于天蟬 楊子旭 丁連銳 黃文宇 石文星

清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系 北京 100084

1 引言

房間空氣調(diào)節(jié)器（簡(jiǎn)稱：空調(diào)器）是一種向房間或區(qū)域內(nèi)直接提供經(jīng)過(guò)處理的空氣的空氣調(diào)節(jié)裝置，因其能夠適應(yīng)不同空調(diào)供暖設(shè)備用戶的使用習(xí)慣，滿足各類建筑室內(nèi)環(huán)境需求，在我國(guó)中、小型建筑，特別是住宅建筑中得到廣泛應(yīng)用，其保有量逐年增長(zhǎng)，截至2018年，房間空調(diào)器的年產(chǎn)量已超過(guò)2億臺(tái)[1]。房間空調(diào)器作為建筑主要耗能設(shè)備之一，實(shí)現(xiàn)其能效提升對(duì)于節(jié)能減排具有重大意義。

目前，在我國(guó)空調(diào)器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中，以額定性能指標(biāo)（EER和COP）和季節(jié)性能指標(biāo)（SEER、HSPF和APF）大小表征房間空調(diào)器的性能優(yōu)劣。這些指標(biāo)是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)典型工況的穩(wěn)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)，或者是基于給定制冷（熱）運(yùn)行時(shí)間、建筑負(fù)荷模型和有限工況穩(wěn)態(tài)測(cè)試性能的計(jì)算數(shù)據(jù)。然而，安裝條件、調(diào)控方式、換熱器臟堵?tīng)顩r、部件的老化磨損與制冷劑泄漏狀況以及室內(nèi)外進(jìn)風(fēng)的溫濕度等因素都直接影響空調(diào)器的運(yùn)行性能，故實(shí)驗(yàn)室的性能測(cè)試結(jié)果難以真實(shí)反映空調(diào)器的實(shí)際運(yùn)行性能。因此，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)量技術(shù)探明空調(diào)器實(shí)際運(yùn)行性能，對(duì)于優(yōu)化空調(diào)器控制策略、提高智能化水平、降低運(yùn)行能耗和運(yùn)行費(fèi)用具有重要意義。此前，黃文宇[2]等總結(jié)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)空氣源熱泵現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行性能測(cè)量技術(shù)方案，在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步將近期的研究進(jìn)展與應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié)，對(duì)于推動(dòng)空氣源熱泵在線性能測(cè)量技術(shù)的深入研究與工程應(yīng)用具有借鑒意義和參考價(jià)值。

2 測(cè)量原理與方法

房間空調(diào)器結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵部件如圖1所示，表征房間空調(diào)器運(yùn)行性能的指標(biāo)通常包括：制冷（熱）量、功率、能效比。其中，功率可以通過(guò)電能表或功率計(jì)直接測(cè)得，且其精度較高，因此，房間空調(diào)器運(yùn)行性能測(cè)量的關(guān)鍵是對(duì)其制冷（熱）量的測(cè)量。空調(diào)器制（熱）量的基本計(jì)算公式為式（1）與式（2），根據(jù)測(cè)量位置不同，其測(cè)量方法可分為室內(nèi)側(cè)空氣焓差法、室外側(cè)空氣焓差法、制冷劑焓差法。

圖1 房間空調(diào)器結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵部件

式中：Q為室內(nèi)換熱器的換熱量，W；Pcom為壓縮機(jī)的輸入功率，W；m為質(zhì)量流量，kg/s；h為焓值，J/kg；下標(biāo)ref和air分別代表制冷劑和空氣；ID和OD分別為室內(nèi)和室外換熱器；in和out分別為換熱器的進(jìn)口和出口；下標(biāo)cc和hc分別表示制冷與制熱。

2.1 室內(nèi)側(cè)空氣焓差法

室內(nèi)側(cè)空氣焓差法的關(guān)鍵在于室內(nèi)機(jī)風(fēng)量及進(jìn)、出口空氣焓差的測(cè)量。瑞士SP Technical研究中心[3]采用在室內(nèi)機(jī)出風(fēng)口加裝風(fēng)罩，將室內(nèi)機(jī)出風(fēng)全部引入帶有溫濕度傳感器、風(fēng)量測(cè)量裝置和壓力補(bǔ)償裝置的風(fēng)道中進(jìn)行測(cè)量。該方法與焓差實(shí)驗(yàn)室測(cè)量制冷（熱）量方法類似。同時(shí)，為避免采用風(fēng)量罩長(zhǎng)期測(cè)量對(duì)用戶的影響，將多種運(yùn)行工況下制冷（熱）量、耗電量及室外溫度進(jìn)行擬合得到機(jī)組性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)器實(shí)際運(yùn)行性能的“長(zhǎng)期測(cè)量”。這種方法測(cè)得的性能系數(shù)不確定度在±10%以內(nèi)，但該方法操作繁瑣、影響用戶的正常使用，且其推導(dǎo)計(jì)算的“長(zhǎng)期測(cè)量”結(jié)果不能反映空調(diào)器的性能衰減。

