李堂 王芳 屈巖 孟照峰 王瑜 趙亞樂 郭超
(上海理工大學(xué)制冷及低溫技術(shù)研究所 上海 200093)
基于氣候因素的變轉(zhuǎn)速空調(diào)器全年能效分析及實(shí)驗(yàn)研究
李堂 王芳 屈巖 孟照峰 王瑜 趙亞樂 郭超
(上海理工大學(xué)制冷及低溫技術(shù)研究所 上海 200093)
對(duì)變轉(zhuǎn)速空調(diào)器能效標(biāo)準(zhǔn)GB21455—2013中的評(píng)價(jià)指標(biāo)全年能源消耗效率APF進(jìn)行研究,以某型號(hào)變轉(zhuǎn)速空調(diào)器為研究對(duì)象,結(jié)合典型氣象年的資料建立兩種運(yùn)行模式。通過實(shí)驗(yàn)并計(jì)算獲得該空調(diào)器在不同城市、不同模式下的制冷季節(jié)能效比SEER、制熱季節(jié)能效比HSPF。引入運(yùn)行時(shí)間在溫度區(qū)間上的累計(jì)速度TAS,分析了SEER、HSPF與TAS之間的關(guān)系,得出:提升空調(diào)器的能效比應(yīng)注重不同溫度區(qū)間段上的提升。計(jì)算出各標(biāo)準(zhǔn)、各城市及各模式下的APF,分析SEER、HSPF與APF之間的關(guān)系得出:標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的制冷、制熱溫度發(fā)生時(shí)間并不能全面體現(xiàn)變轉(zhuǎn)速空調(diào)器在我國不同地區(qū)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的APF,提高APF必須側(cè)重于提高HSPF。
變轉(zhuǎn)速空調(diào)器;季節(jié)能效比;全年能源消耗效率;氣候因素;運(yùn)行特點(diǎn)
從2013年10月起,新的變轉(zhuǎn)速空調(diào)器能效標(biāo)準(zhǔn)正式施行,評(píng)價(jià)指標(biāo)從之前的制冷季節(jié)能效比SEER轉(zhuǎn)為全年能源消耗效率APF。APF對(duì)變轉(zhuǎn)速空調(diào)能源消耗的評(píng)估更加全面[1-2]。本文根據(jù)空調(diào)器使用場所的不同,建立了兩種運(yùn)行模式。制冷季節(jié)對(duì)武漢、上海、廣州、北京,而制熱季節(jié)對(duì)武漢、上海、北京進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),得到了不同城市不同運(yùn)行模式下,空調(diào)器在各溫區(qū)的運(yùn)行時(shí)間。計(jì)算出不同城市不同模式下的SEER、HSPF及APF,通過對(duì)比不同城市不同模式下的 SEER、HSPF、APF和各個(gè)溫區(qū)模型中的相關(guān)參數(shù),尋找之間的聯(lián)系并進(jìn)行分析。
先根據(jù)典型氣象年全年8760 h逐時(shí)的氣象資料[3],獲得了4個(gè)城市的日干球溫度,并在國標(biāo)規(guī)定的制冷季節(jié)24~38℃每隔1℃劃分為15個(gè)溫區(qū)及制熱季節(jié)-9~16℃每隔1℃劃分為26個(gè)溫區(qū)。然后對(duì)不同城市、不同模式下的溫度區(qū)間小時(shí)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。
統(tǒng)計(jì)各個(gè)溫度區(qū)間小時(shí)數(shù)的原則為:制冷季節(jié)按連續(xù)5天日平均氣溫超過24℃的第一天起算,直至連續(xù)5天日平均氣溫低于24℃的第一天為止;制熱季節(jié)按連續(xù)5天日平均氣溫低于16℃的第一天起算,直至連續(xù)5天日平均氣溫高于16℃的第一天為止。建立兩種不同的溫區(qū)統(tǒng)計(jì)模式:模式Ⅰ——設(shè)定空調(diào)器依照每天24 h工作來建立溫區(qū)統(tǒng)計(jì)模型;模式Ⅱ——設(shè)定空調(diào)器依照每天8:00~17:00的正常工作時(shí)間段來建立溫區(qū)統(tǒng)計(jì)模型[4]。
制冷季節(jié)對(duì)不同溫區(qū)的4個(gè)城市武漢、上海、廣州、北京,而制熱季節(jié)對(duì)不同溫區(qū)的武漢、上海、北京3個(gè)城市進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),獲得了不同運(yùn)行模式下的數(shù)據(jù),為后幾章進(jìn)行變轉(zhuǎn)速空調(diào)器的SEER,HSPF以及APF的準(zhǔn)確計(jì)算和分析奠定了基礎(chǔ)。表1、表2分別是典型氣象年制冷季節(jié)和制熱季節(jié)變轉(zhuǎn)速空調(diào)器在兩個(gè)運(yùn)行模式下的溫區(qū)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
表1 典型氣象年制冷季節(jié)室外溫度發(fā)生時(shí)間Tab·1 Outdoor temperature occurrence time in the cooling season of typicalmeteorological year
表2 典型氣象年制熱季節(jié)室外溫度發(fā)生時(shí)間Tab·2 Outdoor temperature occurrence time in the heating season of typicalmeteorological year
