多變環境條件下家用空調器性能的實驗研究

金聽祥 時子超 楊有偉 金夢曉

（鄭州輕工業學院能源與動力工程學院 鄭州 450002）

由收入增長和氣候變化的驅動，空調器的能源需求將在未來100年迅速增加，2100年空調器能源需求預計將會增加72%［1-2］。作為改變室內環境舒適性和健康性的一種方法，家用空調器耗電約占全社會總能耗的40%［3-4］。部分負荷特性是評價房間空調器效率的一個重要因素，因為在整個季節大部分熱負荷一般小于房間空調器的額定能力［5-6］，所以用單一的標準工況測試一臺空調器的好壞，顯然不合理。因此有必要研究空調器在變工況條件下的性能。何欽波等［7-9］研究了室內外溫濕度變化對空調器運行性能的影響，結果表明：在制冷系統不變的情況下，室內濕球溫度和室外干球溫度的變化對空調器運行性能影響較大，而室內干球溫度和室外濕球溫度的影響則稍小。M.B.Yurtseven等［10］對伊斯坦布爾的兩處布置相同的辦公場所的變頻和定頻空調器進行了43 d的耗電量實驗，實驗較好的反映了多變環境條件下變頻和定頻空調器的能耗差別。Chen I.Y.等［11］研究了一天內室外環境溫度和空調器設定溫度對定頻和變頻空調器性能的影響。結果表明，平均消耗功率隨著熱負荷的增加和設定點溫度的降低而增加；對于相同的初始室溫，定頻空調器可以更早的達到設定點溫度。G.Cherem-Pereira等［12］建立了房間空調器模型，用來估測能效比、制冷量、顯冷量隨室內外環境變化的影響，并建立了數學相關性，誤差在10%左右。諸多學者均對房間空調器在多變環境條件下做了實驗研究和定性分析。定頻空調器的銘牌參數以額定工況下測得EER和COP為準［13-14］，并且我國各地區夏季和冬季溫度差異較大，所以空調器實際運行時性能參數與銘牌參數相差甚遠［15］。而消費者也僅僅是通過銘牌參數來選擇空調器。因此，銘牌參數的精確性和對空調器性能評價方法的改進具有重要意義。

本文通過在多變環境條件下對房間空調器進行性能實驗。實驗測得制冷模式和制熱模式下空調器制冷量、制熱量、輸入功率、能效比、性能系數等參數，并與空調器銘牌參數進行對比分析，直觀的體現空調器性能的優劣。

1 實驗設備及方法

1.1 實驗設備

實驗設備是一臺制冷量為2 500 W的定頻型家用空調器，具體參數如表1所示。實驗在某5 HP焓差實驗室中進行，布局如圖1所示。

表1 空調器銘牌參數Tab.1 Normal parameters of air conditioner

圖1 焓差實驗室布局Fig.1 The enthalpy difference lab layout

1.2 實驗精度及誤差分析

熱電偶測溫線采用T型銅-康銅熱電偶測溫線精度為±0.5℃；功率表和電流表為0.5級；精密壓力表為0.2級。實驗過程中所用儀器本身造成的誤差由廠家提供的參數得到，部分測量值和誤差度如表2所示。

表2 實驗參數誤差度Tab.2 Error of test parameters

1.3 實驗方法

本實驗針對空調器制冷性能和制熱性能進行實驗，測得的實驗數據與銘牌參數進行對比，分析實測性能與銘牌參數之間的關系。實驗步驟如下：

1）制冷工況下，改變室外干球溫度和相對濕度，制冷溫區24～43℃，室外相對濕度 40%、60%、80%，間隔1℃對空調器進行耦合測試，測得不同室外干球溫度和相對濕度條件下空調器的制冷量、輸入功率、能效比等參數。

2）制熱工況下，改變室外干球溫度和相對濕度，制熱溫區 -6～16℃，室外相對濕度40%、60%、80%，間隔1℃對空調器進行耦合測試，測得不同室外干球溫度和相對濕度條件下空調器的制熱量、輸入功率、性能系數等參數。

