極端氣候條件下家用空調性能研究

劉雋，劉舒，姜未汀，潘衛國，趙昕，楊涌文

（1-國網上海市電力公司電力科學研究院，上海 200437；2-上海電力學院，上海 200090）

極端氣候條件下家用空調性能研究

劉雋*1，劉舒1，姜未汀2，潘衛國2，趙昕2，楊涌文2

（1-國網上海市電力公司電力科學研究院，上海 200437；2-上海電力學院，上海 200090）

本文通過實驗與仿真手段研究極端氣候條件下家用空調的性能。文中首先采用RefProp軟件建立了家用空調的理想性能模型，利用焓差室對家用空調在極端氣候條件下的性能進行測試，再通過實驗數據來修正模型。在修正后的空調模型中，空調的制冷/制熱量、COP和電功率的平均誤差都小于 10%。通過實驗數據與仿真計算可知，在夏季工況下，室外溫度的上升將嚴重降低空調的能效，當室外溫度為50℃時，產生相同冷量所需要的電量將是室外溫度30℃時的210%左右；在冬季工況下，室外溫度的下降將嚴重降低空調的能效，當室外溫度為-5℃時，產生相同熱量所需要的電量將是室外溫度10℃時的170%左右。

極端氣候；性能研究；家用空調

0 引言

空調是現代人們生活中不可缺少的大功率用電設備之一，有數據顯示，夏季空調用電量約占到居民當季家庭用電量的70%以上。空調帶來的高用電量也會對電網造成不利影響，尤其是在極端酷暑或者寒冷的季節，這樣的影響尤其突出[1-3]。在以往的空調測試和國家標準中，空調都是在不太極端的溫度范圍內進行試驗研究和分析能耗，并沒有把極端高溫和極端寒冷天氣納入研究范圍[4]。國際上規定，當某地的天氣、氣候出現不容易發生的“異常”現象，或者說當某地的天氣、氣候嚴重偏離其平均狀態時，即意味著發生“極端氣候”。隨著全球變暖，極端的氣候已經變得常態化，所以對極端氣候下空調的特性檢測和研究就顯得非常重要。本文針對極端工況下的空調運行性能進行能耗模擬分析，為極端氣候下空調的能耗預測以及將來空調設計的改進指明方向。

1 空調能耗模型的建立

1.1 空調工作原理

普通空調采用蒸汽壓縮式制冷循環[5]，該循環的示意圖如圖1所示。

圖1 蒸汽壓縮式制冷循環的示意圖

蒸汽壓縮式制冷循環的原理如下：壓縮機由電動機驅動運行，從蒸發器中吸入飽和蒸汽工質（如圖1中的點1），并經過壓縮機絕熱壓縮后（如圖1中的點 2）送入冷凝器中冷凝，冷凝液體工質（如圖1中的點3）經膨脹閥節流后（如圖1中的點4）送入蒸發器中吸熱汽化，汽化后的飽和蒸汽再由壓縮機吸入并重復循環。

1.2 理論能耗模型的建立

循環工質的物性參數來自于 NIST RefProp，RefProp是國際權威的制冷劑物性查詢軟件，理論模型利用RefProp軟件結合基本公式對理論工況進行熱力計算，計算出不同室溫下空調的性能。

蒸發器的制冷量(kW)：

冷凝器的制熱量(kW)：

壓縮機的理論耗功率(kW)：

制冷工況下的理論循環能效比：

制熱工況下的理論循環能效比：

1.3 實際工況下空調能耗模型的修正

本文通過實驗獲得不同工況下空調的實際性能參數，根據實驗得到的實際參數對理論模型進行修正，并用實際值來驗證模型。

1.3.1 實驗原理及測試結果

實際空調性能測試在同濟大學暖通空調實驗室空氣焓差試驗臺上進行。空氣焓差試驗臺是通過測量空調的進出風的干濕球溫度計算出進出風的焓差，再與所測的空調器的風量相乘得到制冷量。