變轉(zhuǎn)速空調(diào)器的制冷季節(jié)及制熱季節(jié)能效比測試通過多功能環(huán)境實(shí)驗(yàn)室來完成。多功能環(huán)境實(shí)驗(yàn)室主要由制冷系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)處理柜、電氣控制系統(tǒng)和加熱、加濕系統(tǒng)構(gòu)成。多功能環(huán)境實(shí)驗(yàn)室采用全自動(dòng)控制,其室外側(cè)控制溫度范圍為-20~60℃,控制精度±0.2℃;濕度控制范圍30%~95%,控制精度±2%,從初始工況到穩(wěn)定工況的時(shí)間不超過1.5 h。實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的設(shè)備如圖1所示。
圖1 多功能環(huán)境實(shí)驗(yàn)室Fig·1 multifunctional environmental laboratory
3·1 制冷季節(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析
以型號(hào)KFR-25GW/BpT的變轉(zhuǎn)速空調(diào)器作為研究對(duì)象,依據(jù)國標(biāo)GB21455—2013和國標(biāo)GB21455—2004[5]的相關(guān)規(guī)定,利用焓差實(shí)驗(yàn)室測得計(jì)算SEER需要的各項(xiàng)性能參數(shù),測試數(shù)據(jù)如表3所示。
表3 變轉(zhuǎn)速空調(diào)器制冷測試數(shù)據(jù)(單位/W)Tab·3 Variable speed air-conditioner cooling test data(unit/W)
由實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)再加上之前列出的溫區(qū)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),就能夠獲得變轉(zhuǎn)速空調(diào)器在該氣候條件下的制冷季節(jié)能效比SEER值[6],變轉(zhuǎn)速空調(diào)器在不同城市下的季節(jié)能效比SEER值見表4。
表4 變轉(zhuǎn)速空調(diào)器在不同城市的SEER值Tab·4 Variable speed air conditioner SEER values in different cities
SEER計(jì)算公式如下所示,式中CSTE表示制冷季節(jié)耗電量,CSTL表示制冷季節(jié)制冷量。
為了研究運(yùn)行時(shí)間對(duì)SEER的影響,此處引入運(yùn)行時(shí)間在溫度區(qū)間上的累計(jì)速度TAS(Time Accumulating Speed),對(duì)溫度區(qū)間中運(yùn)行時(shí)間的分布規(guī)律進(jìn)行量化,其計(jì)算方法如下:
武漢、上海、廣州、北京4個(gè)城市在不同運(yùn)行模式下室外溫度運(yùn)行時(shí)間累計(jì)速度TAS比較如圖2和圖3所示。
由上圖能夠看出,TAS在24~29℃的低溫區(qū)間段中累計(jì)速度快慢順序依次是上海、北京、廣州和武漢;而在29~35℃的中溫區(qū)間段中廣州的TAS超過了北京。對(duì)比表中變轉(zhuǎn)速空調(diào)器在不同城市運(yùn)行模式Ⅰ下的SEER值大小,發(fā)現(xiàn)季節(jié)能效比SEER大小順序與TAS在24~29℃的低溫區(qū)間段累計(jì)速度的快慢順序一致。
3·2 制熱季節(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析
與制冷季節(jié)相同,利用焓差實(shí)驗(yàn)室測得計(jì)算制熱季節(jié)能效比HSPF需要的各項(xiàng)性能參數(shù),測試數(shù)據(jù)如表5所示。
圖2 模式Ⅰ下各城市TAS比較Fig·2 Compare each city TAS in modeⅠ
圖3 模式Ⅱ下各城市TAS比較Fig·3 Compare each city TAS in modeⅡ
表5 變轉(zhuǎn)速空調(diào)器制熱測試數(shù)據(jù)(單位/W)Tab·5 Variable speed air-conditioner heating test data(unit/W)
從表6能夠看出,不同運(yùn)行模式下的HSPF上海最大,武漢其次,北京最小,說明地域會(huì)影響變轉(zhuǎn)速空調(diào)器制熱季節(jié)能效比HSPF,這是由于各個(gè)地域氣候條件的不同從而造成變轉(zhuǎn)速空調(diào)器在各個(gè)溫度下的運(yùn)行時(shí)間的不同,因而對(duì)HSPF值產(chǎn)生影響。HSPF的計(jì)算式如式(3)所示,式中HSTE表示制熱季節(jié)耗電量,HSTL則表示制熱季節(jié)制熱量。
表6 變轉(zhuǎn)速空調(diào)器在不同城市的HSPF值Tab·6 Variable speed air-conditioner HSPF values in different cities
從圖4~圖5中能夠看出,北京全溫區(qū)TAS曲線明顯高于上海和武漢兩條曲線,而上海和武漢兩條TAS曲線十分接近并且互有交叉,并無十分明顯的特點(diǎn)能看出與HSPF值的關(guān)系。從圖6中能夠看出,6條曲線TAS累計(jì)速度順序依次為上海Ⅱ、武漢Ⅱ、上海Ⅰ、武漢Ⅰ、北京Ⅱ、北京Ⅰ,對(duì)比兩個(gè)模式下3個(gè)城市的制熱季節(jié)能效比HSPF值大小,可得:制熱季節(jié)能效比HSPF值大小順序與7~16℃高溫區(qū)TAS累計(jì)速度順序一致。
