于天蟬 楊子旭 丁連銳 黃文宇 石文星

清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系 北京 100084

1 引言

房間空氣調(diào)節(jié)器（簡稱：空調(diào)器）是一種向房間或區(qū)域內(nèi)直接提供經(jīng)過處理的空氣的空氣調(diào)節(jié)裝置，因其能夠適應(yīng)不同空調(diào)供暖設(shè)備用戶的使用習(xí)慣，滿足各類建筑室內(nèi)環(huán)境需求，在我國中、小型建筑，特別是住宅建筑中得到廣泛應(yīng)用，其保有量逐年增長，截至2018年，房間空調(diào)器的年產(chǎn)量已超過2億臺[1]。房間空調(diào)器作為建筑主要耗能設(shè)備之一，實現(xiàn)其能效提升對于節(jié)能減排具有重大意義。

目前，在我國空調(diào)器產(chǎn)品標準中，以額定性能指標（EER和COP）和季節(jié)性能指標（SEER、HSPF和APF）大小表征房間空調(diào)器的性能優(yōu)劣。這些指標是在實驗室內(nèi)對典型工況的穩(wěn)態(tài)測試數(shù)據(jù)，或者是基于給定制冷（熱）運行時間、建筑負荷模型和有限工況穩(wěn)態(tài)測試性能的計算數(shù)據(jù)。然而，安裝條件、調(diào)控方式、換熱器臟堵狀況、部件的老化磨損與制冷劑泄漏狀況以及室內(nèi)外進風(fēng)的溫濕度等因素都直接影響空調(diào)器的運行性能，故實驗室的性能測試結(jié)果難以真實反映空調(diào)器的實際運行性能。因此，通過現(xiàn)場性能測量技術(shù)探明空調(diào)器實際運行性能，對于優(yōu)化空調(diào)器控制策略、提高智能化水平、降低運行能耗和運行費用具有重要意義。此前，黃文宇[2]等總結(jié)了國內(nèi)外學(xué)者對空氣源熱泵現(xiàn)場運行性能測量技術(shù)方案，在此基礎(chǔ)上，本文進一步將近期的研究進展與應(yīng)用情況進行總結(jié)，對于推動空氣源熱泵在線性能測量技術(shù)的深入研究與工程應(yīng)用具有借鑒意義和參考價值。

2 測量原理與方法

房間空調(diào)器結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵部件如圖1所示，表征房間空調(diào)器運行性能的指標通常包括：制冷（熱）量、功率、能效比。其中，功率可以通過電能表或功率計直接測得，且其精度較高，因此，房間空調(diào)器運行性能測量的關(guān)鍵是對其制冷（熱）量的測量。空調(diào)器制（熱）量的基本計算公式為式（1）與式（2），根據(jù)測量位置不同，其測量方法可分為室內(nèi)側(cè)空氣焓差法、室外側(cè)空氣焓差法、制冷劑焓差法。

圖1 房間空調(diào)器結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵部件

式中：Q為室內(nèi)換熱器的換熱量，W；Pcom為壓縮機的輸入功率，W；m為質(zhì)量流量，kg/s；h為焓值，J/kg；下標ref和air分別代表制冷劑和空氣；ID和OD分別為室內(nèi)和室外換熱器；in和out分別為換熱器的進口和出口；下標cc和hc分別表示制冷與制熱。

2.1 室內(nèi)側(cè)空氣焓差法

室內(nèi)側(cè)空氣焓差法的關(guān)鍵在于室內(nèi)機風(fēng)量及進、出口空氣焓差的測量。瑞士SP Technical研究中心[3]采用在室內(nèi)機出風(fēng)口加裝風(fēng)罩，將室內(nèi)機出風(fēng)全部引入帶有溫濕度傳感器、風(fēng)量測量裝置和壓力補償裝置的風(fēng)道中進行測量。該方法與焓差實驗室測量制冷（熱）量方法類似。同時，為避免采用風(fēng)量罩長期測量對用戶的影響，將多種運行工況下制冷（熱）量、耗電量及室外溫度進行擬合得到機組性能，進而實現(xiàn)對空調(diào)器實際運行性能的“長期測量”。這種方法測得的性能系數(shù)不確定度在±10%以內(nèi)，但該方法操作繁瑣、影響用戶的正常使用，且其推導(dǎo)計算的“長期測量”結(jié)果不能反映空調(diào)器的性能衰減。

