房间空调器在线性能测量技术的研究与应用进展

于天蝉 杨子旭 丁连锐 黄文宇 石文星

清华大学建筑技术科学系 北京 100084

1 引言

房间空气调节器（简称：空调器）是一种向房间或区域内直接提供经过处理的空气的空气调节装置，因其能够适应不同空调供暖设备用户的使用习惯，满足各类建筑室内环境需求，在我国中、小型建筑，特别是住宅建筑中得到广泛应用，其保有量逐年增长，截至2018年，房间空调器的年产量已超过2亿台[1]。房间空调器作为建筑主要耗能设备之一，实现其能效提升对于节能减排具有重大意义。

目前，在我国空调器产品标准中，以额定性能指标（EER和COP）和季节性能指标（SEER、HSPF和APF）大小表征房间空调器的性能优劣。这些指标是在实验室内对典型工况的稳态测试数据，或者是基于给定制冷（热）运行时间、建筑负荷模型和有限工况稳态测试性能的计算数据。然而，安装条件、调控方式、换热器脏堵状况、部件的老化磨损与制冷剂泄漏状况以及室内外进风的温湿度等因素都直接影响空调器的运行性能，故实验室的性能测试结果难以真实反映空调器的实际运行性能。因此，通过现场性能测量技术探明空调器实际运行性能，对于优化空调器控制策略、提高智能化水平、降低运行能耗和运行费用具有重要意义。此前，黄文宇[2]等总结了国内外学者对空气源热泵现场运行性能测量技术方案，在此基础上，本文进一步将近期的研究进展与应用情况进行总结，对于推动空气源热泵在线性能测量技术的深入研究与工程应用具有借鉴意义和参考价值。

2 测量原理与方法

房间空调器结构与关键部件如图1所示，表征房间空调器运行性能的指标通常包括：制冷（热）量、功率、能效比。其中，功率可以通过电能表或功率计直接测得，且其精度较高，因此，房间空调器运行性能测量的关键是对其制冷（热）量的测量。空调器制（热）量的基本计算公式为式（1）与式（2），根据测量位置不同，其测量方法可分为室内侧空气焓差法、室外侧空气焓差法、制冷剂焓差法。

图1 房间空调器结构与关键部件

式中：Q为室内换热器的换热量，W；Pcom为压缩机的输入功率，W；m为质量流量，kg/s；h为焓值，J/kg；下标ref和air分别代表制冷剂和空气；ID和OD分别为室内和室外换热器；in和out分别为换热器的进口和出口；下标cc和hc分别表示制冷与制热。

2.1 室内侧空气焓差法

室内侧空气焓差法的关键在于室内机风量及进、出口空气焓差的测量。瑞士SP Technical研究中心[3]采用在室内机出风口加装风罩，将室内机出风全部引入带有温湿度传感器、风量测量装置和压力补偿装置的风道中进行测量。该方法与焓差实验室测量制冷（热）量方法类似。同时，为避免采用风量罩长期测量对用户的影响，将多种运行工况下制冷（热）量、耗电量及室外温度进行拟合得到机组性能，进而实现对空调器实际运行性能的“长期测量”。这种方法测得的性能系数不确定度在±10%以内，但该方法操作繁琐、影响用户的正常使用，且其推导计算的“长期测量”结果不能反映空调器的性能衰减。

为避免风量罩对用户的干扰，可在现场测量中预先通过多点测量来确定室内机进、出风口的速度分布，进而简化现场测量过程中的风量测量工作[4,5]。Ichikawa T等[6]利用该方法对四面出风嵌顶式室内机进行了测量。测量时，设定室内机风档后，使用三维风速测量装置测量室内机进、出风口不同位置处的风速，得到室内机的速度分布。该方法需要较多的温湿度传感器，且其布置方式也直接影响室内机进、出风的温湿度测量结果，同样难以反映室内机风速无级变化、性能衰减和过滤器堵塞导致的性能变化。

