轉速可控型房間空氣調節器制冷季節能源消耗效率評價方法優化研究

王魯平，王騫，李芳，柴增輝，陳欣

（合肥通用機械研究院，安徽合肥 230000）

0 引言

房間空氣調節器（下文簡稱空調器）作為一種風冷式空調（熱泵）產品，室外側與大氣直接發生熱交換，其運行性能與氣象條件的變化有著緊密的聯系。目前，世界主要空調市場對該類產品的性能評價均已采納了基于不同室外溫度發生小時數的季節能效方法[1-5]。

中國現行產品標準GB/T 7725—2004《房間空氣調節器》[2]及能效標準GB 21455—2019《房間空氣調節器能效限定值及能效等級》[1]共同建立的季節能效評價框架，與國際標準ISO 16358—2013[4]及日本工業標準JIS C 9612—2013[3]有著較強的一致性，也沿襲了其評價框架的先天不足。而作為較早采納季節能效評價方法的地區[6]，北美市場的對應標準ANSI/ASHRAE 116—2010[7]經過了多次更新迭代，其實驗及計算的思路具備一定的可借鑒性。對于在北美標準框架內季節能效實驗及計算的研究與分析已非常廣泛[8-11]，但并未對其先進性及科學性的部分進行提煉。

在轉速可控型房間空調器產品已占中國家用市場主流的背景下[12]，以該類產品制冷季節能源消耗效率（Seasonal Energy Efficiency Ratio，SEER）的實驗及計算為例，分析現行國標季節能效評價體系的不足，提出一種優化的評價方法。

1 國標制冷季節能源消耗效率（SEER）實驗及計算方法的現存問題

1.1 實驗工況與各平衡點對應室外溫度的偏離

國標SEER實驗包括3個必測實驗及對應3個可選實驗，當可選實驗不實測時，采納經驗系數進行計算。如表1所示，其基本思路為在室外干球溫度35 ℃及29 ℃兩種工況下，分別將空調器固定在由高到低3種轉速條件下制冷運轉，并認為其發揮能力及消耗功率均隨室外平均溫度線性變化。

表1 國標轉速可控型空調器SEER實驗工況

對制冷負荷的確定同樣采納隨室外平均溫度線性變化的建筑負荷，其負荷0點對應的室外溫度為23 ℃，名義設計室外溫度為35 ℃。在制冷負荷線確定后，與空調器在額定、中間及25%轉速3種狀態下發揮的能力線分別產生交點，各交點對應的室外溫度即對應轉速狀態運行時平衡溫度。

圖1所示為國標SEER實驗中各平衡點對應室外溫度的確定。平衡溫度tp，tc及tb（35 ℃）將不同室外溫度區間分劃為4個部分：1）在25%轉速對應的平衡點tp溫度以下，空調器因為無法繼續降頻運轉，其發揮能力持續高于制冷負荷，即斷續運行制冷；2）tp溫度到中間轉速對應平衡點tc溫度之間，空調器匹配制冷負荷，從25%轉速到中間轉速連續變頻運轉；3）tc溫度到名義轉速對應平衡點tb溫度之間，空調器同樣匹配制冷負荷，從中間轉速到額定轉速連續變頻運轉；4）tb溫度以上，不考慮空調器繼續升頻，而以額定轉速持續運轉，其發揮能力始終不滿足制冷負荷需求。

圖1 國標SEER實驗中各平衡點對應室外溫度的確定

通過平衡點對應的室外溫度，對空調器制冷季節發生的不同運轉狀態予以分界，并對應地采納不同方式進行耗電量計算：在第1部分，需要采納效率降低系數CD模擬循環停機造成的額外能耗；在第2及第3部分，空調器連續變頻滿足制冷負荷，通過建筑負荷及能效比（Energy Efficiency Ratio，EER）反推耗電量；在第4部分，機組耗電量通過額定轉速對應的功率線進行計算。

國標SEER實驗規定，空調器各狀態壓縮機轉速的標定對應到發揮額定能力、中間能力及25%能力，考慮到實驗允差等因素，平衡溫度tp及tc一般位于25 ℃及29 ℃左右，結合GB 21455—2019[1]規定的制冷季節不同室外溫度的發生小時數（圖2），可以得到各溫度分段在制冷季節中的權重。

