變頻空調器能效的地域差異研究

(1 北京工業大學環境與能源工程學院 北京 100124； 2 中國標準化研究院 北京 100191)

隨著技術的進步和人們生活水平的提高，變頻房間空調器(簡稱：變頻空調器)在我國的應用越來越普遍。2007-01—2015-06，國內累計銷售變頻空調器3.26億臺[1]，龐大的使用量同時也意味著巨大的能源消耗。為了減少能源消耗，促進產品節能減排，我國從2008年開始制定并逐步完善變頻空調器的能效標準[2]。目前實行的是《GB 21455—2013轉速可控型房間空氣調節器能效限定值及能效等級》[3]，該標準中以制冷季節能效比SEER來評價單冷型變頻空調器，以全年能源消耗效率APF來評價熱泵型變頻空調器。SEER與APF的計算需要用到變頻空調器的測試數據(制冷能力、制熱能力、功率等)及運行時間曲線(也稱溫度發生時間)數據。前者的獲取較為簡單，而后者則相對困難。運行時間曲線的含義是變頻空調器在不同溫度段內的運行時間，因此它既受地域因素(地域不同可能導致氣象數據不同)的影響，也受用戶使用習慣(開機溫度和運行時間等)的影響[4]。

近年來各國學者格外關注用戶使用習慣對房間空調器能效的影響[5-10]。相比于用戶使用習慣，地域對運行時間曲線的影響較容易考慮，只需將全國劃分成幾個氣候相近的區域并分別規定其運行時間曲線。美國標準[11]將全國劃分成6個地區對應不同的運行時間曲線，用來分別計算房間空調器在不同地區的SEER和制熱季節能源消耗效率HSPF。日本也將本土劃分為5個區域[12]，房間空調器制冷運行時所有區域均用一組運行時間曲線，而制熱運行時則將5個區域進一步劃分為溫帶區和寒帶區，并分別規定兩組不同的運行時間曲線來計算SEER和APF。與美國和日本形成鮮明對比的是，目前GB 21455—2013中并沒有對全國進行地域劃分，給出的時間曲線是全國通用的，其中制冷時間為1 136 h，制熱時間為433 h[13]。

顯然，這一點是現階段能效標準中存在的問題。早期國內學者通過實際測試[14]和理論計算[15]驗證了SEER在少數典型城市的地域差異性。之后有學者[16-18]通過實際調研的方式對個別地區的空調器運行時間曲線進行研究，均發現實際獲得的時間曲線與國標中規定的時間曲線有較大差別。雖然發現變頻空調器能效地域差異的存在，但他們的研究均只得到少數幾個城市的時間曲線數據，覆蓋范圍不夠廣泛和全面，缺乏說服力；且研究均關注于能效的影響因素及如何提升能效[15,18]，并未從能效標準層面提出針對地域差異的解決措施。隨著技術的提高，變頻空調器的能效已經達到很高的水平，解決能效標準中忽視地域差異的問題與繼續提高空調器能效相比，將更有助于節能減排目標的實現。

本文采用國標規定的APF計算方法，以理論選取和抽樣調查兩種時間曲線數據對不同容量、不同能效變頻空調器在全國5個建筑氣候分區的能效地域差異進行分析研究，并提出針對地域差異的解決措施。

1 研究方法

1.1 變頻空調器參數確定

研究采用3種能效等級(1級、2級、3級)及3種制冷量(1、1.5、2 HP)對應的9種熱泵型變頻空調器。根據實際變頻空調器的檢測數據得到其性能參數，如表1所示。

表1 變頻空調器性能參數Tab.1 Performance parameters of inverter air anditioner

1.2 時間曲線獲取

在本次計算中，分別采用理論選取和抽樣調查兩種方式得到時間曲線。

1)理論選取。

不同地區的典型年氣象數據由《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》[19]獲得。在此基礎上，為完成時間曲線的統計還需進一步假設用戶使用習慣，即冬夏兩季的空調開啟溫度及空調運行時間段，具體設定為：

制冷季節：房間空調器制冷運行的日期段，參照《GB 17758—2010單元式空氣調節機》[20]中的定義，分別取日平均氣溫超過24 ℃第3次的當天開始至日平均氣溫超過24 ℃最后一天向前數第3次當天為止。

制冷季節內，分別取00∶00—23∶00時間段內室外環境溫度≥24 ℃的時間作為制冷季節溫度發生時間即開機制冷時間。

制熱季節：房間空調器制熱運行的日期段，分別取日平均氣溫低于16 ℃第3次的當天開始至日平均氣溫低于16 ℃最后一天向前數第3次當天為止[19]。

制熱季節內，分別取06∶00—23∶00時間段內室外環境溫度≤16 ℃的時間作為制熱季節溫度發生時間即開機制熱時間，如果該城市冬天有集中供暖則需減去相應的時間。

為了得到更加全面、準確的時間曲線數據，選取城市包括所有中國直轄市、省會城市及其他重要城市等共計55個，包含中國5個建筑氣候分區。其中夏熱冬暖地區7座、夏熱冬冷地區18座、溫和地區3座、寒冷地區17座、嚴寒地區10座。將每個分區內的所有城市的時間曲線求時間加權平均值，得到5個分區及全國的變頻空調器制冷、制熱運行時間曲線，如圖1所示。

