我国空调与热泵的能效和标准现状与分析

飞波

(天津大学热能研究所 中低温热能高效利用教育部重点实验室 天津 300072)

随着我国国民经济的快速发展，制冷空调与热泵装置在工业、商业、民用等范围的应用越来越多，消耗的电能也越来越多。我国通过借鉴、学习发达国家的先进经验，制定了制冷空调与热泵装置的能效标准，这对于提高制冷空调与热泵装置的能效水平，节约能源和减少环境污染起到重要作用。

近20年来我国逐步开展能效标准和能效标识的研究工作，已经制定的关于制冷空调产品的能效标准有：电冰箱、房间空调器、单元式空调机、冷水机组、转速可控型房间空调器、多联式空调(热泵)机组、水源热泵、热泵热水机、制冷陈列柜等产品。我国空调热泵的一些相关能效标准如表1所示，考虑到工作温度不同，本文不涉及冰箱和冷柜的能效标准。空调与热泵同属于热力学逆循环，需要两个热源。一侧是环境，热量来自空气或水体(江、河、湖、海，地下水或换热装置中的水)；另一侧是用户侧冷热介质，热(冷)量通过循环的空气或水，也可能是盐类或乙二醇等防冻溶液传给终端。按热源和用户端的冷热流体进行分类，存在4种形式的空调与热泵：空气-空气式、水-空气式、水-水式、空气-水式。作者长期参与或关注我国制冷空调与热泵的能效标准制定工作，总结出热力学完善度的基本原理和计算方法，并将其应用到实际的标准制定中。热力学完善度可以作为指导我国制订与修订制冷空调与热泵装置能效标准的依据[1]。

表1 我国空调热泵的相关能效标准Tab.1 The energy efficiency standard of air conditioning and heat pump in China

由于制冷、空调与热泵的产品种类越来越多，产品容量也越来越广泛，对各种产品都建立完善的能效标准很可能是事倍功半的。热力学完善度可以将不同工况的制冷空调设备统筹于统一的基准上进行比较分析，反映的是设备用能效率偏离理想状态的程度，可以用来分析设备，提高用能效率。如果在相同工况条件下比较不同机组，用相同的效率值即可。例如房间空调器与多联机或单元式机组之间，在室外35 ℃和室内27 ℃(也可以是19 ℃)条件下，可用EER、SEER等比较。如果是在不同工况条件下进行比较，如空气源热泵热水机与空气源热泵，用热力学完善度即可得出准确结果。

我国的能效标准制订开始于电冰箱，参考了欧盟采用的能效标准的7个分级，冰箱起初采用了5个分级，并一度影响到房间空调器、单元式空调机、冷水机组等能效标准的制订，都采用5个分级[2]。作者较早提出，除冰箱外，较大容量的制冷空调设备分3个等级为最佳，并用热力学完善度的规律预测合理的等级分布。对当前低环境温度空气源热泵性能评价影响最大的，首先应该是房间空调器和冷水(热泵)机组。

1 房间空调器的EER和SEER、COP和HSPE

EER(energy efficiency ratio)即制冷能效比，指空调器在额定工况和规定条件下进行制冷运行时，制冷量与有效输入功率之比(单位：W/W)。COP(coefficient of performance)即性能系数，指空调器在额定工况(高温)和规定条件下进行热泵制热运行时，制热量与有效输入功率之比。注意“有效输入功率”包括：1)压缩机运行的输入功率和除霜输入功率(不用于除霜的辅助电加热装置除外)；2)所有控制和安全装置的输入功率；3)热交换传输装置的输入功率(风扇、泵等)。

