变频空调器能效的地域差异研究

(1 北京工业大学环境与能源工程学院 北京 100124； 2 中国标准化研究院 北京 100191)

随着技术的进步和人们生活水平的提高，变频房间空调器(简称：变频空调器)在我国的应用越来越普遍。2007-01—2015-06，国内累计销售变频空调器3.26亿台[1]，庞大的使用量同时也意味着巨大的能源消耗。为了减少能源消耗，促进产品节能减排，我国从2008年开始制定并逐步完善变频空调器的能效标准[2]。目前实行的是《GB 21455—2013转速可控型房间空气调节器能效限定值及能效等级》[3]，该标准中以制冷季节能效比SEER来评价单冷型变频空调器，以全年能源消耗效率APF来评价热泵型变频空调器。SEER与APF的计算需要用到变频空调器的测试数据(制冷能力、制热能力、功率等)及运行时间曲线(也称温度发生时间)数据。前者的获取较为简单，而后者则相对困难。运行时间曲线的含义是变频空调器在不同温度段内的运行时间，因此它既受地域因素(地域不同可能导致气象数据不同)的影响，也受用户使用习惯(开机温度和运行时间等)的影响[4]。

近年来各国学者格外关注用户使用习惯对房间空调器能效的影响[5-10]。相比于用户使用习惯，地域对运行时间曲线的影响较容易考虑，只需将全国划分成几个气候相近的区域并分别规定其运行时间曲线。美国标准[11]将全国划分成6个地区对应不同的运行时间曲线，用来分别计算房间空调器在不同地区的SEER和制热季节能源消耗效率HSPF。日本也将本土划分为5个区域[12]，房间空调器制冷运行时所有区域均用一组运行时间曲线，而制热运行时则将5个区域进一步划分为温带区和寒带区，并分别规定两组不同的运行时间曲线来计算SEER和APF。与美国和日本形成鲜明对比的是，目前GB 21455—2013中并没有对全国进行地域划分，给出的时间曲线是全国通用的，其中制冷时间为1 136 h，制热时间为433 h[13]。

显然，这一点是现阶段能效标准中存在的问题。早期国内学者通过实际测试[14]和理论计算[15]验证了SEER在少数典型城市的地域差异性。之后有学者[16-18]通过实际调研的方式对个别地区的空调器运行时间曲线进行研究，均发现实际获得的时间曲线与国标中规定的时间曲线有较大差别。虽然发现变频空调器能效地域差异的存在，但他们的研究均只得到少数几个城市的时间曲线数据，覆盖范围不够广泛和全面，缺乏说服力；且研究均关注于能效的影响因素及如何提升能效[15,18]，并未从能效标准层面提出针对地域差异的解决措施。随着技术的提高，变频空调器的能效已经达到很高的水平，解决能效标准中忽视地域差异的问题与继续提高空调器能效相比，将更有助于节能减排目标的实现。

本文采用国标规定的APF计算方法，以理论选取和抽样调查两种时间曲线数据对不同容量、不同能效变频空调器在全国5个建筑气候分区的能效地域差异进行分析研究，并提出针对地域差异的解决措施。

1 研究方法

1.1 变频空调器参数确定

研究采用3种能效等级(1级、2级、3级)及3种制冷量(1、1.5、2 HP)对应的9种热泵型变频空调器。根据实际变频空调器的检测数据得到其性能参数，如表1所示。

表1 变频空调器性能参数Tab.1 Performance parameters of inverter air anditioner

1.2 时间曲线获取

在本次计算中，分别采用理论选取和抽样调查两种方式得到时间曲线。

1)理论选取。

不同地区的典型年气象数据由《中国建筑热环境分析专用气象数据集》[19]获得。在此基础上，为完成时间曲线的统计还需进一步假设用户使用习惯，即冬夏两季的空调开启温度及空调运行时间段，具体设定为：

制冷季节：房间空调器制冷运行的日期段，参照《GB 17758—2010单元式空气调节机》[20]中的定义，分别取日平均气温超过24 ℃第3次的当天开始至日平均气温超过24 ℃最后一天向前数第3次当天为止。

制冷季节内，分别取00∶00—23∶00时间段内室外环境温度≥24 ℃的时间作为制冷季节温度发生时间即开机制冷时间。

制热季节：房间空调器制热运行的日期段，分别取日平均气温低于16 ℃第3次的当天开始至日平均气温低于16 ℃最后一天向前数第3次当天为止[19]。

制热季节内，分别取06∶00—23∶00时间段内室外环境温度≤16 ℃的时间作为制热季节温度发生时间即开机制热时间，如果该城市冬天有集中供暖则需减去相应的时间。

为了得到更加全面、准确的时间曲线数据，选取城市包括所有中国直辖市、省会城市及其他重要城市等共计55个，包含中国5个建筑气候分区。其中夏热冬暖地区7座、夏热冬冷地区18座、温和地区3座、寒冷地区17座、严寒地区10座。将每个分区内的所有城市的时间曲线求时间加权平均值，得到5个分区及全国的变频空调器制冷、制热运行时间曲线，如图1所示。

