多联式空调热泵机组标准研究

2019-03-19杨弋石竹青马金平李芳李宏哲

制冷技术 2019年6期

杨弋，石竹青，马金平，李芳，李宏哲

（合肥通用机械研究院有限公司，安徽合肥 230031）

0 引言

随着科技革命的深入和社会经济的发展，制冷与热泵产品的应用也越来越广泛。空调成为建筑物不可缺少的重要设备，其应用大幅改善了人民工作和生活环境，提升了生活品质。与传统的中央空调系统相比，多联式空调热泵机组无需输配系统、室内机独立控制、直接蒸发制冷、温度控制平稳、温度场均匀且美观舒适。其有效降低了建筑空调能耗，实现节能减排，被广泛应用于住宅、商场、教学楼和宾馆等建筑。薛卫华等[1]对某一建筑中多联机系统进行全年的动态能耗计算，说明了多联机系统的节能性。申广玉等[2]介绍了多联机实现节能的方法以及在高端建筑应用中的优势。刘传聚等[3]介绍了多联机的应用和发展趋势。

表1所示为日本媒体JARN的统计数据。2018年多联机产品的全球市场需求持续旺盛，中国已经主导了全球多联机的发展趋势。随着我国“一带一路”建设的推进，多联机在全球范围内的贸易需求迅速增加，多联机产品跨国跨地区销售和使用的情况逐渐增多。但在这种全球化的趋势下，各国和各地区多联机标准的多样化和差异化，以及国际标准的滞后性等问题，给多联机的设计研发造成一定的困难，减缓了多联机产品全球化的进程。

在新的形势下，在全球范围内统一多联机的评价体系和实验方法，并制定顺应全球贸易发展需求的新多联机国际标准，成为业界必须考虑的问题。本文对全球主流多联机标准展开探讨，旨在为多联机产品标准全球化的统一提供思路和可供借鉴的经验。

针对多联机产品，世界各国及地区结合各自产业和技术发展水平均制定了相关标准。全球范围内多联机产品采用的标准主要有GB/T 18837—2015[4]、AHRI 1230—2014[6]、EN14825—2016[7]、ISO 16358—2013[8]、ISO 5151—2017[9]和 ISO 15042—2017[10]等，各标准制定的目的在于更好地服务各地区的制造商及使用者，表2所示为多联机标准的应用地区。

表1 2018年多联机全球市场需求量

表2 多联机标准的应用地区

1 标准差异性比较

1.1 标准覆盖的产品范围

AHRI 1230—2014[6]针对分体热泵型多联机产品，对其定义、分类、测试方法和评价要求都有明确规定，包含数据、运行实验、标识和一致性工况要求等。EN 14825—2016[7]针对可变能力范围的机组，对其温度、部分负荷工况、能力和等级的计算方法，特别是对用于决定能力和等级实测值的测试方法有详细描述。GB/T 18837—2015[4]与 AHRI 1230—2014[6]涉及的产品类别基本相同，但其是唯一对产品检验、包装、运输和贮存有具体要求的多联机标准。ISO 16358—2013[8]针对风冷型空调及热泵产品，对测试计算方法和季节性能因子及全年性能因子做出规定。ISO 5151—2017[9]及 ISO 15042—2017[10]均明确规定了性能的标准工况、能效等级和测试方法，但是这两个标准所涉及的产品类型略有区分。ISO 5151—2017[9]普遍适用于不接风管的风冷空调热泵以及额定能力小于8 kW且运行时机外静压小于25 Pa的接风管的空调热泵，ISO 15042—2017[10]则专门针对风冷型多联式的空调热泵产品。各标准对其覆盖的产品类型分类有所不同，具体内容如表3所示。

