影響DOE標準移動空調SACC和CEER的關鍵特性分析

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1 引言

美國是移動空調產品的主要市場，一直以來美國移動空調標準對于能效沒有規定。隨著節能減排要求的不斷提高，美國能源局（DOE）也適時發布了移動空調新標準，將在2025年2月強制執行，新標準采用SACC和CEER來評判移動空調的能力和能效水平。SACC是修正季節制冷能力，CEER是綜合能效比。加利福尼亞州頒布的CEC法令更是在2020年2月就開始執行新DOE標準中的能效限值規定。新DOE標準相對于老標準在測試方法和能力能效評價方法上差異很大，雖然目前大部分廠家都已開始在開發符合新DOE標準的移動空調，但目前行業內對于DOE標準中的SACC和CEER的影響因素公開的研究成果較少。本文從實際出發，通過分析新標準的各項因素，結合試驗對比研究，著重研究了影響SACC和CEER的關鍵特性，為優化DOE標準移動空調的SACC和CEER提供了一些方法。

2 標準對比分析

新舊標準主要差異對比如表1所示。舊標準ASHARE 128-2001中對能效沒有規定。新DOE標準主要考慮了移動空調的使用特性，對于單風管來講，風管將冷凝器的熱空氣帶出室外，室內形成負壓，導致室外的熱空氣會通過門窗的縫隙進入室內，降低了制冷效果，這一部分損失稱為泄漏空氣漏熱量。另外風管本身也會對室內有熱傳導和熱輻射，這部分損失稱為風管漏熱量。新的DOE標準將這兩部分損失綜合考慮，制定了評價移動空調制冷量的新標準。

2.1 單風管移動空調新舊標準測試方法對比

移動空調新舊標準對比如表1所示。

表1 移動空調新舊標準對比

2.2 新DOE標準SACC和CEER計算解析（以單風管移動空調為例）

（1）SACC（修正季節制冷能力，單位為Btu/h）

其中：

Qsd：標準工況制冷量，焓差法測定，單位為Btu/h；

Qduct：風管漏熱量，單位為Btu/h；

Qinf_95：室外溫度95℉時的空氣泄漏漏熱量，單位為Btu/h；

Qinf_83：室外溫度83℉時的空氣泄漏漏熱量，單位為Btu/h；

其中：

h：固定系數；

Aduct：風管表面積，單位為m2；

Tduct：標準工況測試Qsd時風管表面平均溫度，單位為℉；

Tei：內側進風溫度，單位為℉（取80℉）。

Qinf_83和Qinf_95主要和冷凝側風量和冷凝側出風溫濕度相關，這里不詳細展開。

（2）CEER（綜合能效比，單位：Btu/Wh）

其中各模式時長見表2。

表2 不同模式時長

2.3 CEER限值要求

DOE標準的移動空調能效需在式（5）計算值以上。從式（5）可以看出，CEER隨著SACC上升而上升，典型機型的CEER要求見表3。

表3 典型機型CEER要求

3 影響SACC的關鍵特性

原標準測試工況蒸發溫度高，濕度大，進風焓值較高，相同系統測試的潛熱量較大，而且冷凝水經過打水電機后有效幫助冷凝器冷卻，整機能效比也相對較高。切換新DOE標準后，潛熱下降明顯，以我司型號K08為試驗機型，目標值為SACC 6000 Btu/h。工作人員在制冷系統不變情況下在新舊標準下對比測試，結果如表4所示。

表4 相同制冷系統在不同標準下對比結果

從表4結果可以看出，如果不優化設計，SACC是原標準60%左右，離目標值相差較大；CEER僅為5.69，離目標值6.51也相距甚遠。

為了制定科學的實驗驗證優化方案，工作人員根據測試方法和計算公式，得出SACC和CEER的影響因素并推導分解出子因素，見表5。

表5 影響SACC和CEER因素列表

首先將SACC結果詳細分解如表6，并對影響因素逐一進行分析和實驗對比驗證。

表6 SACC分解結果

3.1 額定制冷量

標準工況下的制冷量是SACC的最大影響因素，因測試工況不同，對應的毛細管和制冷劑量的最佳點不同，在壓縮機和換熱器不變的情況下重新調整毛細管和灌注量，進行對比實驗，實驗結果如表7所示。

表7 調整毛細管和制冷劑灌注量實驗對比結果

R410A系統優化后有了較大提升，但仍未滿足要求，本文考慮使用R32，因為R32比R410A有更出色的能效表現[4]，而且美國在2017年也放寬了R32的應用范圍。根據相關文獻，R32相比R410A能效可以提升5%，相同排量制冷量可以提高12%[2]。R32和R410A的制冷循環對比見表8。

