由早期性能标准的指标计算定频房间空调器APF的方法

吴国明　任 滔　丁国良　成建宏

(1上海交通大学制冷与低温工程研究所　上海　200240； 2 中国标准化研究院　北京　100191)



由早期性能标准的指标计算定频房间空调器APF的方法

吴国明1任 滔1丁国良1成建宏2

(1上海交通大学制冷与低温工程研究所上海200240； 2 中国标准化研究院北京100191)

房间空调器目前同时用两种完全不同的能效指标EER、COP指标以及APF指标来标称空调器能效。为了便于比较不同能效指标标称的空调器性能，需要将传统的EER和COP能效指标转化成APF能效指标。本文给出了一种利用GB7725—1996中EER和COP等性能参数直接计算APF的方法。该方法首先将APF转化为关于“额定制冷量”、“额定制冷功率”、“额定制热量”和“额定制热功率”的函数，然后联立EER、COP和APF的计算式消除中间变量。根据本文开发的公式，房间空调器的APF可以通过制冷和制热的额定能力和能效进行简单四则运算便可得到。

房间空调器；空调标准；APF；定频

早期空调器性能国家标准“GB7725—1996房间空气调节器”提出将额定制冷能效EER和额定制热能效COP作为房间空调器的能效指标[1]。EER和COP指标均只由单个工况点的测试数据计算得到，不能反映空调器在不同工况下的性能变化。为了更加全面的衡量空调器的性能，修订后的空调器性能国家标准“GB7725—2004房间空气调节器”将全年性能系数APF作为房间空调器的能效指标[2]，其中APF通过多个工况点的能力值与输入功率运算得到。

为了鼓励节能空调器的开发，国家通过制订能效等级标准，对于空调器进行能效等级的划分，强制淘汰低能效空调器。空调器能效国家标准“GB12021.3—2010 房间空气调节器能效限定值及能效等级”规定了如何按照EER划分定频空调器的能效等级[3]，“GB21455—2013 转速可控型房间空调器能效限定值及能效等级”则规定了如何按照APF划分空调器的能效等级、更新了APF计算所用的各个室外温度的小时数，所用的APF计算方法适用于定频和变频空调[4]。

目前EER及COP指标与APF指标都有使用，导致不同厂商以及同一厂商不同类型的空调器使用不同的能效指标[5-6]。EER及COP指标和APF指标的计算方法不同，导致EER及COP指标与APF指标值之间无法直接进行比较，从而使得消费者不能根据EER、COP和APF的值直接判断哪种空调器更加节能。为了便于判断选择节能的空调，需要有EER及COP与APF的换算关系。

EER及COP与APF的换算，并不能根据自身的定义直接给出。EER及COP指标只考虑单个制冷工况的性能或单个制热工况的性能，其影响因素包括额定制冷量和额定制冷功率以及额定制热量和额定制热功率[7]；APF指标同时考虑多个制冷工况和制热工况的性能，其影响因素包括全年所有工况的性能，以及全年的运行室外温度和对应的小时数[5-7]，并通过复杂的计算得出。EER及COP指标和APF指标的定义包含的影响因素不同，导致EER及COP指标与APF指标值之间无法直接进行换算。

对于EER、COP和APF的换算关系，目前的研究只分析了APF指标和其他性能指标的影响因素[8]，APF与空调器各部件的关系[9-11]以及APF各测试工况点的权重[7, 12]，但是没有文献能够给出EER、COP与APF直接换算的简单方法。GB7725—2004标准中也没有给出利用EER、COP直接计算APF的方法。

本文的目的是提出利用早期标准GB7725—1996中的EER、COP等性能指标，得到APF的换算方法。

1 利用GB7725—1996中的性能参数计算APF的思路

性能国家标准GB7725—1996中的性能参数主要有：1)EER、2)COP、3)额定制冷量φcr、4)额定制热量φhr、5)额定制冷功率Pc、6)额定制热功率Ph，如公式(1)[1]和公式(2)[1]所示。

(1)

(2)

新的性能国家标准GB7725—2004中定义的APF定义为公式(3)[2]。

(3)

式中：CSTL为制冷季节总负荷；HSTL为制热季节总负荷；CSTE为制冷季节耗电量；HSTE为制热季节耗电量。

由式(3)可知，APF并不能依据GB7725—1996中给出的各个性能参数直接计算。

本文的目的是利用GB7725—1996中各个性能参数建立APF的关系式。即使不能建立严格的关联式，也要建立尽可能精确的近似关联式。

所采用的方法是，先将APF定义式中所含的四项参数尽可能转化为GB7725—1996中的性能参数的函数，然后再给出APF与GB7725—1996中性能参数的函数。

2 APF推导为GB7725—1996中的性能参数的函数

2.1 制冷季节总负荷推导为GB7725—1996中的性能参数的函数

根据GB7725—2004，制冷季节总负荷CSTL由公式(4)计算，该公式中的相关变量由公式(5)～(8)给出[2]。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