3）通過實驗測得的相關參數，與銘牌參數進行對比，引入相對制冷量比率（relative refrigerating capacity percentage，RRCP）、相對制熱量比率（relative heating capacity percentage，RHCP）、相對功率比率（relative power percentage，RPP）、相對能源消耗比率（relative energy consumption percentage，RECP），分析實測性能參數與銘牌參數的關系，直觀的體現空調器性能在多變環境條件下的變化范圍。相對比率定義：

2 實驗結果及分析

2.1 空調器制冷工況性能分析

2.1.1 RRCP和RPP的分析

目前對房間空調器的設計仍停留在單一的標準工況，而人們并不只在標準工況下使用，可能在各種工況下使用［16］，因此空調器的使用和銘牌參數之間存在很大偏差。圖2和圖3給出了RRCP和RPP隨室外溫度和相對濕度的變化關系。室外相對濕度從40%升高到80%，RRCP和RPP有微小的變化。室外干球溫度由24℃升高到43℃，RRCP最大可增大到16.5%，最大可減小到-13.2%；RPP最大可減小到-4.8%，最大可增大到24%，間隔1℃ RRCP和RRP分別降低2%和升高2.5%。由此可見，隨著室外干球溫度的升高，RRCP由正偏差過度到負偏差，RPP由負偏差過渡到正偏差，空調器制冷性能逐漸衰減，主要因為室外干球溫度的升高，導致冷凝溫度、冷凝壓力升高，壓縮機排氣溫度、排氣壓力升高，流量降低，壓比增大，不可逆損失增加，壓縮機功耗增大。而家用空調器的節流機構為毛細管，節流度固定，導致蒸發器進口制冷劑的焓值增大，單位制冷量減小，空調器制冷性能降低。

圖2 相對制冷量比率隨室外溫度和相對濕度的變化Fig.2 The change of RRCP with the outdoor temperature and relative humidity

圖3 相對功率比率隨室外溫度和相對濕度的變化Fig.3 The change of RPP with the outdoor temperature and relative humidity

2.1.2 RECP的分析

由圖4可知，室外相對濕度的變化對RECP的影響較小，室外干球溫度由24℃升高到43℃，RECP由22.2%減小到-30%，每升高1℃ RECP降低2.4%，RECP由正偏差過度到負偏差的變化幅度較大。主要因為室外干球溫度的升高，室外熱交換器的換熱溫差減小，導致室外熱交換器不能很好地與外界環境進行換熱，造成制冷劑在室外熱交換器中未得到充分換熱。由此可知，當室外干球溫度低于銘牌參數對應的設計溫度時，RECP為正偏差，空調器性能優良，有利于空調器節能，當室外干球溫度高于銘牌參數對應的設計溫度時，RECP為負偏差，空調器性能低于銘牌所標定的性能，不利于空調器節能。

圖4 相對能源消耗比率隨室外溫度和相對濕度的變化Fig.4 The change of RECP with the outdoor temperature and relative humidity

2.2 空調器制熱工況性能分析

2.2.1 RHCP和RPP的分析

制熱工況下，RHCP和RPP隨室外干球溫度和相對濕度的變化關系如圖5和圖6所示。與制冷工況相同，室外相對濕度對RHCP和RPP的影響較小。室外干球溫度由-6℃升高到16℃，RHCP和RPP均呈線性增大，RHCP由-34%增大到14%，每升高1℃ RHCP平均增大2%；RRP由 -24%增大到-2%，每升高1℃ RRP平均增大1%。主要原因是室外干球溫度越低，室外熱交換器換熱溫差越小，蒸發溫度、蒸發壓力隨之降低，導致壓縮機吸氣壓力降低，系統制冷劑流量減小，制熱量顯著衰減。室外干球溫度過低也會導致室外換熱器結霜，霜層增大了空氣的流動阻力，室外空氣與熱交換器之間的熱交換量減小，導致制熱性能降低。

