变频空调器中国能效与美国能效标准计算差异分析+

2020-03-06黄允棋范建波

环境技术 2020年1期

黄允棋，范建波

（空调设备及系统运行节能国家重点实验室，珠海 519070）

引言

空调器能效标准的制定通常综合了地区气候类型，行业形势及文化、经济发展水平等客观因素，从而形成了多样的能效评价标准。为促进我国空调出口行业的发展，有必要建立起我国与其它国家能效等级之间的横向对应关系。吴晓丽[3]概述了目前国际上季节能源消耗效率计算方法分为三类，国标、美标、日标以及ISO 标准属于同一类，季节能效以季节总制冷（热）量除以季节总耗电量，在这相同指导思想下而不同标准计算的值却相距甚远。本文理论分析了中国标准与美国标准能效测试、计算方法的差异，并用同一空调实验验证两种标准下测试计算的能效差异，为进一步探讨国标能效等级与美国能效等级的对应关系提供参考。

1 国标与美标季节能效计算差异

1.1 制冷季节能效计算解析

季节能效计算差异将从房间负荷设计、能效测试条件、计算方法三方面做对比分析。

房间制冷负荷的设计，国标以23 ℃为零负荷点，35 ℃为设计负荷点（即选型空调制冷能力刚好与房间负荷相匹配），定义两点连线为制冷负荷线。美标以18.3 ℃（65 ℉）为零负荷点，同样以35 ℃为设计负荷点，但对空调能力留有10 %余量[4]，国标与美标的建筑负荷线如图1 所示。按照美国、日本的研究结论，采用制冷季节室内27 ℃，制热季节室内20 ℃为人体舒适温度[5]，零负荷点的选取是在不开空调情况下，室内能够保持27 ℃平衡时对应的室外温度。各国选取计算的房间模型室内灯光、人等热源及房间传热结构不同，因此也导致了零负荷点的不同。设计负荷点的选取则要求环镜温度≤设计温度时，空调制冷能力可以使室内温度降至27 ℃舒适温度，这里国标与美标选取了相同的温度点。

季节能效计算需要对空调进行不同条件下的制冷量和耗电量测试，国标与美标制冷季节能效测试项目如表1 所示。国标所有能力测试均在相同工况下进行，测试相对简化；美标则有4 个不同测试工况，在高负荷工况下测试对应压缩机最大转速，在低负荷工况下测试对应最小转速，不同的制冷需求量条件下测试相应的制冷能力，比较符合空调实际运行特性，但由于各测试工况所带来的不确定度累加在一起所构成的测试不确定度大，复现性相对较差[6]。中间能力测试国标限制的是能力范围，美标则是限制压缩机转速。

表1 制冷测试条件

制冷季节能效等于季节总制冷量除以季节总耗电量，从国标和美标制冷季节能效计算方法中可以总结出三步流程：①确定建筑负荷线，计算各温度点的制冷需求量；②确定最大、最小、中间能力线并计算其与负荷线的交点；③依据负荷与能力的大小关系划分制冷温度区间，计算各区间温度点制冷量与耗电量，进一步计算季节制冷量和季节耗电量。

1）确定建筑负荷线

式（1）为国标建筑制冷负荷曲线，式（2）为美标建筑制冷负荷线。通过以上式子可以计算各温度点下的房间负荷。其中，（35）为实测额定制冷量；k=2 表示最大转速，95/65 ℉分别对应摄氏温度35/18.3 ℃。美标要求空调器在35 ℃留有10 %的制冷能力余量，实际上负荷平衡点达到36 ℃，而且美标的零负荷点18.3 ℃也比国标23 ℃低，建筑负荷线斜率更低，对同款空调来说，建筑负荷线斜率越低，则SEER 计算值越大[7]。

2）确定最大、最小、中间能力线，并计算能力线与负荷线交点：

式（3）和式（4）分别为国标下额定转速能力线、功率线。测试外环35 ℃工况下空调以额定转速运行的制冷量为φ额（35）、功率为P额（35），根据经验系数计算外环29 ℃时以额定转速运行的制冷量φ额（29）、功率P额（29），以两点连线构成空调额定转速下的能力线和功率线。中间转速及25 %转速能力线、功率线计算方法与此相同，各转速下能力线和功率线如图2 所示。

式（5）、式（6）和式（7）分别为美标下最大转速能力线、最小转速能力线和中间转速能力线。以A2、B2两实测点连线构成空调最大转速下的能力线，以B1、F1两实测点连线构成空调最小转速下的能力线，以最大能力线斜率和最小能力线斜率计算出中间能力线斜率，加上EV测试点得出中间转速能力线。各转速能力线以及功率线如图3 所示。