将公式(5)～(8)依次代入公式(4)，可以得到制冷季节总负荷CSTL关于额定制冷量的函数，如公式(9)所示。

CSTL=626.67×φcr

(9)

表1 制冷工况下各个室外温度的小时数[4]

2.2 制热季节总负荷推导为GB7725—1996中的性能参数的函数

根据GB7725—2004，制热季节总负荷HSTL由公式(10)计算，该公式中的相关变量由公式(11)给出[2]。

(10)

(11)

式中：tj是室外温度， ℃；nj是各个室外温度的小时数，h，取值如表2所示；BLh(tj)是建筑热负荷，W；φcr是额定制冷量，W。

将公式(11)带入公式(10)，可以得到制热季节总负荷HSTL关于额定制冷量的函数，如公式(12)所示。

HSTL=368.29×φcr

(12)

表2 制热工况下各个室外温度的小时数[4]

2.3 制冷季节耗电量推导为GB7725—1996中的性能参数的函数

根据GB7725—2004，制冷季节耗电量CSTE由公式(13)计算，该公式中的相关变量由公式(14)～(17)给出[2]。

(13)

(14)

(15)

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

(16)

(17)

将公式(14)～(17)依次带入公式(13)，可以得到制冷季节耗电量CSTE关于额定制冷功率的函数，如公式(18)所示。

CSTE=618.85×Pc

(18)

2.4 制热季节耗电量推导为GB7725—1996中的性能参数的函数

根据GB7725—2004，制热季节耗电量HSTE由公式(19)～(26)给出[2]。

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

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

(24)

(25)

(26)

将公式(20)～(26)依次带入公式(19)，并联合公式(1)和(2)，可以得到制热季节耗电量HSTE初步化简成关于“额定制冷功率”，“额定制冷量”和“额

定高温制热量”的函数，如公式(27)所示。

2.5 APF计算式的推导结果

将公式(9)、公式(12)、公式(18)和公式(27)带入公式(3)，并与公式(1)和公式(2)联立求解可以得到APF的计算公式(28)，其中室外温度tj和小时数nj的取值如表2所示。

(27)

(28)

3 APF计算式的近似化简

本文的目标是要建立APF与GB7725—1996中的性能参数的简单函数。已推导得到的APF计算式(28)中，变量A还是比较复杂的计算式，还需要进一步化简。

由于式(28)中，tj、nj是取值已知的常数，因此变量A是关于φhr/φcr的一元函数。将tj、nj代入式(28b)计算，可以绘制得出A与φhr/φcr的关系曲线接近线性，如图1所示。

通过数据拟合，得到变量A的计算公式(29)。

(29)

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

将公式(29)带入公式(28)可得APF的简化计算公式(30)。

(30)

APF的近似公式(30)的误差由公式(31)计算。

(31)

APF的近似计算误差仅由公式(29)中变量A的拟合误差导致。由于变量A是APFfit分母的一部分，因此APF的近似计算误差小于A的拟合误差±0.77%。

APF的计算公式(30)的计算误差在±0.77%以内。

4 房间空调器的能效指标换算案例

下面基于市场上比较有代表性的空调器数据，由上述方法，给出由不同EER值对应的APF值。

房间空调器能效指标换算的三个输入参数为EER、COP和φhr/φcr。EER按照能效等级1级、2级和3级的EER限定值分别取为3.6、3.4、 3.2[3]。

额定高温制热量，按GB7725—2004规定不小于额定制冷量[2]，即φhr/φcr>1；市场上大部分空调器的φhr/φcr在1.1左右。下面计算时取φhr/φcr分别为1.0、1.1、1.2。

COP与EER的关系，在GB7725—2004中并未明确规定。按照市场上的产品调研，房间空调器的COP比EER高0～0.4左右[13]，故下面计算时COP的值分别取为比EER高0、0.2、0.4的值。

房间空调器的APF值在不同输入条件下计算得出的结果如表3所示。

5 结论

1) 对于定频空调器的性能指标来说，APF较EER更为合理；APF的准确计算，可根据GB7725—2004 的定义，以及GB21455—2013对各个室外温度小时数的规定进行。

