从美国AHRI标准210/240中季节能效比的测试计算方法看房间空调器节能技术

张文清

(广东省海洋工程职业技术学校制冷与机电工程科,广东广州510320)

美国是世界上能源消耗最大的国家,美国人口2.5亿,人均住房面积达到60平方米,居世界首位,其中大部分住宅都是3层以下的独立房屋,供暖、空调全部是分户设置,住宅空调电力消耗是美国主要的能源消耗之一。自从上世纪70年代的能源危机导致美国经济大衰退后,美国政府通过政府立法的方式开始制定能源政策,这些政策包括建筑本身的节能和设备节能要求,以立法形式制定了强制性最低能源效率标准并推行节能建筑和使用节能设备的激励政策。这些标准每隔3～5年就考虑新技术的不断发展而更新,要求也越来越严格。对房间空调器产品,美国在1977年就开始推行季节能效比 (SEER)这一更能体现空调机组运行性能的概念,最低能效标准从最初的SEER10一直提高到现在的SEER13,在不久的将来肯定还会更高,这种变化表明了美国政府对能源消耗的控制力度,也显现了美国市场房间空调器节能技术的日新月异的发展。

1 解读季节能效比

1.1 SEER的定义、来由以及未来的发展方向

空调在实际使用过程中,室外状况是不断变化的,满足额定工况的时间很少,大部分时间都是偏离额定工况的。在美国的夏季,室外温度高于35℃的时间少于5%,低于28℃的时间多于75%,再加上空调机组经常会随着室外温度、房间负荷的变化而开停,功耗也很不稳定,循环损失能耗并没有反映在能效比上。因此,在全年使用季节里,用EER和COP并不能代表季节性能源消耗情况,也不能代表空调机组实际使用时对输入电功率的有效利用程度。美国国家标准与技术协会最早于1977年首先提出空调制冷季节能效比SEER(Seasonal Energy Efficient Ratio)的概念,并将其作为衡量制冷效率的标准。按照其定义,SEER是指一台空调在其正常的制冷使用周期内 (不超过12个月)的总制冷量 (Btu)与同一周期中的总输入电能 (W·h)的比值。

式中:

j—温区号,自低温向高温编号,j=1,2,3…n;

n—样板地区制冷季节温区数;

tj—j温区的代表温度,℃;

Q(tj)—j温区的空调器的总除热量,W;

E(tj)—j温区的空调器的总输入能量,W;

与EER相比,SEER考虑了空调在不同环境温度下的运行时间、制冷量和能耗,计算方法接近实际情况,更能合理地描述空调机组的运行性能。美国能源部 (DOE)于1979年将季节能效比纳入能源政策体系,以此作为衡量房间空调器能源消耗的量化参数。

在美国这些标准在不同的州有不同的具体内容和要求,加州、纽约等经济比较发达的州,节能标准比联邦政府标准更加严格。目前加州SEER最低要求是13.0,而且已经推行了两三年,可以预想,美国很可能很快就将这一要求推向全国。从世界范围来讲,包括美国、日本、中国、韩国在内的很多国家都正积极推进把季节能效比引入衡量空调器能源消耗的标准制定,房间空调器节能技术的发展也势必围绕提高季节能效比的方向发展。

1.2 AHRI 210/240[1]中关于SEER的测试和计算方法

AHRI的全称是美国空调供暖制冷协会,其职责是制定行业相关产品标准,推行产品相关认证,引导相关企业在产品上的标准执行。AHRI 210/240就是由AHRI制定的针对单元式空调和空气源热泵设备的性能测试与计算标准。

1.2.1 SEER测试试验工况

SEER定义和EER的定义完全不同,其测算方式也有差异。对于EER的测算,空调的能力和能效只要通过一个工况测试就可以完全获得,而对于SEER的测算,由于测算过程中需要考虑系统开关循环损失和累加能源消耗量的影响,因此空调器的能力和能效需要通过不同工况测试并通过一系列的加权计算才可以获得最终结果。AHRI 210/240规定额定负荷点中对于不同机组分别规定了计算SEER的试验工况,表1是针对定频机组SEER的计算规定的4个工况。