在确定空调各转速能力线时，每条能力线国标只测试一个点φ（35），根据经验系数直接定义φ（29）=1.077φ(35)，也就是说，不论哪种配置的空调器，国标默认定转速下能力随温度变化的比例是一致的。美标计算则是根据实际测试情况来定，最大/最小能力线的两个点都是以实际测试得出，不同配置的空调器，定转速下能力随温度变化的比例是不同的，美标测试方法更符合空调器的真实情况。

3）划分区域，计算各温度点制冷量和耗电量，进一步计算季节制冷量和季节耗电量。

①房间负荷小于最小能力区域

国标与美标采取相同的计算方法，空调以最小转速定频开停运行，制冷量等于房间负荷，耗电量取最小转速运行功率线乘以修正系数。

式（8）为该区间各温度点制冷功率计算公式。

式中：

Pmin（tj）—外环温度tj下，空调以最小转速运行时的功率；

X（tj）—部分负载因素，等于房间负荷除以最小转速制冷能力；

Nj—外环温度tj的发生时间；

PLF（tj）—空调断续运行时效率降低系数。

②制冷能力与负荷相匹配区域，即房间负荷在最小能力与最大能力之间

空调变频运行使制冷能力与房间负荷相吻合，制冷量等于房间负荷，耗电量采用房间负荷除以对应能效值。国标下EER（tj）采用温度区间端点的EER 线性插值计算；美标下EER（tj）则以经过EER（t1）、EER（tV）、EER（t2）三点的抛物线曲线计算，如图2、图3 所示。

③负荷大于最大能力区域

国标与美标计算方法相同，该温度区间空调能力不能满足房间制冷需求，空调器以最大转速运行，制冷量和功率分别在最大转速能力和对应功率线上线性插值。

将以上区间的各点制冷量乘以对应的发生时间并求和，得到季节制冷量，季节耗电量同理，从而得到制冷季节能效SEER。在计算方法上，国标直接以25 %能力线为最小能力线（额定制冷量7100 W 以下的空调器以中间能力线为最小能力线），而空调器实际最小转速低于此，导致国标变频运行温度区间小于美标。同时国标定义变频温度区间的EER 与温度呈一次函数关系，美标定义变频温度区间的EER 与温度呈二次函数关系。

1.2 制热季节能效计算解析

国标定义房间制热负荷用于制冷负荷大小相同的房间来评价，并用对制冷负荷以固定比率进行计算。以室外温度0 ℃时的制热负荷（35 ℃制冷负荷×1.25×0.82），与室外温度17 ℃零负荷点连接的直线作为制热负荷线。国标采取单一气候区，以南京作为代表性城市来确定各温度发生小时数[9]。美标定义制热负荷则比较精细，根据地域气候的不同将全国分为6 种气候区，每个气候区都有特定的设计温度和设计负荷，以设计负荷点与18.3 ℃（65 ℉）零负荷点连线为制热负荷线。

制热不同于制冷的表现，制热运行时室外机结霜会影响换热使能力发生衰减，国标进行了2 个工况的能力测试，用以计算发生除霜运行的能力线和不发生除霜运行的能力线；美标制热与制冷测试类似，仍进行4 个不同工况测试。所有制热测试均在关闭电辅热条件下进行。

图2 国标下空调制冷能力线及功率线

图3 美标下空调制冷能力线及功率线

表2 制热测试条件

制热计算流程与制冷计算流程一致，也是分负荷小于最小能力、负荷与能力匹配、负荷大于最大能力三块区域来计算，不同点在于：①制热出现外机结霜会造成能力衰减，国标定义-7 ℃～5.5 ℃为结霜区，美标定义-8.33 ℃～7.22 ℃为结霜区，计算能力线时，结霜区与无霜区以不同公式计算；②在热泵最大制热能力小于负荷的区域，默认以电辅热补充，辅热耗电量为房间负荷与热泵制热量的差值。国标与美标的制热能力线如图4、图5 所示，计算公式与制冷类似，此处不再重复。

图4 国标制热能力线

图5 美标制热能力线

需要补充说明的是国标制冷以额定转速为最大能力线，制冷计算里设计点35 ℃之后空调继续提高压缩机转速升高能力，则计算能力与负荷平衡点温度高于35 ℃，更高转速下的耗电量更高，这样计算出的SEER 会降低，而国标里允许环境35 ℃以上空调制冷能力比负荷低，所以把额定转速作为最大能力时能效最高；制热情况则不同，当额定转速的制热能力比负荷低时，若不继续提高转速，就要考核电辅热耗电，对能效不利，所以制热在额定转速之上还有一个最大转速。