為避免風(fēng)量罩對用戶的干擾，可在現(xiàn)場測量中預(yù)先通過多點測量來確定室內(nèi)機進、出風(fēng)口的速度分布，進而簡化現(xiàn)場測量過程中的風(fēng)量測量工作[4,5]。Ichikawa T等[6]利用該方法對四面出風(fēng)嵌頂式室內(nèi)機進行了測量。測量時，設(shè)定室內(nèi)機風(fēng)檔后，使用三維風(fēng)速測量裝置測量室內(nèi)機進、出風(fēng)口不同位置處的風(fēng)速，得到室內(nèi)機的速度分布。該方法需要較多的溫濕度傳感器，且其布置方式也直接影響室內(nèi)機進、出風(fēng)的溫濕度測量結(jié)果，同樣難以反映室內(nèi)機風(fēng)速無級變化、性能衰減和過濾器堵塞導(dǎo)致的性能變化。

2.2 室外側(cè)空氣焓差法

受限于用戶的接受度，室內(nèi)側(cè)空氣焓差法很難實現(xiàn)長期測量。因此，國內(nèi)、外研究人員逐漸發(fā)展了室外側(cè)空氣焓差法。室外機靜態(tài)多點測量法[7]即在室外機進、出風(fēng)口布置溫濕度測點，利用出風(fēng)截面多個位置的風(fēng)速，通過積分獲得室外機的換熱量，再利用能量平衡法獲得空調(diào)器的制冷（熱）量。該方法實施方便、操作簡單，但難以實現(xiàn)連續(xù)變工況測量，且受室外氣象的干擾嚴重、精度較差。通過外接風(fēng)管、在風(fēng)管內(nèi)測量多點的風(fēng)速和溫濕度有效克服了這一問題[8]，但風(fēng)管的引入使得室外機出風(fēng)側(cè)的流場發(fā)生了改變，故加裝管道后必須進行風(fēng)量修正，其實測誤差為±15%。

針對上述兩種方法在測量中遇到的問題，發(fā)展出了室外機出風(fēng)靜態(tài)采樣法[10-12]，它是在室外機出風(fēng)口處安裝出風(fēng)采樣器，通過測量采樣器采集到的微元空氣的溫濕度和流量參數(shù)，計算出室外機的換熱量。為進一步提高測量精度，Yusuke Hag等[9]研制了室外機風(fēng)側(cè)熱通量采樣器，直接求得排風(fēng)口附近各個微元的換熱量后再進行累加求和，該方法的測量精度可達到約±12%。但是，該實測裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實測時安裝困難；在計算換熱量時，需要與室外機結(jié)構(gòu)相關(guān)的出風(fēng)角度修正系數(shù)和流量修正系數(shù)，普適性較差。為解決室外機安裝靜態(tài)采樣器困難、調(diào)試復(fù)雜等問題，趙偉[13]提出了室外機移動采樣法，通過一組風(fēng)速和溫濕度傳感器在步進電機驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動桿上按預(yù)定速度左右移動，實現(xiàn)對機組出風(fēng)截面風(fēng)速和溫濕度的掃描測量，從而計算各個區(qū)域的換熱量，其全工況范圍內(nèi)的測量結(jié)果相對誤差均可控制在±15%以內(nèi)，但仍然未從本質(zhì)上解決采樣機安裝困難、外風(fēng)干擾帶來的測量誤差問題。

圖2 各種室外側(cè)空氣焓差法

2.3 制冷劑焓差法

在制冷劑焓差法中，直接利用流量計測量制冷劑流量[14]，結(jié)合換熱器進出口溫度與壓力參數(shù)即可計算得到空調(diào)器的制冷（熱）量，其誤差在±7.0%以內(nèi)。然而，質(zhì)量流量計價格昂貴、屬于侵入式測量，測量時需破壞原有系統(tǒng)，不能反映空調(diào)器原有狀態(tài)，而且要求流量計必須安裝在具有一定過冷度的液體管上，這在實際運行的空調(diào)器中是難以實現(xiàn)的。

