劉雋，劉舒，姜未汀，潘衛(wèi)國，趙昕，楊涌文

（1-國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200437；2-上海電力學(xué)院，上海 200090）

極端氣候條件下家用空調(diào)性能研究

劉雋*1，劉舒1，姜未汀2，潘衛(wèi)國2，趙昕2，楊涌文2

（1-國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200437；2-上海電力學(xué)院，上海 200090）

本文通過實(shí)驗(yàn)與仿真手段研究極端氣候條件下家用空調(diào)的性能。文中首先采用RefProp軟件建立了家用空調(diào)的理想性能模型，利用焓差室對(duì)家用空調(diào)在極端氣候條件下的性能進(jìn)行測試，再通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來修正模型。在修正后的空調(diào)模型中，空調(diào)的制冷/制熱量、COP和電功率的平均誤差都小于 10%。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算可知，在夏季工況下，室外溫度的上升將嚴(yán)重降低空調(diào)的能效，當(dāng)室外溫度為50℃時(shí)，產(chǎn)生相同冷量所需要的電量將是室外溫度30℃時(shí)的210%左右；在冬季工況下，室外溫度的下降將嚴(yán)重降低空調(diào)的能效，當(dāng)室外溫度為-5℃時(shí)，產(chǎn)生相同熱量所需要的電量將是室外溫度10℃時(shí)的170%左右。

極端氣候；性能研究；家用空調(diào)

0 引言

空調(diào)是現(xiàn)代人們生活中不可缺少的大功率用電設(shè)備之一，有數(shù)據(jù)顯示，夏季空調(diào)用電量約占到居民當(dāng)季家庭用電量的70%以上。空調(diào)帶來的高用電量也會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成不利影響，尤其是在極端酷暑或者寒冷的季節(jié)，這樣的影響尤其突出[1-3]。在以往的空調(diào)測試和國家標(biāo)準(zhǔn)中，空調(diào)都是在不太極端的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)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(guī)定，當(dāng)某地的天氣、氣候出現(xiàn)不容易發(fā)生的“異?！爆F(xiàn)象，或者說當(dāng)某地的天氣、氣候嚴(yán)重偏離其平均狀態(tài)時(shí)，即意味著發(fā)生“極端氣候”。隨著全球變暖，極端的氣候已經(jīng)變得常態(tài)化，所以對(duì)極端氣候下空調(diào)的特性檢測和研究就顯得非常重要。本文針對(duì)極端工況下的空調(diào)運(yùn)行性能進(jìn)行能耗模擬分析，為極端氣候下空調(diào)的能耗預(yù)測以及將來空調(diào)設(shè)計(jì)的改進(jìn)指明方向。

1 空調(diào)能耗模型的建立

1.1 空調(diào)工作原理

普通空調(diào)采用蒸汽壓縮式制冷循環(huán)[5]，該循環(huán)的示意圖如圖1所示。

圖1 蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的示意圖

蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的原理如下：壓縮機(jī)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，從蒸發(fā)器中吸入飽和蒸汽工質(zhì)（如圖1中的點(diǎn)1），并經(jīng)過壓縮機(jī)絕熱壓縮后（如圖1中的點(diǎn) 2）送入冷凝器中冷凝，冷凝液體工質(zhì)（如圖1中的點(diǎn)3）經(jīng)膨脹閥節(jié)流后（如圖1中的點(diǎn)4）送入蒸發(fā)器中吸熱汽化，汽化后的飽和蒸汽再由壓縮機(jī)吸入并重復(fù)循環(huán)。

1.2 理論能耗模型的建立

循環(huán)工質(zhì)的物性參數(shù)來自于 NIST RefProp，RefProp是國際權(quán)威的制冷劑物性查詢軟件，理論模型利用RefProp軟件結(jié)合基本公式對(duì)理論工況進(jìn)行熱力計(jì)算，計(jì)算出不同室溫下空調(diào)的性能。

蒸發(fā)器的制冷量(kW)：

冷凝器的制熱量(kW)：

壓縮機(jī)的理論耗功率(kW)：

制冷工況下的理論循環(huán)能效比：

制熱工況下的理論循環(huán)能效比：

1.3 實(shí)際工況下空調(diào)能耗模型的修正

本文通過實(shí)驗(yàn)獲得不同工況下空調(diào)的實(shí)際性能參數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)際參數(shù)對(duì)理論模型進(jìn)行修正，并用實(shí)際值來驗(yàn)證模型。