图1 理论制冷与制热运行时间曲线Fig.1 Theoretical refrigeration and heating running time curves

2)抽样调查。

除了理论选取获得时间曲线外，本文利用Wu Jianghong等[17]对全国范围内的空调器进行实际调研后得出运行时间曲线。选择了寒冷地区的北京、青岛，夏热冬冷地区的武汉、上海、杭州、成都，夏热冬暖地区的广州共计7座城市，对其中400户家庭的房间空调器进行了为期15个月(2009-07—2010-10)的监测，得出我国不同地区的时间曲线，如图2所示。

图2 抽样制冷与制热运行时间曲线Fig.2 Sampling refrigeration and heating running time curves

1.3 能效计算

将上述各地区的变频空调器制冷、制热季节运行时间曲线及变频空调器的性能参数代入《季节能效比计算软件》中，可以得到不同容量、能效等级的变频空调器在不同地区的能效。软件截图见图3。

图3 变频空调器季节能效比计算软件Fig.3 Seasonal energy efficiency calculation software of inverter air conditioner

2 结果与分析

理论时间曲线得出的9种变频空调器在不同地区的APF差异如图4所示。

图4 理论时间曲线所得APF地域差异Fig.4 APF regional difference obtained from theoretical time curves

由图4可知，不同容量、不同能效的9种变频空调器的APF均因地域差异而产生了变化，且变化趋势相同。APF在夏热冬暖地区达到最高，夏热冬冷地区出现大幅下降并在温和地区达到最低值。之后，APF又在寒冷地区再次升高，严寒地区再次下降。由以上5个建筑气候分区的时间曲线求时间加权平均，可以得到全国的APF数据，图中该数值位于寒冷地区与严寒地区的APF之间。同一变频空调器在不同地区的APF差异最大值均为夏热冬暖地区与温和地区之差，其中3号空调器APF差值最大为1.33，9号空调器APF差值最小为0.54。

图5所示为抽样时间曲线所得APF与地域关系，也体现出了APF的地域差异。APF在华南地区达到最高，华东地区其次，华中地区最低，由以上3个地区的时间曲线求时间加权平均，可得全国的APF数据，图中该数值位于华东地区与华南地区的APF之间。同一变频空调器在不同地区的APF差异最大值均为华南地区与华中地区之差，其中3号空调器APF差值最大为1.86，9号空调器APF差值最小为1.18。

图5 抽样时间曲线所得APF地域差异Fig.5 APF regional difference obtained from sampling time curves

由图4和图5的全国APF数据对比可知，虽然理论结果与抽样结果均体现出变频空调器APF的地域差异，但具体到某一城市的APF，两者存在一定差异。这种情况的产生是时间曲线的差异导致，理论时间曲线的获取是在假设用户使用习惯(开机温度与开机时长等)的基础上得到的，与真实情况必然存在着一定的差异；而抽样调查获得的时间曲线则更接近该地区用户的真实使用情况。

同一台变频空调器在我国不同地区APF可能会存在很大差异。一台由全国统一的时间曲线计算APF达到能效限定值的变频空调器，在实际使用中，可能会出现APF大幅下降甚至低于市场准入能效限定值的情况，图4中的温和地区、图5中的华中地区均属于这种情况。我国有5个建筑气候分区，即使在同一气候分区中不同城市之间的时间曲线也可能产生较大差异。因此变频空调器在实际使用中的能效地域差异可能会比图4、图5中的结果更加显著。这种情况下，能效标准中采用一组时间曲线来评价变频空调器显然是不合理的，应进行分区评价。

3 地域差异的应对策略

能效标准应该针对全国范围内变频空调器的环境影响程度进行控制和考量，文中只讨论地域差异的情况下，这种影响程度可以用APF衡量。虽然在分区评价的思路下，各区域计算变频空调器能效的时间曲线各不相同，但显然能效标准对变频空调器影响环境程度的控制应一致，即工作在全国各区域的变频空调器的能效限定值和节能评价值一致，对于热泵型空调器而言，即要求APF一致。因此对于热泵型变频空调器的能效评价，单独依靠APF指标并不能对地域进行区分，为了体现不同区域的制冷、制热特点，需要增加SEER或HSPF指标作为补充。

全年能源消耗效率APF为：

(1)

式中：ATL为全年总负荷，kW·h； APC为全年耗电量，kW·h；CSTE为制冷季节耗电量，kW·h；HSTE为制热季节耗电量，kW·h；CSTL为制冷季节负荷，kW·h；HSTL为制热季节负荷，kW·h。

