空调温度不低于26℃的规定下对机组IPLV的探讨

马一太 田 华 李敏霞

(天津大学热能研究所 天津 300072)

随着我国经济发展和城市化的进程，中央空调的应用越来越多，我国的大城市相应的电耗已占总电量的20%～30%，加剧我国的能源紧张和大气污染。为促进中央空调的节能，在制定冷水机组的能效标准时，除额定工况下EER值应有限定外，在部分负荷下的EER值也应得到重视。美国相关标准中提出的冷水机组的综合部分负荷值IPLV(Integrated Part Load Value)的概念类似家用空调中的季节能效比SEER。IPLV在1986年起源于美国，1988年被ARI采用，1992年和1998年进行了两次修订。目前全美主要的冷水机组制造商一致通过了1998年版的IPLV。IPLV作为冷水机组的能耗考核指标已被广泛采用，当今采用IPLV的有ASHRAE90.1建筑节能标准、FEMP(美国联邦能源管理程序，作为采购冷水机组的标准)、多数美国建筑节能标志、加拿大建筑节能标志等；拟采用的有ISO全球冷水机组标准(TC86/SC6/WG9)、欧洲冷水机组标准(EECCAC)、英国冷水机组标准(London)和意大利冷水机组标准(EMPE)[1,2]；可以说IPLV已在全世界得到了认可。我国也开展了适用于我国的IPLV的制定工作，在能效标准方面，只是仅在多联机系统上开始使用。

提出测量IPLV的目的是进一步挖掘冷水机组的节能潜力。众所周知环境气温是周期性变化的，绝大多数地区夏季高温天气只占很小的比例，而且各地的气象参数虽不相同，但其变化规律即温度—小时数有一定的相似性，可以认为空调设备大多数时间是在部分负荷下工作的。

1 IPLV的节能意义

图1和图2是美国和中国的温度带划分图[2]，表1是我国八个典型城市的夏季温度-小时数[3]。可以看出额定工况(或超过)的小时数很少。

图1 美国温度带划分图Fig.1 Division of temperature belt in U.S.

图2 中国温度带划分图Fig.2 Division of temperature belt in China

表1 我国八个城市30年气象资料(单位:小时)Tab.1 Weather data during 30 years of eight cities in China

为了在空调设备中体现节能的原则，首先应提高设备在额定负荷下EER，这是最基本的保障。然后在部分负荷下，有如下提高性能系统的措施：

1)环境温度较低时可以降低冷却水的温度，即降低冷凝温度；

2)由于部分负荷下压缩机和两个换热器有一定的余量，在较小的冷热量输出时可减小换热器的传热温差，即适当提高蒸发温度或降低冷凝温度，可以减小压缩机的压缩比；

3)较低负荷下制冷剂的流量较小，换热器和管路流动损失较小，也可减小压缩比，有关的分析结果可以直观地从图3得出。

图3 额定负荷与部分负荷工况分析Fig.3 Analysis to work condition of rating load and part load

在空调工况下，冷凝温度降低1℃或蒸发温度升高1℃，EER可提高4%～5%。可以说在部分负荷下通过调节和优化蒸发温度和冷凝温度来取得最佳的EER，主要是采用微电子控制技术来实现，在部分负荷下有比额定负荷下更高的EER，即可以得到高的IPLV值。这包括压缩机容量控制、数据采集系统、电子膨胀阀、变频器控制水泵等措施。可以说额定负荷下EER体现了设备机械制造水平，IPLV体现了设备的电子控制水平。

我国有关IPLV的讨论由来已久[3]。较简单的空气-空气制冷(热泵)系统用于家用空调、单元式空调或多联机，中间没有蓄能或二次换热，其SEER或IPLV意义非常显现，需要考核主机变容量下的能效比。由于冷水(热泵)机组还要有一个外围的水系统才能实现制冷空调，而且往往是多台机组关联工作，机组的IPLV显得不太重要，一个主要的理由是，如果能将多台冷水机组都工作在最佳EER下，再由水系统调配制冷量大小，也能实现高效的季节供冷[4]。