實驗中所用的空調共有三臺，分別是市場上主流的定頻1.5匹掛機、定頻3匹柜機和變頻1.5匹掛機。制熱工況下，室內的溫度范圍為19℃～24℃，室外溫度范圍為-5℃～5℃，共 36個測試工況。制冷工況下，室內的溫度范圍為 19℃～30℃，室外溫度范圍為29℃～45℃，共36個測試工況。由于測試的空調具有自動除霜功能，所以不考慮結霜工況與不結霜工況的區別。圖2～圖4是試驗臺實測的空調制熱工況。圖5～圖7是試驗臺實測的空調制冷工況。

圖2 定頻1.5匹掛機制熱工況性能

圖3 定頻3匹柜機制熱工況性能

圖4 變頻1.5匹掛機制熱工況性能

圖5 定頻1.5匹掛機制冷工況性能

圖6 定頻3匹柜機制冷工況性能

圖7 變頻1.5匹掛機制冷工況性能

1.3.2 能耗模型的修正

夏季與冬季能耗模型的修正方法大致相同，下面就以夏季制冷工況為例。

實際狀態時夏季制冷工況的空調能耗模型是在理想工況下的空調能耗模型的基礎上建立的。

對于定頻空調，在確定的室內溫度與室外溫度下，其制冷量與電功率為定值，因此可以通過建模來計算此時的制冷量與電功率，具體步驟如下：

1) 根據空調銘牌得到空調在額定工況下的制冷量Ws和電功率Ps。

2) 利用 RefProp軟件計算得到額定工況下的能效比COPs以及實際工況下的理論循環能效比COPc。

3) 根據實際工程經驗可知，在夏季制冷工況下，空調的實際制冷量與實際環境下的室內溫度與室外溫度相關，因此得出實際狀態時夏季制冷工況的空調制冷量W和電功率P的計算式如下：

這里Ws為額定工況下的制冷量；Ps為額定工況下的電功率；COPs為額定工況下理論循環能效比；COPc為實際工況下理論循環能效比，用RefProp軟件計算得到 Δte，為當前室內溫度與額定工況下室內溫度 27℃的差值；Δtc為當前室外溫度與額定工況下室外溫度 35℃的差值；a、b為經驗常數，根據實驗測試值用統計學軟件 SPSS[6]的多元線性回歸模塊可以計算得到，a=0.0486，b=-0.0156，c=0.00342，d=0.0185。

對于變頻空調而言，在確定的室內溫度與室外溫度下，由于其制冷量可變，因此制冷量與電功率存在函數關系，可以通過下述方法得到：

這PV里為變頻功率，WV為變頻工況下的制冷量，WS為額定工況下的制冷量，e為經驗常數，根據實驗測試值用統計學軟件SPSS的多元線性回歸模塊可以計算得到，c=0.00342，d=0.0185，e=1.27。

1.3.3 模型數據與實測數據的誤差分析

本文將模型計算值與實驗臺測試報告中的測量值進行對比，分別對夏季和冬季的模型進行驗證。

夏季制冷工況下，對 26個工況進行了制冷量與能效比計算，對 32個工況進行了電功率計算。計算中將模型的計算值與實驗值對比，模型預測值的平均誤差為5.0%，最大誤差9.9%；對于能效比計算，模型預測值的平均誤差為 5.7%，最大誤差11.0%；對于電功率計算，模型預測值的平均誤差為2.1%，對于定頻空調而言最大誤差2.6%，對變頻空調而言最大誤差9.7%。三種參數的模型預測值的平均都小于10%，可以滿足工程預測需要。

冬季制熱工況下，對 26個工況進行了制熱量與能效比計算，對 32個工況進行了電功率計算。模型預測值的平均誤差為6.0%，最大誤差9.9%；對于能效比計算，模型預測值的平均誤差為7.7%，最大誤差13.6%；對于電功率計算，模型預測值的平均誤差為 4.5%，對于定頻空調而言最大誤差6.2%，對變頻空調而言最大誤差10.9%。三種參數的模型預測值的平均都小于10%，同樣也可以滿足工程預測需要。

