变频空调器APF计算方法

作者:王冰 宋强
单位:青岛海尔空调电子有限公司
摘要:目前我国变频空调器能效等级均采用全年性能系数 (APF) 作为评价指标。基于现有变频空调器运行范围宽、调节范围广的特点, 指出了现有APF计算方法存在的不足, 在环境温度高于35℃时的近似计算方法不符合实际情况, 并给出了改进建议。
关键词:变频空调器 全年性能系数 (APF) 计算方法 环境温度 热负荷

0 引言

   我国房间空调器的能效指标经历了能效比 (EER) /性能系数 (COP) 、季节能效比 (SEER) 以及全年性能系数 (APF) 的演变过程。其中EER/COP指标仅仅由单个工况点的测试数据计算得到, 不能反映空调器在不同工况下的能效水平。空调器产品标准GB/T 7725—2004《房间空气调节器》将全年性能系数 (APF) 作为房间空调器的能效指标[1], GB 21455—2013《转速可控型房间空气调节器能效限定值及能效等级》规定了按照APF划分空调器能效等级的方法, 更新了一些APF的计算参数[2]。其中APF是通过多个工况点的制冷 (热) 能力与输入功率计算得到的, 与之前的评价标准相比, 更具科学性和准确性。

   目前采用APF作为房间空调器能效评价标准的国家主要有中国和日本。日本标准JIS C9612—2013《房间空气调节器》中也给出了APF的相关计算方法[3], 总体而言, 与中国的计算方法大同小异, 只是中日两国标准中空调器的不同温度发生和使用时间存在差异, 从而导致同样的空调器计算得到的APF值不同。

   中国APF计算方法从2004年之后, 除了对不同环境运行时间进行修改外, 基本没有变化, 但是空调器却发生了很大变化。尤其是随着变频技术及空调技术的发展, 现有转速可控型房间空气调节器 (即变频空调器) 运行范围更宽、调节范围更广。因此, 有必要针对APF的计算方法作一些反思, 探讨其是否需要进行改进。

1 变频空调器APF计算方法分析

1.1 变频空调器计算方法

   APF表示空调器在制冷季节和制热季节期间, 从室内空气除去的冷量与送入热量之和与同期消耗总电量的比值。其计算公式如下:

    

   式中CL为全年制冷总负荷, kW·h;HL为全年制热总负荷, kW·h;CE为全年空调制冷消耗总电量, kW·h;HE为全年空调制热消耗总电量, kW·h。

1.2 APF计算方法存在的不足

   在进行变频空调器APF计算时, 根据环境温度进行分类。表1给出了不同标准采用的制冷和制热工况室外环境各温度发生时间。目前中国APF计算方法采用GB 21455—2013的工况条件, 而借用GB/T 7725—2004的计算公式。

   表1 不同标准的制冷和制热工况环境温度发生时间

表1 不同标准的制冷和制热工况环境温度发生时间

   在制冷工况下, GB/T 7725—2004中APF计算方法根据环境温度不同, 将计算过程分为三部分进行:1) 空调器在额定中间制冷能力以下连续可变运转时 (tj≤tc) (tj为环境温度, tc为房间冷负荷与额定中间制冷能力达到均衡时的温度) ;2) 空调器在额定中间制冷能力与额定制冷能力之间运转时 (tc≤tj≤tb) (tb为房间冷负荷与额定制冷能力达到均衡时的温度, 即35℃) ;3) 空调器以额定制冷能力连续运转时 (tb=35℃≤tj) 。在制热工况下, 也类似地分为几部分分别进行近似计算。

   在计算中, 对于制冷工况情况3) , 近似基于一个假设条件———额定制冷能力为空调器能够输出的最大制冷能力, 所以才会在tb=35℃≤tj时假设空调器以额定制冷能力连续运转。随着变频技术及空调技术的发展, 现有变频空调器运行范围更宽、调节范围更广, 额定制冷能力并不是其能输出的最大制冷能力。变频空调器的额定制冷频率普遍在60Hz左右, 而额定工况下的最大制冷频率往往能超过90Hz, 使得空调器最大制冷能力远远超过其额定制冷能力。额定制冷能力为3 500 W的变频空调器, 有些最大制冷能力甚至可以超过4 500 W, 远高于其额定制冷标称值, 这也是变频空调器与定频空调器相比能够快速实现制冷的原因。由此可见, GB/T 7725—2004中APF计算方法对于制冷工况情况3) 的假设在目前已经不再适用。