圖1 理論制冷與制熱運行時間曲線Fig.1 Theoretical refrigeration and heating running time curves

2)抽樣調查。

除了理論選取獲得時間曲線外，本文利用Wu Jianghong等[17]對全國范圍內的空調器進行實際調研后得出運行時間曲線。選擇了寒冷地區的北京、青島，夏熱冬冷地區的武漢、上海、杭州、成都，夏熱冬暖地區的廣州共計7座城市，對其中400戶家庭的房間空調器進行了為期15個月(2009-07—2010-10)的監測，得出我國不同地區的時間曲線，如圖2所示。

圖2 抽樣制冷與制熱運行時間曲線Fig.2 Sampling refrigeration and heating running time curves

1.3 能效計算

將上述各地區的變頻空調器制冷、制熱季節運行時間曲線及變頻空調器的性能參數代入《季節能效比計算軟件》中，可以得到不同容量、能效等級的變頻空調器在不同地區的能效。軟件截圖見圖3。

圖3 變頻空調器季節能效比計算軟件Fig.3 Seasonal energy efficiency calculation software of inverter air conditioner

2 結果與分析

理論時間曲線得出的9種變頻空調器在不同地區的APF差異如圖4所示。

圖4 理論時間曲線所得APF地域差異Fig.4 APF regional difference obtained from theoretical time curves

由圖4可知，不同容量、不同能效的9種變頻空調器的APF均因地域差異而產生了變化，且變化趨勢相同。APF在夏熱冬暖地區達到最高，夏熱冬冷地區出現大幅下降并在溫和地區達到最低值。之后，APF又在寒冷地區再次升高，嚴寒地區再次下降。由以上5個建筑氣候分區的時間曲線求時間加權平均，可以得到全國的APF數據，圖中該數值位于寒冷地區與嚴寒地區的APF之間。同一變頻空調器在不同地區的APF差異最大值均為夏熱冬暖地區與溫和地區之差，其中3號空調器APF差值最大為1.33，9號空調器APF差值最小為0.54。

圖5所示為抽樣時間曲線所得APF與地域關系，也體現出了APF的地域差異。APF在華南地區達到最高，華東地區其次，華中地區最低，由以上3個地區的時間曲線求時間加權平均，可得全國的APF數據，圖中該數值位于華東地區與華南地區的APF之間。同一變頻空調器在不同地區的APF差異最大值均為華南地區與華中地區之差，其中3號空調器APF差值最大為1.86，9號空調器APF差值最小為1.18。

圖5 抽樣時間曲線所得APF地域差異Fig.5 APF regional difference obtained from sampling time curves

由圖4和圖5的全國APF數據對比可知，雖然理論結果與抽樣結果均體現出變頻空調器APF的地域差異，但具體到某一城市的APF，兩者存在一定差異。這種情況的產生是時間曲線的差異導致，理論時間曲線的獲取是在假設用戶使用習慣(開機溫度與開機時長等)的基礎上得到的，與真實情況必然存在著一定的差異；而抽樣調查獲得的時間曲線則更接近該地區用戶的真實使用情況。

同一臺變頻空調器在我國不同地區APF可能會存在很大差異。一臺由全國統一的時間曲線計算APF達到能效限定值的變頻空調器，在實際使用中，可能會出現APF大幅下降甚至低于市場準入能效限定值的情況，圖4中的溫和地區、圖5中的華中地區均屬于這種情況。我國有5個建筑氣候分區，即使在同一氣候分區中不同城市之間的時間曲線也可能產生較大差異。因此變頻空調器在實際使用中的能效地域差異可能會比圖4、圖5中的結果更加顯著。這種情況下，能效標準中采用一組時間曲線來評價變頻空調器顯然是不合理的，應進行分區評價。

3 地域差異的應對策略

能效標準應該針對全國范圍內變頻空調器的環境影響程度進行控制和考量，文中只討論地域差異的情況下，這種影響程度可以用APF衡量。雖然在分區評價的思路下，各區域計算變頻空調器能效的時間曲線各不相同，但顯然能效標準對變頻空調器影響環境程度的控制應一致，即工作在全國各區域的變頻空調器的能效限定值和節能評價值一致，對于熱泵型空調器而言，即要求APF一致。因此對于熱泵型變頻空調器的能效評價，單獨依靠APF指標并不能對地域進行區分，為了體現不同區域的制冷、制熱特點，需要增加SEER或HSPF指標作為補充。

全年能源消耗效率APF為：

(1)

式中：ATL為全年總負荷，kW·h； APC為全年耗電量，kW·h；CSTE為制冷季節耗電量，kW·h；HSTE為制熱季節耗電量，kW·h；CSTL為制冷季節負荷，kW·h；HSTL為制熱季節負荷，kW·h。