圖5 相對制熱量比率隨室外溫度和相對濕度的變化Fig.5 The change of RHCP with the outdoor temperature and relative humidity

圖6 相對功率比率隨室外溫度和相對濕度的變化Fig.6 The change of RPP with the outdoor temperature and relative humidity

2.2.2 RECP的分析

由圖7可知，室外相對濕度的變化對RECP的影響較小，室外干球溫度由-6℃升高到16℃，RECP由負偏差過度到正偏差，由-13%增大到16.9%，制熱性能變化跨度大。由此可知，當室外干球溫度低于銘牌參數對應的設計溫度時，RECP為負偏差，空調器性能低劣，并不能達到銘牌所標定的性能，當室外干球溫度高于銘牌參數對應的設計溫度時，RECP為正偏差，空調器性能優良，有利于空調器節能。

圖7 相對能源消耗比率隨室外溫度和相對濕度的變化Fig.7 The change of RECP with the outdoor temperature and relative humidity

3 結論與展望

本文通過焓差實驗室，選取不同的室外溫度和相對濕度分別對空調器的制冷性能和制熱性能進行實驗測試，同時與銘牌參數進行對比分析，得出以下結論：

1）改變室外相對濕度對家用空調器的制冷性能和制熱性能進行實驗研究。結果表明：相對濕度由40%升高到80%，RRCP、RHCP、RPP和RECP均有較小的變化。因此，對定頻型家用空調器進行性能實驗時，可以忽略室外相對濕度變化的影響。

2）改變室外干球溫度對家用空調器的制冷性能進行實驗研究。結果表明：室外干球溫度由24℃升高到43℃，RRCP由16.5%減小到-13.2%，RPP由-4.8%增大到24%，RECP由22.2%減小到-30%。因此，當室外干球溫度低于銘牌參數對應的設計溫度時，RECP為正偏差，空調器性能優良，有利于空調器節能，當室外干球溫度高于銘牌參數對應的設計溫度時，RECP為負偏差，空調器性能低于銘牌所標定的性能，不利于空調器節能。

3）改變室外干球溫度對家用空調器的制熱性能進行實驗研究。結果表明：室外干球溫度由-6℃升高到16℃，RHCP由 -34%增大到14%，RRP由-24%增大到-2%，RECP由-13%升高到16.9%。因此，當室外干球溫度低于銘牌參數對應的設計溫度時，RECP為負偏差，空調器性能低劣，并不能達到銘牌所標定的性能，當室外干球溫度高于銘牌參數對應的設計溫度時，RECP為正偏差，空調器性能優良，有利于空調器節能。

綜上所述，引入相對比率指標分析空調器在多變環境條件下的性能，能精確和直觀的體現空調器性能的變化范圍，對空調器性能評價方法的改進有一定的參考價值。

［1］江億.我國建筑能耗趨勢與節能重點［J］.建設科技，2006（7）： 10-13. （JIANG Yi.The key to building energy consumption trend and energy saving in China［J］.Construction Science and Technology，2006（7）： 10-13.）

［2］ISAAC M，VUUREN D P V.Modeling global residential sector energy demand for heating and air conditioning in the context of climate change［J］.Energy Policy，2009，37（2）： 507-521.

