基于气候因素的变转速空调器全年能效分析及实验研究

李堂 王芳 屈岩 孟照峰 王瑜 赵亚乐 郭超

(上海理工大学制冷及低温技术研究所 上海 200093)

基于气候因素的变转速空调器全年能效分析及实验研究

李堂 王芳 屈岩 孟照峰 王瑜 赵亚乐 郭超

(上海理工大学制冷及低温技术研究所 上海 200093)

对变转速空调器能效标准GB21455—2013中的评价指标全年能源消耗效率APF进行研究，以某型号变转速空调器为研究对象，结合典型气象年的资料建立两种运行模式。通过实验并计算获得该空调器在不同城市、不同模式下的制冷季节能效比SEER、制热季节能效比HSPF。引入运行时间在温度区间上的累计速度TAS，分析了SEER、HSPF与TAS之间的关系，得出:提升空调器的能效比应注重不同温度区间段上的提升。计算出各标准、各城市及各模式下的APF，分析SEER、HSPF与APF之间的关系得出:标准中规定的制冷、制热温度发生时间并不能全面体现变转速空调器在我国不同地区实际运行时的APF，提高APF必须侧重于提高HSPF。

变转速空调器；季节能效比；全年能源消耗效率；气候因素；运行特点

从2013年10月起，新的变转速空调器能效标准正式施行，评价指标从之前的制冷季节能效比SEER转为全年能源消耗效率APF。APF对变转速空调能源消耗的评估更加全面[1－2]。本文根据空调器使用场所的不同，建立了两种运行模式。制冷季节对武汉、上海、广州、北京，而制热季节对武汉、上海、北京进行了统计，得到了不同城市不同运行模式下，空调器在各温区的运行时间。计算出不同城市不同模式下的SEER、HSPF及APF，通过对比不同城市不同模式下的 SEER、HSPF、APF和各个温区模型中的相关参数，寻找之间的联系并进行分析。

1 城市气象模型的建立

先根据典型气象年全年8760 h逐时的气象资料[3]，获得了4个城市的日干球温度，并在国标规定的制冷季节24～38℃每隔1℃划分为15个温区及制热季节－9～16℃每隔1℃划分为26个温区。然后对不同城市、不同模式下的温度区间小时数进行统计。

统计各个温度区间小时数的原则为:制冷季节按连续5天日平均气温超过24℃的第一天起算，直至连续5天日平均气温低于24℃的第一天为止；制热季节按连续5天日平均气温低于16℃的第一天起算，直至连续5天日平均气温高于16℃的第一天为止。建立两种不同的温区统计模式:模式Ⅰ——设定空调器依照每天24 h工作来建立温区统计模型；模式Ⅱ——设定空调器依照每天8:00～17:00的正常工作时间段来建立温区统计模型[4]。

制冷季节对不同温区的4个城市武汉、上海、广州、北京，而制热季节对不同温区的武汉、上海、北京3个城市进行了统计，获得了不同运行模式下的数据，为后几章进行变转速空调器的SEER，HSPF以及APF的准确计算和分析奠定了基础。表1、表2分别是典型气象年制冷季节和制热季节变转速空调器在两个运行模式下的温区统计数据。

表1 典型气象年制冷季节室外温度发生时间Tab·1 Outdoor temperature occurrence time in the cooling season of typicalmeteorological year

表2 典型气象年制热季节室外温度发生时间Tab·2 Outdoor temperature occurrence time in the heating season of typicalmeteorological year

2 实验测试环境与装置简介

变转速空调器的制冷季节及制热季节能效比测试通过多功能环境实验室来完成。多功能环境实验室主要由制冷系统、空气调节处理柜、电气控制系统和加热、加湿系统构成。多功能环境实验室采用全自动控制，其室外侧控制温度范围为－20～60℃，控制精度±0.2℃；湿度控制范围30%～95%，控制精度±2%，从初始工况到稳定工况的时间不超过1.5 h。实验室系统的设备如图1所示。

图1 多功能环境实验室Fig·1 multifunctional environmental laboratory

3 实验结果及数据分析

3·1 制冷季节实验数据及分析

以型号KFR-25GW/BpT的变转速空调器作为研究对象，依据国标GB21455—2013和国标GB21455—2004[5]的相关规定，利用焓差实验室测得计算SEER需要的各项性能参数，测试数据如表3所示。

表3 变转速空调器制冷测试数据(单位/W)Tab·3 Variable speed air-conditioner cooling test data(unit/W)

由实验测得的数据再加上之前列出的温区统计数据，就能够获得变转速空调器在该气候条件下的制冷季节能效比SEER值[6]，变转速空调器在不同城市下的季节能效比SEER值见表4。

表4 变转速空调器在不同城市的SEER值Tab·4 Variable speed air conditioner SEER values in different cities

SEER计算公式如下所示，式中CSTE表示制冷季节耗电量，CSTL表示制冷季节制冷量。

为了研究运行时间对SEER的影响，此处引入运行时间在温度区间上的累计速度TAS(Time Accumulating Speed)，对温度区间中运行时间的分布规律进行量化，其计算方法如下:

武汉、上海、广州、北京4个城市在不同运行模式下室外温度运行时间累计速度TAS比较如图2和图3所示。

由上图能够看出，TAS在24～29℃的低温区间段中累计速度快慢顺序依次是上海、北京、广州和武汉；而在29～35℃的中温区间段中广州的TAS超过了北京。对比表中变转速空调器在不同城市运行模式Ⅰ下的SEER值大小，发现季节能效比SEER大小顺序与TAS在24～29℃的低温区间段累计速度的快慢顺序一致。

3·2 制热季节实验数据及分析

与制冷季节相同，利用焓差实验室测得计算制热季节能效比HSPF需要的各项性能参数，测试数据如表5所示。

图2 模式Ⅰ下各城市TAS比较Fig·2 Compare each city TAS in modeⅠ

图3 模式Ⅱ下各城市TAS比较Fig·3 Compare each city TAS in modeⅡ

表5 变转速空调器制热测试数据(单位/W)Tab·5 Variable speed air-conditioner heating test data(unit/W)

从表6能够看出，不同运行模式下的HSPF上海最大，武汉其次，北京最小，说明地域会影响变转速空调器制热季节能效比HSPF，这是由于各个地域气候条件的不同从而造成变转速空调器在各个温度下的运行时间的不同，因而对HSPF值产生影响。HSPF的计算式如式(3)所示，式中HSTE表示制热季节耗电量，HSTL则表示制热季节制热量。

表6 变转速空调器在不同城市的HSPF值Tab·6 Variable speed air-conditioner HSPF values in different cities

从图4～图5中能够看出，北京全温区TAS曲线明显高于上海和武汉两条曲线，而上海和武汉两条TAS曲线十分接近并且互有交叉，并无十分明显的特点能看出与HSPF值的关系。从图6中能够看出，6条曲线TAS累计速度顺序依次为上海Ⅱ、武汉Ⅱ、上海Ⅰ、武汉Ⅰ、北京Ⅱ、北京Ⅰ，对比两个模式下3个城市的制热季节能效比HSPF值大小，可得:制热季节能效比HSPF值大小顺序与7～16℃高温区TAS累计速度顺序一致。

3·3 全年能源消耗效率

从2013年10月1日起，变转速空调新的能效标准正式施行，我国空调行业的能效评价指标从制冷季节能效比SEER转为全年能源消耗效率APF，APF的计算式如下所示:

图4 运行模式Ⅰ下各城市全温区TAS比较Fig·4 The whole temperature TAS comparison of each city in modeⅠ

从以上表格可以看出，同一款变转速空调器，在不同标准下的全年能源消耗效率APF不同，而且差别非常大。在北京地区，这款产品低于GB21455—2013规定的APF最低标准；以GB/T 7725—2004标准来计算的话，其处于3级能效等级；而放在GB21455—2013及上海和武汉模式Ⅱ下运行的话，其能效等级甚至可以达到2级。

表7 各城市及各标准在各模式下的APF计算值Tab·7 The APF of different cities under different standards and modes

图5 运行模式Ⅱ下各城市全温区TAS比较Fig·5 The whole temperature TAS comparison of each city in modeⅡ

图6 不同城市两个运行模式下高温区TAS比较Fig·6 The high temperature TAS comparison of each city in twomodes

因此，以GB21455—2013所给出的制冷、制热运行小时数作为单一标准的话，并不能准确评价变转速空调器在我国不同地区实际运行时的全年能源消耗效率。

3·4 效率降低系数CD对SEER的影响

CD系数是用来量化空调器开停产生的能效损失，根据ARI210/240—2008[7]标准的规定，对于采用定转速压缩机的空调系统，其SEER计算公式如公式7(式中EERB表示在低温制冷工况下的能效比)，由此看出CD系数对SEER有很大影响[8]，是由于CD系数决定部分负荷率PLF的测定，而对于变频空调器，当空调器在额定中间制冷能力以下运行时，Pclm(tj)(制冷温度为tj时，空调器在额定中间制冷能力下，对应房间热负荷的能力保持连续可变运行时所消耗的电量)设计计算包含部分负荷率PLF。因此CD系数的选择同样影响着变频空调器能效比的测定。下面公式用于定速空调系统，但对我们分析变转速系统也有一定指导作用，EERcycdry()和EERssdry()分别表示D工况(断续制冷实验工况)和C工况(低温制冷实验工况)下的能源消耗功率，CLF为制冷负荷系数。

3·5 实例分析

统计了上海2011年全年8760 h逐时温度与上海典型气象年的数据作比较并分析实际情况。表8和表9分别是2011年上海制冷季节和制热季节在不同运行模式下的室外温度发生时间。