為保證空調(diào)器的用戶使用行為和實際使用狀態(tài)不變，且對用戶不造成干擾，則應(yīng)發(fā)展非介入、無干擾的長期在線測量技術(shù)。相比在制冷系統(tǒng)中加設(shè)流量計的直接測量方法，間接計算制冷劑流量是一種重要的替代方法，常見的方法包括數(shù)值計算法、壓縮機性能曲線法、容積效率法及壓縮機能量平衡法。

（1）數(shù)值計算法：即利用壓縮機詳細參數(shù)計算制冷劑流量[16]，該方法需要廠家提供壓縮機內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算成本較高、耗時較長、通用性差。

（2）壓縮機性能曲線法（CC法）：根據(jù)壓縮機廠家提供的特定實驗工況下運行數(shù)據(jù)，將制冷劑流量擬合為關(guān)于蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、絕熱壓縮指數(shù)及頻率等參數(shù)的多項式[17]。如定速壓縮機的十系數(shù)多項式[18]、變速壓縮機的二十系數(shù)多項式[19]，以及不同轉(zhuǎn)速下制冷劑流量關(guān)于吸氣溫度及排氣溫度的計算公式[20]。

（3）壓縮機容積效率法（CVE法）：容積效率是實際輸氣量與理論輸氣量之比[21]，以此為依據(jù)的CVE法只需要壓縮機的吸氣密度、容積效率及運行頻率即可得到制冷劑流量[21]。目前容積效率有不同的實驗及經(jīng)驗公式，包括考慮相對余隙容積修正[22]、壓縮機電機轉(zhuǎn)速的線性函數(shù)[23,24]等方法。

式中：ρref為壓縮機的吸氣密度，kg/m3；ηv為容積效率；Vd為理論容積輸氣量，m3/s；f為壓縮機頻率，1/s。

CVE法計算制冷劑流量時對吸氣密度不敏感，即使在吸氣帶液狀態(tài)下，測得的制冷量精度也較高。尤其對于較新的機組，容積效率模型準確，近年來東京海洋大學(xué)、北海道大學(xué)[30-32]等日本高校和研究機構(gòu)采用此方法對住宅、辦公樓、教室等進行了實測分析。

上述三種方法在短期內(nèi)（特別是新機器階段）都有較高的精度，但都依賴于壓縮機廠家提供的結(jié)構(gòu)參數(shù)或性能參數(shù)，故其普適性較差；而且隨著壓縮機使用時間的增加，壓縮機的性能、容積效率等參數(shù)都將隨使用時間的延長而衰減，故無法保證機組長期測量的準確性。

（4）壓縮機能量平衡法（CEC法）：Fahlén P[25]提出了CEC法，該方法以壓縮機為控制體，基于能量守恒與質(zhì)量守恒定律，通過對壓縮機輸入功率、吸/排氣焓值以及殼體散熱量的測量來獲取制冷劑流量參數(shù)，其原理如圖3和公式（4）、（5）所示。

圖3 CEC法應(yīng)用于房間空調(diào)器制冷（熱）量的測量原理

式中：Pcom，Pid分別為壓縮機和室內(nèi)機風(fēng)機的輸入功耗，W；Qloss為壓縮機殼體的散熱量，W；hsuc，hdis分別為壓縮機吸氣、排氣的制冷劑比焓值，J/kg；hOD,out，hID,out分別為制冷與制熱運行時冷凝器出口的制冷劑比焓值，J/kg；mref為制冷劑質(zhì)量流量，kg/s。

將CEC法與在焓差實驗室內(nèi)測得的空調(diào)器性能以及利用水側(cè)流量計法測得的空氣源熱泵冷熱水機組性能進行比較，結(jié)果表明，當壓縮機吸氣具有一定過熱度時，其制冷（熱）量誤差在±15.0%以內(nèi)[26-29]。

CEC法不依賴空調(diào)器部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)或初始性能參數(shù)，可實現(xiàn)對空調(diào)器的非介入、無干擾測量，且具有良好的通用性和長期測量精度，在ASHRAE RP 871項目[33]與ELFORSK[28]（丹麥能源產(chǎn)業(yè)組織）計劃中均指出，CEC法是最先進、最可行的現(xiàn)場性能測量方法。