為避免風(fēng)量罩對(duì)用戶的干擾，可在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中預(yù)先通過(guò)多點(diǎn)測(cè)量來(lái)確定室內(nèi)機(jī)進(jìn)、出風(fēng)口的速度分布，進(jìn)而簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量過(guò)程中的風(fēng)量測(cè)量工作[4,5]。Ichikawa T等[6]利用該方法對(duì)四面出風(fēng)嵌頂式室內(nèi)機(jī)進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量時(shí)，設(shè)定室內(nèi)機(jī)風(fēng)檔后，使用三維風(fēng)速測(cè)量裝置測(cè)量室內(nèi)機(jī)進(jìn)、出風(fēng)口不同位置處的風(fēng)速，得到室內(nèi)機(jī)的速度分布。該方法需要較多的溫濕度傳感器，且其布置方式也直接影響室內(nèi)機(jī)進(jìn)、出風(fēng)的溫濕度測(cè)量結(jié)果，同樣難以反映室內(nèi)機(jī)風(fēng)速無(wú)級(jí)變化、性能衰減和過(guò)濾器堵塞導(dǎo)致的性能變化。

2.2 室外側(cè)空氣焓差法

受限于用戶的接受度，室內(nèi)側(cè)空氣焓差法很難實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期測(cè)量。因此，國(guó)內(nèi)、外研究人員逐漸發(fā)展了室外側(cè)空氣焓差法。室外機(jī)靜態(tài)多點(diǎn)測(cè)量法[7]即在室外機(jī)進(jìn)、出風(fēng)口布置溫濕度測(cè)點(diǎn)，利用出風(fēng)截面多個(gè)位置的風(fēng)速，通過(guò)積分獲得室外機(jī)的換熱量，再利用能量平衡法獲得空調(diào)器的制冷（熱）量。該方法實(shí)施方便、操作簡(jiǎn)單，但難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)變工況測(cè)量，且受室外氣象的干擾嚴(yán)重、精度較差。通過(guò)外接風(fēng)管、在風(fēng)管內(nèi)測(cè)量多點(diǎn)的風(fēng)速和溫濕度有效克服了這一問(wèn)題[8]，但風(fēng)管的引入使得室外機(jī)出風(fēng)側(cè)的流場(chǎng)發(fā)生了改變，故加裝管道后必須進(jìn)行風(fēng)量修正，其實(shí)測(cè)誤差為±15%。

針對(duì)上述兩種方法在測(cè)量中遇到的問(wèn)題，發(fā)展出了室外機(jī)出風(fēng)靜態(tài)采樣法[10-12]，它是在室外機(jī)出風(fēng)口處安裝出風(fēng)采樣器，通過(guò)測(cè)量采樣器采集到的微元空氣的溫濕度和流量參數(shù)，計(jì)算出室外機(jī)的換熱量。為進(jìn)一步提高測(cè)量精度，Yusuke Hag等[9]研制了室外機(jī)風(fēng)側(cè)熱通量采樣器，直接求得排風(fēng)口附近各個(gè)微元的換熱量后再進(jìn)行累加求和，該方法的測(cè)量精度可達(dá)到約±12%。但是，該實(shí)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)測(cè)時(shí)安裝困難；在計(jì)算換熱量時(shí)，需要與室外機(jī)結(jié)構(gòu)相關(guān)的出風(fēng)角度修正系數(shù)和流量修正系數(shù)，普適性較差。為解決室外機(jī)安裝靜態(tài)采樣器困難、調(diào)試復(fù)雜等問(wèn)題，趙偉[13]提出了室外機(jī)移動(dòng)采樣法，通過(guò)一組風(fēng)速和溫濕度傳感器在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)桿上按預(yù)定速度左右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組出風(fēng)截面風(fēng)速和溫濕度的掃描測(cè)量，從而計(jì)算各個(gè)區(qū)域的換熱量，其全工況范圍內(nèi)的測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差均可控制在±15%以內(nèi)，但仍然未從本質(zhì)上解決采樣機(jī)安裝困難、外風(fēng)干擾帶來(lái)的測(cè)量誤差問(wèn)題。

圖2 各種室外側(cè)空氣焓差法

2.3 制冷劑焓差法

在制冷劑焓差法中，直接利用流量計(jì)測(cè)量制冷劑流量[14]，結(jié)合換熱器進(jìn)出口溫度與壓力參數(shù)即可計(jì)算得到空調(diào)器的制冷（熱）量，其誤差在±7.0%以內(nèi)。然而，質(zhì)量流量計(jì)價(jià)格昂貴、屬于侵入式測(cè)量，測(cè)量時(shí)需破壞原有系統(tǒng)，不能反映空調(diào)器原有狀態(tài)，而且要求流量計(jì)必須安裝在具有一定過(guò)冷度的液體管上，這在實(shí)際運(yùn)行的空調(diào)器中是難以實(shí)現(xiàn)的。