从图7和图8可以看出，2011年28℃是最高峰，最高峰比典型年明显延后，高温区间的百分比明显比典型年高，因此2011年是比较炎热的一年，其TAS在24～29℃区间内的累计速度也明显慢于典型年，从上面的分析看，2011年的SEER应该是明显低于典型年的SEER的。基于2011年温度数据计算出的上海模式Ⅰ的SEER为4.63，明显低于典型年模式Ⅰ的5.01，符合结论。同理可得上海模式Ⅱ的SEER 为4.39，明显低于典型年的4.95，原因同模式Ⅰ。从图9和图10可以看出，室外温度时间百分比曲线相互交错，没有明显的规律可循，但从高温区TAS比较可以看出2011年数据在7～16℃区间内累计速度快于典型年数据，因此推断基于2011年实测温度数据的HSPF计算值大于典型年数据的计算值。基于2011年实测温度数据的HSPF计算值为3.96，大于基于典型年的3.71，符合结论。同理可得上海模式Ⅱ的HSPF为4.22，明显高于典型年的3.88，原因同模式Ⅰ。

表8 上海2011年制冷季节室外温度发生时间Tab·8 Seasonal outdoor temperature refrigeration time of shanghai in 2011

表9 上海2011年制热季节室外温度发生时间Tab·9 Seasonal outdoor temperature refrigeration time of Shanghai in 2011

图7 室外温度发生时间百分比比较Fig·7 Compare the percentage of outdoor temperature occurrence time

利用统计出的2011年上海全年逐时温度数据计算出的SEER，HSPF及APF与典型年上海全年逐时数据计算出的值进行比较。

图8 室外温度TAS比较Fig·8 Compare the percentage of outdoor temperature TAS

图9 室外温度百分比比较Fig·9 Compare the percentage of outdoor temperature

图10 室外温度TAS比较Fig·10 Compare the percentage of outdoor temperature TAS

结合表8～表9中的相关数据和新旧能效标准(标准不再单独列出)，新标准GB21455—2013规定的APF能效等级和旧标准GB21455—2008规定的SEER能效等级。可以看出，2011年模式Ⅰ和典型年模式Ⅱ下，该变转速空调器在新旧两个标准下都是2级能效；典型年的模式Ⅰ下，该变转速空调器在新标准中是3级能效，而在旧标准中是2级能效；2011年的模式Ⅱ下，改变转速空调器在新标准中2级能效，而在旧标准中是3级能效。这充分说明了在新标准推出后，变转速空调器的研发侧重点与以往有了很大的不同。以典型年的模式Ⅰ为例，变转速空调器的SEER值为5.01，比旧标准的2级能效限定值4.50高出不少，甚至接近了1级能效限定值5.20，但是其APF只有3.93，在新标准下只是3级标准，刚刚达到了市场准入门槛；而另一方面，2011年的模式Ⅱ下，变转速空调器的SEER值只有4.39，在旧标准下只是3级能效，但其APF却高达4.30，在新标准下却达到了2级能效。

表10 典型年与2011年数据比较Tab·10 Typical year data compared with 2011 data

综上所述，新标准下的变转速空调器的研发侧重点与过去有着很大的不同，现在要在保持SEER的同时侧重于提升HSPF，而且还要尽可能的降低制热季节时的总耗电量HSTE，以降低其在全年运行总耗电量中所占的比重。

4 结论

本文以某型号变转速空调器作为研究对象，依据GB21455—2013和 GB21455—2008的相关标准，分析其典型气象年和上海某年夏季制冷、冬季制热及全年综合的能效比。通过实验并计算获得空调器在不同城市不同模式下的制冷季节能效比SEER、制热季节能效比HSPF。然后计算出各标准及各城市各模式下的全年能源消耗效率APF值，并作了简要分析，分析了CD系数对变转速空调系统SEER的影响。紧接着讨论了新标准中规定的制冷、制热温度发生时间并不能全面体现变转速空调器在我国不同地区实际运行时的全年能源消耗效率，得出了提高APF必须侧重于提高HSPF的结论。上述的工作或许会对新国标GB21455—2013的推广和使用具有一定的促进作用。

本文受2013年上海大学生创新训练计划(SH2013019)和上海市重点学科建设项目(S30503)资助。(The project was supported by the 2013 Shanghai Students’Innovative Training Program(No.SH2013019)and Important Subject Foundation Programof Shanghai(No.S30503).)

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会.GB21455—2013转速可控型房间空气调节器能效限定值及能源效率等级[S].北京:中国标准出版社，2013.

[2] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会.GB21455—2008转速可控型房间空气调节器能效限定值及能源效率等级[S].北京:中国标准出版社，2008.

[3] 中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京:中国建筑工业出版社，2005.

[4] 赵巍，张华，邬志敏.气候条件及空调器的运行模式对变容量空调器季节能效比的影响[J].上海理工大学学报，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] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会.GB/T 7725—2004房间空气调节器[S].北京:中国标准出版社，2005.

[6] 刘圣春，马一太，成建宏.变频型房间空调器区域性季节能效比的研究[J].制冷学报，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.)

[7] AHRI.AHRI 210/240—2008:Standard for performance rating of unitary air-conditioning and air-source heat pumPequipment[S].USA:Air-conditioning，Heating and Refrigeration Institute，2008.

[8] 饶荣水，宋铭，刘丽刚，等.节流元件对空调Cd系数影响的实验研究[J].制冷与空调，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

简介

李堂，男，硕士研究生，上海理工大学制冷及低温技术研究所，18301781550，E-mail:578488783＠qq.com。研究方向:制冷与低温技术。

2014年5月20日