因此，國內(nèi)外學(xué)者圍繞CEC法開展了大量的研究工作，以進一步提高精度和適用性。表1給出了近年來國內(nèi)外學(xué)者的研究進展。

表1 CVE法和CEC法的改善

3 全工況制冷劑流量法

3.1 關(guān)鍵問題

鑒于壓縮機能量平衡法（CEC法）的特殊優(yōu)勢，人們主要在該方向開展工作，以提高其測量精度、擴大其適用性。然而，CEC法在壓縮機具有一定過熱度時具有良好的精度，但在吸氣回液時則精度較差。實際上，壓縮機出現(xiàn)回液是經(jīng)常發(fā)生的，例如：定速空調(diào)器通常采用毛細管節(jié)流，當壓差過大、流過毛細管流量大于蒸發(fā)器的需求流量，會導(dǎo)致壓縮機吸氣回液；為了降低變頻空調(diào)器的壓縮機排氣溫度、增大蒸發(fā)器有效傳熱面積以改善性能，壓縮機吸氣有時處于飽和或微量帶液狀態(tài)。此外，由于制冷劑管道具有熱惰性，氣液相變也將導(dǎo)致階躍響應(yīng)存在一定的延時，也可能造成控制指令不及時，導(dǎo)致壓縮機短期出現(xiàn)回液現(xiàn)象。

因此，欲提高制冷劑焓差法的全工況測量精度，則必須解決兩個關(guān)鍵問題：

（1）必須解決傳感器位置固定與制冷劑狀態(tài)動態(tài)變化之間的矛盾；

（2）必須解決壓縮機長期運行的性能衰減與測量精度保障之間的矛盾。

然而CVE法與CEC法無法同時解決這兩個矛盾。盡管壓縮機頻率和工作容積已知，但壓縮機容積效率總會隨著運行時間的增加，機械磨損及潤滑油性能變差，導(dǎo)致容積效率存在一定程度的衰減，故無法保證機組長期測量的準確性，而僅適用于新出廠的空調(diào)器。在CEC法中，吸氣焓值對制冷劑質(zhì)量流量的計算是一個敏感度極高的參數(shù)，當吸氣帶液運行時，吸氣干度對計算結(jié)果的影響非常大，故Goossens[43]、黃文宇[38]提出的采用定壓縮機吸氣干度、Jactard等[44]提出的定壓縮機等熵效率等方法都難以保證全工況范圍內(nèi)的測量精度。為此，必須進一步研究適用于全工況的制冷劑焓差法。

3.2 實現(xiàn)方法

鑒于CEC法在吸氣過熱狀態(tài)下具有優(yōu)良的測量精度，但在壓縮機吸氣帶液時不能確定進氣狀態(tài)參數(shù)從而導(dǎo)致誤差較大，而壓縮機容積效率法（CVE法）在所有工況下均具有良好的精度，但不能反映其在使用過程中的性能衰減，文獻[45]提出將CEC法與CVE法有機結(jié)合的“全工況制冷劑流量法”（CEC-CVE法），即圖4中的中間流程，大幅度地提升了性能測量精度。

圖4 “全工況制冷劑流量法”的實現(xiàn)途徑

該方法的實現(xiàn)流程為：當壓縮機吸氣具有過熱度時，則采用CEC法計算測量空調(diào)器的制冷（熱）量和性能系數(shù)，同時持續(xù)學(xué)習(xí)（如采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法）包含反映壓縮機容積效率和運行頻率的實際輸氣容積(ηvVd)sup和等熵效率(ηs)sup；當壓縮機出現(xiàn)回液時，則采用獲得的最新實際輸氣容積(ηvVd)twophase和等熵效率(ηs)twophase確定壓縮機的吸氣狀態(tài)（焓值hsuc、吸氣密度ρsuc或吸氣干度xsuc），并采用CVE法計算得到流經(jīng)壓縮機的制冷劑流量、制冷（熱）量及性能系數(shù)。該方法采用精度優(yōu)良的CEC法獲得的測量數(shù)據(jù)不斷學(xué)習(xí)、更新壓縮機的容積效率和等熵效率，以獲得更為準確的壓縮機吸氣狀態(tài)，很好地解決了壓縮機長期使用后的性能衰減狀態(tài)難以確定的難題，同時也避免了壓縮機結(jié)構(gòu)參數(shù)需提前預(yù)知問題，擴大了空調(diào)器制冷（熱）量測量的適用性。