1979年，美国能源部(DOE)提出了季节能效比(SEER)概念。美国采暖、制冷和空调工程师学会(ASHRAE)及美国空调与制冷协会(ARI，现改名为AHRI)分别在1983年和1989年将房间空调器和热泵的性能指标由单一的标准工况能效比发展为更科学的季节能效比(SEER)和供热季节性能系数(HSPF)。日本于1999年在JRA4046标准中也提出季节能效比的评价方法，但与美国的SEER测试与计算方法不同。我国GB/T 7725—2004《房间空气调节器》中针对风冷式空调器和转速可控型房间空调器提出空调器的制冷季节能源消耗效率SEER(seasonal energy efficiency ratio)(单位：(W·h)/(W·h))和制热季节能源消耗效率HSPF(heating seasonal performance factor)的计算公式。目前GB 21455—2008《转速可控型空气调节器能效限定值及能源效率等级》参照国外的相关标准，首次采用季节能效比SEER作为衡量空气调节器整个运行季节的能效水平的指标。特别需要注意：在GB/T 7725—2004《房间空气调节器》中提出SEER概念并不只是针对变频空调，所有空调都可以检测SEER。同时，针对冬季热泵工况，不仅有名义工况下的COP，还有采暖季节的供热季节性能系数HSPF。但对于变频的热泵产品，可直接考核APF，没有HSPF要求。

对比相同容量转速可控和固定的空调器标准中规定的数据，通常SEER是EER的1.17～1.5倍，1、2、3级能效的比值约为1.3∶1.15∶1；如果比较转速可控空调和定频空调的APF，前者是后者的1.13～1.27倍。由表2和表3可知1、2、3级能效的比值约为1.2∶1.06∶1。最大值出现在容量为4 500 W以下的1级能效的分体空调，这是国内用量最多的房间空调器。从EER到SEER代表着技术水平的提高，促进了变频压缩机、电子膨胀阀、变频风机等技术的发展。

表2 GB 21455—2013分体式单冷型转速可控房间空气调节器能效等级Tab.2 GB 21455—2013 Minimum allowable values ofthe energy efficiency and energy efficiency grades forvariable speed split type cooling room air conditioners

表3 GB 21455—2013分体式热泵型转速可控房间空气调节器能效等级Tab.3 GB 21455—2013 Minimum allowable valuesof the energy efficiency and energy efficiency gradesfor variable speed split type heat pump room air conditioners

2 IPLV的由来和发展

美国冷水机组标准ARI Standard 550—1986首次提出综合部分负荷值IPLV(integrated part load value)，并于1988年被采用，在1992年和1998年进行了两次修订。与单元设备所采用的SEER类似，IPLV表示冷水机组在标准的ARI标定条件下部分负荷的综合效率值。目前，美国主要的冷水机组制造商一致通过了1998年版的IPLV计算方法，IPLV作为冷水机组的能耗考核指标已被广泛采用。在GB 50189—2005《公共建筑节能设计标准》[3]中也引入了此概念，该指标用于水冷式冷水机组单台机组的性能评价[4]。

GB 50189—2005通过大量计算分析，分别得到我国4个主要气候区(温和地区除外)的标准办公建筑的冷水机组部分负荷运行时间分布和4个气候区的IPLV系数值，给出中国冷水机组IPLV的计算公式。但由于建筑节能的发展，25%工况小时数明显减少，GB 50189—2015对IPLV公式进行了修订，并于2017年1月1日正式实施。IPLV计算公式为：

IPLV=0.012A+0.328B+0.397C+0.263D

(1)

式中：A为机组在100%负荷的COP；B为机组在75%负荷的COP；C为机组在50%负荷的COP；D为机组在25%负荷的COP。

3 冷水机组的COP和IPLV

冷水机组的COP指机组制冷(热)量与总输入电功率的比值。即冷水机组的COP为制冷系数，也表示热泵的制热系数。“总输入电功率”对于水冷式机组包括压缩机电动机、油耗电动机和操作控制电路等的输入总电功率(不包括水泵电机输入功率)；对于风冷式机组除上述功率外，还包括放热侧冷却风机电功率。