為保證空調(diào)器的用戶使用行為和實(shí)際使用狀態(tài)不變，且對(duì)用戶不造成干擾，則應(yīng)發(fā)展非介入、無(wú)干擾的長(zhǎng)期在線測(cè)量技術(shù)。相比在制冷系統(tǒng)中加設(shè)流量計(jì)的直接測(cè)量方法，間接計(jì)算制冷劑流量是一種重要的替代方法，常見(jiàn)的方法包括數(shù)值計(jì)算法、壓縮機(jī)性能曲線法、容積效率法及壓縮機(jī)能量平衡法。

（1）數(shù)值計(jì)算法：即利用壓縮機(jī)詳細(xì)參數(shù)計(jì)算制冷劑流量[16]，該方法需要廠家提供壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算成本較高、耗時(shí)較長(zhǎng)、通用性差。

（2）壓縮機(jī)性能曲線法（CC法）：根據(jù)壓縮機(jī)廠家提供的特定實(shí)驗(yàn)工況下運(yùn)行數(shù)據(jù)，將制冷劑流量擬合為關(guān)于蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、絕熱壓縮指數(shù)及頻率等參數(shù)的多項(xiàng)式[17]。如定速壓縮機(jī)的十系數(shù)多項(xiàng)式[18]、變速壓縮機(jī)的二十系數(shù)多項(xiàng)式[19]，以及不同轉(zhuǎn)速下制冷劑流量關(guān)于吸氣溫度及排氣溫度的計(jì)算公式[20]。

（3）壓縮機(jī)容積效率法（CVE法）：容積效率是實(shí)際輸氣量與理論輸氣量之比[21]，以此為依據(jù)的CVE法只需要壓縮機(jī)的吸氣密度、容積效率及運(yùn)行頻率即可得到制冷劑流量[21]。目前容積效率有不同的實(shí)驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)公式，包括考慮相對(duì)余隙容積修正[22]、壓縮機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速的線性函數(shù)[23,24]等方法。

式中：ρref為壓縮機(jī)的吸氣密度，kg/m3；ηv為容積效率；Vd為理論容積輸氣量，m3/s；f為壓縮機(jī)頻率，1/s。

CVE法計(jì)算制冷劑流量時(shí)對(duì)吸氣密度不敏感，即使在吸氣帶液狀態(tài)下，測(cè)得的制冷量精度也較高。尤其對(duì)于較新的機(jī)組，容積效率模型準(zhǔn)確，近年來(lái)東京海洋大學(xué)、北海道大學(xué)[30-32]等日本高校和研究機(jī)構(gòu)采用此方法對(duì)住宅、辦公樓、教室等進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析。

上述三種方法在短期內(nèi)（特別是新機(jī)器階段）都有較高的精度，但都依賴于壓縮機(jī)廠家提供的結(jié)構(gòu)參數(shù)或性能參數(shù)，故其普適性較差；而且隨著壓縮機(jī)使用時(shí)間的增加，壓縮機(jī)的性能、容積效率等參數(shù)都將隨使用時(shí)間的延長(zhǎng)而衰減，故無(wú)法保證機(jī)組長(zhǎng)期測(cè)量的準(zhǔn)確性。

（4）壓縮機(jī)能量平衡法（CEC法）：Fahlén P[25]提出了CEC法，該方法以壓縮機(jī)為控制體，基于能量守恒與質(zhì)量守恒定律，通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)輸入功率、吸/排氣焓值以及殼體散熱量的測(cè)量來(lái)獲取制冷劑流量參數(shù)，其原理如圖3和公式（4）、（5）所示。

圖3 CEC法應(yīng)用于房間空調(diào)器制冷（熱）量的測(cè)量原理

式中：Pcom，Pid分別為壓縮機(jī)和室內(nèi)機(jī)風(fēng)機(jī)的輸入功耗，W；Qloss為壓縮機(jī)殼體的散熱量，W；hsuc，hdis分別為壓縮機(jī)吸氣、排氣的制冷劑比焓值，J/kg；hOD,out，hID,out分別為制冷與制熱運(yùn)行時(shí)冷凝器出口的制冷劑比焓值，J/kg；mref為制冷劑質(zhì)量流量，kg/s。

將CEC法與在焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)得的空調(diào)器性能以及利用水側(cè)流量計(jì)法測(cè)得的空氣源熱泵冷熱水機(jī)組性能進(jìn)行比較，結(jié)果表明，當(dāng)壓縮機(jī)吸氣具有一定過(guò)熱度時(shí)，其制冷（熱）量誤差在±15.0%以內(nèi)[26-29]。