圖2 GB 21455—2019規定的制冷季節不同室外溫度發生小時數

表2所示為GB 21455—2019[1]規定的制冷季節溫度分布權重。由表2可知，國標框架下的SEER計算中，平衡溫度tp相關區間，即空調器斷續運轉及在25%轉速到中間轉速連續變頻運轉所占權重約45%，tp溫度確定在計算中有著顯著意義。

表2 GB 21455—2019規定的制冷季節溫度分布權重

基于負荷特征，由于tp溫度對應較低制冷負荷條件下空調器以低頻制冷運轉，如圖2所示，在現行國標規定的制冷實驗工況下，不可避免出現了以35 ℃及29 ℃實驗外延確定tp溫度條件下機組能力及功率的情況，即在高制冷負荷工況下進行實驗以推算空調器在低負荷下的性能。這一處理方式的優點在于SEER一系列實驗中室外側工況不需要做調整，一定程度上降低了實驗成本，但為了更為準確地測定空調器在低負荷低頻運轉條件下的性能，出于加強負荷率與實驗工況對應性的考慮，有必要對低轉速實驗進行調整。

1.2 計算框架中經驗系數的作用

國標SEER實驗及計算基于固定運轉狀態后，空調器發揮能力及消耗功率均隨室外平均溫度線性變化這一基本前提。因此，在選定的額定、中間及25%三種條件下，均需要不同室外溫度下的兩個實驗以來確定機組能力及功率線，即共6個實驗結果完成SEER的計算。

為了降低實驗成本，現行國標體系規定在35 ℃室外溫度下對名義、中間及25%進行實測，并規定29 ℃室外溫度下的性能在不實測時采納經驗系數推算，如表3所示。現行房間空調器國標體系采納的經驗系數（1.077/0.914）與對應的日本工業標準JIS C 9612—2013[3]及國際標準ISO 16358-1—2013[4]一致，長久以來已被廣泛接納。但隨著空調器產品技術的進步，電子膨脹閥[13-15]及直流變速風機[16]的廣泛應用，導致在僅固定室外機壓縮機轉速的條件下，29 ℃制冷實驗的經驗系數推算值與實測結果會發生較大偏離。尤其在新國標GB 21455—2019《房間空氣調節器能效限定值及能效等級》[1]實施后，面對顯著提高的能效限值[17-19]，在不對硬件匹配進行優化的前提下，通過實測29 ℃制冷實驗以提高SEER計算結果已成為國內生產廠商的普遍做法。

表3 GB 21455—2019規定的低溫制冷（29 ℃）性能計算

在2020年度房間空氣調節器能效實驗樣品中隨機選取了42套實測低溫制冷（29 ℃制冷）實驗的1級能效產品，其低溫制冷與經驗系數計算值的偏差如圖3和圖4所示。在選取的42套樣品中，29套名義制冷量小于或等于7.1 kW，按GB 21455—2019[1]的規定不進行25%轉速的實驗。

由圖3可知，制冷量經驗系數1.077與實測結果的分布并未發生顯著偏離。考慮到在SEER計算框架中中間及25%轉速實驗對SEER結果的影響權重顯著較大，若僅關注權重較大的實驗部分，由表4可知，其實測關聯系數均值約為1.084，即現行的經驗系數與實測結果符合性較好。由圖4可知，制冷消耗功率經驗系數0.914與實測結果發生了顯著偏離，并隨著壓縮機轉速的下降體現出有規律的差異。如表5所示，環境溫度由35 ℃降低到29 ℃，壓縮機轉速不變的條件下，在冷凝壓力降低造成耗功下降的同時，直流變速風扇及電子膨脹閥的調節發揮著顯著作用。空調器產品以現行經驗系數得出的消耗功率計算值顯著高于實測值。同樣，如1.1節所述，在對SEER結果影響權重較大的中間及25%實驗部分，實測值與計算值的偏離更為顯著，其實測關聯系數均值約為0.738，這也是造成經驗系數用于SEER計算造成結果嚴重偏低的原因。

