影响DOE标准移动空调SACC和CEER的关键特性分析

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1 引言

美国是移动空调产品的主要市场，一直以来美国移动空调标准对于能效没有规定。随着节能减排要求的不断提高，美国能源局（DOE）也适时发布了移动空调新标准，将在2025年2月强制执行，新标准采用SACC和CEER来评判移动空调的能力和能效水平。SACC是修正季节制冷能力，CEER是综合能效比。加利福尼亚州颁布的CEC法令更是在2020年2月就开始执行新DOE标准中的能效限值规定。新DOE标准相对于老标准在测试方法和能力能效评价方法上差异很大，虽然目前大部分厂家都已开始在开发符合新DOE标准的移动空调，但目前行业内对于DOE标准中的SACC和CEER的影响因素公开的研究成果较少。本文从实际出发，通过分析新标准的各项因素，结合试验对比研究，着重研究了影响SACC和CEER的关键特性，为优化DOE标准移动空调的SACC和CEER提供了一些方法。

2 标准对比分析

新旧标准主要差异对比如表1所示。旧标准ASHARE 128-2001中对能效没有规定。新DOE标准主要考虑了移动空调的使用特性，对于单风管来讲，风管将冷凝器的热空气带出室外，室内形成负压，导致室外的热空气会通过门窗的缝隙进入室内，降低了制冷效果，这一部分损失称为泄漏空气漏热量。另外风管本身也会对室内有热传导和热辐射，这部分损失称为风管漏热量。新的DOE标准将这两部分损失综合考虑，制定了评价移动空调制冷量的新标准。

2.1 单风管移动空调新旧标准测试方法对比

移动空调新旧标准对比如表1所示。

表1 移动空调新旧标准对比

2.2 新DOE标准SACC和CEER计算解析（以单风管移动空调为例）

（1）SACC（修正季节制冷能力，单位为Btu/h）

其中：

Qsd：标准工况制冷量，焓差法测定，单位为Btu/h；

Qduct：风管漏热量，单位为Btu/h；

Qinf_95：室外温度95℉时的空气泄漏漏热量，单位为Btu/h；

Qinf_83：室外温度83℉时的空气泄漏漏热量，单位为Btu/h；

其中：

h：固定系数；

Aduct：风管表面积，单位为m2；

Tduct：标准工况测试Qsd时风管表面平均温度，单位为℉；

Tei：内侧进风温度，单位为℉（取80℉）。

Qinf_83和Qinf_95主要和冷凝侧风量和冷凝侧出风温湿度相关，这里不详细展开。

（2）CEER（综合能效比，单位：Btu/Wh）

其中各模式时长见表2。

表2 不同模式时长

2.3 CEER限值要求

DOE标准的移动空调能效需在式（5）计算值以上。从式（5）可以看出，CEER随着SACC上升而上升，典型机型的CEER要求见表3。

表3 典型机型CEER要求

3 影响SACC的关键特性

原标准测试工况蒸发温度高，湿度大，进风焓值较高，相同系统测试的潜热量较大，而且冷凝水经过打水电机后有效帮助冷凝器冷却，整机能效比也相对较高。切换新DOE标准后，潜热下降明显，以我司型号K08为试验机型，目标值为SACC 6000 Btu/h。工作人员在制冷系统不变情况下在新旧标准下对比测试，结果如表4所示。

表4 相同制冷系统在不同标准下对比结果

从表4结果可以看出，如果不优化设计，SACC是原标准60%左右，离目标值相差较大；CEER仅为5.69，离目标值6.51也相距甚远。

为了制定科学的实验验证优化方案，工作人员根据测试方法和计算公式，得出SACC和CEER的影响因素并推导分解出子因素，见表5。

表5 影响SACC和CEER因素列表

首先将SACC结果详细分解如表6，并对影响因素逐一进行分析和实验对比验证。

表6 SACC分解结果

3.1 额定制冷量

标准工况下的制冷量是SACC的最大影响因素，因测试工况不同，对应的毛细管和制冷剂量的最佳点不同，在压缩机和换热器不变的情况下重新调整毛细管和灌注量，进行对比实验，实验结果如表7所示。

表7 调整毛细管和制冷剂灌注量实验对比结果

R410A系统优化后有了较大提升，但仍未满足要求，本文考虑使用R32，因为R32比R410A有更出色的能效表现[4]，而且美国在2017年也放宽了R32的应用范围。根据相关文献，R32相比R410A能效可以提升5%，相同排量制冷量可以提高12%[2]。R32和R410A的制冷循环对比见表8。