2.2 室外侧空气焓差法

受限于用户的接受度，室内侧空气焓差法很难实现长期测量。因此，国内、外研究人员逐渐发展了室外侧空气焓差法。室外机静态多点测量法[7]即在室外机进、出风口布置温湿度测点，利用出风截面多个位置的风速，通过积分获得室外机的换热量，再利用能量平衡法获得空调器的制冷（热）量。该方法实施方便、操作简单，但难以实现连续变工况测量，且受室外气象的干扰严重、精度较差。通过外接风管、在风管内测量多点的风速和温湿度有效克服了这一问题[8]，但风管的引入使得室外机出风侧的流场发生了改变，故加装管道后必须进行风量修正，其实测误差为±15%。

针对上述两种方法在测量中遇到的问题，发展出了室外机出风静态采样法[10-12]，它是在室外机出风口处安装出风采样器，通过测量采样器采集到的微元空气的温湿度和流量参数，计算出室外机的换热量。为进一步提高测量精度，Yusuke Hag等[9]研制了室外机风侧热通量采样器，直接求得排风口附近各个微元的换热量后再进行累加求和，该方法的测量精度可达到约±12%。但是，该实测装置结构复杂，实测时安装困难；在计算换热量时，需要与室外机结构相关的出风角度修正系数和流量修正系数，普适性较差。为解决室外机安装静态采样器困难、调试复杂等问题，赵伟[13]提出了室外机移动采样法，通过一组风速和温湿度传感器在步进电机驱动的旋转轴上的转动杆上按预定速度左右移动，实现对机组出风截面风速和温湿度的扫描测量，从而计算各个区域的换热量，其全工况范围内的测量结果相对误差均可控制在±15%以内，但仍然未从本质上解决采样机安装困难、外风干扰带来的测量误差问题。

图2 各种室外侧空气焓差法

2.3 制冷剂焓差法

在制冷剂焓差法中，直接利用流量计测量制冷剂流量[14]，结合换热器进出口温度与压力参数即可计算得到空调器的制冷（热）量，其误差在±7.0%以内。然而，质量流量计价格昂贵、属于侵入式测量，测量时需破坏原有系统，不能反映空调器原有状态，而且要求流量计必须安装在具有一定过冷度的液体管上，这在实际运行的空调器中是难以实现的。

为保证空调器的用户使用行为和实际使用状态不变，且对用户不造成干扰，则应发展非介入、无干扰的长期在线测量技术。相比在制冷系统中加设流量计的直接测量方法，间接计算制冷剂流量是一种重要的替代方法，常见的方法包括数值计算法、压缩机性能曲线法、容积效率法及压缩机能量平衡法。

（1）数值计算法：即利用压缩机详细参数计算制冷剂流量[16]，该方法需要厂家提供压缩机内部结构参数，计算成本较高、耗时较长、通用性差。

（2）压缩机性能曲线法（CC法）：根据压缩机厂家提供的特定实验工况下运行数据，将制冷剂流量拟合为关于蒸发温度、冷凝温度、绝热压缩指数及频率等参数的多项式[17]。如定速压缩机的十系数多项式[18]、变速压缩机的二十系数多项式[19]，以及不同转速下制冷剂流量关于吸气温度及排气温度的计算公式[20]。

（3）压缩机容积效率法（CVE法）：容积效率是实际输气量与理论输气量之比[21]，以此为依据的CVE法只需要压缩机的吸气密度、容积效率及运行频率即可得到制冷剂流量[21]。目前容积效率有不同的实验及经验公式，包括考虑相对余隙容积修正[22]、压缩机电机转速的线性函数[23,24]等方法。

式中：ρref为压缩机的吸气密度，kg/m3；ηv为容积效率；Vd为理论容积输气量，m3/s；f为压缩机频率，1/s。

CVE法计算制冷剂流量时对吸气密度不敏感，即使在吸气带液状态下，测得的制冷量精度也较高。尤其对于较新的机组，容积效率模型准确，近年来东京海洋大学、北海道大学[30-32]等日本高校和研究机构采用此方法对住宅、办公楼、教室等进行了实测分析。

上述三种方法在短期内（特别是新机器阶段）都有较高的精度，但都依赖于压缩机厂家提供的结构参数或性能参数，故其普适性较差；而且随着压缩机使用时间的增加，压缩机的性能、容积效率等参数都将随使用时间的延长而衰减，故无法保证机组长期测量的准确性。