我国的冷水机组(热泵)分为商用和户用两种型式，区别为商用冷水机组制冷量≥50 kW，而户用机组制冷量<50 kW，同时建立了相应的测试标准分别为GB/T 18430.1和GB/T 18430.2。两个标准均经过了一次修订，新版本分别为GB/T 18430.1—2007[5]和GB/T 18430.2—2008[6]。均采用GB 50189—2005《公共建筑节能设计标准》[2]中的IPLV作为冷水机组和水冷单元式空调的性能评价指标。在GB 19577—2004《冷水机组能效限定值及能效效率等级》中实行的是5级能效等级：1级是最高级，2级是节能级，5级是入门级。2015年进行了修订，新版GB 19577—2015《冷水机组能效限定值及能效效率等级》[7]采用了3级能效等级。其中，1级最高，2级是节能级，3级是限定值(入门级)，限定级(3级)能效与产品标准的能效是一致的，且是强制性的，其余都是推荐性的。不仅各级COP，特别是限定值(3级)有较大提高，还引入了IPLV的限定值和能效等级(说明：若不做特别标注，IPLV指制冷时综合部分负荷值，IPLV(H)指制热时综合部分负荷值)。通常IPLV是对应100%负荷下COP的1.2～1.3倍。反映了当前整机在容量调节和工况调节的水平，制冷与热泵在该方面原理是相同的。GB 18837—2002《多联式空调热泵机组》[8]中对多联式空调机采用的IPLV直接引用美国标准ANSI/SRI Standard 210/240—2003[9]中IPLV的计算公式。

以容量较大的冷水机组(热泵)为代表，有关国家标准给出，产品要测定在给定工况下的能效比EER(通常为制冷量与耗电量之比)或性能系数COP(通常为制热量与耗电量之比，具体看规定)。对于可能在变化的工作条件下工作的制冷或热泵装置，与房间空调SEER相对应的季节能效理念发展出了综合部分负荷值IPLV理念。其发展也许是独立于房间空调器的技术升级思路，因为通常制造容量较大的冷水机组的企业与制造房间空调器的企业很少有交集。如同房间空调器用SEER代替EER，用综合部分负荷值IPLV代替额定工况下的EER或COP。刘圣春等[10]曾论证，SEER和IPLV在本质上相同，IPLV和SEER有相同的规律，如两者都可能是100%负荷工况下的EER或COP的1.2倍以上，有可能高达1.5倍。该规律既适用于制冷工况也适用于制热工况。虽然SEER和IPLV是发展方向，但EER或COP还是基础。

4 低环境温度空气源热泵的IPLV(H)

基于相关热力学完善度理论，参考若干产品的设计和应用实测值等，对于户用空气源热泵名义工况下(A工况：负荷100%，干球温度-12 ℃,湿球温度-14 ℃)，其1级能效、2级能效和3级(入门级)能效COP依次建议为2.6、2.4和2.2。GB/T 25127—2010中第一次说明了IPLV(H)。对于综合部分负荷值IPLV(H)(按各地的平均的系数计算)，建议其1级能效、2级能效和3级(入门级)能效值依次为3.3、3.0和2.5。1级能效只占总产品的5%，2级能效占总产品的25%～30%，其余为3级能效。作为研究和应用分析的参考，低环境温度(户用)空气源热泵的能效标准计算值，可参考表4所示数据。

表4 低环境温度(户用)空气源热泵的能效标准计算值Tab.4 The calculated value of the low ambient temperature (household) air source heat pump energy efficiency standard

5 APF和ACOP的定义及由来

热泵热水机组全年能源消耗效率APF(annual performance factor)，是用于评价热泵全年季节性能系数的一个指标。指空调器在制冷季节和制热季节期间，从室内空气中除去的冷量与送入室内的热量的总和与同期间内消耗电量的总和之比，也称为全年综合能效比。同时考虑多个制冷工况和制热工况的性能，受全年所有工况性能、全年运行室外温度和对应小时数的影响。目前有趋势将末端用空气为冷热介质的系统：空气-空气式和水-空气式的产品，用APF作为全年能效性能的评价指标。

随着变频空调的不断发展，使用比例不断提升，单一工况的EER和COP指标已不能确切反映空调的实际效率，以往只考核制冷性能的SEER评价指标转变为兼顾制冷和热泵的APF评价体系[11]。变频空调的APF标准最早由日本提出，并于2010年开始实施，2013年正式引入我国标准之中。GB 21455—2013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[12]。