3·3 全年能源消耗效率
從2013年10月1日起,變轉(zhuǎn)速空調(diào)新的能效標(biāo)準(zhǔn)正式施行,我國空調(diào)行業(yè)的能效評(píng)價(jià)指標(biāo)從制冷季節(jié)能效比SEER轉(zhuǎn)為全年能源消耗效率APF,APF的計(jì)算式如下所示:
圖4 運(yùn)行模式Ⅰ下各城市全溫區(qū)TAS比較Fig·4 The whole temperature TAS comparison of each city in modeⅠ
從以上表格可以看出,同一款變轉(zhuǎn)速空調(diào)器,在不同標(biāo)準(zhǔn)下的全年能源消耗效率APF不同,而且差別非常大。在北京地區(qū),這款產(chǎn)品低于GB21455—2013規(guī)定的APF最低標(biāo)準(zhǔn);以GB/T 7725—2004標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算的話,其處于3級(jí)能效等級(jí);而放在GB21455—2013及上海和武漢模式Ⅱ下運(yùn)行的話,其能效等級(jí)甚至可以達(dá)到2級(jí)。
表7 各城市及各標(biāo)準(zhǔn)在各模式下的APF計(jì)算值Tab·7 The APF of different cities under different standards and modes
圖5 運(yùn)行模式Ⅱ下各城市全溫區(qū)TAS比較Fig·5 The whole temperature TAS comparison of each city in modeⅡ
圖6 不同城市兩個(gè)運(yùn)行模式下高溫區(qū)TAS比較Fig·6 The high temperature TAS comparison of each city in twomodes
因此,以GB21455—2013所給出的制冷、制熱運(yùn)行小時(shí)數(shù)作為單一標(biāo)準(zhǔn)的話,并不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)變轉(zhuǎn)速空調(diào)器在我國不同地區(qū)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的全年能源消耗效率。
3·4 效率降低系數(shù)CD對(duì)SEER的影響
CD系數(shù)是用來量化空調(diào)器開停產(chǎn)生的能效損失,根據(jù)ARI210/240—2008[7]標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,對(duì)于采用定轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)的空調(diào)系統(tǒng),其SEER計(jì)算公式如公式7(式中EERB表示在低溫制冷工況下的能效比),由此看出CD系數(shù)對(duì)SEER有很大影響[8],是由于CD系數(shù)決定部分負(fù)荷率PLF的測定,而對(duì)于變頻空調(diào)器,當(dāng)空調(diào)器在額定中間制冷能力以下運(yùn)行時(shí),Pclm(tj)(制冷溫度為tj時(shí),空調(diào)器在額定中間制冷能力下,對(duì)應(yīng)房間熱負(fù)荷的能力保持連續(xù)可變運(yùn)行時(shí)所消耗的電量)設(shè)計(jì)計(jì)算包含部分負(fù)荷率PLF。因此CD系數(shù)的選擇同樣影響著變頻空調(diào)器能效比的測定。下面公式用于定速空調(diào)系統(tǒng),但對(duì)我們分析變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)也有一定指導(dǎo)作用,EERcycdry()和EERssdry()分別表示D工況(斷續(xù)制冷實(shí)驗(yàn)工況)和C工況(低溫制冷實(shí)驗(yàn)工況)下的能源消耗功率,CLF為制冷負(fù)荷系數(shù)。
3·5 實(shí)例分析
統(tǒng)計(jì)了上海2011年全年8760 h逐時(shí)溫度與上海典型氣象年的數(shù)據(jù)作比較并分析實(shí)際情況。表8和表9分別是2011年上海制冷季節(jié)和制熱季節(jié)在不同運(yùn)行模式下的室外溫度發(fā)生時(shí)間。
從圖7和圖8可以看出,2011年28℃是最高峰,最高峰比典型年明顯延后,高溫區(qū)間的百分比明顯比典型年高,因此2011年是比較炎熱的一年,其TAS在24~29℃區(qū)間內(nèi)的累計(jì)速度也明顯慢于典型年,從上面的分析看,2011年的SEER應(yīng)該是明顯低于典型年的SEER的?;?011年溫度數(shù)據(jù)計(jì)算出的上海模式Ⅰ的SEER為4.63,明顯低于典型年模式Ⅰ的5.01,符合結(jié)論。同理可得上海模式Ⅱ的SEER 為4.39,明顯低于典型年的4.95,原因同模式Ⅰ。從圖9和圖10可以看出,室外溫度時(shí)間百分比曲線相互交錯(cuò),沒有明顯的規(guī)律可循,但從高溫區(qū)TAS比較可以看出2011年數(shù)據(jù)在7~16℃區(qū)間內(nèi)累計(jì)速度快于典型年數(shù)據(jù),因此推斷基于2011年實(shí)測溫度數(shù)據(jù)的HSPF計(jì)算值大于典型年數(shù)據(jù)的計(jì)算值?;?011年實(shí)測溫度數(shù)據(jù)的HSPF計(jì)算值為3.96,大于基于典型年的3.71,符合結(jié)論。同理可得上海模式Ⅱ的HSPF為4.22,明顯高于典型年的3.88,原因同模式Ⅰ。