我国近年来为了在空调领域落实“节能减排”，2007年国务院办公厅关于严格执行公共建筑空调温度控制标准的通知提出空调温度不低于26℃的指标。通知规定“所有公共建筑内的单位，包括国家机关、社会团体、企事业组织和个体工商户，除医院等特殊单位以及在生产工艺上对温度有特定要求并经批准的用户之外，夏季室内空调温度设置不得低于26摄氏度，冬季室内空调温度设置不得高于20摄氏度。”这个规定将显著节省我国空调和采暖的能量，在原则上是可行的，但是在具体操作中会遇到很多有待解决的问题。26℃或更高的温度，可能是原设计负荷为50%和25%冷量范围，可以不供冷(但可能还需要除湿)，这与原来的运行模式有很大的不同。这里将对此进行探讨。

2 IPLV的测试和计算方法

2.1 IPLV的理论基础

IPLV的概念来自美国，ARI550/590－98给出了IPLV的计算公式：

式中：A－机组在100%容量且部分负荷条件下的能效比；B－机组在75%容量且部分负荷条件下的能效比；C－机组在50%容量且部分负荷条件下的能效比；D－机组在25%容量且部分负荷条件下的能效比。

这个加权系数，据说是综合了美国19个城市的条件得出的。事实上，很少有机组能恰好运行在上述四个工况点，为此在计算IPLV时要先把不在标准指定的工况点下的能效比换算成那四个点的能效比，ARI550/590－98也给出了相应的计算方法。

美国以外的一些国家和地区也提出了IPLV计算公式，这些公式的结构与美国的类似，不同之处在于部分负荷下的权重不同，见表2。

表2 不同国家和地区的IPLV负荷权重Tab.2 Load weight to IPLV in vary countries and regions

除冷水机组外，单元式空调机也能采用IPLV能耗指标，但它的计算方法与冷水机组的不同，ARI210/240－03公式为：

式中：PLF－部分负荷因子，按图4取值；n－可调节的容量总数；下标1代表100%容量且在部分负荷条件下；下标2，3等代表指定容量且在部分负荷条件下。而图4的曲线，是一个精确的幂函数方程。

图4 部分负荷因子曲线(资料来源：ARI550/590-98)Fig.4 Curve of part-load factor (source: ARI 550/590-98)

为了对IPLV有一个直观认识，以某制冷量为1342kW水冷式冷水机组为例来具体说明。以满负荷时EER为5.57/(W/W)的情况为计算起点，四个部分负荷点的EER使用机组容量控制模型计算，以ARI550/590－98规定的部分负荷性能测试条件作为输入参数来模拟计算。然后以不同国家和地区的IPLV公式来计算相应的IPLV，结果见表3。

表3 IPLV算例分析Tab.3 Example analysis of IPLV

由表3可看到，不管采用哪个IPLV公式计算，IPLV都比EER高14%～20%，这就是说在设备制造水平一定时，采用运行调节方法还可有较大的节能空间。不同国家和地区的IPLV不同说明同一台设备在不同的运行条件下实际能耗是不同的，但前提是制冷系统具有运行参数调节和优化的功能。

我国《公共建筑节能设计标准》GB 50189－2005第5.4.6条规定了冷水(热泵)机组综合部分负荷性能系数；5.4.7条规定了计算公式：

其中：A、B、C、D：100%、75%、50%、25%时COP(EER)。

我国修订国标 GB/T18430.1－2007《蒸气压缩循环冷水(热泵)机组工商业用和类似用途的冷水(热泵)机组》，接受了上述公式[5,6]。

显然，考察单台的性能，采用COP和IPLV两个指标比仅用COP更加科学。所以美国的SHRAE 90.1-2001标准在规定机组的最低性能门槛值时，采用了COP和IPLV两个指标来进行判定，见表4。

表4 SHRAE90.1-2001对冷水机组的最低能效要求Tab.4 The minimum allowable values of the energy ef fi ciency for water chillers in SHRAE90.1-2001