APF计算公式：

(2)

式中：CSTL为全年制冷总负荷，kJ；HSTL为全年制热总负荷，kJ；CSTE为全年空调制冷消耗总功率，kJ；HSTE为全年空调制热消耗总功率，kJ。

APF的优点为可以充分体现机组在全年的综合性能，因为压缩机或换热器的性能不可能对EER和COP都是优化的，突出APF可以兼顾两者。但是APF也不能包揽一切，如单供冷的空调机组，或单供热的热泵机组都不能用APF。

在GB/T 19409—2013《水(地)源热泵机组》[13]中提出全年综合性能指标ACOP，用于热泵型水(地)源热泵的能源效率。

ACOP=0.56EER+0.44COP

(3)

式中：加权系数0.56+0.44=1，是经过统计全国数十个城市，制冷和热泵应用小时数的平均比例得出的。可知APF和ACOP都是希望机组在制冷和制热性能上达到兼顾，同样，对于单供冷机组和单供热机组，ACOP也不适用，需要用EER或COP，水(地)源热泵机组也没有IPLV或HSPF的要求。

6 我国能效(分级)标准发展历程

我国于1989年12月，由国家技术监督局颁布了GB 12021.3《房间空气调节器电耗限定值及测试方法》，并于1990年12月执行。1996年又颁布了GB/T 7725—1996《房间空气调节器》，将EER和COP作为房间空调器的能效指标，主要参考了日本的测试标准。由于产品的不断发展和技术的进步，原有标准已经跟不上节能技术发展的步伐，GB/T 7725—1996[14]也于2004年进行了修订。

GB/T 7725—2004更注重空调器设备本身。其能效指标从额定工况下的EER、COP等，发展为制冷季节能源消耗效率SEER、制热季节能源消耗效率HSPF和全年能源消耗效率APF。在术语中规定了房间空调器和气候类型(T1温带、T2低温和T3高温)，包括单冷型和热泵型，也包括转速可控型(压缩机变速或变频)，容量可控型(不通过压缩机变速而改变容量)，及一拖多房间空气调节器。与多联式空调(热泵)机组类似，两者英文名字multi-split room air conditioner和multi-connected air condition (heat pump) unit也很相近，区别可能主要在容量上。GB/T 7725—2004虽然容量只是14 kW以下，给出了制冷运行的额定、最大和冻结工况条件和热泵运行的额定、最大、最小和除霜工况条件，其低温热泵工况中室外温度为2 ℃，超低温工况为-7 ℃，与低环境温度空气源热泵GB/T 25127—2010不一致。在GB/T 7725—2004全文中没有给出具体产品能效的限定值，但从能效实验的基本原理、能效指标和实验装置等方面为所有空气源空调和热泵打下了基础。

我国于2000年、2004年和2010年先后3次对GB 12021.3进行了修订。GB 12021.3—2010[15]在2004年版的基础上进行提高，按照EER对定频空调进行划分，并将5级能效改变为3级能效，如表5所示。2008和2013年颁布GB 21455《转速可控型房间空气调节器能效限定值及能源效率等级》[16]，该标准对转速可控的房间空调器的能效进行限定。GB 12021.3—2010《房间空气调节器及能效等级》中对定速房间空调器的能效限定及能效等级的划分标准为EER，而GB 21455对转速可控房间空调器的能效限定及能效等级的划分标准为SEER。GB/T 7725—2004制冷(热)季节需要制冷和供热的各温度发生时间分别是2 399 h和3 600 h，而在GB 21455—2013 《转速可控型房间空气调节器能效限定值能效等级》中各温度发生时间分别是1 136 h和433 h(特指南京)。GB 21455—2013《转速可控型房间空气调节器能效限定值能效等级》主要指变频空调，单冷型用SEER，热泵型用APF。因此，可以看到我国在能效(分级)标准中的发展历程，也可看出在起点上存在的问题。

表5 GB/T 12021.3—2010《房间空气调节器能效限定值及能效等级》Tab.5 GB/T 12021.3—2010 The minimum allowablevalue of the energy efficiency and energy efficiencygrades for room air conditioners