表3 标准覆盖产品范围

1.2 标准对多联机产品规格描述

各标准对于多联机产品规格的描述各有不同，如对室内机/室外机的数量配置、压缩机台数、能力控制和卸载级数等方面均有不同定义，多联机的产品规格配置规定如表4所示。

1.3 标准对于实验的要求

对于实验方法及测试项目的要求，大部分标准都有制冷和制热能力的测试、最大/最小负荷测试和中间负荷或多个负荷点测试。对典型的设备类型如两级、多级和变流量产品的测试，稳态及非稳态测试，每个测试的工况条件标准中均有详细规定。关于热回收、融霜和凝结水控制，功率消耗在部分标准中有描述。表5所示为各标准具体实验要求，各标准涵盖的实验要求采用勾选表示。表5的标准中，部分标准包含了水冷产品，而所有的标准都覆盖了满负荷能力；除了 ISO 5151—2017[9]和 ISO 15042—2017[10]之外，其余的标准均规定了设备可在多个能力范围内运行；ISO 16538—2013[8]包含了两级、多级和可变流量的能力范围段。此外，AHRI 1230—2014[6]中基于产品能力大小，对实验要求进行了区分。标准中将机组以19 kW为界，分别对制冷能力为19 kW以下和19 kW以上的机组进行了描述。因此，中国标准GB/T 18837—2015[4]对实验要求方面的编制更为全面。

表4 各标准具体实验要求

表5 实验要求

1.4 测试工况和制冷、制热判定的要求

由于各标准在制定时均为适应不同的区域，因而对产品的评价参数有着不同的要求。EN 14825—2016中对能效比（Energy Efficiency Ratio，EER）、制冷季节能效比（Seasonal Energy Efficiency Ratio，SEER）和性能系数（Coefficient of Performance，COP）有多种判定要求。如 EERd（COPd）为 4（7）个工况下制冷（热）量与输入功率的比值；EERbin（COPbin）为给定工况条件下，部分负荷或全负荷制冷(热)量与有效输入功率的比值；EERcyc为在循环工况条件下，压缩机启停能效值；SCOPon为制热季节的平均性能系数；SCOPnet为不含辅助电加热的制热季节的平均性能系数；SCOPcyc为循环测试条件下的性能系数。IEER为综合能效比（Integrated Energy Efficiency Ratio），IPLV为综合部分负荷性能系数（Integrated Part Load Value），HSPF为制热季节能效比（Heating Seasonal Performance Factor），APF为全年能效系数（Annual Performance Factor）。各标准涉及的判定指标见表6中勾选部分。

表6 制冷制热的判定指标

2 能效评价指标

能效指标是衡量多联机产品性能的一项重要指标。随着制冷行业变频控制技术的引入和发展，各国多联机产业和技术水平逐步提高，以单个名义工况点的EER或COP对多联机进行性能评价，不能充分反映空调的实际运行情况，更无法全面评估空调的实际能效[11-12]。张俊淼等[13]通过对一台多联机进行 35个工况的制冷性能实验，为产品性能评价提供全工况性能模型。众多学者对多联机空调实际运行中影响能耗的各方面因素展开大量基础实验研究，并提出综合能效指标的评价体系[14-15]。

中国在 2002年颁布了国际上第一个多联机的国家级产品标准，即GB/T 18837—2002[5]，并首次提出采用综合性能系数IPLV（C）和IPLV（H）来分别评价多联机的制冷与制热运行性能。2015年，GB/T 18837—2015[4]修订后，中国标准采用了更科学的评价体系，即水源类产品采用综合部分负荷性能系数IPLV作为季节性能评价参数，而空气源类产品则采用全年性能系数（APF），制冷季节采用制冷季节能效比（SEER）作为季节性能评价参数[16]。美国 AHRI 1230—2014[6]中对名义制冷量小于 19 kW的家用多联机采用季节能效比SEER/HSPF；对大于 19 kW 的商用多联机则采用综合能效比（IEER）。2012年3月10日，空调和舒适风扇的ErP生态设计实施条例（EU）No.206—2012[17]在官方公布，该条例要求在空调设计中应注重对环境的影响，欧盟并对此制定了法案[17]，在标准 EN 14825—2016[7]中提出关于季节能效比（SEER）和季节性能系数（SCOP）的能效要求，在标准发布前，齐云等[18]对草案进行了研究解读。欧盟国家通常不采用电加热产品用于空调制热，而采用其他清洁能源用来补充制热量不够的情况。此外，欧洲地域广，制热需求季节低于0 ℃的气温时间多，标准EN 14825—2016[7]中定义了3种不同的制热气候的温度范围，对SCOP的要求是以平均气温为基准来进行测试评价。欧标中对于非运行能耗，包括遥控关机能耗、温控关机能耗、待机模式功耗和曲轴加热带模式能耗均有考核[19]。

