由早期性能標準的指標計算定頻房間空調器APF的方法

吳國明　任 滔　丁國良　成建宏

(1上海交通大學制冷與低溫工程研究所　上海　200240； 2 中國標準化研究院　北京　100191)

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由早期性能標準的指標計算定頻房間空調器APF的方法

吳國明1任 滔1丁國良1成建宏2

(1上海交通大學制冷與低溫工程研究所上海200240； 2 中國標準化研究院北京100191)

房間空調器目前同時用兩種完全不同的能效指標EER、COP指標以及APF指標來標稱空調器能效。為了便于比較不同能效指標標稱的空調器性能，需要將傳統的EER和COP能效指標轉化成APF能效指標。本文給出了一種利用GB7725—1996中EER和COP等性能參數直接計算APF的方法。該方法首先將APF轉化為關于“額定制冷量”、“額定制冷功率”、“額定制熱量”和“額定制熱功率”的函數，然后聯立EER、COP和APF的計算式消除中間變量。根據本文開發的公式，房間空調器的APF可以通過制冷和制熱的額定能力和能效進行簡單四則運算便可得到。

房間空調器；空調標準；APF；定頻

早期空調器性能國家標準“GB7725—1996房間空氣調節器”提出將額定制冷能效EER和額定制熱能效COP作為房間空調器的能效指標[1]。EER和COP指標均只由單個工況點的測試數據計算得到，不能反映空調器在不同工況下的性能變化。為了更加全面的衡量空調器的性能，修訂后的空調器性能國家標準“GB7725—2004房間空氣調節器”將全年性能系數APF作為房間空調器的能效指標[2]，其中APF通過多個工況點的能力值與輸入功率運算得到。

為了鼓勵節能空調器的開發，國家通過制訂能效等級標準，對于空調器進行能效等級的劃分，強制淘汰低能效空調器。空調器能效國家標準“GB12021.3—2010 房間空氣調節器能效限定值及能效等級”規定了如何按照EER劃分定頻空調器的能效等級[3]，“GB21455—2013 轉速可控型房間空調器能效限定值及能效等級”則規定了如何按照APF劃分空調器的能效等級、更新了APF計算所用的各個室外溫度的小時數，所用的APF計算方法適用于定頻和變頻空調[4]。

目前EER及COP指標與APF指標都有使用，導致不同廠商以及同一廠商不同類型的空調器使用不同的能效指標[5-6]。EER及COP指標和APF指標的計算方法不同，導致EER及COP指標與APF指標值之間無法直接進行比較，從而使得消費者不能根據EER、COP和APF的值直接判斷哪種空調器更加節能。為了便于判斷選擇節能的空調，需要有EER及COP與APF的換算關系。

EER及COP與APF的換算，并不能根據自身的定義直接給出。EER及COP指標只考慮單個制冷工況的性能或單個制熱工況的性能，其影響因素包括額定制冷量和額定制冷功率以及額定制熱量和額定制熱功率[7]；APF指標同時考慮多個制冷工況和制熱工況的性能，其影響因素包括全年所有工況的性能，以及全年的運行室外溫度和對應的小時數[5-7]，并通過復雜的計算得出。EER及COP指標和APF指標的定義包含的影響因素不同，導致EER及COP指標與APF指標值之間無法直接進行換算。

對于EER、COP和APF的換算關系，目前的研究只分析了APF指標和其他性能指標的影響因素[8]，APF與空調器各部件的關系[9-11]以及APF各測試工況點的權重[7, 12]，但是沒有文獻能夠給出EER、COP與APF直接換算的簡單方法。GB7725—2004標準中也沒有給出利用EER、COP直接計算APF的方法。

本文的目的是提出利用早期標準GB7725—1996中的EER、COP等性能指標，得到APF的換算方法。

1 利用GB7725—1996中的性能參數計算APF的思路

性能國家標準GB7725—1996中的性能參數主要有：1)EER、2)COP、3)額定制冷量φcr、4)額定制熱量φhr、5)額定制冷功率Pc、6)額定制熱功率Ph，如公式(1)[1]和公式(2)[1]所示。

