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1、房间空调器 APF 影响因素分析 张海云 徐定华 杭晨哲 张桂春 中国计量科学研究院 摘 要： 依据 GB214552013转速可控型房间空气调节器能效限定值及能效等级中关于房间空调器全年能源消耗效率 (APF) 的计算方法, 利用 PTC Mathcad Prime 数学软件分析额定制冷量、额定中间制冷量、额定制热量、额定中间制热量、额定低温制热量及上述各能力对应的消耗功率对 APF 的影响, 有关结论可为房间空调器产品的设计研发提供参考, 具有一定的理论和应用价值。关键词： 房间空调器; APF; 制冷量; 制热量; 消耗功率; 作者简介：张海云, 硕士。Analysis on influ
2、ence factors on APFfor room air conditionerZhang Haiyun Xu Dinghua Hang Chenzhe Zhang Guichun National Institute of Metrology; Abstract： Based on the current calculation method of annual performance factor (APF) for room air conditioner stated in the GB 21455-2013 Minimum allowable values of the ene
3、rgy efficiency and energy efficiency grades for variable speed room air conditioners, making use of PTC Mathcad Prime software, the influences of rated total cooling capacity, rated half cooling capacity, rated total heating capacity, rated half heating capacity, rated low-temperature heating capaci
4、ty and the corresponding power on the APF are analyzed.The conclusions can provide reference for the design and development of room air conditioners, with theoretical value and practicable value.Keyword： room air conditioner; APF; cooling capacity; heating capacity; energy consumption; 空调作为一种能够改善人们生
5、活和工作环境的设备, 广泛应用于住宅、餐厅、宾馆以及工厂等各类场所。然而随着空调产业的发展, 空调耗费的能量与日俱增, 节能环保成为全球关注的主题。为此国家标准对空调能效要求逐渐提高, 我国于 2013 年 6 月 9 日发布 GB214552013转速可控型房间空气调节器能效限定值及能效等级 (下文简称“国标”) 1, 该标准于 2013 年 10 月 1 日实施, 将全年能源消耗效率 APF (annual performance factor) 作为转速可控型房间空调器的能效评价指标。APF 是指转速可控型房间空调器在制冷季节和制热季节期间, 制冷季节制冷量与制热季节制热量的总和与同期间
6、内消耗电量的总和之比, 它不仅考虑了空调器产品的制冷能力, 同样考虑了空调器产品的制热能力。如何最大程度提高 APF 是转速可控型房间空调器研发的关键, 是各企业产品研发工作的重要内容。笔者基于 PTC Mathcad Prime 平台, 将 APF 的计算公式编制成计算软件, 针对一台研发中的额定制冷量标称值为 3 500 W 的转速可控型房间空调器进行研究, 以此为基础, 分析额定制冷量、额定中间制冷量、额定制热量、额定中间制热量、额定低温制热量及上述各能力对应的消耗功率对 APF 的影响规律。1 APF 在 PTC Mathcad Prime 中的实现JJF1261.42014转速可控型
7、房间空气调节器能源效率标识计量检测规则2给出了 APF 的计算公式, 式中:APF 为全年能源消耗效率 ( (Wh) / (Wh) ) ;CSTL 和 HSTL 分别为制冷季节制冷量和制热季节制热量 (Wh) ;CSTE 和 HSTE 分别为制冷季节耗电量和制热季节耗电量 (Wh) 。目前 APF 的计算方法有 2 种:两点法和三点法1-3。当转速可控型房间空调器的额定制冷实测能力大于 7 100 W 时, 采用三点法;当额定制冷实测能力小于或等于 7 100 W 时, 采用两点法。计算过程中需要 5 个工况下的制冷量 (制热量) 及消耗功率。5 个工况分别为额定制冷、额定中间制冷、额定制热、
8、额定中间制热以及额定低温制热。这种方法对转速可控型房间空调器能源消耗效率的评估更加全面, 对于节能减排具有重要意义。笔者在 PTC Mathcad Prime 中对一台额定制冷量为 3 500 W 的转速可控型房间空调器的 APF 进行建模, 计算模型在软件中分为制冷和制热 2 个部分, 具体计算公式可参阅 JJF 1261.42014, 这里只用流程图 (见图 1) 表示。图 1 全年能源消耗效率 APF 计算流程图 下载原图制冷部分按全年制冷 1 136 h, 温度区间为 24381-2,4计算。首先, 输入计算参数计算房间冷负荷 Lc (W) , 计算公式为式中: ful (35) 为室