（4）压缩机能量平衡法（CEC法）：Fahlén P[25]提出了CEC法，该方法以压缩机为控制体，基于能量守恒与质量守恒定律，通过对压缩机输入功率、吸/排气焓值以及壳体散热量的测量来获取制冷剂流量参数，其原理如图3和公式（4）、（5）所示。

图3 CEC法应用于房间空调器制冷（热）量的测量原理

式中：Pcom，Pid分别为压缩机和室内机风机的输入功耗，W；Qloss为压缩机壳体的散热量，W；hsuc，hdis分别为压缩机吸气、排气的制冷剂比焓值，J/kg；hOD,out，hID,out分别为制冷与制热运行时冷凝器出口的制冷剂比焓值，J/kg；mref为制冷剂质量流量，kg/s。

将CEC法与在焓差实验室内测得的空调器性能以及利用水侧流量计法测得的空气源热泵冷热水机组性能进行比较，结果表明，当压缩机吸气具有一定过热度时，其制冷（热）量误差在±15.0%以内[26-29]。

CEC法不依赖空调器部件的结构参数或初始性能参数，可实现对空调器的非介入、无干扰测量，且具有良好的通用性和长期测量精度，在ASHRAE RP 871项目[33]与ELFORSK[28]（丹麦能源产业组织）计划中均指出，CEC法是最先进、最可行的现场性能测量方法。

因此，国内外学者围绕CEC法开展了大量的研究工作，以进一步提高精度和适用性。表1给出了近年来国内外学者的研究进展。

表1 CVE法和CEC法的改善

3 全工况制冷剂流量法

3.1 关键问题

鉴于压缩机能量平衡法（CEC法）的特殊优势，人们主要在该方向开展工作，以提高其测量精度、扩大其适用性。然而，CEC法在压缩机具有一定过热度时具有良好的精度，但在吸气回液时则精度较差。实际上，压缩机出现回液是经常发生的，例如：定速空调器通常采用毛细管节流，当压差过大、流过毛细管流量大于蒸发器的需求流量，会导致压缩机吸气回液；为了降低变频空调器的压缩机排气温度、增大蒸发器有效传热面积以改善性能，压缩机吸气有时处于饱和或微量带液状态。此外，由于制冷剂管道具有热惰性，气液相变也将导致阶跃响应存在一定的延时，也可能造成控制指令不及时，导致压缩机短期出现回液现象。

因此，欲提高制冷剂焓差法的全工况测量精度，则必须解决两个关键问题：

（1）必须解决传感器位置固定与制冷剂状态动态变化之间的矛盾；

（2）必须解决压缩机长期运行的性能衰减与测量精度保障之间的矛盾。

然而CVE法与CEC法无法同时解决这两个矛盾。尽管压缩机频率和工作容积已知，但压缩机容积效率总会随着运行时间的增加，机械磨损及润滑油性能变差，导致容积效率存在一定程度的衰减，故无法保证机组长期测量的准确性，而仅适用于新出厂的空调器。在CEC法中，吸气焓值对制冷剂质量流量的计算是一个敏感度极高的参数，当吸气带液运行时，吸气干度对计算结果的影响非常大，故Goossens[43]、黄文宇[38]提出的采用定压缩机吸气干度、Jactard等[44]提出的定压缩机等熵效率等方法都难以保证全工况范围内的测量精度。为此，必须进一步研究适用于全工况的制冷剂焓差法。

3.2 实现方法

鉴于CEC法在吸气过热状态下具有优良的测量精度，但在压缩机吸气带液时不能确定进气状态参数从而导致误差较大，而压缩机容积效率法（CVE法）在所有工况下均具有良好的精度，但不能反映其在使用过程中的性能衰减，文献[45]提出将CEC法与CVE法有机结合的“全工况制冷剂流量法”（CEC-CVE法），即图4中的中间流程，大幅度地提升了性能测量精度。