(1)

(2)

新的性能國家標準GB7725—2004中定義的APF定義為公式(3)[2]。

(3)

式中：CSTL為制冷季節總負荷；HSTL為制熱季節總負荷；CSTE為制冷季節耗電量；HSTE為制熱季節耗電量。

由式(3)可知，APF并不能依據GB7725—1996中給出的各個性能參數直接計算。

本文的目的是利用GB7725—1996中各個性能參數建立APF的關系式。即使不能建立嚴格的關聯式，也要建立盡可能精確的近似關聯式。

所采用的方法是，先將APF定義式中所含的四項參數盡可能轉化為GB7725—1996中的性能參數的函數，然后再給出APF與GB7725—1996中性能參數的函數。

2 APF推導為GB7725—1996中的性能參數的函數

2.1 制冷季節總負荷推導為GB7725—1996中的性能參數的函數

根據GB7725—2004，制冷季節總負荷CSTL由公式(4)計算，該公式中的相關變量由公式(5)～(8)給出[2]。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

將公式(5)～(8)依次代入公式(4)，可以得到制冷季節總負荷CSTL關于額定制冷量的函數，如公式(9)所示。

CSTL=626.67×φcr

(9)

表1 制冷工況下各個室外溫度的小時數[4]

2.2 制熱季節總負荷推導為GB7725—1996中的性能參數的函數

根據GB7725—2004，制熱季節總負荷HSTL由公式(10)計算，該公式中的相關變量由公式(11)給出[2]。

(10)

(11)

式中：tj是室外溫度， ℃；nj是各個室外溫度的小時數，h，取值如表2所示；BLh(tj)是建筑熱負荷，W；φcr是額定制冷量，W。

將公式(11)帶入公式(10)，可以得到制熱季節總負荷HSTL關于額定制冷量的函數，如公式(12)所示。

HSTL=368.29×φcr

(12)

表2 制熱工況下各個室外溫度的小時數[4]

2.3 制冷季節耗電量推導為GB7725—1996中的性能參數的函數

根據GB7725—2004，制冷季節耗電量CSTE由公式(13)計算，該公式中的相關變量由公式(14)～(17)給出[2]。

(13)

(14)

(15)

PLF(tj)=1-0.25[1-X(tj)]

(16)

(17)

將公式(14)～(17)依次帶入公式(13)，可以得到制冷季節耗電量CSTE關于額定制冷功率的函數，如公式(18)所示。

CSTE=618.85×Pc

(18)

2.4 制熱季節耗電量推導為GB7725—1996中的性能參數的函數

根據GB7725—2004，制熱季節耗電量HSTE由公式(19)～(26)給出[2]。

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

PLF(tj)=1-0.25[1-X(tj)]

(24)

(25)

(26)

將公式(20)～(26)依次帶入公式(19)，并聯合公式(1)和(2)，可以得到制熱季節耗電量HSTE初步化簡成關于“額定制冷功率”，“額定制冷量”和“額

定高溫制熱量”的函數，如公式(27)所示。

2.5 APF計算式的推導結果

將公式(9)、公式(12)、公式(18)和公式(27)帶入公式(3)，并與公式(1)和公式(2)聯立求解可以得到APF的計算公式(28)，其中室外溫度tj和小時數nj的取值如表2所示。

(27)

(28)

3 APF計算式的近似化簡

本文的目標是要建立APF與GB7725—1996中的性能參數的簡單函數。已推導得到的APF計算式(28)中，變量A還是比較復雜的計算式，還需要進一步化簡。

由于式(28)中，tj、nj是取值已知的常數，因此變量A是關于φhr/φcr的一元函數。將tj、nj代入式(28b)計算，可以繪制得出A與φhr/φcr的關系曲線接近線性，如圖1所示。

通過數據擬合，得到變量A的計算公式(29)。

(29)

圖1 變量A在不同φhr/φcr下的取值Fig.1 The value of A under different φhr/φcr

將公式(29)帶入公式(28)可得APF的簡化計算公式(30)。

(30)

APF的近似公式(30)的誤差由公式(31)計算。

(31)

