转速可控型房间空气调节器制冷季节能源消耗效率评价方法优化研究

王鲁平，王骞，李芳，柴增辉，陈欣

（合肥通用机械研究院，安徽合肥 230000）

0 引言

房间空气调节器（下文简称空调器）作为一种风冷式空调（热泵）产品，室外侧与大气直接发生热交换，其运行性能与气象条件的变化有着紧密的联系。目前，世界主要空调市场对该类产品的性能评价均已采纳了基于不同室外温度发生小时数的季节能效方法[1-5]。

中国现行产品标准GB/T 7725—2004《房间空气调节器》[2]及能效标准GB 21455—2019《房间空气调节器能效限定值及能效等级》[1]共同建立的季节能效评价框架，与国际标准ISO 16358—2013[4]及日本工业标准JIS C 9612—2013[3]有着较强的一致性，也沿袭了其评价框架的先天不足。而作为较早采纳季节能效评价方法的地区[6]，北美市场的对应标准ANSI/ASHRAE 116—2010[7]经过了多次更新迭代，其实验及计算的思路具备一定的可借鉴性。对于在北美标准框架内季节能效实验及计算的研究与分析已非常广泛[8-11]，但并未对其先进性及科学性的部分进行提炼。

在转速可控型房间空调器产品已占中国家用市场主流的背景下[12]，以该类产品制冷季节能源消耗效率（Seasonal Energy Efficiency Ratio，SEER）的实验及计算为例，分析现行国标季节能效评价体系的不足，提出一种优化的评价方法。

1 国标制冷季节能源消耗效率（SEER）实验及计算方法的现存问题

1.1 实验工况与各平衡点对应室外温度的偏离

国标SEER实验包括3个必测实验及对应3个可选实验，当可选实验不实测时，采纳经验系数进行计算。如表1所示，其基本思路为在室外干球温度35 ℃及29 ℃两种工况下，分别将空调器固定在由高到低3种转速条件下制冷运转，并认为其发挥能力及消耗功率均随室外平均温度线性变化。

表1 国标转速可控型空调器SEER实验工况

对制冷负荷的确定同样采纳随室外平均温度线性变化的建筑负荷，其负荷0点对应的室外温度为23 ℃，名义设计室外温度为35 ℃。在制冷负荷线确定后，与空调器在额定、中间及25%转速3种状态下发挥的能力线分别产生交点，各交点对应的室外温度即对应转速状态运行时平衡温度。

图1所示为国标SEER实验中各平衡点对应室外温度的确定。平衡温度tp，tc及tb（35 ℃）将不同室外温度区间分划为4个部分：1）在25%转速对应的平衡点tp温度以下，空调器因为无法继续降频运转，其发挥能力持续高于制冷负荷，即断续运行制冷；2）tp温度到中间转速对应平衡点tc温度之间，空调器匹配制冷负荷，从25%转速到中间转速连续变频运转；3）tc温度到名义转速对应平衡点tb温度之间，空调器同样匹配制冷负荷，从中间转速到额定转速连续变频运转；4）tb温度以上，不考虑空调器继续升频，而以额定转速持续运转，其发挥能力始终不满足制冷负荷需求。

图1 国标SEER实验中各平衡点对应室外温度的确定

通过平衡点对应的室外温度，对空调器制冷季节发生的不同运转状态予以分界，并对应地采纳不同方式进行耗电量计算：在第1部分，需要采纳效率降低系数CD模拟循环停机造成的额外能耗；在第2及第3部分，空调器连续变频满足制冷负荷，通过建筑负荷及能效比（Energy Efficiency Ratio，EER）反推耗电量；在第4部分，机组耗电量通过额定转速对应的功率线进行计算。

国标SEER实验规定，空调器各状态压缩机转速的标定对应到发挥额定能力、中间能力及25%能力，考虑到实验允差等因素，平衡温度tp及tc一般位于25 ℃及29 ℃左右，结合GB 21455—2019[1]规定的制冷季节不同室外温度的发生小时数（图2），可以得到各温度分段在制冷季节中的权重。

图2 GB 21455—2019规定的制冷季节不同室外温度发生小时数

表2所示为GB 21455—2019[1]规定的制冷季节温度分布权重。由表2可知，国标框架下的SEER计算中，平衡温度tp相关区间，即空调器断续运转及在25%转速到中间转速连续变频运转所占权重约45%，tp温度确定在计算中有着显著意义。

表2 GB 21455—2019规定的制冷季节温度分布权重

基于负荷特征，由于tp温度对应较低制冷负荷条件下空调器以低频制冷运转，如图2所示，在现行国标规定的制冷实验工况下，不可避免出现了以35 ℃及29 ℃实验外延确定tp温度条件下机组能力及功率的情况，即在高制冷负荷工况下进行实验以推算空调器在低负荷下的性能。这一处理方式的优点在于SEER一系列实验中室外侧工况不需要做调整，一定程度上降低了实验成本，但为了更为准确地测定空调器在低负荷低频运转条件下的性能，出于加强负荷率与实验工况对应性的考虑，有必要对低转速实验进行调整。