表4 樣品實測制冷量關聯系數均值

表5 樣品實測功率關聯系數均值

圖3 實測制冷量關聯系數的分布

圖4 實測制冷消耗功率關聯系數的分布

面對經驗系數計算值顯著不利于企業標稱的客觀情況，GB 21455—2019[1]框架下的能效實驗普遍實測低溫制冷，經驗系數往往不被采納，其降低實驗成本的作用已不顯著。

2 制冷季節能源消耗效率（SEER）實驗及計算框架的優化

2.1 實驗工況的選取

SEER實驗工況選取的基本原則是以盡量少的實驗數量，盡量準確體現出空調器隨制冷負荷變化而變化的性能特征，而這兩者存在著對立關系，即為了降低實驗成本，對空調器變工況性能的量化不可避免存在推算的因素[20]。這就要求選取的實驗工況在SEER計算中具有典型意義，并將空調器運行狀態與制冷負荷需求緊密的關聯起來。基于第1部分的分析，對空調器壓縮機額定，中間及25%轉速條件下實驗工況探討優化措施。

如表2所示，對于空調器名義平衡點溫度（35 ℃）以上區間，其計算依據額定制冷及低溫（29 ℃）額定制冷兩組實驗，對應的室外溫度在制冷季節權重僅約為0.02。結合表4及表5給出的對經驗系數的實驗驗證，現行的1.077/0.914系數在額定轉速條件下并未顯著偏離實際實驗結果。因此，額定轉速條件下空調器僅實測額定制冷，而對低溫制冷采納經驗系數推算，不予實測。

對于中間轉速條件下的性能實驗，用于確定平衡點溫度tc，對應相關于tp溫度到tc溫度之間，及tc溫度到35 ℃兩端的耗電量計算，其對應發生小時數總和占制冷季節權重達到了約0.85，對SEER計算結果發揮著顯著作用。對于中間轉速的實驗工況，鑒于中間平衡點溫度tc一般在29 ℃左右，依然采納既有的35 ℃及29 ℃室外工況，通過兩個中間轉速實驗計算平衡點溫度tc相關區間。

對于25%轉速條件下的性能實驗，其對應平衡點溫度與既有的實驗工況偏離較大，采納實測29 ℃及25 ℃室外工況，通過這兩個低負荷低環境溫度的實驗計算平衡點溫度tp相關區間。

優化后的SEER實驗總計需要5個工況，實驗數量等同于現行AHRI 210/240—2017[5]標準中的5個必測工況，并實際上少于目前GB 21455—2019[1]框架下的6個實測工況。實驗工況見表6。

表6 優化后的轉速可控型空調器SEER實驗工況

2.2 計算方法的確定

在確定的實驗工況基礎上，SEER計算依然基于各平衡點溫度對制冷季節不同室外溫度的劃分，對各平衡點對應室外溫度tp、tc及tb（35 ℃）的定義不發生變化。由于25%轉速對應實驗工況的調整，在平衡點tp的確定中很大程度上避免了兩個工況連線的外延與負荷線相交的情況。優化后的各平衡點溫度的確定如圖5所示。

圖5 優化后SEER實驗中各平衡點對應室外溫度的確定

結合1.1部分的分析，在引入25 ℃制冷實驗后，對應空調器壓縮機以25%轉速運轉，以低負荷工況測試機組低頻性能，避免了計算結果與實測結果的偏離；結合1.2部分，25 ℃的工況更為接近負荷零點，其與29 ℃工況條件下25%轉速實驗對應，實現了對低負荷運轉區間對應室外溫度的封閉，極大降低了經驗系數的作用。

橫向比較北美標準，AHRI 210/240—2017[5]對機組高速（類比國標額定轉速）及低速（類比國標25%轉速）運轉性能的確定與國標方法基本一致，主要差異在中間轉速狀態運行區域的實驗，即在tp及tb溫度之間機組變頻運轉區域。在這一區域，AHRI 210/240—2017[5]僅規定了一個必測實驗EInt，通過一系列調整系數推算出中間能力與建筑負荷交點tvc。其理論假設為當中間轉速逼近高速（或低速）時，其對應能力線斜率也應逼近高速（或低速）能力線斜率。這一推算方法起到了降低實驗成本的作用，其各平衡點溫度的確定如圖6所示。