CEC法不依賴空調(diào)器部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)或初始性能參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)器的非介入、無(wú)干擾測(cè)量，且具有良好的通用性和長(zhǎng)期測(cè)量精度，在ASHRAE RP 871項(xiàng)目[33]與ELFORSK[28]（丹麥能源產(chǎn)業(yè)組織）計(jì)劃中均指出，CEC法是最先進(jìn)、最可行的現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)量方法。

因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞CEC法開(kāi)展了大量的研究工作，以進(jìn)一步提高精度和適用性。表1給出了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究進(jìn)展。

表1 CVE法和CEC法的改善

3 全工況制冷劑流量法

3.1 關(guān)鍵問(wèn)題

鑒于壓縮機(jī)能量平衡法（CEC法）的特殊優(yōu)勢(shì)，人們主要在該方向開(kāi)展工作，以提高其測(cè)量精度、擴(kuò)大其適用性。然而，CEC法在壓縮機(jī)具有一定過(guò)熱度時(shí)具有良好的精度，但在吸氣回液時(shí)則精度較差。實(shí)際上，壓縮機(jī)出現(xiàn)回液是經(jīng)常發(fā)生的，例如：定速空調(diào)器通常采用毛細(xì)管節(jié)流，當(dāng)壓差過(guò)大、流過(guò)毛細(xì)管流量大于蒸發(fā)器的需求流量，會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣回液；為了降低變頻空調(diào)器的壓縮機(jī)排氣溫度、增大蒸發(fā)器有效傳熱面積以改善性能，壓縮機(jī)吸氣有時(shí)處于飽和或微量帶液狀態(tài)。此外，由于制冷劑管道具有熱惰性，氣液相變也將導(dǎo)致階躍響應(yīng)存在一定的延時(shí)，也可能造成控制指令不及時(shí)，導(dǎo)致壓縮機(jī)短期出現(xiàn)回液現(xiàn)象。

因此，欲提高制冷劑焓差法的全工況測(cè)量精度，則必須解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：

（1）必須解決傳感器位置固定與制冷劑狀態(tài)動(dòng)態(tài)變化之間的矛盾；

（2）必須解決壓縮機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行的性能衰減與測(cè)量精度保障之間的矛盾。

然而CVE法與CEC法無(wú)法同時(shí)解決這兩個(gè)矛盾。盡管壓縮機(jī)頻率和工作容積已知，但壓縮機(jī)容積效率總會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，機(jī)械磨損及潤(rùn)滑油性能變差，導(dǎo)致容積效率存在一定程度的衰減，故無(wú)法保證機(jī)組長(zhǎng)期測(cè)量的準(zhǔn)確性，而僅適用于新出廠的空調(diào)器。在CEC法中，吸氣焓值對(duì)制冷劑質(zhì)量流量的計(jì)算是一個(gè)敏感度極高的參數(shù)，當(dāng)吸氣帶液運(yùn)行時(shí)，吸氣干度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響非常大，故Goossens[43]、黃文宇[38]提出的采用定壓縮機(jī)吸氣干度、Jactard等[44]提出的定壓縮機(jī)等熵效率等方法都難以保證全工況范圍內(nèi)的測(cè)量精度。為此，必須進(jìn)一步研究適用于全工況的制冷劑焓差法。

3.2 實(shí)現(xiàn)方法

鑒于CEC法在吸氣過(guò)熱狀態(tài)下具有優(yōu)良的測(cè)量精度，但在壓縮機(jī)吸氣帶液時(shí)不能確定進(jìn)氣狀態(tài)參數(shù)從而導(dǎo)致誤差較大，而壓縮機(jī)容積效率法（CVE法）在所有工況下均具有良好的精度，但不能反映其在使用過(guò)程中的性能衰減，文獻(xiàn)[45]提出將CEC法與CVE法有機(jī)結(jié)合的“全工況制冷劑流量法”（CEC-CVE法），即圖4中的中間流程，大幅度地提升了性能測(cè)量精度。

圖4 “全工況制冷劑流量法”的實(shí)現(xiàn)途徑

該方法的實(shí)現(xiàn)流程為：當(dāng)壓縮機(jī)吸氣具有過(guò)熱度時(shí)，則采用CEC法計(jì)算測(cè)量空調(diào)器的制冷（熱）量和性能系數(shù)，同時(shí)持續(xù)學(xué)習(xí)（如采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法）包含反映壓縮機(jī)容積效率和運(yùn)行頻率的實(shí)際輸氣容積(ηvVd)sup和等熵效率(ηs)sup；當(dāng)壓縮機(jī)出現(xiàn)回液時(shí)，則采用獲得的最新實(shí)際輸氣容積(ηvVd)twophase和等熵效率(ηs)twophase確定壓縮機(jī)的吸氣狀態(tài)（焓值hsuc、吸氣密度ρsuc或吸氣干度xsuc），并采用CVE法計(jì)算得到流經(jīng)壓縮機(jī)的制冷劑流量、制冷（熱）量及性能系數(shù)。該方法采用精度優(yōu)良的CEC法獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)不斷學(xué)習(xí)、更新壓縮機(jī)的容積效率和等熵效率，以獲得更為準(zhǔn)確的壓縮機(jī)吸氣狀態(tài)，很好地解決了壓縮機(jī)長(zhǎng)期使用后的性能衰減狀態(tài)難以確定的難題，同時(shí)也避免了壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)需提前預(yù)知問(wèn)題，擴(kuò)大了空調(diào)器制冷（熱）量測(cè)量的適用性。