1.2 计算框架中经验系数的作用

国标SEER实验及计算基于固定运转状态后，空调器发挥能力及消耗功率均随室外平均温度线性变化这一基本前提。因此，在选定的额定、中间及25%三种条件下，均需要不同室外温度下的两个实验以来确定机组能力及功率线，即共6个实验结果完成SEER的计算。

为了降低实验成本，现行国标体系规定在35 ℃室外温度下对名义、中间及25%进行实测，并规定29 ℃室外温度下的性能在不实测时采纳经验系数推算，如表3所示。现行房间空调器国标体系采纳的经验系数（1.077/0.914）与对应的日本工业标准JIS C 9612—2013[3]及国际标准ISO 16358-1—2013[4]一致，长久以来已被广泛接纳。但随着空调器产品技术的进步，电子膨胀阀[13-15]及直流变速风机[16]的广泛应用，导致在仅固定室外机压缩机转速的条件下，29 ℃制冷实验的经验系数推算值与实测结果会发生较大偏离。尤其在新国标GB 21455—2019《房间空气调节器能效限定值及能效等级》[1]实施后，面对显著提高的能效限值[17-19]，在不对硬件匹配进行优化的前提下，通过实测29 ℃制冷实验以提高SEER计算结果已成为国内生产厂商的普遍做法。

表3 GB 21455—2019规定的低温制冷（29 ℃）性能计算

在2020年度房间空气调节器能效实验样品中随机选取了42套实测低温制冷（29 ℃制冷）实验的1级能效产品，其低温制冷与经验系数计算值的偏差如图3和图4所示。在选取的42套样品中，29套名义制冷量小于或等于7.1 kW，按GB 21455—2019[1]的规定不进行25%转速的实验。

由图3可知，制冷量经验系数1.077与实测结果的分布并未发生显著偏离。考虑到在SEER计算框架中中间及25%转速实验对SEER结果的影响权重显著较大，若仅关注权重较大的实验部分，由表4可知，其实测关联系数均值约为1.084，即现行的经验系数与实测结果符合性较好。由图4可知，制冷消耗功率经验系数0.914与实测结果发生了显著偏离，并随着压缩机转速的下降体现出有规律的差异。如表5所示，环境温度由35 ℃降低到29 ℃，压缩机转速不变的条件下，在冷凝压力降低造成耗功下降的同时，直流变速风扇及电子膨胀阀的调节发挥着显著作用。空调器产品以现行经验系数得出的消耗功率计算值显著高于实测值。同样，如1.1节所述，在对SEER结果影响权重较大的中间及25%实验部分，实测值与计算值的偏离更为显著，其实测关联系数均值约为0.738，这也是造成经验系数用于SEER计算造成结果严重偏低的原因。

表4 样品实测制冷量关联系数均值

表5 样品实测功率关联系数均值

图3 实测制冷量关联系数的分布

图4 实测制冷消耗功率关联系数的分布

面对经验系数计算值显著不利于企业标称的客观情况，GB 21455—2019[1]框架下的能效实验普遍实测低温制冷，经验系数往往不被采纳，其降低实验成本的作用已不显著。

2 制冷季节能源消耗效率（SEER）实验及计算框架的优化

2.1 实验工况的选取

SEER实验工况选取的基本原则是以尽量少的实验数量，尽量准确体现出空调器随制冷负荷变化而变化的性能特征，而这两者存在着对立关系，即为了降低实验成本，对空调器变工况性能的量化不可避免存在推算的因素[20]。这就要求选取的实验工况在SEER计算中具有典型意义，并将空调器运行状态与制冷负荷需求紧密的关联起来。基于第1部分的分析，对空调器压缩机额定，中间及25%转速条件下实验工况探讨优化措施。

如表2所示，对于空调器名义平衡点温度（35 ℃）以上区间，其计算依据额定制冷及低温（29 ℃）额定制冷两组实验，对应的室外温度在制冷季节权重仅约为0.02。结合表4及表5给出的对经验系数的实验验证，现行的1.077/0.914系数在额定转速条件下并未显著偏离实际实验结果。因此，额定转速条件下空调器仅实测额定制冷，而对低温制冷采纳经验系数推算，不予实测。

对于中间转速条件下的性能实验，用于确定平衡点温度tc，对应相关于tp温度到tc温度之间，及tc温度到35 ℃两端的耗电量计算，其对应发生小时数总和占制冷季节权重达到了约0.85，对SEER计算结果发挥着显著作用。对于中间转速的实验工况，鉴于中间平衡点温度tc一般在29 ℃左右，依然采纳既有的35 ℃及29 ℃室外工况，通过两个中间转速实验计算平衡点温度tc相关区间。

对于25%转速条件下的性能实验，其对应平衡点温度与既有的实验工况偏离较大，采纳实测29 ℃及25 ℃室外工况，通过这两个低负荷低环境温度的实验计算平衡点温度tp相关区间。

优化后的SEER实验总计需要5个工况，实验数量等同于现行AHRI 210/240—2017[5]标准中的5个必测工况，并实际上少于目前GB 21455—2019[1]框架下的6个实测工况。实验工况见表6。