模型預測值與實際測量值之間的制冷量、電功率和能效比的誤差關系如圖8～圖10所示。

2 模型預測數據分析

2.1 制冷工況預測分析

影響夏季制冷工況的主要因素為室內溫度與室外溫度，這里就二者的影響分別進行討論。

圖8 制冷量/制熱量的預測值與測量值比較

圖9 制冷電功率/制熱電功率的預測值與測量值比較

圖10 制冷能效比/制熱能效比的預測值與測量值比較

假設一臺額定制冷量 3600 W、額定電功率1200 W的1匹半空調，當室內溫度恒定為25℃，室外溫度從 30℃變化到 50℃時，其制冷量、電功率與能效比的計算值如表1所示。

表1 室外溫度變化時夏季空調性能模型預測值

由表1可知，隨著室外溫度的上升，制冷量下降，電功率上升，空調的能效比顯著下降。當室外溫度為50℃時，能效比降至室外溫度30℃時的48%。也就是說，在室外溫度30℃時產生1 kWh的冷量僅需要0.30 kWh的電量，而在室外溫度50℃時產生相同的1 kWh的冷量則需要0.64 kWh的電量，相比之下用電量上升了一倍多。

此外需要說明的是，對于空調而言，實際的室外溫度與氣象意義上的空氣溫度有較大差異。氣象意義上的空氣溫度是在有遮蔽的百葉箱中測量得到的，對于上海而言夏季最高氣溫在35℃左右；而對于空調而言，室外溫度是指空調室外機周圍的空氣溫度，如果室外機受到陽光直射或者室外機周圍有遮擋物，很容易在室外機附近形成局部高溫，空氣溫度達到50℃甚至更高是可能的。因此為了夏季空調節能，有必要給室外機增加遮陽棚，并盡量不要遮擋室外機的空氣流動。

假設一臺額定制冷量 3600 W、額定電功率1200 W的1匹半空調，當其室外溫度恒定為35℃，室外溫度從 20℃變化到 30℃時，其制冷量、電功率與能效比的計算值如表2所示。

表2 室內溫度變化時夏季空調性能模型預測值

由表2可知，隨著室內溫度的上升，制冷量上升，電功率下降，空調的能效比顯著上升。當室內溫度為 30℃時，能效比升至室內溫度 20℃時的166%。也就是說，在室內溫度20℃時產生1 kWh的冷量需要0.5 kWh的電量，而在室內溫度30℃時產生相同的1 kWh的冷量則需要0.3 kWh的電量，相比之下用電量節省了2/3。

上述分析表明提高室內溫度對夏季空調節能的重要意義。大致說來室內溫度每上升1℃，空調可節省5%的運行電量，再考慮到室內溫度上升導致房間漏熱量減少，空調運行時間縮短，綜合的節能效果可以到 10%左右。鑒于室外溫度很難由人為控制，提高室內溫度是夏季空調節能的最有效手段。

2.2 制熱工況預測分析

影響冬季制熱工況的主要因素為室內溫度與室外溫度，這里就二者的影響分別進行討論。

假設一臺額定制冷量 4900 W、額定電功率1400 W的1匹半空調，當室內溫度恒定為20℃，室外溫度從-5℃變化到10℃時，其制冷量、電功率與能效比的計算值如表3所示。

表3 室外溫度變化時冬季空調性能模型預測值

由表3可知，隨著室外溫度的上升，制熱量顯著增加，電功率略微上升，空調的能效比顯著增加。當室外溫度10℃時，能效比增加到室外溫度-5℃時的147%。也就是說，在室外溫度-5℃時產生1 kWh的熱量需要0.4 kWh的電量，而在室外溫度10℃時產生相同的1 kWh的熱量則需要0.27 kWh的電量，相比之下用電量顯著下降。

根據表3需要強調的是，盡管在極端低溫的情況下空調制熱工況的效率顯著降低，但是其效率依然比電油汀要高得多（電油汀產生1 kWh的熱量需要1 kWh的電量）。因此在冬季應該盡量開暖空調而不是電油汀。