不同的标准中制冷季节能效比（SEER）评价指标的计算方法不同。

标准AHRI 1230—2014[6]中对于19 kW以下、配有可变速压缩机的空气源机组SEER的计算方法为：

标准 ISO 16358—2013[8]及 GB/T18837—2015[4]中给出的非定容型机组SEER计算方法为：

式中：

nj——制冷季节需要制冷的各温度发生时间，h；

BLc(tj)——室外温度tj时建筑物的制冷负荷，W；

X(tj)——室外温度 tj时，建筑物的制冷负荷与机组的制冷量之比；

PLF(tj)——室外温度tj时，机组的部分负荷率；

Pmh(tj)——机组以最小制冷能力与中间制冷能力之间的能力连续可变运行，室外温度tj时的制冷消耗功率，W；

Pful(tj)——机组以名义制冷能力运行，室外温度tj时的制冷消耗功率，W；

Phaf(tj)——机组以中间制冷能力运行，室外温度tj时的制冷消耗功率，W；

Pmin(tj)——机组以最小制冷能力运行，室外温度tj时的制冷消耗功率，W。

标准EN 14825—2016[7]中SEER的计算方法为：

式中：

hj——室外温度Tj时，制冷各温度发生时间，h；

Pc(Tj)——室外温度Tj时建筑物的制冷负荷，W；

EERbin(Tj)——室外温度Tj时建筑物的能效比。

季节能效指标的制定与其应用领域、气候环境、建筑结构、使用习惯和消费水平密切相关。需要考虑产品使用场合的建筑负荷特性和热源侧环境的温湿度变化对产品运行效率的影响。任何一种季节性能指标，都包含 3个基本要素：1）典型建筑的冷热负荷分布（或曲线）；2）多联机在典型建筑中的制冷与制热运行时间分布；3）多联机的部分负荷性能及测试方法[20]。

综合能效比（IEER）与综合部分负荷性能系数（IPLV）具有相似的评价原则。实验中要求机组分别在100%、75%、50%和25%负荷能力即A、B、C和D这4个工况点下运行，通过各点的权重系数计算得出能效评价值：

式中：

A——100%负荷时标准额定工况下的EER；

B——75%负荷的EER；

C——50%负荷的EER；

D——25%负荷的EER。

由式(4)和式(5)可知，IEER和IPLV在各部分负荷下的权重系数不同。IPLV的权重系数来源于PLF曲线，IEER的不同负荷的权重系数是通过对美国15个城市建筑类型分别为40%办公建筑、30%学校和其他建筑的空调设备使用情况确定的。IEER的计算公式在75%的负荷下，权重系数大幅增加，这是因为空调设备在75%负荷下的使用时间较长，压缩机的效率高；在负荷低于50%时，空调设备效率下降且不节能。从测试工况而言，IPLV在部分负荷工况下的测试工况相同，但是实际过程中，由于环境温度不同，建筑物所需的冷热负荷不同，实际运行中，空调通常在不同负荷的条件下运行，相对于IPLV而言，IEER评价的方式更符合实际使用情况，更加合理，验证了IPLV逐步被取代的原因。冯玉伟等[21]指出对多联机系统IPLV的计算公式应综合分析机组运行情况、系统开机率和室内机负荷均匀度等影响因素。

综合以上标准的能效评价指标，采用制冷季节能效比（SEER）来评价空气源的多联机更具有通用性，其综合考虑了多联机的季节运行特性，考虑了不同的建筑负荷模型，考虑了机组运行时的外温发生小时数分布模型，在不同环境工况和不同部分负荷工况下测试多组制冷量和耗电量，进而计算平均能效比，体现了多联机产品真实的全工况性能，还可结合制热能力进一步计算机组的全年季节能效比。在世界范围内，越来越多的国家已开始积极推进将SEER引入衡量多联机能源消耗的标准中来，节能技术的发展也必将围绕如何提高 SEER展开。而其它能效评价指标，如美标IEER及欧标体系的能效评价指标，其适用性均具有一定的局限性。