GB/T 18837《多联式空调(热泵)机组》，在2002年颁布，并在2015年进行了修正。2015版多联机标准的性能评价体系发生了重大变化，风冷式多联机采用季节能效比(SEER)和全年性能系数(APF)进行评价，参考ISO 16358标准计算模型，并结合了中国的气候条件和多联机使用情况，以南京作为代表城市，以办公建筑为代表建筑类型进行计算和评价，其他城市及建筑类型参照执行。水环式水冷多联机采用IPLV进行评价，地下水、地表水和地埋管式水冷多联机则参照水(地)源热泵标准考核产品的名义制冷能效比(EER)，如表6所示。多联机在制冷季节需要制冷的各温度运行时间和在制热季节需要制热的各温度运行时间，参照了GB/T 17758—2010《单元式空气调节机》中对商用空调的相关要求。同时，GB/T 18837—2015[17]增加了对实验机组的要求，在一定正度上可以规范通过盲目增加室内机台数来增加换热面积以及加大风量以追求较高能效实验数据的做法，保证标准的合理性。

7 空调机组能效等级的共性

以应用最广泛的空气-空气式和水-水式两类空调(制冷)产品为例，寻找一些共性。

可以把房间空调器(容量小于14 kW)、多联式空调(热泵)机组(容量大于7 kW)、单元式空调机(容量于大7 kW)看作原理一致，名义工况和测试方法相同，只是容量大小不同。如果认为通常多联式空调(热泵)机组单机容量为中间值，单元式空调机的单机容量可能更大，可以构造图1所示的规律。其中，多联机和单元式空调机目前只有入门级，但通过上述的规律，可利用其1.3倍假设1级。图2列出了不同功率下冷水机组和水(地)源热泵的机组能效，注意这两种机组很相近，但在容量划分、名义工况和能效的评价标准上有很大不同，放在一起是为了寻求共性。由图2可知，在一定容量范围内，冷水机组或水源热泵随机组容量的增加，能效比增加，风冷空调系统随机组容量的增加，能效比降低。

图1 50 kW以下部分类型空调产品机组能效Fig.1 The energy efficiency of the air conditioning product unit under 50 kW

图2 冷水机组和水(地)源热泵机组能效Fig.2 The energy efficiency of the part type of air conditioning and heat pump unit

空气-空气式产品随容量增加用能效率下降的原因，一方面是空气源的空调压缩机多是全封闭转子式和涡旋式，小容量空调压缩机用量最大，因此制造厂在压缩机、换热器各方面的研发投入大，效率都很高。另一方面，小容量的空调增大换热面积占用的空间不大，安装不受影响。而容量大的空调受安装空间、房屋承重等限制，换热器只能相对较小，效率下降。冷水机组或水源热泵的容量通常较大，大型压缩机的效率要比小型压缩机的效率高些。冷水机组以528 kW和1 163 kW分为3档。一般在528 kW以下的机组常用干式蒸发器，大于528 kW的机组常用满液式或降膜式蒸发器，这两种换热器在与干式蒸发器同样材料消耗下，换热温差小。此外，大于1 163 kW的机组，以离心压缩机为主，比螺杆压缩机效率高。

8 能效标准中存在的问题

空调与热泵的能效标准的问题主要有如下5个方面。

1)缺乏制冷和热泵产品能效的科学定义和基础数据的分析，我国在空调和热泵能效标准方面的理论工作还有待加强。目前，多数工作是移植国外的经验和企业的统计数据。但国外数据并不能完全适合于我国，且存在改变，企业的经验数据带有企业特色。如做变频空调的就坚持SEER(SCOP)考核，做定频空调的坚持EER(COP)考核，这点在空气源热泵尤为突出。由于我国要通过热泵技术替代燃煤锅炉或散煤小炉灶，各种空气源热泵发展迅速。供热终端有水系统或风系统，为便于评价，需要为空气源热泵的季节性能提供一个快速准确的评价方式。