以此基礎(chǔ)上，還發(fā)展出了基于CEC法結(jié)合等熵效率以及毛細管絕熱節(jié)流模型的“全工況制冷劑流量法”，如圖4所示。這三種全工況制冷劑流量法的技術(shù)思路總體可以概括為：在壓縮機吸氣處于過熱狀態(tài)時，利用CEC法測量空調(diào)器的制冷（熱）量，并自學(xué)習(xí)壓縮機的容積效率、等熵效率或構(gòu)建毛細管絕熱節(jié)流模型；當壓縮機處于吸氣帶液狀態(tài)時，則根據(jù)測量數(shù)據(jù)的樣本覆蓋范圍，分別選取適宜的測量方法：①CEC-CIE法（壓縮機能量平衡-指示效率法）；②CECCVE法（壓縮機能量平衡-容積效率法）；③CEC-CAT法（壓縮機能量平衡-毛細管模型法），獲得吸氣帶液狀態(tài)下的容積效率、等熵效率或毛細管模型，并最終采用制冷劑焓差法計算吸氣帶液運行的制冷劑流量，從而獲得空調(diào)器全工況制冷劑流量。其中，CEC-CIE法是CEC法與自學(xué)習(xí)壓縮機等熵效率（CIE）相結(jié)合，CEC-CVE法是CEC法與CVE相結(jié)合，CEC-CAT法是CEC與毛細管絕熱節(jié)流模型（CAT）相結(jié)合的方法。由此可以準確地測量出各種類型空調(diào)器在任意工況條件下的實際運行性能。

上述三種方式的適用范圍為：（1）CEC-CIE法[45]：吸氣過熱狀態(tài)時間占比較大、覆蓋運行工況較為全面，但不能獲得有效的壓縮機頻率等運行參數(shù)時，模型關(guān)鍵參數(shù)為等熵效率；（2）CEC-CVE法[42,45,46]：運行時間與上述類似，但壓縮機頻率可以測量，模型關(guān)鍵參數(shù)為實際輸氣容積和等熵效率。（3）CEC-CAT法[42,46]：當壓縮機吸氣過熱狀態(tài)的運行時間占比較少或覆蓋的運行工況較少時（多發(fā)生在毛細管節(jié)流的空調(diào)器中），模型關(guān)鍵參數(shù)為CAT模型。通過在焓差實驗室內(nèi)的對比測試表明，CEC-CVE法和CEC-CIE法的誤差均在15%以內(nèi)（如圖5），且CEC-CVE法具有更高的測量精度。

圖5 CEC-CIE法與CEC-CVE法測量精度

基于上述分析，可以得到目前各種在線性能測量技術(shù)的特點和適用性，如表2所示。

表2 房間空調(diào)器現(xiàn)場測量技術(shù)特點與適用性

4 在線性能測量標準

標準化是推動行業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要途徑，同時也是技術(shù)成熟度的體現(xiàn)。國際上對房間空調(diào)器性能測量標準往往是針對于實驗室內(nèi)運行性能測量的，但也有一些標準對制冷/熱泵設(shè)備現(xiàn)場運行性能的測量做出了相關(guān)說明?？紤]到空調(diào)器等空氣-空氣熱泵現(xiàn)場性能測量的復(fù)雜性，有較多的標準并未規(guī)定這一類機組的性能測量方法。如ASHRAE 111-2008（2017版）[47]，僅規(guī)定了冷水機組的制冷量測量方法，而對空氣-空氣機組僅給出了出風(fēng)風(fēng)速、進出口溫濕度的測量要求方法，并未將制冷量及能效比作為其測量內(nèi)容。