APF的近似計算誤差僅由公式(29)中變量A的擬合誤差導致。由于變量A是APFfit分母的一部分，因此APF的近似計算誤差小于A的擬合誤差±0.77%。

APF的計算公式(30)的計算誤差在±0.77%以內。

4 房間空調器的能效指標換算案例

下面基于市場上比較有代表性的空調器數據，由上述方法，給出由不同EER值對應的APF值。

房間空調器能效指標換算的三個輸入參數為EER、COP和φhr/φcr。EER按照能效等級1級、2級和3級的EER限定值分別取為3.6、3.4、 3.2[3]。

額定高溫制熱量，按GB7725—2004規定不小于額定制冷量[2]，即φhr/φcr>1；市場上大部分空調器的φhr/φcr在1.1左右。下面計算時取φhr/φcr分別為1.0、1.1、1.2。

COP與EER的關系，在GB7725—2004中并未明確規定。按照市場上的產品調研，房間空調器的COP比EER高0～0.4左右[13]，故下面計算時COP的值分別取為比EER高0、0.2、0.4的值。

房間空調器的APF值在不同輸入條件下計算得出的結果如表3所示。

5 結論

1) 對于定頻空調器的性能指標來說，APF較EER更為合理；APF的準確計算，可根據GB7725—2004 的定義，以及GB21455—2013對各個室外溫度小時數的規定進行。

2) 定頻空調的APF可以由早期標準GB7725—1996中的EER、COP、額定制冷量、額定高溫制熱量近似計算獲得；本文所給出的APF近似計算公式，其計算精度在常用的空調器性能數值范圍內，誤差小于±0.77%。

3)根據本文提供的APF近似計算方法，GB12021.3—2010劃分的定頻空調器能效等級對應的APF范圍如下：一級能效(EER為3.6)對應的APF范圍是2.81～3.26；二級能效(EER為3.4)對應的APF范圍是2.68～3.11；三級能效(EER為3.2)對應的APF范圍是2.55～2.95。

表3 不同能效等級空調器的APF值

[1]中國國家標準化管理委員會. GB7725—1996 房間空氣調節器[S].北京：中國標準出版社，1996.

[2]中國國家標準化管理委員會. GB7725—2004 房間空氣調節器[S].北京：中國標準出版社，2004.

[3]中國國家標準化管理委員會. GB12021.3—2010 房間空氣調節器能效限定值及能效等級[S].北京：中國標準出版社，2010.

[4]中國國家標準化管理委員會. GB21455—2013 轉速可控型房間空調器能效限定值及能效等級[S].北京：中國標準出版社，2013.

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About the corresponding author

Ding Guoliang, male, Ph. D. / professor, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, +86 21-34206378, E-mail: glding@sjtu.edu.cn. Research fields: Simulation and optimization research for room air conditioner and utilization of new refrigerant.

A Method to Evaluate APF for Room Air Conditioner with on/off Compressor by Using Rated Performance Data

Wu Guoming1Ren Tao1Ding Guoliang1Cheng Jianhong2

(1.Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China；2.Chinese National Institute of Standardization, Beijing, 100191, China)

Two different energy efficiency indices EER, COP and APF are both used to evaluate the energy efficiency of room air conditioners, nowadays. In order to compare which air conditioners are more energy-saving, the traditional energy efficiency index EER and COP need to be transformed to APF. This paper presents a method to evaluate APF for room air conditioner by using EER and COP. In the method, APF is transformed to equations referenced to the same intermediate variables including cooling capacity and power consumption under standard condition at first, and then combing the equations of EER and APF to eliminate the intermediate variables. The equation has the capability to calculate APF of room air conditioners with on/off compressor by the energy efficiencies of cooling and heating modes.

room air conditioner; standard of air conditioner; APF; constant-speed

0253- 4339(2016) 03- 0088- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.03.088

2015年10月14日

TB657.2

A

簡介

丁國良，男，教授，博士生導師，上海交通大學機械與動力工程學院， (021) 34206378，E-mail：glding@sjtu.edu.cn。研究方向：制冷空調裝置的仿真、優化與新工質應用。