特別當變頻空調器的SEER與HSPF相等時由式(1)可得：

(2)

對于某一確定區域容量確定的變頻空調器而言，其全年及制冷、制熱季節的負荷不變，此時設定某一APF為全國共同參照的能效標準值，則根據式(1)可得該容量變頻空調器在該地區實現能效達標時對應不同的SEER、HSPF，從而解決地域差異引發的能效差異問題。

以制冷量為1 HP的4號變頻空調器理論時間曲線為例，將其理論全國APF=4.30設定為能效標準值。全國及5個建筑氣候分區的負荷等數據如表2所示。

表2 制冷量為1 HP的變頻空調器理論地域負荷Tab.2 Theoretical regional load of 1 HP refrigerating capacity inverter air conditioner

將表2中的數據代入式(1)，可得5種應用于不同建筑氣候分區制冷量為1 HP且APF均為4.30的變頻空調器SEER與HSPF的關系式，如表3所示，關系曲線如圖6所示。

表3 不同地域SEER與HSPF關系式Tab.3 Regional relations between SEER and HSPF

圖6所示為雙曲線中處于第一象限的半支，可知5個區域的曲線均相交于A點，即上文提到的APF=SEER=HSPF=4.30的特殊情況。對于A點上方的曲線即SEER>4.30、HSPF<4.30，當5個區域空調器的SEER、HSPF分別相等時，HSPF、SEER取值由大到小順序一致，依次為溫和地區、夏熱冬冷地區、嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬暖地區。對于A點下方的曲線即SEER<4.30、HSPF>4.30，當5個區域空調器的SEER、HSPF分別相等時，HSPF、SEER取值由大到小順序一致，但與A點上方順序正好相反。原因是，不同地域制冷負荷、制熱負荷占全年總負荷的比例不同。以夏熱冬暖地區和溫和地區為例，由表2可知前者的制冷負荷占總負荷比例大，后者的制熱負荷占總負荷比例大。當兩地區空調器的SEER相等且高于4.30時，其對前者空調器的制冷正面影響大于對后者空調器的影響，因此前者制熱HSPF小于后者；當兩地區空調器的SEER相等且低于4.30時，其對前者空調器的制冷負面影響大于對后者空調器的影響，因此前者制熱HSPF高于后者。

對于不同區域的變頻空調器只要其SEER和HSPF處于對應區域曲線上，則該空調器就滿足APF=4.30的要求。但由表1和表4可知，一般變頻空調器的SEER高于HSPF，且SEER高的空調器HSPF也較高。因此并非曲線上的任何一點都在實際中有性能與其相對應的變頻空調器。

本文從實際變頻空調器中選取5臺大致符合表3中各建筑氣候分區關系式的1 HP機，計算其在理論時間曲線下，采用全國統一評價(利用理論全國時間曲線)與各地分區評價(利用各地區理論時間曲線)的APF數據。5臺變頻空調器的參數如表4所示，計算結果如圖7所示。

表4 實際選取的變頻空調器性能參數Tab.4 Performance parameters of selected real inverter air conditioner

圖7 實際選取變頻空調器的理論APF結果Fig.7 Theoretical APF values of selected real inverter air conditioner

由表4和圖7可知，對于編號10～14的5臺變頻空調器，以統一理論全國時間曲線計算的APF各不相同，其中10號與13號空調器未達到4.30的標準，其余3臺的能效則高出了標準值。但對上述5臺空調器以應用地區的理論分區時間曲線計算APF時，由于它們的理論分區SEER、HSPF滿足表3中的關系式，所以各區域計算出的APF在保留兩位有效數字之后均為4.30，實現了能效的統一達標。同時上述情況也再次證明：全國統一評價時APF達標的變頻空調器，在實際應用于不同地域時，可能會出現APF大幅下降甚至低于能效限定值的情況，即圖7中的夏熱冬冷、寒冷和嚴寒地區。

4 結論

本文采用我國現行變頻空設計器能效標準《GB 21455—2013轉速可控型房間空氣調節器能效限定值及能效等級》中規定的APF計算方法，分別對不同容量、不同能效的變頻空調器在不同地域下所產生的能效差異進行了分析，得到如下結論：

1)變頻空調器能效的地域差異存在且顯著，根據本次抽樣調查時間曲線數據計算結果，3號空調器在華南地區與華中地區的APF差值達到1.86，實際情況中APF地域差異可能會更大。

2)目前采用一條時間曲線來計算全國范圍內變頻空調器的能效數值是不合理的。能效標準雖然對全國范圍內變頻空調器環境影響的限制應相同，但更應體現出不同地域對應的不同制冷和制熱特點。因此，能效標準在設定時除了全國統一的APF之外，還應再增加不同地域所應參照的SEER、HSPF。該數值可在不同地域時間曲線得出對應的制冷和制熱負荷基礎上，根據APF標準值和其與SEER、HSPF的關系式，再考慮生產技術現狀、成本等因素的情況下最終確定。