北歐是空氣-空氣熱泵性能測量標準發(fā)展較為充分的地區(qū)。芬蘭標準NT VVS 115[48]、NT VVS 116[49]規(guī)定了制冷熱泵設(shè)備現(xiàn)場性能測量的工況條件和需要測量的參數(shù)，包括壓縮機吸氣溫度與壓力、排氣溫度與壓力、冷凝器出口溫度、壓縮機功率及整機功率，即采用CEC法計算設(shè)備的制冷（熱）量和性能參數(shù)。中國香港特別行政區(qū)建筑署[50]公布了安裝后的空調(diào)器測量需采用室內(nèi)側(cè)空氣焓差法對其性能進行短時間測量，并要求機組盡可能滿負荷穩(wěn)態(tài)運行，該標準絕大部分是針對中央空調(diào)系統(tǒng)提出的測量要求，僅較少部分提及了房間空調(diào)器。

在我國內(nèi)地，已經(jīng)逐漸重視空氣-空氣熱泵現(xiàn)場性能測量標準體系的建立，并取得了初步成果。T/CAS 305-2018《房間空氣調(diào)節(jié)器實際運行性能參數(shù)測量規(guī)范》[51]是國內(nèi)首部空調(diào)器在線性能測量標準，該標準推薦采用CEC法，給出了測點安裝位置、測量期內(nèi)的性能參數(shù)計算公式等，并重點規(guī)定了測量裝置的精度標定方法。該方法以采用房間空調(diào)器能效標準GB 21455-2013[52]規(guī)定的、反映空調(diào)器季節(jié)運行性能的APFS作為評判測量裝置的長期測量精度參數(shù)，通過在規(guī)定的用于計算季節(jié)能源消耗效率的工況下（包括額定制冷、額定中間制冷、額定25%制冷、低溫制冷、低溫中間制冷、低溫最小制冷、額定制熱、額定中間制熱、額定最小制熱、低溫制熱及超低溫制熱等）測量空調(diào)器的APFIPME，并與焓差實驗室內(nèi)測得的APFS進行比較，采用二者的相對誤差δIPME作為測量裝置精度的評價指標[53]，如表3所示，用此指標來評價測量方法的精度，以鼓勵企業(yè)研發(fā)覆蓋各種工況、精度更高的測量裝置。

表3 實際運行性能測量裝置的精度等級

該標準已應(yīng)用于T/CECS 846-2021《夏熱冬冷地區(qū)供暖空調(diào)系統(tǒng)性能檢測標準》[54]和T/CECS《多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)改造技術(shù)規(guī)程》（報批稿）[55]等團體標準中，并推薦作為各類空氣-空氣熱泵的實際運行性能測量方法。

5 性能測量儀表與應(yīng)用

5.1 空調(diào)器性能測量儀表

空氣焓差法可以通過風(fēng)道、溫濕度傳感器、風(fēng)速計等儀表來測量換熱器風(fēng)量和進、出口焓差進而獲得空調(diào)器的制冷（熱）量。然而，對于制冷劑焓差法，尤其是壓縮機能量平衡法（CEC法），則需研發(fā)對應(yīng)的儀表以測量壓縮機功率以及基于制冷循環(huán)關(guān)鍵位置制冷劑焓值，從而獲得空調(diào)器的性能參數(shù)。

ClimaCheck公司[35]根據(jù)NT VVS 115[48]、NT VVS 116[49]的測量要求，研制了基于CEC法的測量裝置，參見圖6a），該裝置包括7個溫度傳感器、2個壓力傳感器和1個功率傳感器。為適應(yīng)國內(nèi)空調(diào)器的特征，清華大學(xué)基于圖4和圖6c）的測量原理，研發(fā)了多款現(xiàn)場性能測量儀表，見圖6b）。測量裝置包括整機功率模塊、壓縮機功率模塊、溫度模塊、溫濕度模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及數(shù)據(jù)遠傳模塊等，實現(xiàn)了空調(diào)器和壓縮機功率、制冷劑管路典型位置溫度的測量、存儲和交互傳送。

圖6 實際性能測量裝置

除圖6所示的外置式測量裝置外，變頻空調(diào)器自身帶有電流、電壓傳感器和較多的溫度傳感器，為在線性能測量提供了部分傳感器，為了更為準確地測量設(shè)備或系統(tǒng)的性能，在空氣-空氣熱泵系統(tǒng)中，補充設(shè)置必要的溫度傳感器，通過一定的算法即可成為內(nèi)置式測量系統(tǒng)，對每臺空調(diào)設(shè)備進行其在線性能測量，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的實時、無干擾、長期性能監(jiān)測[56]。