1.3.1 實(shí)驗(yàn)原理及測試結(jié)果

實(shí)際空調(diào)性能測試在同濟(jì)大學(xué)暖通空調(diào)實(shí)驗(yàn)室空氣焓差試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行?？諝忪什钤囼?yàn)臺(tái)是通過測量空調(diào)的進(jìn)出風(fēng)的干濕球溫度計(jì)算出進(jìn)出風(fēng)的焓差，再與所測的空調(diào)器的風(fēng)量相乘得到制冷量。

實(shí)驗(yàn)中所用的空調(diào)共有三臺(tái)，分別是市場上主流的定頻1.5匹掛機(jī)、定頻3匹柜機(jī)和變頻1.5匹掛機(jī)。制熱工況下，室內(nèi)的溫度范圍為19℃～24℃，室外溫度范圍為-5℃～5℃，共 36個(gè)測試工況。制冷工況下，室內(nèi)的溫度范圍為 19℃～30℃，室外溫度范圍為29℃～45℃，共36個(gè)測試工況。由于測試的空調(diào)具有自動(dòng)除霜功能，所以不考慮結(jié)霜工況與不結(jié)霜工況的區(qū)別。圖2～圖4是試驗(yàn)臺(tái)實(shí)測的空調(diào)制熱工況。圖5～圖7是試驗(yàn)臺(tái)實(shí)測的空調(diào)制冷工況。

圖2 定頻1.5匹掛機(jī)制熱工況性能

圖3 定頻3匹柜機(jī)制熱工況性能

圖4 變頻1.5匹掛機(jī)制熱工況性能

圖5 定頻1.5匹掛機(jī)制冷工況性能

圖6 定頻3匹柜機(jī)制冷工況性能

圖7 變頻1.5匹掛機(jī)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(shí)際狀態(tài)時(shí)夏季制冷工況的空調(diào)能耗模型是在理想工況下的空調(diào)能耗模型的基礎(chǔ)上建立的。

對(duì)于定頻空調(diào)，在確定的室內(nèi)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(jì)算此時(shí)的制冷量與電功率，具體步驟如下：

1) 根據(jù)空調(diào)銘牌得到空調(diào)在額定工況下的制冷量Ws和電功率Ps。

2) 利用 RefProp軟件計(jì)算得到額定工況下的能效比COPs以及實(shí)際工況下的理論循環(huán)能效比COPc。

3) 根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)可知，在夏季制冷工況下，空調(diào)的實(shí)際制冷量與實(shí)際環(huán)境下的室內(nèi)溫度與室外溫度相關(guān)，因此得出實(shí)際狀態(tài)時(shí)夏季制冷工況的空調(diào)制冷量W和電功率P的計(jì)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(huán)能效比；COPc為實(shí)際工況下理論循環(huán)能效比，用RefProp軟件計(jì)算得到 Δte，為當(dāng)前室內(nèi)溫度與額定工況下室內(nèi)溫度 27℃的差值；Δtc為當(dāng)前室外溫度與額定工況下室外溫度 35℃的差值；a、b為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試值用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件 SPSS[6]的多元線性回歸模塊可以計(jì)算得到，a=0.0486，b=-0.0156，c=0.00342，d=0.0185。

對(duì)于變頻空調(diào)而言，在確定的室內(nèi)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(shù)關(guān)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(jīng)驗(yàn)常數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試值用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件SPSS的多元線性回歸模塊可以計(jì)算得到，c=0.00342，d=0.0185，e=1.27。

1.3.3 模型數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的誤差分析

本文將模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)臺(tái)測試報(bào)告中的測量值進(jìn)行對(duì)比，分別對(duì)夏季和冬季的模型進(jìn)行驗(yàn)證。

夏季制冷工況下，對(duì) 26個(gè)工況進(jìn)行了制冷量與能效比計(jì)算，對(duì) 32個(gè)工況進(jìn)行了電功率計(jì)算。計(jì)算中將模型的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比，模型預(yù)測值的平均誤差為5.0%，最大誤差9.9%；對(duì)于能效比計(jì)算，模型預(yù)測值的平均誤差為 5.7%，最大誤差11.0%；對(duì)于電功率計(jì)算，模型預(yù)測值的平均誤差為2.1%，對(duì)于定頻空調(diào)而言最大誤差2.6%，對(duì)變頻空調(diào)而言最大誤差9.7%。三種參數(shù)的模型預(yù)測值的平均都小于10%，可以滿足工程預(yù)測需要。