2)评价指标不统一。目前存在同时用多种完全不同的能效标准(即EER、COP、SEER、SCOP、HSPF、IPLV和APF等指标)评定能效的情况，存在着不同产品甚至是同一产品不同类型空调器使用不同能效指标的情况，各种指标的测量方法不同，无法进行直接比较与换算。此外，空调与热泵产品在类型和容量方面有交叉，有些产品可能分到两类名录中。

3)环境温度小时数不统一。季节能效比SEER、季节性能系数HSPF和综合部分负荷系数IPLV都与环境温度的变化规律有关。在变工况环境温度方面，出现多个城市综合数值(GB/T 7725—2004《房间空气调节器》)，以南京气候为准(GB 21455—2013《转速可控型房间空气调节器能效限定值能效等级》)和以各大城市气候(GB/T 17758—2010《单元式空气调节机》)为准，今后如何统一是重要问题。

4)部分热泵的能效标准缺失。有关热泵SCOP或HSPF研究尚浅。我国地域广阔，气候分区不同，产品对应不同环境温度性能也不同。低环境温度空气源热泵需要进行详细分区和要求。

5)能效标准未能及时与产品标准相对应。能效标准与产品标准应该是一一对应的。范围除对应的产品外，还包括能效限定值和能效等级。原则上产品标准和能效标准每5年更新一次，实际上多数大于5年。由于管理和技术方面的原因，目前在产品标准方面已经落后于形势发展，而能效标准的制定又落后于产品标准。GB 19576—2004《单元式空气调节机能效限定值及能源效率等级》自2004年之后没有新版公布，因此落后于GB 17758—2010《单元式空气调节机》。GB 19576—2004只考核EER，而GB 17588—2010考核SEER、APF或IPLV，两者差距较大。GB 21454—2008《多联式空调(热泵)机组的能效》与GB 18837—2002相对应，落后于GB 18837—2015，已经形式上废止。一些重要的产品，如低环境温度空气源热泵还没有能效等级标准。

9 结论

我国空调热泵的能效和标准正在逐步完善。空调与热泵的能效标准：风冷从单一工况的EER或COP，发展到季节能效比SEER和供热季节性能系数HSPF；水冷从单一工况COP，发展到综合部分负荷系数IPLV。本文总结了我国制冷空调和热泵产品能效标准，回顾其发展历史；对空调和热泵产品的各种能效指标EER、SEER、HSPF、COP、IPLV、APF等的由来和发展进行了介绍。提出低环境温度空气源热泵IPLV(H)的3级能效划分的建议值。通过分析我国空调与热泵能效标准的现状，揭示了空调机组能效等级的共性，指出现有能效标准存在的问题，如评价指标不统一，能效标准比较缺失，能效标准未能及时与产品标准相对应等问题，并对今后能效标准的研究思路和发展方向给出了建议。

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[13] 水(地)源热泵机组:GB/T 19409—2013[S].北京:中国标准出版社, 2013. (Analysis of water source (ground source) heat pump units: GB 19409—2013[S]. Beijing: China Standards Press,2013.)

[14] 房间空气调节器:GB/T 7725—2004[S].北京:中国标准出版社,2004. (Room air conditioners:GB/T 7725—2004[S]. Beijing: China Standards Press,2004.)

[15] 房间空气调节器及能效等级:GB 12021.3—2010[S].北京:中国标准出版社,2010. (The minimum allowable value of the energy efficiency and energy efficiency grades for room air conditioners: GB 12021.3—2010[S]. Beijing: China Standards Press,2010.)

[16] 转速可控型房间空气调节器能效限定值及能效等级:GB 21455—2013[S].北京:中国标准出版社,2008. (Minimum allowable values of the energy efficiency and energy efficiency grades for variable speed room air conditioners:GB 21455—2013[S]. Beijing: China Standards Press,2008.)

[17] 多联式空调机组: GB/T 18837—2015[S].北京：中国标准出版社，2015. (Multi-connected air-condition (heat pump) unit: GB/T 18837—2015[S]. Beijing: China Standards Press, 2015.)