表1 AHRI 210/240中规定的SEER测试温湿度条件

其中A、B工况均为稳态湿盘管试验。A工况称为名义制冷工况,空调在这个工况条件下测试系统的制冷量。B工况称为低温制冷工况,空调在这个工况条件下测试系统的制冷能效,标准中对其定义为EERB。C工况干工况稳态试验和D工况干工况断续试验,做这两个试验要保证蒸发器表面处于无凝露的测试状态中。A、B、C三个试验项目都属于稳态试验项目,必须在机组连续稳定运行中进行。试验方法可用空气焓值法、压缩机标定法或制冷剂流量法。

1.2.2 SEER测试试验程序

1.2.2.1 AHRI C Cooling Steady State Dry Coil试验(C工况),测试步骤如下:

(1)工况稳定,偏差和波动在规定范围内,见表2。

表2 温度波动范围规定值

(2)记录数据前,被测机组必须至少运行1个小时。

(3)当测试数据误差满足ASHRAE37-2009所规定的范围以内时,开始记录数据,每隔10分钟记录一组,一共四组数据。计算数据如下:Qss,dry=×T(断续运行的一个周期时间,理论值30min);Qss,dry:C工况能效比。

(4)试验结束,立即开始进入D工况测试。

1.2.2.2 AHRI D Cooling Cyclic Dry Coil试验 (D工况),测试步骤如下:D工况试验中,空调要按照6min开机,24min

停机,30min为一个循环周期的方式循环,人为控制机组开停运行。停机时,室内、室外机组均停止运行。在至少进行两次开/停机循环使室外侧和室内侧都重新达到稳定的重复环境条件后,机组在不中断循环方式条件下,进行最后一次开/停机循环,记录所需数据。(1)关机,压缩机停止运行24min(通过温控器控制),其中包括风机延时关机的时间。

(2)然后开机,启动压缩机6min(通过温控器控制)。

(3)压缩机6min ON,24min OFF一个周期,时间30min。

(4)然后再利用温控器控制压缩机停24min,开6min。

(5)内风机停机时,功率突降,此时要关闭静压风机。

(6)开、停做足2个周期。如果工况都稳定,偏差和波动在规定范围内 (见表3)。继续做最后一个采样周期,记录数据。主要用于计算数据:Qcyc,dry=×T(从压缩机开到风机延时关的时间,大约7min);Qcyc,dry:D工况能效比。

(7)试验结束,将数据代入公式计算。

表3 试验工况偏差

经过以上测试,可获得能力值Qss(35)、Qss(27.8)、Qss,dry,Qcyc,dry和功率消耗值Ess(35)、Ess(27.8)、Ess,dry,Ecyc,dry,以及SEER计算过程中最重要的参数退化系数Cd值。

由于计算过程十分复杂,试验平台焓差法试验装置需要进行程序调整,因此并非所有焓差测试台都可以进行Cd值的测试,在AHRI 210/240标准中对于不能进行C工况和D工况试验的焓差测试装置,允许Cd值使用0.25替代。季节能效比SEER的计算正是依据这些试验数据得来的。

以上测试和计算均针对定频房间空调器,对变频房间空调器来说,测试和计算方法有较大差异,本文不对变频机组的测试和计算方法详述。

1.2.3 AHRI 210/240中关于SEER的试验计算公式

式中:

EERB—B工况能效比;

PLF(0.5)—当制冷负荷系数为0.5时的部分负荷性能系数。

式中:Cd——退化系数。

可得SEER计算公式:

式中:

EERcyc,dry—D工况能效比;

EERss,dry—C工况能效比;

式中:

CLF—冷负荷率;

Qcyc,dry—AHRI D工况总制冷量 (J);Qss,dry—AHRI C工况总制冷量 (J);

△τcyc,dry—包含一台压缩机的开机时间和停机时间的一个完整循环所需的持续时间。

根据以上公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5),将试验测试数据代入其中,即可求得季节能效比值SEER。