表8 上海2011年制冷季節(jié)室外溫度發(fā)生時(shí)間Tab·8 Seasonal outdoor temperature refrigeration time of shanghai in 2011
表9 上海2011年制熱季節(jié)室外溫度發(fā)生時(shí)間Tab·9 Seasonal outdoor temperature refrigeration time of Shanghai in 2011
圖7 室外溫度發(fā)生時(shí)間百分比比較Fig·7 Compare the percentage of outdoor temperature occurrence time
利用統(tǒng)計(jì)出的2011年上海全年逐時(shí)溫度數(shù)據(jù)計(jì)算出的SEER,HSPF及APF與典型年上海全年逐時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算出的值進(jìn)行比較。
圖8 室外溫度TAS比較Fig·8 Compare the percentage of outdoor temperature TAS
圖9 室外溫度百分比比較Fig·9 Compare the percentage of outdoor temperature
圖10 室外溫度TAS比較Fig·10 Compare the percentage of outdoor temperature TAS
結(jié)合表8~表9中的相關(guān)數(shù)據(jù)和新舊能效標(biāo)準(zhǔn)(標(biāo)準(zhǔn)不再單獨(dú)列出),新標(biāo)準(zhǔn)GB21455—2013規(guī)定的APF能效等級(jí)和舊標(biāo)準(zhǔn)GB21455—2008規(guī)定的SEER能效等級(jí)??梢钥闯?,2011年模式Ⅰ和典型年模式Ⅱ下,該變轉(zhuǎn)速空調(diào)器在新舊兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下都是2級(jí)能效;典型年的模式Ⅰ下,該變轉(zhuǎn)速空調(diào)器在新標(biāo)準(zhǔn)中是3級(jí)能效,而在舊標(biāo)準(zhǔn)中是2級(jí)能效;2011年的模式Ⅱ下,改變轉(zhuǎn)速空調(diào)器在新標(biāo)準(zhǔn)中2級(jí)能效,而在舊標(biāo)準(zhǔn)中是3級(jí)能效。這充分說明了在新標(biāo)準(zhǔn)推出后,變轉(zhuǎn)速空調(diào)器的研發(fā)側(cè)重點(diǎn)與以往有了很大的不同。以典型年的模式Ⅰ為例,變轉(zhuǎn)速空調(diào)器的SEER值為5.01,比舊標(biāo)準(zhǔn)的2級(jí)能效限定值4.50高出不少,甚至接近了1級(jí)能效限定值5.20,但是其APF只有3.93,在新標(biāo)準(zhǔn)下只是3級(jí)標(biāo)準(zhǔn),剛剛達(dá)到了市場準(zhǔn)入門檻;而另一方面,2011年的模式Ⅱ下,變轉(zhuǎn)速空調(diào)器的SEER值只有4.39,在舊標(biāo)準(zhǔn)下只是3級(jí)能效,但其APF卻高達(dá)4.30,在新標(biāo)準(zhǔn)下卻達(dá)到了2級(jí)能效。
表10 典型年與2011年數(shù)據(jù)比較Tab·10 Typical year data compared with 2011 data
綜上所述,新標(biāo)準(zhǔn)下的變轉(zhuǎn)速空調(diào)器的研發(fā)側(cè)重點(diǎn)與過去有著很大的不同,現(xiàn)在要在保持SEER的同時(shí)側(cè)重于提升HSPF,而且還要盡可能的降低制熱季節(jié)時(shí)的總耗電量HSTE,以降低其在全年運(yùn)行總耗電量中所占的比重。
本文以某型號(hào)變轉(zhuǎn)速空調(diào)器作為研究對(duì)象,依據(jù)GB21455—2013和 GB21455—2008的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),分析其典型氣象年和上海某年夏季制冷、冬季制熱及全年綜合的能效比。通過實(shí)驗(yàn)并計(jì)算獲得空調(diào)器在不同城市不同模式下的制冷季節(jié)能效比SEER、制熱季節(jié)能效比HSPF。然后計(jì)算出各標(biāo)準(zhǔn)及各城市各模式下的全年能源消耗效率APF值,并作了簡要分析,分析了CD系數(shù)對(duì)變轉(zhuǎn)速空調(diào)系統(tǒng)SEER的影響。緊接著討論了新標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的制冷、制熱溫度發(fā)生時(shí)間并不能全面體現(xiàn)變轉(zhuǎn)速空調(diào)器在我國不同地區(qū)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的全年能源消耗效率,得出了提高APF必須側(cè)重于提高HSPF的結(jié)論。上述的工作或許會(huì)對(duì)新國標(biāo)GB21455—2013的推廣和使用具有一定的促進(jìn)作用。