圖6 AHRI 210/240—2017標準中SEER實驗中各平衡點對應室外溫度的確定

北美標準SEER評價框架的顯著優點為實驗工況數量少，且避免了經驗系數發生作用。但其在權重最大的連續變頻區間僅采用一個必測實驗，導致這一框架魯棒性嚴重不足，很大程度上EInt實驗決定了SEER結果的優劣。連同現行國標框架一起，將AHRI 210/240—2017[5]規定的SEER實驗計算方法與本文提出的方法進行橫向比較驗證。

2.3 優化后評價框架的實驗驗證

實驗驗證的目的在于橫向比較實驗及計算方法的量化結果與空調器實際變工況變負荷性能的逼近程度，選取1臺名義制冷量7 200 W的分體立柜式變頻房間空調器（1號樣品）及1臺名義制冷量7 290 W的基站立柜式空調器（2號樣品），分別在前述三種評價框架內進行SEER實驗及計算，實驗工況如表7所示。

表7 驗證實驗工況

驗證實驗僅用于橫向比較基本方法，故空調器壓縮機額定、中間及25%轉速均采納國標框架內的要求進行標定，并基于GB 21455—2019[1]規定的制冷季節不同室外溫度發生小時數進行計算。

對于北美標準中的EInt實驗，采納狀態相近的φhaf(29 ℃)予以替代。并以表6中φfull(35 ℃)及φfull(29 ℃)確定額定轉速狀態，以φmin(29 ℃)及φmin(25 ℃)確定25%轉速狀態，計5個實驗。對于現行國標框架內實驗，采納35 ℃及29 ℃均實測的方法，對應額定、中間及25%轉速計6個實驗。基于3種方法得到的空調器在GB 21455—2019[1]規定的制冷季節隨不同室外溫度變化的能效比見圖7。

圖7 1號樣品空調器隨不同室外溫度變化的能效比

圖8中對制冷季節負荷線的確定采納GB 21455—2019[1]規定的方法，即室外溫度低于35 ℃（Ⅰ區域），機組制冷量滿足負荷需求，制冷季節負荷線按實測額定制冷量與負荷0點確定；室外溫度高于35 ℃（Ⅱ區域），機組制冷量不能滿足負荷需求，負荷線按實測低溫額定制冷量（29 ℃）與實測額定制冷量外延確定。3種實驗及計算方法得到的SEER結果見表8。

圖8 2號樣品空調器隨不同室外溫度變化的能效比

表8 3種實驗及計算方法的到的SEER結果

為了評價3種方法與實際運行能效的逼近程度，參照圖2，選取27 ℃及30 ℃兩個對應發生小時數最高的室外溫度，調節壓縮機頻率使實測能力與計算得到的建筑負荷在1%以內，實測能效比與3種方法計算結果關系見表9。

表9 實測能效比與計算結果的偏離程度

在兩種工況條件下，以實測與計算能效比的平均絕對差來評價，兩臺樣品按現行國標、ASHRAE及本文提出方法的結果分別為 0.198/0.073、0.140/0.071及0.062/0.015，本文提出的優化方法取得了與實際運行最好的逼近效果。

3 結論

從提升轉速可控型房間空調器SEER計算結果與實際運行能效的符合性出發，結合中國市場實際技術現狀，本文分析了現行國標框架的不足，研究了實驗及計算的優化方向，并提出了一種評價方法，這一方法具備如下先進性：

1）基本排除了經驗系數發生的作用，增強了與真實能效的逼近；提高了低頻低負荷區間的計算準確度；

2）空調器能效實驗中壓縮機轉速不需要重新標定，也未造成實驗成本的增加；經過實驗驗證，本文提出方法計算能效與實際運行能效的偏差，較之于現行國標方法及ASHRAE方法約降低70%，在后續標準修訂的過程中具備參考價值。