冬季制熱工況下，對(duì) 26個(gè)工況進(jìn)行了制熱量與能效比計(jì)算，對(duì) 32個(gè)工況進(jìn)行了電功率計(jì)算。模型預(yù)測值的平均誤差為6.0%，最大誤差9.9%；對(duì)于能效比計(jì)算，模型預(yù)測值的平均誤差為7.7%，最大誤差13.6%；對(duì)于電功率計(jì)算，模型預(yù)測值的平均誤差為 4.5%，對(duì)于定頻空調(diào)而言最大誤差6.2%，對(duì)變頻空調(diào)而言最大誤差10.9%。三種參數(shù)的模型預(yù)測值的平均都小于10%，同樣也可以滿足工程預(yù)測需要。

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

2 模型預(yù)測數(shù)據(jù)分析

2.1 制冷工況預(yù)測分析

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

圖8 制冷量/制熱量的預(yù)測值與測量值比較

圖9 制冷電功率/制熱電功率的預(yù)測值與測量值比較

圖10 制冷能效比/制熱能效比的預(yù)測值與測量值比較

假設(shè)一臺(tái)額定制冷量 3600 W、額定電功率1200 W的1匹半空調(diào)，當(dāng)室內(nèi)溫度恒定為25℃，室外溫度從 30℃變化到 50℃時(shí)，其制冷量、電功率與能效比的計(jì)算值如表1所示。

表1 室外溫度變化時(shí)夏季空調(diào)性能模型預(yù)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(diào)的能效比顯著下降。當(dāng)室外溫度為50℃時(shí)，能效比降至室外溫度30℃時(shí)的48%。也就是說，在室外溫度30℃時(shí)產(chǎn)生1 kWh的冷量僅需要0.30 kWh的電量，而在室外溫度50℃時(shí)產(chǎn)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(duì)于空調(diào)而言，實(shí)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(duì)于上海而言夏季最高氣溫在35℃左右；而對(duì)于空調(diào)而言，室外溫度是指空調(diào)室外機(jī)周圍的空氣溫度，如果室外機(jī)受到陽光直射或者室外機(jī)周圍有遮擋物，很容易在室外機(jī)附近形成局部高溫，空氣溫度達(dá)到50℃甚至更高是可能的。因此為了夏季空調(diào)節(jié)能，有必要給室外機(jī)增加遮陽棚，并盡量不要遮擋室外機(jī)的空氣流動(dòng)。

假設(shè)一臺(tái)額定制冷量 3600 W、額定電功率1200 W的1匹半空調(diào)，當(dāng)其室外溫度恒定為35℃，室外溫度從 20℃變化到 30℃時(shí)，其制冷量、電功率與能效比的計(jì)算值如表2所示。

表2 室內(nèi)溫度變化時(shí)夏季空調(diào)性能模型預(yù)測值

由表2可知，隨著室內(nèi)溫度的上升，制冷量上升，電功率下降，空調(diào)的能效比顯著上升。當(dāng)室內(nèi)溫度為 30℃時(shí)，能效比升至室內(nèi)溫度 20℃時(shí)的166%。也就是說，在室內(nèi)溫度20℃時(shí)產(chǎn)生1 kWh的冷量需要0.5 kWh的電量，而在室內(nèi)溫度30℃時(shí)產(chǎn)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(jié)省了2/3。

上述分析表明提高室內(nèi)溫度對(duì)夏季空調(diào)節(jié)能的重要意義。大致說來室內(nèi)溫度每上升1℃，空調(diào)可節(jié)省5%的運(yùn)行電量，再考慮到室內(nèi)溫度上升導(dǎo)致房間漏熱量減少，空調(diào)運(yùn)行時(shí)間縮短，綜合的節(jié)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(nèi)溫度是夏季空調(diào)節(jié)能的最有效手段。

2.2 制熱工況預(yù)測分析

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

假設(shè)一臺(tái)額定制冷量 4900 W、額定電功率1400 W的1匹半空調(diào)，當(dāng)室內(nèi)溫度恒定為20℃，室外溫度從-5℃變化到10℃時(shí)，其制冷量、電功率與能效比的計(jì)算值如表3所示。

表3 室外溫度變化時(shí)冬季空調(diào)性能模型預(yù)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(diào)的能效比顯著增加。當(dāng)室外溫度10℃時(shí)，能效比增加到室外溫度-5℃時(shí)的147%。也就是說，在室外溫度-5℃時(shí)產(chǎn)生1 kWh的熱量需要0.4 kWh的電量，而在室外溫度10℃時(shí)產(chǎn)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(jù)表3需要強(qiáng)調(diào)的是，盡管在極端低溫的情況下空調(diào)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(chǎn)生1 kWh的熱量需要1 kWh的電量）。因此在冬季應(yīng)該盡量開暖空調(diào)而不是電油汀。