表6 优化后的转速可控型空调器SEER实验工况

2.2 计算方法的确定

在确定的实验工况基础上，SEER计算依然基于各平衡点温度对制冷季节不同室外温度的划分，对各平衡点对应室外温度tp、tc及tb（35 ℃）的定义不发生变化。由于25%转速对应实验工况的调整，在平衡点tp的确定中很大程度上避免了两个工况连线的外延与负荷线相交的情况。优化后的各平衡点温度的确定如图5所示。

图5 优化后SEER实验中各平衡点对应室外温度的确定

结合1.1部分的分析，在引入25 ℃制冷实验后，对应空调器压缩机以25%转速运转，以低负荷工况测试机组低频性能，避免了计算结果与实测结果的偏离；结合1.2部分，25 ℃的工况更为接近负荷零点，其与29 ℃工况条件下25%转速实验对应，实现了对低负荷运转区间对应室外温度的封闭，极大降低了经验系数的作用。

横向比较北美标准，AHRI 210/240—2017[5]对机组高速（类比国标额定转速）及低速（类比国标25%转速）运转性能的确定与国标方法基本一致，主要差异在中间转速状态运行区域的实验，即在tp及tb温度之间机组变频运转区域。在这一区域，AHRI 210/240—2017[5]仅规定了一个必测实验EInt，通过一系列调整系数推算出中间能力与建筑负荷交点tvc。其理论假设为当中间转速逼近高速（或低速）时，其对应能力线斜率也应逼近高速（或低速）能力线斜率。这一推算方法起到了降低实验成本的作用，其各平衡点温度的确定如图6所示。

图6 AHRI 210/240—2017标准中SEER实验中各平衡点对应室外温度的确定

北美标准SEER评价框架的显著优点为实验工况数量少，且避免了经验系数发生作用。但其在权重最大的连续变频区间仅采用一个必测实验，导致这一框架鲁棒性严重不足，很大程度上EInt实验决定了SEER结果的优劣。连同现行国标框架一起，将AHRI 210/240—2017[5]规定的SEER实验计算方法与本文提出的方法进行横向比较验证。

2.3 优化后评价框架的实验验证

实验验证的目的在于横向比较实验及计算方法的量化结果与空调器实际变工况变负荷性能的逼近程度，选取1台名义制冷量7 200 W的分体立柜式变频房间空调器（1号样品）及1台名义制冷量7 290 W的基站立柜式空调器（2号样品），分别在前述三种评价框架内进行SEER实验及计算，实验工况如表7所示。

表7 验证实验工况

验证实验仅用于横向比较基本方法，故空调器压缩机额定、中间及25%转速均采纳国标框架内的要求进行标定，并基于GB 21455—2019[1]规定的制冷季节不同室外温度发生小时数进行计算。

对于北美标准中的EInt实验，采纳状态相近的φhaf(29 ℃)予以替代。并以表6中φfull(35 ℃)及φfull(29 ℃)确定额定转速状态，以φmin(29 ℃)及φmin(25 ℃)确定25%转速状态，计5个实验。对于现行国标框架内实验，采纳35 ℃及29 ℃均实测的方法，对应额定、中间及25%转速计6个实验。基于3种方法得到的空调器在GB 21455—2019[1]规定的制冷季节随不同室外温度变化的能效比见图7。

图7 1号样品空调器随不同室外温度变化的能效比

图8中对制冷季节负荷线的确定采纳GB 21455—2019[1]规定的方法，即室外温度低于35 ℃（Ⅰ区域），机组制冷量满足负荷需求，制冷季节负荷线按实测额定制冷量与负荷0点确定；室外温度高于35 ℃（Ⅱ区域），机组制冷量不能满足负荷需求，负荷线按实测低温额定制冷量（29 ℃）与实测额定制冷量外延确定。3种实验及计算方法得到的SEER结果见表8。

图8 2号样品空调器随不同室外温度变化的能效比

表8 3种实验及计算方法的到的SEER结果

为了评价3种方法与实际运行能效的逼近程度，参照图2，选取27 ℃及30 ℃两个对应发生小时数最高的室外温度，调节压缩机频率使实测能力与计算得到的建筑负荷在1%以内，实测能效比与3种方法计算结果关系见表9。

表9 实测能效比与计算结果的偏离程度

在两种工况条件下，以实测与计算能效比的平均绝对差来评价，两台样品按现行国标、ASHRAE及本文提出方法的结果分别为 0.198/0.073、0.140/0.071及0.062/0.015，本文提出的优化方法取得了与实际运行最好的逼近效果。

3 结论

从提升转速可控型房间空调器SEER计算结果与实际运行能效的符合性出发，结合中国市场实际技术现状，本文分析了现行国标框架的不足，研究了实验及计算的优化方向，并提出了一种评价方法，这一方法具备如下先进性：

1）基本排除了经验系数发生的作用，增强了与真实能效的逼近；提高了低频低负荷区间的计算准确度；

2）空调器能效实验中压缩机转速不需要重新标定，也未造成实验成本的增加；经过实验验证，本文提出方法计算能效与实际运行能效的偏差，较之于现行国标方法及ASHRAE方法约降低70%，在后续标准修订的过程中具备参考价值。