通过表4可以给出一个初步结论，当采用往复式压缩机时，IPLV比COP提升得较多，螺杆式压缩机为中等水平，到离心式压缩机，IPLV比COP提升有限。IPLV/COP依次从最高值1.2到中值1.16，再到最低值1.05。目前很少有用活塞机作为较大容量的冷水(热泵)机组，这里不作讨论。螺杆机是用于中型到大型冷水(热泵)机组的范围，而且螺杆机通过用滑阀改变制冷剂流量，可以在较大范围内保持高的EER，特别明显是在50%～70%得到最高的EER值。离心机采用关闭进气导叶减小工质流量，原理上是不适合大幅度改变制冷剂流量，当制冷量小到45%时就会发生喘振，只好采用牺牲效率的热气旁通方式来减小输出，这可能是离心机IPLV/EER比值偏低的原因。近年出现变频式离心机组，叶轮的转速可以改变。这是从原理上改变离心机的压缩比和工质流量，可以较理想地提高较低负荷时的效率。

3 对IPLV的深入了解

美国一直是世界上采用各种空调和热泵最多的国家，在部分负荷运行方面积累了很多经验，包括提出IPLV和SEER两种部分负荷的综合能效比的概念。这些经验有的是可借鉴的，有的不一定适合我国的情况[7]。

可以推测，公式(1)应来自传统的活塞机组。早年活塞式4、8缸的多缸机在部分负荷时一般是按100%、75%、50%、和25%方式工作的，这个习惯影响到早期的螺杆机也设计成四个固定的容量。而离心机组由于喘振问题，变负荷最少到40%，而且COP会大大下降，再往下因喘振就不能正常工作，只能用热气旁通的方式，估计这个公式的适应性就得少25%负荷一项，但很少有资料或论文研究这个问题，这方面的理论研究比较缺乏，大多研究报告都是不假思索地用现成的IPLV公式。

图4曲线多用于单元式空调和空气源热泵的变工况季节能效比SEER计算，也可用于计算IPLV，但得用公式(2)来定义，即可以有多个负荷点[8,9]。将图4逆时针转动90º，可发现这是一个空调(或采暖)的部分负荷曲线。这说明IPLV与SEER本质上是一回事，只不过在不同的产品系列(或不同的行业)有不同的表现形式。如果把冷水机组的4个负荷点排在这个图上，用四个矩形来代表负荷曲线下的面积，可以说这只不过是用很粗糙的方式来满足负荷的要求，如图5所示。比如某机组有45%的时间机组工作在50%的负荷下，实际是在37.5%～62.5%范围内，如果用固定不变的50%出力，必然出现超量或不足。当然，现代空调热泵机组大多都能无级调节容量，A、B、C、D只是一种公式的形式，不会这么死板地分级调节。

图5 部分负荷曲线与4个部分负荷Fig.5 The four part-loads and its curve

严格说起来，如果系统在4个工况点出现超调或不足，可能会轻微地影响空调的舒适度，通过非常精确的控制系统，可以由送冷冻水系统再次调节。

这里得出的第一个见解是世界各国，也包括中国没有必要形而上学地再研究A、B、C、D的四个系数，也没有必要重新推导PLF曲线[10]。世界各地都能导出当地的PLF曲线，其外形有相似性。它们的变化，只很小地改变了IPLV与COP的比值，包括中国给出新的加权系数，比美国的系数只不过改变了小数点后的第二位，对IPLV的计算几乎没有作用。而一个国家从若干个城市气候条件回归出来的部分负荷特性，在代表性方面很难全面。

第二个见解是空调50%以下的负荷运行，在我国绝大多数公共建筑不低于26℃的规定下是否有必要？对比一下ARI550/590-98给出的运行条件，如下：

A = EER@ 100% 负荷，29.4ºC(85ºF)ECWT(冷凝器进水温度)

B = EER@ 75% 负荷，23.9ºC(75ºF)ECWT

C = EER@ 50% 负荷，18.3ºC(65ºF)ECWT

D = EER@ 25% 负荷，18.3ºC(65ºF)ECWT

当环境温度已经低于26℃，C工况和D工况当冷却塔可以给出18℃出水时，按我国的规定这样的环境温度可能不需要空调机运行，至少25%负荷可能没有实际意义。

第三个见解是要特别注意空调或热泵机组的负荷特性，是不是能很好地跟随负荷的变化，给出合适的冷(热)量。也就是通常据说的变容量调节功能。这个功能最好是无级的。在设计空调或热泵机组时，应将COP的最大值，设计在50%～70%容量处。这应该容易做到，因为在容量下降时，换热面积相对增加了，两器的传热温差减小了，压缩比可以小一些。当然在压缩机的性能方面也有潜力，如果是转速可调的压缩机，应该将能效比最高的转速设计在50%～70%容量处。螺杆机的滑阀调节也可有类似的追求。如图6所示。