以此基礎(chǔ)上，還發(fā)展出了基于CEC法結(jié)合等熵效率以及毛細(xì)管絕熱節(jié)流模型的“全工況制冷劑流量法”，如圖4所示。這三種全工況制冷劑流量法的技術(shù)思路總體可以概括為：在壓縮機(jī)吸氣處于過(guò)熱狀態(tài)時(shí)，利用CEC法測(cè)量空調(diào)器的制冷（熱）量，并自學(xué)習(xí)壓縮機(jī)的容積效率、等熵效率或構(gòu)建毛細(xì)管絕熱節(jié)流模型；當(dāng)壓縮機(jī)處于吸氣帶液狀態(tài)時(shí)，則根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)的樣本覆蓋范圍，分別選取適宜的測(cè)量方法：①CEC-CIE法（壓縮機(jī)能量平衡-指示效率法）；②CECCVE法（壓縮機(jī)能量平衡-容積效率法）；③CEC-CAT法（壓縮機(jī)能量平衡-毛細(xì)管模型法），獲得吸氣帶液狀態(tài)下的容積效率、等熵效率或毛細(xì)管模型，并最終采用制冷劑焓差法計(jì)算吸氣帶液運(yùn)行的制冷劑流量，從而獲得空調(diào)器全工況制冷劑流量。其中，CEC-CIE法是CEC法與自學(xué)習(xí)壓縮機(jī)等熵效率（CIE）相結(jié)合，CEC-CVE法是CEC法與CVE相結(jié)合，CEC-CAT法是CEC與毛細(xì)管絕熱節(jié)流模型（CAT）相結(jié)合的方法。由此可以準(zhǔn)確地測(cè)量出各種類型空調(diào)器在任意工況條件下的實(shí)際運(yùn)行性能。

上述三種方式的適用范圍為：（1）CEC-CIE法[45]：吸氣過(guò)熱狀態(tài)時(shí)間占比較大、覆蓋運(yùn)行工況較為全面，但不能獲得有效的壓縮機(jī)頻率等運(yùn)行參數(shù)時(shí)，模型關(guān)鍵參數(shù)為等熵效率；（2）CEC-CVE法[42,45,46]：運(yùn)行時(shí)間與上述類似，但壓縮機(jī)頻率可以測(cè)量，模型關(guān)鍵參數(shù)為實(shí)際輸氣容積和等熵效率。（3）CEC-CAT法[42,46]：當(dāng)壓縮機(jī)吸氣過(guò)熱狀態(tài)的運(yùn)行時(shí)間占比較少或覆蓋的運(yùn)行工況較少時(shí)（多發(fā)生在毛細(xì)管節(jié)流的空調(diào)器中），模型關(guān)鍵參數(shù)為CAT模型。通過(guò)在焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的對(duì)比測(cè)試表明，CEC-CVE法和CEC-CIE法的誤差均在15%以內(nèi)（如圖5），且CEC-CVE法具有更高的測(cè)量精度。

圖5 CEC-CIE法與CEC-CVE法測(cè)量精度

基于上述分析，可以得到目前各種在線性能測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)和適用性，如表2所示。

表2 房間空調(diào)器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量技術(shù)特點(diǎn)與適用性

4 在線性能測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)

標(biāo)準(zhǔn)化是推動(dòng)行業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要途徑，同時(shí)也是技術(shù)成熟度的體現(xiàn)。國(guó)際上對(duì)房間空調(diào)器性能測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)往往是針對(duì)于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)運(yùn)行性能測(cè)量的，但也有一些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)制冷/熱泵設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行性能的測(cè)量做出了相關(guān)說(shuō)明?？紤]到空調(diào)器等空氣-空氣熱泵現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)量的復(fù)雜性，有較多的標(biāo)準(zhǔn)并未規(guī)定這一類機(jī)組的性能測(cè)量方法。如ASHRAE 111-2008（2017版）[47]，僅規(guī)定了冷水機(jī)組的制冷量測(cè)量方法，而對(duì)空氣-空氣機(jī)組僅給出了出風(fēng)風(fēng)速、進(jìn)出口溫濕度的測(cè)量要求方法，并未將制冷量及能效比作為其測(cè)量?jī)?nèi)容。