表8 R32和R410A制冷循环对比

从表8可以看出，R32系统的工作压力略高于R410A，在系统循环性能方面，R32系统的压比与R410A基本一致，而R32的单位质量制冷量比R410A高约55.6%，单位容积制冷流量高约12.6%，R32的单位容积耗功较R410A高8.1%，综合来看能效提高4%。所以理论上换用同排量的R32压缩机成本相当，能力能效都可以提升[3]。表9是K08机型上用R32测试结果。

表9 R32测试结果

从表9测试结果看，采用R32冷媒并适当调整参数，SACC满足要求。

3.2 风管对风管漏热量和空气泄漏漏热量的影响

风管大小及安装方式不仅会通过影响冷凝侧的换热对额定制冷量和额定功率造成影响，而且也是风管漏热量和空气泄漏漏热量的直接影响因素。DOE标准里明确说明如果在说明书中未注明风管安装方式，将按照标准中的安装方式进行测试，安装方式对比示意见图1，从图1中可见，标准安装方式中风管是最不利于冷凝器换热的形状。不同的风管直径和安装方式实验对比数据见表10。

图1 不同风管安装方式示意

从表10可以看出：

表10 不同风管直径和安装方式对比测试结果

（1）使用直径150 mm风管后风量提高了17%，整体额定能力上升和功率下降，虽然因空气泄漏量增加导致SACC有所下降，但CEER的提升更为明显，值得采用；

（2）从两种安装方式对比来看，按标准中规定的安装方式会导致SACC和CEER均下降，建议生产商在说明书中标注相对有利的安装方式；

（3）在风管上加保温管，可以明显降低风管漏热，有效提高SACC和CEER，在遇到瓶颈时可采用风管加保温管的方法。

3.3 空气泄漏漏热量

空气泄漏漏热量和冷凝风量、出风温湿度有关。在迎风面积不变的情况下，采用3排普通管距φ5冷凝器换成3排小管距φ5冷凝器，提高了换热效果，降低了冷凝风量。当然风量减小的同时可能会带来风管表面温度的提升，需要综合考虑。

4 影响CEER的因素

4.1 额定能效比

和SACC一样，使用能效高的R32压机，优化系统，使用小管径冷凝器可提高额定能效比[1]，从而提高CEER。

4.2 风管直径和安装方式

风管直径和安装方式不仅影响SACC，同时也影响CEER，具体数据见表11。

4.3 达温停机功率

原达温停机方案是当房间温度达到设定温度后，压缩机和冷凝侧风机停止运行，蒸发侧风机持续运行，这样达温停机功率就等于蒸发侧风机功率加电控及显示功率。优化方案一是达温后蒸发侧风机运行3 min后停止，这个方案的缺点是因为室内温度传感器一般在机器背部，风机停止运行后传感器不能有效感知室内温度场的变化，对用户体验造成一定影响。优化方案二是达温后风机转低风以运行3 min停17 min的方式循环。达温停机方案优化后CEER对比数据如表11。

表11 达温停机方案优化后CEER对比

由表11可知，方案一和方案二的CEER都比原方案提升较大，两个优化方案相差不大，因此可选择用户体验较好的方案二。

4.4 待机功率

优化电路设计，待机功率降到1 W以下。待机功率对CEER的影响见表12。

由表12可知，待机功率对CEER影响轻微，可以忽略，只要满足市场对待机功率要求即可。

表12 待机功率对CEER影响

5 整机优化方案

经过以上分析和对比实验，对SACC和CEER的影响因素有了比较清晰的认识，综合各项优化方案后，DOE标准下的SACC和CEER都能达到目标要求，具体方案和结果见表13。

表13 综合优化方案后的结果

6 结论

从以上分析可看出，额定工况的制冷量和能效比是影响SACC和CEER的主要因素，更换R32制冷剂和小管径冷凝器可以有效提高SACC和CEER。风管漏热量Qduct和泄漏空气漏热量Qinf也可以通过各相关因素进行优化，其中风管直径的选择也是一个比较关键的影响因素，不仅影响额定工况的能力能效，同时影响风管漏热和泄漏空气漏热，采用直径较大的风管会有更好的效果。适当的运用风管保温材料也可以有效减少风管漏热。达温停机的逻辑是影响CEER的重要因素，优化达温停机逻辑可以将CEER提高5%～6%，可以在不影响用户体验的情况下进行优化。由于影响因素众多，本文在各相关因素互相影响的内在逻辑及规律方面的研究还不够深入，有待进一步深入研究。