图6 理想机组的部分负荷COPFig.6 COP on part load of ideal units

第四个见解是目前IPLV的计算只考虑了气候条件所带来的部分负荷权重系数，实际上脱离气候条件的部分负荷运行也是存在的。当冷凝器进水温度高于29.4ºC 时，目前的IPLV公式按照100%负荷计算权重系数，然而可能会因为需要导致机组运行在部分负荷条件下。也就是说，当气候条件一定时，机组压缩比相对一致，而此时需要部分负荷，如何能使机组高效运行呢？采用多机头可以有用，通过开停机头的数量能调节上述原因造成的负荷变化，使得机组始终处在高效运行的工况下。另外，IPLV仅是评价单台冷水机组在满负荷及部分负荷条件下按时间百分比加权平均的能效指标，不能准确反映单台机组的全年能耗，因为它未考虑机组负荷对冷水机组全年耗电量的权重影响。

第五个见解是在许多情况下，IPLV不一定仅仅是制冷(热泵)机组的性能，而可以延伸到一个制冷(热泵)系统下的性能。这点在离心机上体现得比较明显。离心机不适合小负荷下工作，其EER或COP可能是在100%负荷条件下最高，实际上又大多工作在部分负荷下。最好的解决办法是：多台离心机并联工作，可以逐台工作；或是离心机与螺杆机并联工作，离心机分段工作，用螺杆机无级调节的功能；如果空调系统只有一台离心机，可设计较大的贮水箱，离心机满负荷工况下高EER工作，但采用开停控制，而水系统一直运行并进行变流量的调节。

第六个见解是在理论研究上将SEER和IPLV的计算和检测方式合并考虑[8]。这两个指标都是分析部分负荷时用的，一个出自家用空调，一个出自冷水机组并推广到多联机。由于不同的生产企业的专家往往坐不到一起，两种指标的测量和计算出现差距，特别在标准中可能有不同的基准，一台可以用两种方式评价的设备，可能会得到不同的结果。SEER和IPLV指标，主要为促进制冷与热泵系统在“容量调节”方面的技术进步，即研究各种能在部分负荷下，通过充分利用两器的换热面积减小压缩比来提高瞬时EER的技术。如压缩机交流变频技术、直流变速技术、数码涡旋压缩机技术、多压机技术，螺杆压缩机的滑阀变容量或变频技术、离心压缩机进气阀调节或变频技术、混合工质变浓度技术等，还要有对应的电子膨胀阀调节技术和风机水泵变流量技术。这些不同的方案在技术层面上各有千秋，有的方案被称为VRV、VFV，但其目的是一致的[11-12]。

最后再强调，根本没必要掉进制定标准温度带和A、B、C、D加权系数的“旋涡”，关键是要研究好什么是最佳的容量调节技术。这是指从尽可能小的部分负荷率一直到100%额定负荷条件下，空调系统都可以达到最好的瞬时EER，这个值可以从理论上计算出来，也可以用稳态法多点测量出来，测量点越多，结果越可信。这并不在乎温度小时数是如何分布的，给出任何一个温度带，都可计算出或测量出SEER或 IPLV，再给出一个温度带，又可计算出或测量出新SEER或 IPLV，它们横向之间没有可比性也没有必要比较，但对确定的温度带，SEER或IPLV值高就代表该系统的容量调节性能好。

4 结论

在我国节能减排政策中明确规定空调温度不能低于26℃的前提下，讨论如何正确分析和制定我国冷水(热泵)机组的IPLV的定义的测量方法。没有必要对IPLV的温度带和加权系数做太多的研究，重点应放在提高冷水(热泵)机组50%～70%负荷率下的EER或COP。对大型空调系统，多机组并联开停运行并有可调节流量的水系统，可能比单独提高机组SEER或IPLV更为重要。

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