图4 “全工况制冷剂流量法”的实现途径

该方法的实现流程为：当压缩机吸气具有过热度时，则采用CEC法计算测量空调器的制冷（热）量和性能系数，同时持续学习（如采用神经网络算法）包含反映压缩机容积效率和运行频率的实际输气容积(ηvVd)sup和等熵效率(ηs)sup；当压缩机出现回液时，则采用获得的最新实际输气容积(ηvVd)twophase和等熵效率(ηs)twophase确定压缩机的吸气状态（焓值hsuc、吸气密度ρsuc或吸气干度xsuc），并采用CVE法计算得到流经压缩机的制冷剂流量、制冷（热）量及性能系数。该方法采用精度优良的CEC法获得的测量数据不断学习、更新压缩机的容积效率和等熵效率，以获得更为准确的压缩机吸气状态，很好地解决了压缩机长期使用后的性能衰减状态难以确定的难题，同时也避免了压缩机结构参数需提前预知问题，扩大了空调器制冷（热）量测量的适用性。

以此基础上，还发展出了基于CEC法结合等熵效率以及毛细管绝热节流模型的“全工况制冷剂流量法”，如图4所示。这三种全工况制冷剂流量法的技术思路总体可以概括为：在压缩机吸气处于过热状态时，利用CEC法测量空调器的制冷（热）量，并自学习压缩机的容积效率、等熵效率或构建毛细管绝热节流模型；当压缩机处于吸气带液状态时，则根据测量数据的样本覆盖范围，分别选取适宜的测量方法：①CEC-CIE法（压缩机能量平衡-指示效率法）；②CECCVE法（压缩机能量平衡-容积效率法）；③CEC-CAT法（压缩机能量平衡-毛细管模型法），获得吸气带液状态下的容积效率、等熵效率或毛细管模型，并最终采用制冷剂焓差法计算吸气带液运行的制冷剂流量，从而获得空调器全工况制冷剂流量。其中，CEC-CIE法是CEC法与自学习压缩机等熵效率（CIE）相结合，CEC-CVE法是CEC法与CVE相结合，CEC-CAT法是CEC与毛细管绝热节流模型（CAT）相结合的方法。由此可以准确地测量出各种类型空调器在任意工况条件下的实际运行性能。

上述三种方式的适用范围为：（1）CEC-CIE法[45]：吸气过热状态时间占比较大、覆盖运行工况较为全面，但不能获得有效的压缩机频率等运行参数时，模型关键参数为等熵效率；（2）CEC-CVE法[42,45,46]：运行时间与上述类似，但压缩机频率可以测量，模型关键参数为实际输气容积和等熵效率。（3）CEC-CAT法[42,46]：当压缩机吸气过热状态的运行时间占比较少或覆盖的运行工况较少时（多发生在毛细管节流的空调器中），模型关键参数为CAT模型。通过在焓差实验室内的对比测试表明，CEC-CVE法和CEC-CIE法的误差均在15%以内（如图5），且CEC-CVE法具有更高的测量精度。

图5 CEC-CIE法与CEC-CVE法测量精度

基于上述分析，可以得到目前各种在线性能测量技术的特点和适用性，如表2所示。

表2 房间空调器现场测量技术特点与适用性

4 在线性能测量标准

标准化是推动行业技术发展的重要途径，同时也是技术成熟度的体现。国际上对房间空调器性能测量标准往往是针对于实验室内运行性能测量的，但也有一些标准对制冷/热泵设备现场运行性能的测量做出了相关说明。考虑到空调器等空气-空气热泵现场性能测量的复杂性，有较多的标准并未规定这一类机组的性能测量方法。如ASHRAE 111-2008（2017版）[47]，仅规定了冷水机组的制冷量测量方法，而对空气-空气机组仅给出了出风风速、进出口温湿度的测量要求方法，并未将制冷量及能效比作为其测量内容。

北欧是空气-空气热泵性能测量标准发展较为充分的地区。芬兰标准NT VVS 115[48]、NT VVS 116[49]规定了制冷热泵设备现场性能测量的工况条件和需要测量的参数，包括压缩机吸气温度与压力、排气温度与压力、冷凝器出口温度、压缩机功率及整机功率，即采用CEC法计算设备的制冷（热）量和性能参数。中国香港特别行政区建筑署[50]公布了安装后的空调器测量需采用室内侧空气焓差法对其性能进行短时间测量，并要求机组尽可能满负荷稳态运行，该标准绝大部分是针对中央空调系统提出的测量要求，仅较少部分提及了房间空调器。