北歐是空氣-空氣熱泵性能測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展較為充分的地區(qū)。芬蘭標(biāo)準(zhǔn)NT VVS 115[48]、NT VVS 116[49]規(guī)定了制冷熱泵設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)量的工況條件和需要測(cè)量的參數(shù)，包括壓縮機(jī)吸氣溫度與壓力、排氣溫度與壓力、冷凝器出口溫度、壓縮機(jī)功率及整機(jī)功率，即采用CEC法計(jì)算設(shè)備的制冷（熱）量和性能參數(shù)。中國(guó)香港特別行政區(qū)建筑署[50]公布了安裝后的空調(diào)器測(cè)量需采用室內(nèi)側(cè)空氣焓差法對(duì)其性能進(jìn)行短時(shí)間測(cè)量，并要求機(jī)組盡可能滿負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，該標(biāo)準(zhǔn)絕大部分是針對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)提出的測(cè)量要求，僅較少部分提及了房間空調(diào)器。

在我國(guó)內(nèi)地，已經(jīng)逐漸重視空氣-空氣熱泵現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)體系的建立，并取得了初步成果。T/CAS 305-2018《房間空氣調(diào)節(jié)器實(shí)際運(yùn)行性能參數(shù)測(cè)量規(guī)范》[51]是國(guó)內(nèi)首部空調(diào)器在線性能測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)推薦采用CEC法，給出了測(cè)點(diǎn)安裝位置、測(cè)量期內(nèi)的性能參數(shù)計(jì)算公式等，并重點(diǎn)規(guī)定了測(cè)量裝置的精度標(biāo)定方法。該方法以采用房間空調(diào)器能效標(biāo)準(zhǔn)GB 21455-2013[52]規(guī)定的、反映空調(diào)器季節(jié)運(yùn)行性能的APFS作為評(píng)判測(cè)量裝置的長(zhǎng)期測(cè)量精度參數(shù)，通過(guò)在規(guī)定的用于計(jì)算季節(jié)能源消耗效率的工況下（包括額定制冷、額定中間制冷、額定25%制冷、低溫制冷、低溫中間制冷、低溫最小制冷、額定制熱、額定中間制熱、額定最小制熱、低溫制熱及超低溫制熱等）測(cè)量空調(diào)器的APFIPME，并與焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)得的APFS進(jìn)行比較，采用二者的相對(duì)誤差δIPME作為測(cè)量裝置精度的評(píng)價(jià)指標(biāo)[53]，如表3所示，用此指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)測(cè)量方法的精度，以鼓勵(lì)企業(yè)研發(fā)覆蓋各種工況、精度更高的測(cè)量裝置。

表3 實(shí)際運(yùn)行性能測(cè)量裝置的精度等級(jí)

該標(biāo)準(zhǔn)已應(yīng)用于T/CECS 846-2021《夏熱冬冷地區(qū)供暖空調(diào)系統(tǒng)性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》[54]和T/CECS《多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)改造技術(shù)規(guī)程》（報(bào)批稿）[55]等團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)中，并推薦作為各類空氣-空氣熱泵的實(shí)際運(yùn)行性能測(cè)量方法。

5 性能測(cè)量?jī)x表與應(yīng)用

5.1 空調(diào)器性能測(cè)量?jī)x表

空氣焓差法可以通過(guò)風(fēng)道、溫濕度傳感器、風(fēng)速計(jì)等儀表來(lái)測(cè)量換熱器風(fēng)量和進(jìn)、出口焓差進(jìn)而獲得空調(diào)器的制冷（熱）量。然而，對(duì)于制冷劑焓差法，尤其是壓縮機(jī)能量平衡法（CEC法），則需研發(fā)對(duì)應(yīng)的儀表以測(cè)量壓縮機(jī)功率以及基于制冷循環(huán)關(guān)鍵位置制冷劑焓值，從而獲得空調(diào)器的性能參數(shù)。

ClimaCheck公司[35]根據(jù)NT VVS 115[48]、NT VVS 116[49]的測(cè)量要求，研制了基于CEC法的測(cè)量裝置，參見(jiàn)圖6a），該裝置包括7個(gè)溫度傳感器、2個(gè)壓力傳感器和1個(gè)功率傳感器。為適應(yīng)國(guó)內(nèi)空調(diào)器的特征，清華大學(xué)基于圖4和圖6c）的測(cè)量原理，研發(fā)了多款現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)量?jī)x表，見(jiàn)圖6b）。測(cè)量裝置包括整機(jī)功率模塊、壓縮機(jī)功率模塊、溫度模塊、溫濕度模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊等，實(shí)現(xiàn)了空調(diào)器和壓縮機(jī)功率、制冷劑管路典型位置溫度的測(cè)量、存儲(chǔ)和交互傳送。

