当前的IPLV评价仅针对了典型办公建筑，没有全面考虑其他典型建筑的使用情况，在中国IPLV推导过程中由于缺乏类似美国DOE和BOMA对于建筑的全面数据积累，没有涵盖冷水机组绝大部分的销售区域以及销售的占比情况，仅仅考虑了2003年新建建筑面积各气候区域的占比，代表性还有待提高；3)美国标准IPLV的4个权重系数，是冷水机组运行的负荷小时数的加权，而中国标准的4个权重系数仅是运行时间数的加权，推导严谨性方面也有待改进。

GB 50189标准已经修订，近期发布了GB 50189—2015[14]版。新版标准通过对国内主要冷水机组生产厂家提供的销售数据进行统计分析，选取我国21个典型城市进行各类典型公共建筑的逐时负荷计算。所选取的城市的冷水机组销售量占到了销售总量的94.8%，基本覆盖了我国冷水机组的实际使用条件。根据我国各气候区内21个典型城市的6类常用冷水机组作为冷源的典型公共建筑分别进行了IPLV公式的计算。根据126组计算结果，以各城市冷机销售数据、不同气候区内不同类型公共建筑面积分布为权重系数进行统计平均，确定了新的全国统一的IPLV计算公式。我国冷水机组产品标准的IPLV计算公式也应及时修订。

2 两国IPLV测试工况对比分析

中美两国标准中IPLV的测试工况也存在一定差异，这是由于两国气象参数的差异造成的，详见表3。

表3 中美两国标准IPLV测试工况对比Tab.3 Comparison of IPLV test condition between China standard and AHRI standard

从表3对比可以看出，IPLV测试时，按AHRI 550/590标准规定蒸发器侧的进口水温比国标要低0.3 ℃，按流量计算AHRI 550/590标准的蒸发器侧进出口温差为5.56 ℃，而国标为5 ℃温差。冷凝器侧的部分负荷工况，美国AHRI标准的75%，50%和25%要比国标的工况温度低。从理论循环角度分析，其循环的冷凝温度要更低，消耗功率更小，因此部分负荷时测试得到的性能系数要更高。两国标准IPLV计算的权重系数不同，工况也存在差异，两者之间不存在可比性。

两国标准的IPLV测试时对污垢系数的规定相同，对于这点，应充分综合考虑两国之间水质的差异。两国标准中均提出了根据污垢系数对工况中的蒸发器出水温度和冷凝器出水温度的修正计算方法。但国标GB/T 18430中提到新机组蒸发器和冷凝器水侧应认为是清洁的，测试时污垢系数应考虑为0 (m2·℃)/kW，因此，在实际测试中并没有按污垢系数对工况进行修正，而AHRI认证测试时是按污垢系数对工况进行修正的。

3 两国IPLV测试方法及测试允差的对比分析

中国关于冷水机组性能测试的方法标准是GB/T 10870—2014[15]，美国标准为AHRI 550/590—2011。对于冷水机组的性能测试，均采用液体载冷剂法。但对于风冷冷水机组的冷凝器侧环境工况，美国AHRI标准提出了检验风冷冷凝器排风是否循环回换热器盘管的判断方法、机组进口空气温度分布要求、空气取样器及其上分布热电偶的要求、温湿度测定盒要求、实验装置中空气取样器的位置设置与数量要求、空气取样器和温湿度测定盒的典型配置，在实际测试中对被试风冷冷水机组的风侧环境工况的温度场要求更高。新修订的2014版国标对这些要求提出了相应的设计要求。

冷水机组部分负荷运行进行性能测试时，由于部分负荷测试时，进出水温差变小，因此温度参数测量误差对允许偏差结果的影响要放大，应根据部分负荷工况的不同，允许放大偏差结果的限值要求。GB/T 10870—2014标准修订时参照AHRI 550/590标准提出了不同负荷工况下测试时性能允差要求的计算公式，见公式(4)：

(4)

式中：σ为热平衡允许偏差，%；DTFL为满负荷时蒸发器进出水温差，℃；FL为负荷百分数。

在满负荷工况时进出水温差为5 ℃条件下，根据公式(4)可以计算出，机组100%负荷工况下，性能允差为5.167%；75%负荷工况下，性能允差为7.472%；50%负荷工况下，性能允差为10.33%；25%负荷工况下，性能允差为15.42%。

4 两国IPLV中插值测试计算方法的对比分析

在两国IPLV评价体系中，IPLV的测试和计算是通过对冷水机组100%、75%、50%以及25%负荷能力的测试，并通过公式计算出IPLV的值。对于不能卸载到准确的75%、50%、25%负荷点的空调机，当测试计算75%负荷点的COP时，可在75%负荷工况下测试比75%点更小的负荷点，与100%的点直线相连并通过插值计算的方法得到75%负荷能力的值，不允许使用外插法。对于不能卸载到75%或50%或25%负荷点，如能卸载到比50%点更低的点，但无法卸载到25%的点，则使冷水机组在25%负荷工况下运行在最小能力下测试，并采用公式(5)计算得到D点负荷的性能系数COP：

(5)

式中：Qm为实测制冷量，kW；Pm为实测输入总功率，kW；CD为衰减系数，是由于冷水机组无法达到最小负荷，压缩机循环停机引起。

在实际冷水机组设计制造过程中，企业很难将冷水机组的卸载能力准确地设计到75%、50%及25%的负荷点，因此计算各负荷点的EER所采用的插值计算方法将直接影响冷水机组的IPLV值。中美两国对于IPLV插值的测试计算方法略有不同，见图8。