在我国内地，已经逐渐重视空气-空气热泵现场性能测量标准体系的建立，并取得了初步成果。T/CAS 305-2018《房间空气调节器实际运行性能参数测量规范》[51]是国内首部空调器在线性能测量标准，该标准推荐采用CEC法，给出了测点安装位置、测量期内的性能参数计算公式等，并重点规定了测量装置的精度标定方法。该方法以采用房间空调器能效标准GB 21455-2013[52]规定的、反映空调器季节运行性能的APFS作为评判测量装置的长期测量精度参数，通过在规定的用于计算季节能源消耗效率的工况下（包括额定制冷、额定中间制冷、额定25%制冷、低温制冷、低温中间制冷、低温最小制冷、额定制热、额定中间制热、额定最小制热、低温制热及超低温制热等）测量空调器的APFIPME，并与焓差实验室内测得的APFS进行比较，采用二者的相对误差δIPME作为测量装置精度的评价指标[53]，如表3所示，用此指标来评价测量方法的精度，以鼓励企业研发覆盖各种工况、精度更高的测量装置。

表3 实际运行性能测量装置的精度等级

该标准已应用于T/CECS 846-2021《夏热冬冷地区供暖空调系统性能检测标准》[54]和T/CECS《多联机空调系统改造技术规程》（报批稿）[55]等团体标准中，并推荐作为各类空气-空气热泵的实际运行性能测量方法。

5 性能测量仪表与应用

5.1 空调器性能测量仪表

空气焓差法可以通过风道、温湿度传感器、风速计等仪表来测量换热器风量和进、出口焓差进而获得空调器的制冷（热）量。然而，对于制冷剂焓差法，尤其是压缩机能量平衡法（CEC法），则需研发对应的仪表以测量压缩机功率以及基于制冷循环关键位置制冷剂焓值，从而获得空调器的性能参数。

ClimaCheck公司[35]根据NT VVS 115[48]、NT VVS 116[49]的测量要求，研制了基于CEC法的测量装置，参见图6a），该装置包括7个温度传感器、2个压力传感器和1个功率传感器。为适应国内空调器的特征，清华大学基于图4和图6c）的测量原理，研发了多款现场性能测量仪表，见图6b）。测量装置包括整机功率模块、压缩机功率模块、温度模块、温湿度模块、数据存储模块以及数据远传模块等，实现了空调器和压缩机功率、制冷剂管路典型位置温度的测量、存储和交互传送。

图6 实际性能测量装置

除图6所示的外置式测量装置外，变频空调器自身带有电流、电压传感器和较多的温度传感器，为在线性能测量提供了部分传感器，为了更为准确地测量设备或系统的性能，在空气-空气热泵系统中，补充设置必要的温度传感器，通过一定的算法即可成为内置式测量系统，对每台空调设备进行其在线性能测量，从而实现产品的实时、无干扰、长期性能监测[56]。

5.2 在线性能测量技术的应用

在线性能测量装置应用于空调器中，为空调器的优化设计、智能控制和科学应用提供了反馈途径，下面以两个例子说明其应用功能。

（1）空调器的实际使用特征

空调器实际使用特征包括每天的使用时段、设定温度、喜好风速、一年的使用时间及其与室外温度的关系等。岡本洋明等人[57]对日本四个地区100户家庭中的空调器使用情况进行了为期1年的监测，结果表明，空调器的日平均运行小时数在0～6 h范围内，用户设定温度主要集中在22℃～27℃之间，并发现逐时外温运行率（TOR）与室外温度线性相关；田中千歳[58]在上述研究基础上，获得了冬夏不同室外温度下空调器的运行小时数分布；徐振坤[59]等人利用大数据平台分析了我国长江流域住宅空调的实际使用习惯、使用状态以及运行能耗，发现空调器使用相对集中在18:00～23:00，日均运行时间集中在0～7 h，单位面积平均耗电量每年一般不超过12 kW·h/m2；丁连锐[42]对6户住宅的空调器进行了测量，结果表明这些住宅中的空调器具有明显的“部分时间，部分空间”运行特征，同时发现室外夏季运行时存在严重的热岛效应，室外机进风温度显著高于室外环境温度（图7）；Yang[62]通过现场实测数据分析表明，目前的挂壁式室内机制热运行时存在严重的热风上浮，导致冬季设定温度在26℃仍不能满足室内舒适性需求。以上研究反映了空调器的实际使用特征，为空调器安装条件、运行模式的优化提供了必要的数据支撑和依据。