特别当变频空调器的SEER与HSPF相等时由式(1)可得：

(2)

对于某一确定区域容量确定的变频空调器而言，其全年及制冷、制热季节的负荷不变，此时设定某一APF为全国共同参照的能效标准值，则根据式(1)可得该容量变频空调器在该地区实现能效达标时对应不同的SEER、HSPF，从而解决地域差异引发的能效差异问题。

以制冷量为1 HP的4号变频空调器理论时间曲线为例，将其理论全国APF=4.30设定为能效标准值。全国及5个建筑气候分区的负荷等数据如表2所示。

表2 制冷量为1 HP的变频空调器理论地域负荷Tab.2 Theoretical regional load of 1 HP refrigerating capacity inverter air conditioner

将表2中的数据代入式(1)，可得5种应用于不同建筑气候分区制冷量为1 HP且APF均为4.30的变频空调器SEER与HSPF的关系式，如表3所示，关系曲线如图6所示。

表3 不同地域SEER与HSPF关系式Tab.3 Regional relations between SEER and HSPF

图6所示为双曲线中处于第一象限的半支，可知5个区域的曲线均相交于A点，即上文提到的APF=SEER=HSPF=4.30的特殊情况。对于A点上方的曲线即SEER>4.30、HSPF<4.30，当5个区域空调器的SEER、HSPF分别相等时，HSPF、SEER取值由大到小顺序一致，依次为温和地区、夏热冬冷地区、严寒地区、寒冷地区、夏热冬暖地区。对于A点下方的曲线即SEER<4.30、HSPF>4.30，当5个区域空调器的SEER、HSPF分别相等时，HSPF、SEER取值由大到小顺序一致，但与A点上方顺序正好相反。原因是，不同地域制冷负荷、制热负荷占全年总负荷的比例不同。以夏热冬暖地区和温和地区为例，由表2可知前者的制冷负荷占总负荷比例大，后者的制热负荷占总负荷比例大。当两地区空调器的SEER相等且高于4.30时，其对前者空调器的制冷正面影响大于对后者空调器的影响，因此前者制热HSPF小于后者；当两地区空调器的SEER相等且低于4.30时，其对前者空调器的制冷负面影响大于对后者空调器的影响，因此前者制热HSPF高于后者。

对于不同区域的变频空调器只要其SEER和HSPF处于对应区域曲线上，则该空调器就满足APF=4.30的要求。但由表1和表4可知，一般变频空调器的SEER高于HSPF，且SEER高的空调器HSPF也较高。因此并非曲线上的任何一点都在实际中有性能与其相对应的变频空调器。

本文从实际变频空调器中选取5台大致符合表3中各建筑气候分区关系式的1 HP机，计算其在理论时间曲线下，采用全国统一评价(利用理论全国时间曲线)与各地分区评价(利用各地区理论时间曲线)的APF数据。5台变频空调器的参数如表4所示，计算结果如图7所示。

表4 实际选取的变频空调器性能参数Tab.4 Performance parameters of selected real inverter air conditioner

图7 实际选取变频空调器的理论APF结果Fig.7 Theoretical APF values of selected real inverter air conditioner

由表4和图7可知，对于编号10～14的5台变频空调器，以统一理论全国时间曲线计算的APF各不相同，其中10号与13号空调器未达到4.30的标准，其余3台的能效则高出了标准值。但对上述5台空调器以应用地区的理论分区时间曲线计算APF时，由于它们的理论分区SEER、HSPF满足表3中的关系式，所以各区域计算出的APF在保留两位有效数字之后均为4.30，实现了能效的统一达标。同时上述情况也再次证明：全国统一评价时APF达标的变频空调器，在实际应用于不同地域时，可能会出现APF大幅下降甚至低于能效限定值的情况，即图7中的夏热冬冷、寒冷和严寒地区。

4 结论

本文采用我国现行变频空设计器能效标准《GB 21455—2013转速可控型房间空气调节器能效限定值及能效等级》中规定的APF计算方法，分别对不同容量、不同能效的变频空调器在不同地域下所产生的能效差异进行了分析，得到如下结论：

1)变频空调器能效的地域差异存在且显著，根据本次抽样调查时间曲线数据计算结果，3号空调器在华南地区与华中地区的APF差值达到1.86，实际情况中APF地域差异可能会更大。

2)目前采用一条时间曲线来计算全国范围内变频空调器的能效数值是不合理的。能效标准虽然对全国范围内变频空调器环境影响的限制应相同，但更应体现出不同地域对应的不同制冷和制热特点。因此，能效标准在设定时除了全国统一的APF之外，还应再增加不同地域所应参照的SEER、HSPF。该数值可在不同地域时间曲线得出对应的制冷和制热负荷基础上，根据APF标准值和其与SEER、HSPF的关系式，再考虑生产技术现状、成本等因素的情况下最终确定。