本文受2013年上海大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃(SH2013019)和上海市重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(S30503)資助。(The project was supported by the 2013 Shanghai Students’Innovative Training Program(No.SH2013019)and Important Subject Foundation Programof Shanghai(No.S30503).)
[1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB21455—2013轉(zhuǎn)速可控型房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能源效率等級(jí)[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2013.
[2] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB21455—2008轉(zhuǎn)速可控型房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能源效率等級(jí)[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.
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About the corresponding author
Li Tang,male,master degree candidate,Institute of Refrigeration Technology,University of Shanghai for Science and Technology,+86 18301781550,E-mail:578488783@qq.com.Research fields:refrigeration and cryogenics technology.
Annual Energy Efficiency Analysis and Experiment Research on Variable Speed Air-Conditioner Based on ClimatiCFactors
Li Tang Wang Fang Qu Yan Meng Zhaofeng Wang Yu Zhao Yale Guo Chao
(Institute of Refrigeration Technology,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai,200093,China)
Research on the annual performance factor specified in variable speed air-conditioner energy efficiency standard GB21455—2013.A variable speed air-conditioner was studied,two operatingmodeswere established combining with typicalmeteorological year data.With the experiment and calculation,the air conditioner SEER and HSPF in different cities and differentmodes were obtained.The running time cumulative rate of temperature rangewas introduced and relationships between SEER,HSPF and TASwere analyzed,the results show enhancing the air conditioner energy efficiency should focus on improving the different temperature range segment.The APF of each city,eachmode and standard GB/T7725—2004 and GB21455—2013 were calculated,the relationships between SEER,HSPF and APF were analyzed.The results show cooling and heating temperature occurrence time specified in the standard do not fully reflect the actually APF of variable speed air-conditioner running at different regions of China and enhancing APFmust focus on improving the HSPF.
variable speed air-conditioner;SEER;APF;climatiCfactors;operating characteristics
TB657.2;TU831
A
0253-4339(2015)02-0106-07
10.3969/j.issn.0253-4339.2015.02.106
簡介
李堂,男,碩士研究生,上海理工大學(xué)制冷及低溫技術(shù)研究所,18301781550,E-mail:578488783@qq.com。研究方向:制冷與低溫技術(shù)。
2014年5月20日