图7 实际性能测量装置

（2）空调器的实际运行性能

在房间空调器实际制冷（热）量及性能系数方面，张才俊[5]采用室内侧空气焓差法对一台变频空调器进行了为期55天的在线性能监测，空调器逐时制冷量随室外环境温度的升高呈现先增加后下降、逐时功耗呈现先增加后维持不变趋势，其性能系数在1.84～3.76范围内；梁志豪[4]基于室内侧空气焓差法测量结果，采用聚类分析法将空调器运行状态分为上午高负荷模式、下午高负荷模式以及低频平稳模式，其中上午高负荷模式与下午高负荷模式下的空调器性能存在较大波动，EER在1.75～4.20范围之内，而在低频平稳模式下，其EER在2.90附近变化；SP研究中心的研究人员[60]采用SP Method No 1721对5台房间空调器实际制热性能进行了测量研究，基于秋季2次实测结果和冬季1次实测结果计算得到制热季节性能系数位于2.4～2.7 kW·h/ kW·h之间，并指出该结果的不确定度在±20%以内。

Yang[61]采用CEC-CVE法对1台空调器的制冷与制热运行性能及室内热环境分别进行了1个月的测量，其在制冷测量期的EER为4.0～5.0 kW·h/kW·h，而制热COP位于2.0～4.0 kW·h/kW·h之间，结合室内温度分布表明，冬季热风上浮对室内舒适性和空调器性能都有较大的影响。Yang[62]对落地式（定速柜机）和挂壁式（变频挂机）空调器进行了现场性能测量，图8给出了它们在不同外温下的累计制冷量、耗电量以及能效比分布。从图中可以看出，由于启停损失较大，柜机在各外温条件下的能效比EER在2.7～3.2之间变化；相比之下，变频挂机发挥出了优良的部分负荷和变工况性能，其最高EER达到了6.5；从全年的实测能源消耗效率APF看，也表明了变频挂机实际性能更好，定频柜机的APF为2.74 kW·h/kW·h，而变频挂机APF则达到3.82 kW·h/kW·h，但二者距现行能效限定值（变频挂机APF≥4.0 kW·h/kW·h；定速柜机APF≥3.2 kW·h/kW·h[63]）均存在一定差距，进一步说明使用习惯、控制方式、安装环境等因素导致空调器的实际运行性能与实验室测试结果存在较大差距，因此，探明实际运行性能更有助于改善空调器安装条件和运行控制策略，以降低实际运行能耗。

图8 不同空调器的能效比与室外温度的关系

6 展望

空调器在线性能测量技术不仅能监测空调器的实际运行能效，还能作为一种新的研究手段探明空调器的实际使用行为，为空调器的能耗预测、产业政策制定、产品与能效标准研发、室内机气流组织优化设计、室外机安装平台设计提供重要依据。

本文较为全面地总结了空调器实际在线性能测量技术的研发与应用进展。今后将在此基础上开展以下工作：

（1）优化外置式测量装置。目前，测量装置虽然能够满足经济、便捷、高精度要求，但还存在安装、使用不方便的问题。为此，尚需进一步优化外置式测量装置，使之应用于不同层次及不同条件下的空调器能效测量，如用户自查、更换改造、第三方现场性能检测等。

（2）推动内置式测量技术规模化应用，通过产品性能的自诊断，实现基于“性能传感器”的节能控制。内置式测量装置具有精度高、无需现场安装、可规模化应用的优势，与互联网技术结合，通过获取大量的横向（不同地区的产品）和纵向（一台产品寿命期内）实际运行数据，发展空调器的健康诊断（故障预测与诊断、性能改善）技术，为用户提供控制策略的自动升级、节能运行提示和个性化智能服务。

（3）构建空调器数据云平台，从而制定节能政策、指导空调器的优化设计。当内置式测量系统规模化应用、外置式测量装置便捷推广后，建立空调器数据云平台，实现现场采集装置、网关和云平台之间的网络通讯，从而服务于国家、行业、企业和用户，尤其是指导空调器产品和能效标准的更新和能效白皮书、技术发展战略报告等节能减排报告的发布，通过发现和总结实际使用中发生的共性问题，确定空调器的技术发展方向。