5.2 在線性能測量技術(shù)的應(yīng)用

在線性能測量裝置應(yīng)用于空調(diào)器中，為空調(diào)器的優(yōu)化設(shè)計、智能控制和科學(xué)應(yīng)用提供了反饋途徑，下面以兩個例子說明其應(yīng)用功能。

（1）空調(diào)器的實際使用特征

空調(diào)器實際使用特征包括每天的使用時段、設(shè)定溫度、喜好風(fēng)速、一年的使用時間及其與室外溫度的關(guān)系等。岡本洋明等人[57]對日本四個地區(qū)100戶家庭中的空調(diào)器使用情況進行了為期1年的監(jiān)測，結(jié)果表明，空調(diào)器的日平均運行小時數(shù)在0～6 h范圍內(nèi)，用戶設(shè)定溫度主要集中在22℃～27℃之間，并發(fā)現(xiàn)逐時外溫運行率（TOR）與室外溫度線性相關(guān)；田中千歳[58]在上述研究基礎(chǔ)上，獲得了冬夏不同室外溫度下空調(diào)器的運行小時數(shù)分布；徐振坤[59]等人利用大數(shù)據(jù)平臺分析了我國長江流域住宅空調(diào)的實際使用習(xí)慣、使用狀態(tài)以及運行能耗，發(fā)現(xiàn)空調(diào)器使用相對集中在18:00～23:00，日均運行時間集中在0～7 h，單位面積平均耗電量每年一般不超過12 kW·h/m2；丁連銳[42]對6戶住宅的空調(diào)器進行了測量，結(jié)果表明這些住宅中的空調(diào)器具有明顯的“部分時間，部分空間”運行特征，同時發(fā)現(xiàn)室外夏季運行時存在嚴重的熱島效應(yīng)，室外機進風(fēng)溫度顯著高于室外環(huán)境溫度（圖7）；Yang[62]通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析表明，目前的掛壁式室內(nèi)機制熱運行時存在嚴重的熱風(fēng)上浮，導(dǎo)致冬季設(shè)定溫度在26℃仍不能滿足室內(nèi)舒適性需求。以上研究反映了空調(diào)器的實際使用特征，為空調(diào)器安裝條件、運行模式的優(yōu)化提供了必要的數(shù)據(jù)支撐和依據(jù)。

圖7 實際性能測量裝置

（2）空調(diào)器的實際運行性能

在房間空調(diào)器實際制冷（熱）量及性能系數(shù)方面，張才俊[5]采用室內(nèi)側(cè)空氣焓差法對一臺變頻空調(diào)器進行了為期55天的在線性能監(jiān)測，空調(diào)器逐時制冷量隨室外環(huán)境溫度的升高呈現(xiàn)先增加后下降、逐時功耗呈現(xiàn)先增加后維持不變趨勢，其性能系數(shù)在1.84～3.76范圍內(nèi)；梁志豪[4]基于室內(nèi)側(cè)空氣焓差法測量結(jié)果，采用聚類分析法將空調(diào)器運行狀態(tài)分為上午高負荷模式、下午高負荷模式以及低頻平穩(wěn)模式，其中上午高負荷模式與下午高負荷模式下的空調(diào)器性能存在較大波動，EER在1.75～4.20范圍之內(nèi)，而在低頻平穩(wěn)模式下，其EER在2.90附近變化；SP研究中心的研究人員[60]采用SP Method No 1721對5臺房間空調(diào)器實際制熱性能進行了測量研究，基于秋季2次實測結(jié)果和冬季1次實測結(jié)果計算得到制熱季節(jié)性能系數(shù)位于2.4～2.7 kW·h/ kW·h之間，并指出該結(jié)果的不確定度在±20%以內(nèi)。