表8 R32和R410A制冷循環對比

從表8可以看出，R32系統的工作壓力略高于R410A，在系統循環性能方面，R32系統的壓比與R410A基本一致，而R32的單位質量制冷量比R410A高約55.6%，單位容積制冷流量高約12.6%，R32的單位容積耗功較R410A高8.1%，綜合來看能效提高4%。所以理論上換用同排量的R32壓縮機成本相當，能力能效都可以提升[3]。表9是K08機型上用R32測試結果。

表9 R32測試結果

從表9測試結果看，采用R32冷媒并適當調整參數，SACC滿足要求。

3.2 風管對風管漏熱量和空氣泄漏漏熱量的影響

風管大小及安裝方式不僅會通過影響冷凝側的換熱對額定制冷量和額定功率造成影響，而且也是風管漏熱量和空氣泄漏漏熱量的直接影響因素。DOE標準里明確說明如果在說明書中未注明風管安裝方式，將按照標準中的安裝方式進行測試，安裝方式對比示意見圖1，從圖1中可見，標準安裝方式中風管是最不利于冷凝器換熱的形狀。不同的風管直徑和安裝方式實驗對比數據見表10。

圖1 不同風管安裝方式示意

從表10可以看出：

表10 不同風管直徑和安裝方式對比測試結果

（1）使用直徑150 mm風管后風量提高了17%，整體額定能力上升和功率下降，雖然因空氣泄漏量增加導致SACC有所下降，但CEER的提升更為明顯，值得采用；

（2）從兩種安裝方式對比來看，按標準中規定的安裝方式會導致SACC和CEER均下降，建議生產商在說明書中標注相對有利的安裝方式；

（3）在風管上加保溫管，可以明顯降低風管漏熱，有效提高SACC和CEER，在遇到瓶頸時可采用風管加保溫管的方法。

3.3 空氣泄漏漏熱量

空氣泄漏漏熱量和冷凝風量、出風溫濕度有關。在迎風面積不變的情況下，采用3排普通管距φ5冷凝器換成3排小管距φ5冷凝器，提高了換熱效果，降低了冷凝風量。當然風量減小的同時可能會帶來風管表面溫度的提升，需要綜合考慮。

4 影響CEER的因素

4.1 額定能效比

和SACC一樣，使用能效高的R32壓機，優化系統，使用小管徑冷凝器可提高額定能效比[1]，從而提高CEER。

4.2 風管直徑和安裝方式

風管直徑和安裝方式不僅影響SACC，同時也影響CEER，具體數據見表11。

4.3 達溫停機功率

原達溫停機方案是當房間溫度達到設定溫度后，壓縮機和冷凝側風機停止運行，蒸發側風機持續運行，這樣達溫停機功率就等于蒸發側風機功率加電控及顯示功率。優化方案一是達溫后蒸發側風機運行3 min后停止，這個方案的缺點是因為室內溫度傳感器一般在機器背部，風機停止運行后傳感器不能有效感知室內溫度場的變化，對用戶體驗造成一定影響。優化方案二是達溫后風機轉低風以運行3 min停17 min的方式循環。達溫停機方案優化后CEER對比數據如表11。

表11 達溫停機方案優化后CEER對比

由表11可知，方案一和方案二的CEER都比原方案提升較大，兩個優化方案相差不大，因此可選擇用戶體驗較好的方案二。

4.4 待機功率

優化電路設計，待機功率降到1 W以下。待機功率對CEER的影響見表12。

由表12可知，待機功率對CEER影響輕微，可以忽略，只要滿足市場對待機功率要求即可。

表12 待機功率對CEER影響

5 整機優化方案

經過以上分析和對比實驗，對SACC和CEER的影響因素有了比較清晰的認識，綜合各項優化方案后，DOE標準下的SACC和CEER都能達到目標要求，具體方案和結果見表13。

表13 綜合優化方案后的結果

6 結論

從以上分析可看出，額定工況的制冷量和能效比是影響SACC和CEER的主要因素，更換R32制冷劑和小管徑冷凝器可以有效提高SACC和CEER。風管漏熱量Qduct和泄漏空氣漏熱量Qinf也可以通過各相關因素進行優化，其中風管直徑的選擇也是一個比較關鍵的影響因素，不僅影響額定工況的能力能效，同時影響風管漏熱和泄漏空氣漏熱，采用直徑較大的風管會有更好的效果。適當的運用風管保溫材料也可以有效減少風管漏熱。達溫停機的邏輯是影響CEER的重要因素，優化達溫停機邏輯可以將CEER提高5%～6%，可以在不影響用戶體驗的情況下進行優化。由于影響因素眾多，本文在各相關因素互相影響的內在邏輯及規律方面的研究還不夠深入，有待進一步深入研究。