1.3 SEER的影响因素

很明显从以上季节能效比的计算公式 (3)中可以看出,季节能效比主要有两个影响因素EERB和Cd。

1.3.1 EERB的变化对SEER的影响动态特性分析

EERB是在AHRI标准中规定的能效测试B工况中测得的能效比。之所以将室外温度27.8℃作为能效测试B的工况,主要是因为从美国全年的室外温度变化情况来看,空调大部分运行时间都不会在35℃的温度下,27.8℃是取一个常年数据的平均值后确定的能效测试室外温度。引入B工况作为能效工况对于设备生产商来说是一件好事情,有利于生产商对高能效产品的设计实现,也是更合乎空调实际运行性能的做法。众所周知,中国目前的能效工况仍然是35℃工况,这里我们使用一个样机对美国标准的能力和能效测试与国内标准的测试结果做一个简单的对比,如表4所示。

表4 美国标准与国内标准测试数据对比

1.3.2 退化系数Cd的变化对SEER的影响动态特性分析

退化系数Cd的引入是因为当空调器的连续稳定运转制冷量大于房间冷负荷时,空调器会进行周期开、停运转,以保持房间内被调节温度恒定。在周期开、停运转时,空调器的制冷量比连续运转时的制冷量减小,而开、停运转时的功率消耗比连续运转时的功率消耗增大。因此,开、停运转时的能效比比连续运转时的能效比减小。退化系数正是用于量化这种开停产生的能效损失。

退化系数对SEER的影响可以从图1中看出,假设取EERB固定值为4.3,可得出SEER随Cd的变化而变化的动态特性曲线。如果制造商在AHRI认证测试中不测试C、D两个可选的测试项目,那么退化系数将默认为0.25。我们可以做以下计算对比:如果退化系数为0.25,根据公式 (3),SEER将等于EERB×0.875,如果要达到SEER13的要求,EERB将至少要达到4.35,对于定频压缩机来说,这将非常困难,除非在空调的其它部件上花费很高的成本。但是,如果这个退化系数值能够想办法降低,那么情况就大不一样了,如果退化系数为0.1,EERB将只需要达到4.01即可满足SEER13的要求,相对于退化系数为0.25时的情况,这将降低8%的要求,这标志着机组成本也将相应降低,并降低机组的开发难度。从此看出我们需积极 寻求能使退化系数得到有效降低的方法。

2 提高季节能效比SEER的途径

2.1 提高EERB的途径

从以上SEER的影响因素可以看出,提高季节能效比的途径一方面就在于提高EERB,对于定频房间空调器,提高能效比可以从以下几个方面来实现:

(1)采用高效的压缩机,一般来讲,使用涡旋式压缩机比转子式压缩机能获得更高的能效,同时压缩机排量的合理选择也是一个需要重要考虑的因素;

(2)合理设计换热器,换热器对高能效系统的实现至关重要,换热器的设计包括换热面积、流路流程布置、翅片片形设计与优化、换热管内部传热强化等诸多方面 (使用微通道换热器是一个很好的选择);

(3)合理的风量与迎面风速设计,风量的大小直接关系功率的消耗,风量太大对系统换热是有利,但是功率同时会大幅增加,对整机能效反而降低了,因此风量有一个最佳值选择。换热系数与迎面风速直接相关,风速也是风量选择时需要考虑的因素;

(4)合理的配管设计对系统效率也有重要影响,特别是气管的选择尤为重要。

2.2 降低退化系数 (Cd)的途径

退化系数Cd的降低可直接促成空调器能效的提高。图2是美国AHRI和CEC对大量机组测试结果的一个统计,结果表明,大部分产品在空调系统上采取一定降低退化系数的措施后,退化系数可大幅降低。

通过稳态C工况和循环D工况对机组实际开停运行的模拟测试过程[2],我们可以找到一些降低退化系数的方法,从而改善机组的季节能效比。对于同一台机组来说,稳态工况下的能效EERcys,dry是确定的,因此通过公式 (4)和公式 (5),我们发现循环工况的能效EERss,dry是影响退化系数大小的主要因素,EERcys,dry越高,退化系数越低,因此针对同一台机组,要降低退化系数我们需要从EERcys,dry上想办法。在循环D工况测试时,我们可以认为6分钟的开机时间是稳态运行的,那么停机的24分钟就成为提高EERcys,dry的关键。