注：GB/T 18430.1的插值测试计算方案：由B2及 A点插值得到B’AHRI 550/590的插值测试 计算方案：由B1及A点插值得到B图8 中美两国标准冷水机组IPLV插值 测试计算对比Fig.8 Comparison of interpolation calculation between China standard and AHRI standard

中美两国冷水机组标准对于部分负荷工况均有规定，都与负荷呈线性关系，可按式(6)计算得到：

进风干球温度(或进水温度)=E×FL+F

(6)

式中：FL为负荷百分数；E、F分别为常数，风冷或水冷数值不同。

从式(6)中可以看出，工况和负荷是一一对应的关系。

4.1 GB/T18430.1—2007采用的方法

GB/T 18430.1—2007标准中规定冷水机组如无法卸载到规定负荷点(如75%负荷点)时，应按规定的部分负荷工况条件下其他负荷点运行，但没有规定其他负荷点运行的具体工况值。因此，在现行IPLV插值测试计算时，冷水机组如果不能卸载到75%负荷点，但冷水机组可以在66%负荷下运行，则冷水机组以66%负荷在75%负荷工况运行得到B2点，将B2点与A点两点用直线连接再通过插值法计算得到B’点，由B’近似代替B点计算IPLV。采用该方案插值实际得到的B’点偏移了75%负荷点。在最近修订的GB/T 18430.2[16]标准报批稿中，已明确了如无法卸载到75%和50%负荷点时，应在其他负荷点工况下对应的其他负荷点运行测试，并插值计算。

4.2 ARI 550/590—2011标准所规定的方法

冷水机组如不能卸载到75%负荷点，但冷水机组能在66%负荷下运行，可通过公式(6)计算出对应于66%负荷时的工况温度。然后在该工况下以66%负荷运行测试得到B1点，将B1点与A点两点用直线连接再通过插值法计算得到B点。采用该方法符合IPLV推导的原理中的负荷与工况一一对应的关系。但采用该测试计算方法，首先要预估冷水机组的卸载能力，并根据预估的卸载能力预算运行工况点，然后在实验中实测找出偏差，预估一个更接近的值，计算一个更接近的工况点，再进行测试，这样反复测试计算逼近真实值，该方法从实验的角度是较为麻烦的。

从IPLV的评价原理来说，冷水机组的部分负荷应对应部分负荷工况，两者是一一对应关系，ARI 550/590—2011标准所规定的插值计算方法更符合IPLV原理。由于插值点部分负荷的不确定性，对采用不同插值测试计算方法导致的两国标准里IPLV计算结果的偏差是正偏差还是负偏差无法确定。

5 结论

IPLV是一个用于综合评价冷水机组产品的性能指标，但不具备反映建筑实际能耗的物理意义。

本文在IPLV的构建原理和权重系数的推导方法、实验工况、测试方法、测试允差、插值计算方法等方面对中美两国现行IPLV评价体系的对比分析，分析指出我国产品标准所使用的IPLV评价体系已不适应我国建筑业和暖通空调产业现阶段发展水平。中国冷水机组产品标准的IPLV参照美国IPLV的构建方法而提出，但其对象建筑仅针对了标准办公建筑(未考虑商场、宾馆等其他典型建筑)，且在确定各气候区各负荷率下的COP权重系数时，仅考虑了2003年当年建成的总建筑面积，故其代表性对当前的冷水机组的市场覆盖面不足；中国IPLV的4个权重系数是冷水机组运行时间的加权系数，未反映建筑负荷和运行时间的关系，也是需要改进提高的地方；此外，在IPLV插值测试计算方法上，以及风冷式冷水机组测试时风侧环境工况的温度场要求也存在一定的不足，故今后在标准修订时，应考虑在中国当前整体冷水机组检测实验水平基础上，适当提高测试要求。

冷水机组IPLV从2005年引入中国至今已有10年，对中国冷水机组产品性能水平的提高起到了重要的促进作用。但随着中国冷水机组市场发展和使用状况变迁，以及近年来中国气象参数的变化，研发适用于我国现阶段的冷水机组产品标准IPLV评价体系已成为制冷空调行业的当务之急。

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About the corresponding author

Shi Min, female, professor of senior engineer, vice president of Hefei General Machinery Research Institute, +86 551-65335506, E-mail: shimin2000@126.com. Research fields: research for testing technology of refrigeration and air conditioning, research for refrigeration compressor technology, et al.

Difference Analysis between China National Standard and AHRIStandard of IPLV Evaluation System

Shi Min He Yafeng Zhong Yu

(State Key Laboratory for Compressor Technology, Hefei General Machinery Research Institute, Hefei, 230088, China)

IPLV evaluation status of water chilling packages in China and USA standards is introduced. The IPLV evaluation system of the two countries is compared in detail from the aspects of IPLV′s principle and weight coefficient, test conditions, test method, test tolerance, interpolation calculation method and so on. The conclusion indicates that current IPLV evaluation system in China is not adapted to the current development of China′s construction industry and HVAC industry. This analysis is helpful to distinguish the differences between the two standards and improve the standard IPLV evaluation system of water chilling packages in our country.

water chilling packages; Integrated Part Load Value; weight coefficient; test tolerance; interpolation calculation method

2015年10月8日

0253- 4339(2015) 06- 0111- 08

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.06.111

TU831.4;O241.3

A

史敏，女，教授级高级工程师，合肥通用机械研究院副院长，(0551)65335506，E-mail：shimin2000@126.com。研究方向：制冷空调检测技术研究，制冷压缩机技术研究等。