假設一臺額定制冷量 4900 W、額定電功率1400 W的1匹半空調，當室外溫度恒定為5℃，室內溫度從 10℃變化到 25℃時，其制冷量、電功率與能效比的計算值如表4所示。

由表4可知，隨著室內溫度的上升，制熱量下降，電功率上升，空調的能效比顯著下降。當室內溫度為25℃時，能效比降至室內溫度10℃時的66%。也就是說，在室內溫度10℃時產生1 kWh的熱量需要0.22 kWh的電量，而在室內溫度25℃時產生相同的1 kWh的熱量則需要0.34 kWh的電量，相比之下用電量增加了1/2。

表4 室內溫度變化時冬季空調性能模型預測值

上述分析表明降低室內溫度對冬季空調節能的重要意義。大致說來室內溫度每下降 1℃，空調可節省 3%的運行電量，再考慮到室內溫度下降導致房間漏熱量減少，空調運行時間縮短，綜合的節能效果可以到 5%左右。鑒于室外溫度很難由人為控制，降低室內溫度是冬季空調節能的最有效手段。

3 結論

1）本文利用RefProp軟件進行空調的熱力計算，并用實驗值修正了空調能耗模型。修正后模型的制熱/制冷量、能效比、電功率等三種參數的模型預測值的平均都小于10%，可以滿足工程預測需要。

2）制冷劑蒸發和冷凝溫度是空調性能的主要影響因素，而空調在使用過程中室內外溫度對制冷劑蒸發、冷凝溫度的影響很大。根據空調能耗模型，對于夏季制冷工況，室外溫度的上升將嚴重降低空調的能效，當室外溫度為50℃時，產生相同冷量所需要的電量將是室外溫度30℃時的210%左右；對于冬季制熱工況，室外溫度的下降將嚴重降低空調的能效，當室外溫度為-5℃時，產生相同熱量所需要的電量將是室外溫度10℃時的150%左右。

3）根據空調能耗模型可知，對于夏季制冷工況，室內溫度每上升1℃，空調可節省5%的運行電量；對于冬季制熱工況，室內溫度每下降 1℃，空調可節省 3%的運行電量。因此提高夏季室內溫度與降低冬季室內溫度是空調節能的有效手段。

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[5]姜守忠, 匡奕珍. 制冷原理[M]. 北京: 中國商業出版社, 2001.

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Performance Study of the Household Air Conditioner under Extreme Climate Conditions

LIU Jun*1, LIU Shu1, JIANG Wei-ting2, PAN Wei-guo2, ZHAO Xin2, YANG Yong-wen2
(1-Electric Power Research Institute of Shanghai Electric Power Company, Shanghai 200437, China; 2-Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

The performance of household air conditioners in the extreme climate condition was reached in this paper by experimental and simulation method. The performance model of household air conditioners in the ideal conditions was built by RefProp software firstly. The performance of household air conditioners in the extreme climate condition was tested through an enthalpy difference lab. Then the performance model was modified by the experimental data. By the modified model the average deviations of heating/cooling capacity, COP and electric power are all less than 10%. The experimental data and simulation results shown that in summer, the rise of outdoor temperature will obviously reduce the energy efficiency of the air conditioner. When the outdoor temperature is 50oC, the electric power will be about 210% of the electric power if the outdoor temperature is 30oC. And in winter, the fall of outdoor temperature will also obviously reduce the energy efficiency of the air conditioner, when the outdoor temperature is -5oC, the electric power will be about 150% of the electric power if the outdoor temperature is 10oC.

Extreme climate; Performance study; Household air conditioner

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.201

*劉雋（1979-），女，高級工程師，博士。研究方向：電力系統。聯系地址：上海市邯鄲路171號，郵編：200437。聯系電話：021-25650134。E-mail：liuj@etc.sh.sgcc.com.cn。

國網上海市電力公司科技項目（No.520940120047）