Yang[61]采用CEC-CVE法對1臺空調(diào)器的制冷與制熱運行性能及室內(nèi)熱環(huán)境分別進行了1個月的測量，其在制冷測量期的EER為4.0～5.0 kW·h/kW·h，而制熱COP位于2.0～4.0 kW·h/kW·h之間，結(jié)合室內(nèi)溫度分布表明，冬季熱風(fēng)上浮對室內(nèi)舒適性和空調(diào)器性能都有較大的影響。Yang[62]對落地式（定速柜機）和掛壁式（變頻掛機）空調(diào)器進行了現(xiàn)場性能測量，圖8給出了它們在不同外溫下的累計制冷量、耗電量以及能效比分布。從圖中可以看出，由于啟停損失較大，柜機在各外溫條件下的能效比EER在2.7～3.2之間變化；相比之下，變頻掛機發(fā)揮出了優(yōu)良的部分負荷和變工況性能，其最高EER達到了6.5；從全年的實測能源消耗效率APF看，也表明了變頻掛機實際性能更好，定頻柜機的APF為2.74 kW·h/kW·h，而變頻掛機APF則達到3.82 kW·h/kW·h，但二者距現(xiàn)行能效限定值（變頻掛機APF≥4.0 kW·h/kW·h；定速柜機APF≥3.2 kW·h/kW·h[63]）均存在一定差距，進一步說明使用習(xí)慣、控制方式、安裝環(huán)境等因素導(dǎo)致空調(diào)器的實際運行性能與實驗室測試結(jié)果存在較大差距，因此，探明實際運行性能更有助于改善空調(diào)器安裝條件和運行控制策略，以降低實際運行能耗。

圖8 不同空調(diào)器的能效比與室外溫度的關(guān)系

6 展望

空調(diào)器在線性能測量技術(shù)不僅能監(jiān)測空調(diào)器的實際運行能效，還能作為一種新的研究手段探明空調(diào)器的實際使用行為，為空調(diào)器的能耗預(yù)測、產(chǎn)業(yè)政策制定、產(chǎn)品與能效標準研發(fā)、室內(nèi)機氣流組織優(yōu)化設(shè)計、室外機安裝平臺設(shè)計提供重要依據(jù)。

本文較為全面地總結(jié)了空調(diào)器實際在線性能測量技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用進展。今后將在此基礎(chǔ)上開展以下工作：

（1）優(yōu)化外置式測量裝置。目前，測量裝置雖然能夠滿足經(jīng)濟、便捷、高精度要求，但還存在安裝、使用不方便的問題。為此，尚需進一步優(yōu)化外置式測量裝置，使之應(yīng)用于不同層次及不同條件下的空調(diào)器能效測量，如用戶自查、更換改造、第三方現(xiàn)場性能檢測等。

（2）推動內(nèi)置式測量技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用，通過產(chǎn)品性能的自診斷，實現(xiàn)基于“性能傳感器”的節(jié)能控制。內(nèi)置式測量裝置具有精度高、無需現(xiàn)場安裝、可規(guī)模化應(yīng)用的優(yōu)勢，與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，通過獲取大量的橫向（不同地區(qū)的產(chǎn)品）和縱向（一臺產(chǎn)品壽命期內(nèi)）實際運行數(shù)據(jù)，發(fā)展空調(diào)器的健康診斷（故障預(yù)測與診斷、性能改善）技術(shù)，為用戶提供控制策略的自動升級、節(jié)能運行提示和個性化智能服務(wù)。

（3）構(gòu)建空調(diào)器數(shù)據(jù)云平臺，從而制定節(jié)能政策、指導(dǎo)空調(diào)器的優(yōu)化設(shè)計。當內(nèi)置式測量系統(tǒng)規(guī)?；瘧?yīng)用、外置式測量裝置便捷推廣后，建立空調(diào)器數(shù)據(jù)云平臺，實現(xiàn)現(xiàn)場采集裝置、網(wǎng)關(guān)和云平臺之間的網(wǎng)絡(luò)通訊，從而服務(wù)于國家、行業(yè)、企業(yè)和用戶，尤其是指導(dǎo)空調(diào)器產(chǎn)品和能效標準的更新和能效白皮書、技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略報告等節(jié)能減排報告的發(fā)布，通過發(fā)現(xiàn)和總結(jié)實際使用中發(fā)生的共性問題，確定空調(diào)器的技術(shù)發(fā)展方向。