一方面,在压缩机停机后有一段特殊的时间,在这段时间里一部分制冷剂液体仍然在蒸发器里面蒸发传热,如果我们在这时将风机设置一个延时停止,在风机延时停的这段时间里,循环工况下总的制冷量将会提升。如果这个延时期间里额外能力与风机消耗功率的比值高于6分钟开机时间里的平均能效比,EERcys,dry将会提升。根据这种思路,如果在压缩机停机瞬间同时阻断液管以阻止液体的回流,保持较多液体停留在蒸发器内部,延时期间的风将吹出更多的制冷能力从而提高D工况整体的能效。

图2 目前的 Cd技术统计分析

另一方面,不同的节流装置比如毛细管、孔板、热力膨胀阀和电子膨胀阀、不同的压缩机形式比如涡旋机、转子机和活塞机、不同的机组能力大小将都可能带来对退化系数的不同影响。

根据这些分析,我们在相同的焓差台上对同一机组按照以下方案的试验来验证这些理论的可行性:

(1)在室内机控制上增加一个可以控制当压缩机停机时延时停内风机的装置,并且选择合适的延时时间。

(2)在液管上增加一个电动阀开关,在压缩机停机瞬间,这个电动阀也立刻关闭,以保持大部分液体仍在蒸发器内部蒸发。

(3)对同一台机组,使用不同的节流装置如毛细管、电子膨胀阀以及热力膨胀阀。

(4)对同一台机组,使用相同形式的节流装置,但是采用不同形式的能力接近的压缩机如涡旋机、旋转式压缩机机和往复活塞式压缩机机。

(5)对于不同制冷量的机组使用同样的节流装置和压缩机形式。

经过试验,将所记录的数据转成动态曲线,分析见图3、图4、图5。

图5 不同压缩机类型对退化系数Cd的影响

根据以上动态分析,可看出,采用合适时间的内风机停机延时,使用特定的节流装置以及在系统管路上的特殊处理均会大幅降低退化系数,同时大冷量的机组退化系数一般比小冷量机组的退化系数低,但是相近能力的不同压缩机形式的使用对退化系数影响不大。

至此,我们可以提出一个理想的最大限度降低退化系数的空调系统模型:一个制冷量60000Btu/h的机组,使用热力膨胀阀作为节流装置,在外机液管上设置一个电动阀,其开关与压缩机开停一起动作,在内风机上设置风机停机延时控制,延时时间设置在一个合理的范围内。这样的系统将可以将机组因开停机产生的能效退化系数降低到0.05以下。

3 结论

季节能效比SEER反映了空调器在一年的全部使用时间内能量的有效利用程度。它作为评价空调器的运行经济性指标比采用能效比评价经济性更为合理。季节能效比的概念首先在美国被提出,经过这么多年的发展,美国已经形成比较成熟的季节能效比测试与计算方法,从这些测试和计算方法我们可以寻求到一些提高房间空调器季节能效比的途径,这些途径除了空调器本身系统配置的合理设计外,还可以从降低因反复开停造成的能效退化系数上做出一些改进,当然我们提出的某些改进方法可能从机组本身成本上有所增加,但是从长远经济性能上来讲,还是具有较强的参考价值,随着美国能效的不断升级,提高B工况的能效比将越来越困难,降低退化系数Cd将是我们提高SEER的重要手段。

术 语

Cd:退化系数 (又名效率降低系数)

CLF:制冷负荷因数

SEER:季节能效比

cyc,dry:稳态干盘管工况 (C)

ss,dry:循环干盘管工况 (D)

[1]ANSI(American National Standards Institute),AHRI(The Air-Conditioning,Heating,and Refrigeration Institute).ANSI/AHRI Standard 210/240-2008 Unitary Air-Conditioning and Air-Source Heat Pump Equipment[S/OL].U.S.A:AHRI(The Air-Conditioning,Heating,and Refrigeration Institute),2008:2,14,70-73,89

[2]Goldschmidt V.W.,Hart G.H.,Reiner R.C.A note on the transient performance and degradation coefficient of a field heat pump cooling mode[J].ASHRAE Transactions,1980,86(2):368-375