2) 定频空调的APF可以由早期标准GB7725—1996中的EER、COP、额定制冷量、额定高温制热量近似计算获得；本文所给出的APF近似计算公式，其计算精度在常用的空调器性能数值范围内，误差小于±0.77%。

3)根据本文提供的APF近似计算方法，GB12021.3—2010划分的定频空调器能效等级对应的APF范围如下：一级能效(EER为3.6)对应的APF范围是2.81～3.26；二级能效(EER为3.4)对应的APF范围是2.68～3.11；三级能效(EER为3.2)对应的APF范围是2.55～2.95。

表3 不同能效等级空调器的APF值

[1]中国国家标准化管理委员会. GB7725—1996 房间空气调节器[S].北京：中国标准出版社，1996.

[2]中国国家标准化管理委员会. GB7725—2004 房间空气调节器[S].北京：中国标准出版社，2004.

[3]中国国家标准化管理委员会. GB12021.3—2010 房间空气调节器能效限定值及能效等级[S].北京：中国标准出版社，2010.

[4]中国国家标准化管理委员会. GB21455—2013 转速可控型房间空调器能效限定值及能效等级[S].北京：中国标准出版社，2013.

[5]龚红卫,管超,王中原,等. 国标中的COP与EER[J]. 建筑节能， 2013(11): 70-72. (GONG Hongwei, GUAN Chao, WANG Zhongyuan, et al. COP and EER in national standard of China [J]. Building Energy Efficiency， 2013(11): 70-72.)

[6]董旭,田琦. COP与EER应用条件分类的辨析[J]. 暖通空调，2015, 45(6): 6-9. (DONG Xu, TIAN Qi. Analysis on classification of application conditions of COP and EER [J]. Journal of HV&AC，2015, 45(6): 6-9.)

[7]秦存涛,祁影霞,胡祥江,等.关于提高家用空调APF能效的试验研究[C]// 2014年中国家用电器技术大会论文集.2014.

[8]颜承初, 赵伟, 石文星. 单元式空调机 APF 性能评价中的两个关键问题[J]. 电器, 2008 (5): 68-70. (YAN Chengchu, ZHAO Wei, SHI Wenxing. Two key problems in the evaluation of APF for the unitary air conditioner [J]. China Appliance, 2008(5): 68-70.)

[9]苏亮. APF——家用空调器节能评价新方法[J]. 家电科技, 2011 (6): 17. (SU Liang. APF-the new evaluation methods for household air conditioner [J]. China Appliance Technology, 2011(6):17.)

[10] 王硕渊. 中国与日本 APF 标准的差异[J]. 家电科技, 2013(9):38-40. (WANG Shuoyuan. The difference of APF standards between China and Japan [J]. China Appliance Technology, 2013(9):38-40.)

[11] Kinab E, Marchio D, Rivière P, et al. Reversible heat pump model for seasonal performance optimization[J]. Energy and Buildings, 2010, 42(12): 2269-2280.

[12] 涂小苹, 方升金, 梁祥飞. 基于APF评价的家用空调室外换热器流路布局优化设计[C]//国际制冷技术交流论文集. 2014: 309-315.

[13] 范逍, 刘警生. 浅谈家用空调新国标 APF 机型的开发[J]. 科技创业家, 2013(7): 204. (FAN Yao, LIU Jingsheng. Discussion in the development of the APF air condition for the new version national standards[J]. Technological Pioneers, 2013(7): 204.)

[14] 杨昭, 赵海波, 胡云峰, 等. 水-水热泵系统全年性能优化的研究[J]. 制冷学报, 2006, 27(3): 24-29. (YANG Zhao, ZHAO Haibo, HU Yunfeng, et al. Research on annual performance of water-water heat pump system [J]. Journal of Refrigeration, 2006, 27(3): 24-29.)

[15] 张明圣. 主要制冷空调产品季节性能评价方法标准的分析源效率[J]. 制冷与空调, 2009,9(2):7-11. (ZHANG Mingsheng. Analysis of seasonal energy efficiency evaluation method standards of main refrigeration and air conditioning equipments [J]. Refrigeration and Air-Conditioning, 2009,9(2):7-11.)

[16] 珠海格力电器股份有限公司. 格力定频空调器规格参数[EB/OL].(2013-11-16)[2015-12-03]. http://www.gree.com.cn/productcenter/pdf/u_xl20131116.pdf.

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

简介

丁国良，男，教授，博士生导师，上海交通大学机械与动力工程学院， (021) 34206378，E-mail：glding@sjtu.edu.cn。研究方向：制冷空调装置的仿真、优化与新工质应用。