圖6 實(shí)際性能測(cè)量裝置

除圖6所示的外置式測(cè)量裝置外，變頻空調(diào)器自身帶有電流、電壓傳感器和較多的溫度傳感器，為在線性能測(cè)量提供了部分傳感器，為了更為準(zhǔn)確地測(cè)量設(shè)備或系統(tǒng)的性能，在空氣-空氣熱泵系統(tǒng)中，補(bǔ)充設(shè)置必要的溫度傳感器，通過(guò)一定的算法即可成為內(nèi)置式測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)每臺(tái)空調(diào)設(shè)備進(jìn)行其在線性能測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的實(shí)時(shí)、無(wú)干擾、長(zhǎng)期性能監(jiān)測(cè)[56]。

5.2 在線性能測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

在線性能測(cè)量裝置應(yīng)用于空調(diào)器中，為空調(diào)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、智能控制和科學(xué)應(yīng)用提供了反饋途徑，下面以兩個(gè)例子說(shuō)明其應(yīng)用功能。

（1）空調(diào)器的實(shí)際使用特征

空調(diào)器實(shí)際使用特征包括每天的使用時(shí)段、設(shè)定溫度、喜好風(fēng)速、一年的使用時(shí)間及其與室外溫度的關(guān)系等。岡本洋明等人[57]對(duì)日本四個(gè)地區(qū)100戶家庭中的空調(diào)器使用情況進(jìn)行了為期1年的監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，空調(diào)器的日平均運(yùn)行小時(shí)數(shù)在0～6 h范圍內(nèi)，用戶設(shè)定溫度主要集中在22℃～27℃之間，并發(fā)現(xiàn)逐時(shí)外溫運(yùn)行率（TOR）與室外溫度線性相關(guān)；田中千歳[58]在上述研究基礎(chǔ)上，獲得了冬夏不同室外溫度下空調(diào)器的運(yùn)行小時(shí)數(shù)分布；徐振坤[59]等人利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)分析了我國(guó)長(zhǎng)江流域住宅空調(diào)的實(shí)際使用習(xí)慣、使用狀態(tài)以及運(yùn)行能耗，發(fā)現(xiàn)空調(diào)器使用相對(duì)集中在18:00～23:00，日均運(yùn)行時(shí)間集中在0～7 h，單位面積平均耗電量每年一般不超過(guò)12 kW·h/m2；丁連銳[42]對(duì)6戶住宅的空調(diào)器進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果表明這些住宅中的空調(diào)器具有明顯的“部分時(shí)間，部分空間”運(yùn)行特征，同時(shí)發(fā)現(xiàn)室外夏季運(yùn)行時(shí)存在嚴(yán)重的熱島效應(yīng)，室外機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度顯著高于室外環(huán)境溫度（圖7）；Yang[62]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，目前的掛壁式室內(nèi)機(jī)制熱運(yùn)行時(shí)存在嚴(yán)重的熱風(fēng)上浮，導(dǎo)致冬季設(shè)定溫度在26℃仍不能滿足室內(nèi)舒適性需求。以上研究反映了空調(diào)器的實(shí)際使用特征，為空調(diào)器安裝條件、運(yùn)行模式的優(yōu)化提供了必要的數(shù)據(jù)支撐和依據(jù)。

圖7 實(shí)際性能測(cè)量裝置

（2）空調(diào)器的實(shí)際運(yùn)行性能

在房間空調(diào)器實(shí)際制冷（熱）量及性能系數(shù)方面，張才俊[5]采用室內(nèi)側(cè)空氣焓差法對(duì)一臺(tái)變頻空調(diào)器進(jìn)行了為期55天的在線性能監(jiān)測(cè)，空調(diào)器逐時(shí)制冷量隨室外環(huán)境溫度的升高呈現(xiàn)先增加后下降、逐時(shí)功耗呈現(xiàn)先增加后維持不變趨勢(shì)，其性能系數(shù)在1.84～3.76范圍內(nèi)；梁志豪[4]基于室內(nèi)側(cè)空氣焓差法測(cè)量結(jié)果，采用聚類分析法將空調(diào)器運(yùn)行狀態(tài)分為上午高負(fù)荷模式、下午高負(fù)荷模式以及低頻平穩(wěn)模式，其中上午高負(fù)荷模式與下午高負(fù)荷模式下的空調(diào)器性能存在較大波動(dòng)，EER在1.75～4.20范圍之內(nèi)，而在低頻平穩(wěn)模式下，其EER在2.90附近變化；SP研究中心的研究人員[60]采用SP Method No 1721對(duì)5臺(tái)房間空調(diào)器實(shí)際制熱性能進(jìn)行了測(cè)量研究，基于秋季2次實(shí)測(cè)結(jié)果和冬季1次實(shí)測(cè)結(jié)果計(jì)算得到制熱季節(jié)性能系數(shù)位于2.4～2.7 kW·h/ kW·h之間，并指出該結(jié)果的不確定度在±20%以內(nèi)。