［3］劉圣春，馬一太，成建宏.變頻型房間空調器區域性季節能效比的研究［J］. 制冷學報，2005，26（2）：47-50.（LIU Shengchun，MA Yitai，CHENG Jianhong.Study on regional SEER of frequency conversion room air conditioner［J］.Journal of Refrigeration，2005，26（2）： 47-50.）

［4］劉丹丹，陳啟軍，森一之，等.基于數據的建筑能耗分析與建模［J］.同濟大學學報（自然科學版），2010，38（12）： 1841-1845. （LIU Dandan，CHEN Qijun，SEN Yizhi，et al.Data-based analysis and modeling of building electricity energy consumption［J］.Journal of Tongji University （Natural Science），2010，38（12）： 1841-1845.）

［5］李堂，王芳，屈巖，等.基于氣候因素的變轉速空調器全年能效分析及實驗研究［J］.制冷學報，2015，36（2）： 106-112. （LI Tang，WA Fang，QU Yan，et al.Annual energy efficiency analysis and experiment research on variable speed air-conditioner based on climatic factors［J］.Journal of Refrigeration，2015，36（2）： 106-112.）

［6］馬一太，田華，劉春濤，等.制冷與熱泵產品的能效標準研究和循環熱力學完善度的分析［J］.制冷學報，2012，33（6）： 1-6. （MA Yitai，TIAN Hua，LIU Chuntao，et al.Analysis on energy efficiency of water chiller and water source heat pump systems with thermodynamic perfectibility［J］.Journal of Refrigeration，2012，33（6）： 1-6.）

［7］何欽波，童明偉，龍建佑.環境工況對家用空調器性能的影響［J］. 流體機械，2007，35（7）：57-60. （HE Qinbo，TONG Mingwei，LONG Jianyou.Impacts of environmental conditions on household air-conditioner［J］.Fluid Machinery，2007，35（7）： 57-60.）

［8］劉洋，王芳，杜世春.環境工況對空調器運行性能的影響［J］. 暖通空調，2006，36（11）： 110-112. （LIU Yang，WANG Fang，DU Shichun.Influence of environment on air conditioner performance［J］.Heating Ventilating ＆ Air Conditioning，2006，36（11）： 110-112.）

［9］王啟祥，盧清華，黃贊山.環境干濕球溫度對空調器性能影響的試驗研究［J］.制冷，2011，30（1）：10-13.（WANG Qixiang，LU Qinghua，HUANG Zanshan.Experimental research on effect of ambient dry-bulb temperature and wet-bulb temperature on air-conditioner perfor［J］.Refrigeration，2011，30（1）： 10-13.）

［10］YURTSEVEN M B，ERKIN E，ACUNER E，et al.An experimental investigation of energy saving potentials for room type variable-speed air conditioners in public offices：A case study from Istanbul［J］.Energy and Buildings，2014，68：165-171.

［11］CHEN I Y，WEI C S，CHEN Y M，et al.A comparative study between a constant-speed air-conditioner and a variable-speed air-conditioner［ J］. ASHRAE Transactions，2009，115（1）： 326-332.

［12］CHEREM-PEREIRA G，MENDES N.Empirical modeling of room air conditioners for building energy analysis［J］.Energy and Buildings，2012，47： 19-26.

［13］李曉鳳，馬一太，閆秋輝.房間空調器的熱力學完善度分析［J］. 制冷學報，2013，34（1）：18-23. （LI Xiaofeng，MA Yitai，YAN Qiuhui.Analysis on thermodynamic perfectibility of room air conditioners［J］.Journal of Refrigeration，2013，34（1）： 18-23.）

［14］馬一太，代寶民.熱泵季節性能系數的研究［J］.制冷學報，2016，37（3）：107-112.（MA Yitai，DAI Baomin.Research on heat pump seasonal performance factor［J］.Journal of Refrigeration，2016，37（3）： 107-112.）

［15］房間空氣調節器：GB/T 7725—2004［S］.北京：中國標準出版社，2005.（Room air conditioners：GB/T 7725—2004［S］.Beijing： China Standard Press，2005.）

［16］吳國明，任滔，丁國良，等.由早期性能標準的指標計算定頻房間空調器APF的方法［J］.制冷學報，2016，37（3）： 88-93. （WU Guoming，REN Tao，DING Guoliang.A method to evaluate APF for room air conditioner with on/off compressor by using rated performance data［J］.Journal of Refrigeration，2016，37（3）： 88-93.）