假設(shè)一臺(tái)額定制冷量 4900 W、額定電功率1400 W的1匹半空調(diào)，當(dāng)室外溫度恒定為5℃，室內(nèi)溫度從 10℃變化到 25℃時(shí)，其制冷量、電功率與能效比的計(jì)算值如表4所示。

由表4可知，隨著室內(nèi)溫度的上升，制熱量下降，電功率上升，空調(diào)的能效比顯著下降。當(dāng)室內(nèi)溫度為25℃時(shí)，能效比降至室內(nèi)溫度10℃時(shí)的66%。也就是說，在室內(nèi)溫度10℃時(shí)產(chǎn)生1 kWh的熱量需要0.22 kWh的電量，而在室內(nèi)溫度25℃時(shí)產(chǎn)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(nèi)溫度變化時(shí)冬季空調(diào)性能模型預(yù)測值

上述分析表明降低室內(nèi)溫度對(duì)冬季空調(diào)節(jié)能的重要意義。大致說來室內(nèi)溫度每下降 1℃，空調(diào)可節(jié)省 3%的運(yùn)行電量，再考慮到室內(nèi)溫度下降導(dǎo)致房間漏熱量減少，空調(diào)運(yùn)行時(shí)間縮短，綜合的節(jié)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(nèi)溫度是冬季空調(diào)節(jié)能的最有效手段。

3 結(jié)論

1）本文利用RefProp軟件進(jìn)行空調(diào)的熱力計(jì)算，并用實(shí)驗(yàn)值修正了空調(diào)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(shù)的模型預(yù)測值的平均都小于10%，可以滿足工程預(yù)測需要。

2）制冷劑蒸發(fā)和冷凝溫度是空調(diào)性能的主要影響因素，而空調(diào)在使用過程中室內(nèi)外溫度對(duì)制冷劑蒸發(fā)、冷凝溫度的影響很大。根據(jù)空調(diào)能耗模型，對(duì)于夏季制冷工況，室外溫度的上升將嚴(yán)重降低空調(diào)的能效，當(dāng)室外溫度為50℃時(shí)，產(chǎn)生相同冷量所需要的電量將是室外溫度30℃時(shí)的210%左右；對(duì)于冬季制熱工況，室外溫度的下降將嚴(yán)重降低空調(diào)的能效，當(dāng)室外溫度為-5℃時(shí)，產(chǎn)生相同熱量所需要的電量將是室外溫度10℃時(shí)的150%左右。

3）根據(jù)空調(diào)能耗模型可知，對(duì)于夏季制冷工況，室內(nèi)溫度每上升1℃，空調(diào)可節(jié)省5%的運(yùn)行電量；對(duì)于冬季制熱工況，室內(nèi)溫度每下降 1℃，空調(diào)可節(jié)省 3%的運(yùn)行電量。因此提高夏季室內(nèi)溫度與降低冬季室內(nèi)溫度是空調(diào)節(jié)能的有效手段。

[1]YAU Y H, PEAN H L. The climate change impact on air conditioner system and reliability in Malaysia—A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011, 15(9): 4939-4949.

[2]AHMED T, MUTTAQI K M, AGALGAONKAR A P. Climate change impacts on electricity demand in the State of New South Wales[J]. Applied Energy, 2012, 98(10): 376-383.

[3]LAM T N T, WAN K K W, WONG S L, et al. Impact of climate change on commercial sector air conditioning energy consumption in subtropical Hong Kong[J]. Applied Energy, 2010, 87(7): 2321-2327.

[4]GB/T 17758-2010, 單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)[S].

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

[6]NEWSHAM G R, BIRT B J, ROWLANDS I H. A comparison of four methods to evaluate the effect of a utility residential air-conditioner load control program on peak electricity use[J]. Energy Policy, 2011, 39(10): 6376-6389.

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(jí)工程師，博士。研究方向：電力系統(tǒng)。聯(lián)系地址：上海市邯鄲路171號(hào)，郵編：200437。聯(lián)系電話：021-25650134。E-mail：liuj@etc.sh.sgcc.com.cn。

國網(wǎng)上海市電力公司科技項(xiàng)目（No.520940120047）