Yang[61]采用CEC-CVE法對(duì)1臺(tái)空調(diào)器的制冷與制熱運(yùn)行性能及室內(nèi)熱環(huán)境分別進(jìn)行了1個(gè)月的測(cè)量，其在制冷測(cè)量期的EER為4.0～5.0 kW·h/kW·h，而制熱COP位于2.0～4.0 kW·h/kW·h之間，結(jié)合室內(nèi)溫度分布表明，冬季熱風(fēng)上浮對(duì)室內(nèi)舒適性和空調(diào)器性能都有較大的影響。Yang[62]對(duì)落地式（定速柜機(jī)）和掛壁式（變頻掛機(jī)）空調(diào)器進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)量，圖8給出了它們?cè)诓煌鉁叵碌睦塾?jì)制冷量、耗電量以及能效比分布。從圖中可以看出，由于啟停損失較大，柜機(jī)在各外溫條件下的能效比EER在2.7～3.2之間變化；相比之下，變頻掛機(jī)發(fā)揮出了優(yōu)良的部分負(fù)荷和變工況性能，其最高EER達(dá)到了6.5；從全年的實(shí)測(cè)能源消耗效率APF看，也表明了變頻掛機(jī)實(shí)際性能更好，定頻柜機(jī)的APF為2.74 kW·h/kW·h，而變頻掛機(jī)APF則達(dá)到3.82 kW·h/kW·h，但二者距現(xiàn)行能效限定值（變頻掛機(jī)APF≥4.0 kW·h/kW·h；定速柜機(jī)APF≥3.2 kW·h/kW·h[63]）均存在一定差距，進(jìn)一步說(shuō)明使用習(xí)慣、控制方式、安裝環(huán)境等因素導(dǎo)致空調(diào)器的實(shí)際運(yùn)行性能與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果存在較大差距，因此，探明實(shí)際運(yùn)行性能更有助于改善空調(diào)器安裝條件和運(yùn)行控制策略，以降低實(shí)際運(yùn)行能耗。

圖8 不同空調(diào)器的能效比與室外溫度的關(guān)系

6 展望

空調(diào)器在線性能測(cè)量技術(shù)不僅能監(jiān)測(cè)空調(diào)器的實(shí)際運(yùn)行能效，還能作為一種新的研究手段探明空調(diào)器的實(shí)際使用行為，為空調(diào)器的能耗預(yù)測(cè)、產(chǎn)業(yè)政策制定、產(chǎn)品與能效標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)、室內(nèi)機(jī)氣流組織優(yōu)化設(shè)計(jì)、室外機(jī)安裝平臺(tái)設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

本文較為全面地總結(jié)了空調(diào)器實(shí)際在線性能測(cè)量技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用進(jìn)展。今后將在此基礎(chǔ)上開(kāi)展以下工作：

（1）優(yōu)化外置式測(cè)量裝置。目前，測(cè)量裝置雖然能夠滿足經(jīng)濟(jì)、便捷、高精度要求，但還存在安裝、使用不方便的問(wèn)題。為此，尚需進(jìn)一步優(yōu)化外置式測(cè)量裝置，使之應(yīng)用于不同層次及不同條件下的空調(diào)器能效測(cè)量，如用戶自查、更換改造、第三方現(xiàn)場(chǎng)性能檢測(cè)等。

（2）推動(dòng)內(nèi)置式測(cè)量技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用，通過(guò)產(chǎn)品性能的自診斷，實(shí)現(xiàn)基于“性能傳感器”的節(jié)能控制。內(nèi)置式測(cè)量裝置具有精度高、無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)安裝、可規(guī)?；瘧?yīng)用的優(yōu)勢(shì)，與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，通過(guò)獲取大量的橫向（不同地區(qū)的產(chǎn)品）和縱向（一臺(tái)產(chǎn)品壽命期內(nèi)）實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，發(fā)展空調(diào)器的健康診斷（故障預(yù)測(cè)與診斷、性能改善）技術(shù)，為用戶提供控制策略的自動(dòng)升級(jí)、節(jié)能運(yùn)行提示和個(gè)性化智能服務(wù)。

（3）構(gòu)建空調(diào)器數(shù)據(jù)云平臺(tái)，從而制定節(jié)能政策、指導(dǎo)空調(diào)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。當(dāng)內(nèi)置式測(cè)量系統(tǒng)規(guī)模化應(yīng)用、外置式測(cè)量裝置便捷推廣后，建立空調(diào)器數(shù)據(jù)云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)采集裝置、網(wǎng)關(guān)和云平臺(tái)之間的網(wǎng)絡(luò)通訊，從而服務(wù)于國(guó)家、行業(yè)、企業(yè)和用戶，尤其是指導(dǎo)空調(diào)器產(chǎn)品和能效標(biāo)準(zhǔn)的更新和能效白皮書(shū)、技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告等節(jié)能減排報(bào)告的發(fā)布，通過(guò)發(fā)現(xiàn)和總結(jié)實(shí)際使用中發(fā)生的共性問(wèn)題，確定空調(diào)器的技術(shù)發(fā)展方向。