9、外温度 35时转速可控型房间空调器的额定制冷能力 (W) ;tj为制冷季节室外温度 () , 温度区间为 2438。然后, 依次判断冷负荷所处的区间。当室外温度在 24t c (tc为房间冷负荷与额定中间制冷能力达到均衡时的温度) 范围内时, 房间冷负荷小于空调器额定中间制冷能力, 全年制冷量可按照断续运行计算;当室外温度在 tc35范围内时, 房间冷负荷在空调器额定中间制冷能力和空调器额定制冷能力之间, 全年制冷量按照房间冷负荷进行计算;当室外温度高于 35时, 房间冷负荷大于空调额定制冷能力, 制冷季节制冷量按照空调器额定制冷能力运行。经过整合后可得制冷季节制冷量的计算公式如下:式中:n
10、j为制冷季节中各温度下对应下的工作时间 (h) ; ful (29) =1.077 ful (35) 2。制冷季节耗电量是制冷季节制冷量 3 部分对应下的耗电量总和, 可表示为2式中:CSTE 1为房间冷负荷小于空调器额定中间制冷能力时空调器耗电量 (Wh) ;CSTE2为房间冷负荷在空调器额定中间制冷能力和空调额定制冷能力之间时空调器耗电量 (Wh) ;CSTE 3为房间冷负荷大于空调器额定制冷能力时空调器耗电量 (Wh) 。制热部分采用了同样的处理方式, 在制热部分须完成全年制热 433 h, 温度区间为-616的计算。首先, 输入计算参数计算房间热负荷 Lh (W) , 计算公式为制热季
11、节制热量分为 4 部分, 分别是:转速可控型房间空调器在额定中间制热能力点之下断续运行;在额定中间制热能力与额定制热能力之间连续运行;在额定制热能力与额定低温制热能力之间连续运行;在额定低温制热能力之上连续运行。分别计算房间热负荷 Lh在上述 4 个部分时的制热量。对于前 2 部分, 又分为空调器在有霜区域运行和无霜区域运行 (高于 5.5为无霜区域) , 经过整合后可得制热季节制热量的计算公式如下:制热季节耗电量是制热季节制热量 4 部分对应下的耗电量总和, 可表示为2式中:HSTE 1为房间热负荷小于空调器额定中间制热能力时空调器耗电量 (Wh) ;HSTE2为房间热负荷在空调器额定中间制
12、热能力和空调器额定制热能力之间时空调器耗电量 (Wh) ;HSTE 3为房间热负荷在空调器额定制热能力与空调器额定低温制热能力之间时空调器耗电量 (Wh) ;HSTE 4为房间热负荷在空调器额定低温制热能力之上运行时空调器耗电量 (Wh) 。2 各参数对 APF 的影响2.1 理论计算对于转速可控型房间空调器, 可通过调整压缩机的额定频率、风机转速等因素调整额定制冷量、额定中间制冷量、额定制热量、额定中间制热量、额定低温制热量以及对应消耗功率中的某一个值 (见表 1) 。在计算过程中, 当一个变量变化时, 其他值保持不变, 每个变量在数学软件中模拟 3 000 个点, 以某转速可控型房间空调器
13、 (额定值) 作为本研究的基础数据。表 1 转速可控型房间空调器计算用额定值 下载原表 2.1.1 制冷工况下制冷能力及制冷消耗功率对 APF, CSTE 和 HSTE 的影响制冷工况包括额定制冷与额定中间制冷 2 个工况, 其中额定制冷量的模拟范围为 1 7014 700 W, 额定制冷消耗功率的范围为 13 000 W;额定中间制冷量的模拟范围为 5003 500 W, 额定中间制冷消耗功率的范围为 13 000 W。制冷工况下制冷能力及制冷消耗功率对 APF, CSTE 和 HSTE 的模拟结果如图 2 所示, 由图可知, 额定制冷量对 APF, CSTE 和 HSTE 均有影响, 额定
14、制冷量增大时, APF的变化趋势为先增大后减小, CSTE 和 HSTE 均呈增大的趋势。额定制冷消耗功率仅对 APF 和 CSTE 有影响, 且当额定制冷消耗功率增大时, APF 持续减小, CSTE 不断增大。额定中间制冷量及额定中间制冷消耗功率仅对 APF 和 CSTE 有影响, 且对 APF 的影响很大, 随着额定中间制冷量增大, APF 呈递增趋势, CSTE 呈递减趋势, 随着消耗功率增大, APF 减小, CSTE 增大。图 2 APF, CSTE 和 HSTE 随额定制冷量、额定中间制冷量及其消耗功率的变化 下载原图2.1.2 制热工况下制热能力及制热消耗功率对 APF 和 H
15、STE 的影响额定制热量的模拟范围为 2 2015 200 W, 额定制热消耗功率为 13 000 W;额定中间制热量的模拟范围为 1 1014 500 W, 额定中间制热消耗功率为 13 000 W;额定低温制热量的模拟范围为 2 2015 200 W, 额定低温制热消耗功率为 13 000 W。制热工况下制热能力及制热消耗功率对 APF 和 HSTE 的模拟结果如图 3所示。由图可知, APF 随着额定制热量的增大而增大, 但变化幅度不大, 在 2 383 W时, APF 有一个突变, 这个突变的值在额定中间制热量附近, 可能是由于取值变化范围太大而造成的, 但实际额定制热量在国标限定内的
16、值不会达到这么小;对于额定中间制热量, 随着其值的增大, APF 呈递增趋势, HSTE 呈递减趋势;额定低温制热量在前半段 (2 2013 400 W) 时, APF 和 CSTE 变化很快, 但后半段 (3 4005 200 W) 变化减慢。制热工况下制热量所对应的消耗功率均只对APF 和 HSTE 有影响, APF 呈递减趋势, HSTE 呈递增趋势。图 3 APF 和 HSTE 随额定制热量、额定中间制热量、额定低温制热量及其消耗功率的变化 下载原图2.2 实际测量结果分析笔者对某额定制冷量为 3 500 W 的转速可控型房间空调器在焓差实验室内进行实测, 并且结合 2.1 的分析, 比较说明 APF 的能效评价过程。试验所采用的焓差实验室经过 CNAS 实验室认可, 能够保证试验数据的可靠性。试验工况和试验结果见表 2 和表 3。依据 JJF1261.42014, 空调器 AP