1.3 国标与美标季节能效计算差异对比

对比国标与美标的能效计算方法：①在设计负荷上，美标制冷设计负荷点对空调能力留有余量，这只对能效计算结果有影响，而实际用户房间负荷与选型空调并不会刚好匹配，对用户的选型使用并没有影响。但在制热负荷设计上，国标以单一南京气候作为代表并不适合中国广大北方地区，美标将全国划分为6 个气候区这点值得学习；②在能力线的计算上，美标全部采取实测点，并且是在不同负荷工况下进行测试，美标的方法更贴近空调的实际运行状况，国标只测一个点，另一点采取经验系数计算，而这经验系数是从定频空调上得出，并不完全适用于变频空调器，针对变频空调器国标可考虑向开放实测点方向发展；③在变频温度区间EER 计算上，国标采取直线方式，美标采取抛物线方式，实际空调器在不同频率下的EER 都是上下波动的，并不存在哪种方式更符合，反而采取直线方式计算更为简化。

1.4 国标与美标季节能效计算结果解析

通过上文对国标与美标计算方法的解析，比较二者能效计算结果的差异。国标对制冷量7100 W 以下的空调器直接以中间转速为最小能力，导致了计算定频运行的温度区间偏大而变频运行的温度区间偏小，交点以下的温度区间全部默认为定频开停运行考核效率降低系数CD，换算得出每个温度点的能效系数为中间转速运行时的EER中（tj）乘以断续运行效率降低系数PLF（tj），这样计算出来的能效值比空调实际变频运行的能效值小。而在计算变频区间的EER 时，国标定义的是直线，美标定义的是抛物线，只要调整EER（tv）在EER（t1）与EER（t2）两点连线上方，就可以保证抛物线开口朝下，这样以抛物线方式计算出来的各温度点EER 比以直线方式计算出来的值大。

季节能效计算以季节总制冷（热）量除以季节总耗电量，按照胡健[8]每个温度点功耗分布的概念，实质上是空调器在提供每个温度点需求制冷（热）量的等效EER 乘以该温度点发生时间权重累加起来。以出口美国空调器常采用的制热第Ⅳ气候区为例，国标与美标各温度点发生时间权重如图6 所示，可以看到美标制冷低温区比重明显高于国标，制热同样低温区比重高于国标。空调制冷运行时在低温区能效高，制热运行时在高温区能效高。综上所述，同样的空调器，以美标计算出来的变频温度区间范围广，变频区间各温度点EER 高于以国标计算出来的值，且制冷低温高能效区比重大，以美标计算出来的制冷季节SEER 始终大于国标计算出来的值；制热计算则由于美标低温区比重大，降低了制热季节能效，不符合此规律。

图6 各温度点发生时间权重

2 实验验证

以一台额定制冷量3500 W 的变频空调器作为测试样机，分别进行国标能效测试和美标能效测试，美标制热计算以第Ⅳ气候区为例，进而比较国标能效与美标能效计算方法的结果差异，测试过程中通过调节压缩机频率和电子膨胀阀开度，以达到测试项目的相应能力/转速要求，实验测试及能效计算结果如表3 和表4 所示。

表3 的测试结果也应证了上文分析的美标计算的SEER 值比国标大这一结果，同一台空调器以美标计算出的SEER（6.477）值高出国标计算出的SEER（5.263）值23.1 %。

表3 制冷季节能效计算结果对比

表4 制热季节能效计算结果对比

制热情况表现不同，同一台空调器以国标计算出的HSPF（3.714）值高出美标计算值（3.423）的8.5 %。主要原因在于美标制热低温区比重远大于国标，美标制热计算里最低温度达到-22.2 ℃（-8 ℉），国标下的制热温度区间最低温度为-7 ℃，美标0 ℃以下温度发生时间占比22.6 %，国标0℃以下温度发生时间占比9.5 %，制热运行发生在低温环境时，空调器的COP 值是非常低的，同时考评电辅热消耗功率，导致最终计算结果HSPF 的值低于国标。

国标对房间空调器节能等级按全年能源消耗效率APF 来标定，即季节总制冷量加上季节总制热量除以全年制冷制热运行总耗电量，分为1、2、3 三个等级[10]，相应等级对应最低限制分别为4.50、4.00、3.50（制冷量4500 W 以下空调器），该空调器计算APF 值为4.60，刚好过1 级能效门槛。美标只有最低能效限值和能源之星两个等级划分，虽然也有全年能源消耗效率APF 的计算，但并不标定APF，而是分别标定SEER 和HSPF，这种制冷制热分开标定的方式可以为用户在选择空调器时以制冷为主导或者以制热为主导提供更好的指导作用。美标最低能效限值要求SEER ≥14、HSPF ≥8.2（单位：Btu/（h·W）），对应能源之星限值要求SEER ≥15、HSPF ≥8.5，从测试结果可以看到该空调器能效等级达到能源之星要求，国标入门1 级能效的空调器SEER 和HSPF 分别高出美国能源之星要求47.3 %和37.4 %。