   日本标准JIS C 9612—2013中也区分了制冷工况情况3) , 其计算方法与GB/T 7725—2004相同, 但是通过表1可见, 其制冷工况下tj>35℃的运行时间为0, 而GB 21455—2013中tj>35℃的运行时间不为0。国际标准ISO 16358-2:2013[4]中也不存在tj>35℃的运行时间。由此可见, 制冷工况情况3) 假设已不适用的情况只会影响到中国APF计算方法的准确性, 日本标准和国际标准的APF计算方法虽然同样存在问题, 但由于其在存在问题的温度区间没有发生时间, 所以其APF值的准确性不受影响。

   根据目前变频空调器的实际情况, 在制冷工况情况3) 下, 应该采用与制冷工况情况2) 相同的计算方法:制冷能力等于房间冷负荷, 而EER可以线性近似。也就是说空调器在tc≤tj时均为频率连续可变运行, 其计算方法为

    

   式 (2) , (3) 中Pcm2为此工况下的制冷运行耗电量, kW·h;BLc (tj) 为此工况下的房间冷负荷, kW;nj为此工况下的运行时间, h;Ecm2 (tj) 为此工况下EER的计算值;Ecm (tc) 为额定中间制冷能力的EER测量值;Ec2 (tb) 为额定制冷能力的EER测量值。

   在制热工况下, 由于额定制热能力往往比额定制冷能力高, 且中国空调器普遍存在电辅热装置, 情况比较复杂, 故基本可以认为制热工况下的计算方法是较符合目前空调器状况的。

2 计算案例

   以文献[5]中变频空调器的数据为例, 说明计算方法差异所带来的偏差。按照两点法, 其原始测量数据如表2所示。根据目前APF计算方法, 此机型APF计算值为4.21, 制冷工况下的详细计算参数如表3所示。

   表2 两点法测试数据

表2 两点法测试数据

   随环境温度变化空调器EER、制冷功率和制冷量的变化情况如图1所示。可明显看出:在环境温度高于35℃情况下, 制冷量是衰减的, 这与目前空调器实际情况并不一致。

   表3 两点法制冷工况各参数

表3 两点法制冷工况各参数

   注:X (tj) 为环境温度tj时房间冷负荷与空调器制冷运行时的制冷量之比;PLF (tj) 为环境温度tj时的部分负荷率。

图1 制冷参数随环境温度的变化曲线

   图1 制冷参数随环境温度的变化曲线

    

   根据本文提出的方法进行APF计算, 其详细计算参数如表4所示。

   表4 修改之后的APF两点计算法制冷工况各参数

表4 修改之后的APF两点计算法制冷工况各参数

   此时, 随环境温度变化, 空调器EER、制冷功率和制冷量的变化情况如图2所示。可以明显看出:空调器在环境温度高于35℃情况下, 制冷量不衰减, EER下降, 制冷功率迅速升高, 这与目前空调器实际情况一致。此时, 计算得到APF=4.18。

图2 修改后制冷参数随环境温度的变化曲线

   图2 修改后制冷参数随环境温度的变化曲线

    

   对比可见, 采用本文建议的APF计算方法, 与原方法相比, APF值略有降低, 但偏差较小, 变化量不超过原值的1%。本方法对目前空调器产品评价体系不会有较大影响, 现有产品能效等级基本不会变化, 但在理论上保证了我国APF评价标准的准确性和科学性。

3 结论与展望

   1) 目前中国标准中的变频空调器APF计算方法, 在环境温度超过35℃时的计算结果与空调器实际情况偏差较大。因此在环境温度高于35℃情况下, 应该按照制冷量不衰减、EER线性下降、制冷功率迅速升高近似求解。

   2) JIS C 9612—2013和ISO 16358-2:2013中无环境温度高于35℃的情况, 所以虽然其计算方法同样存在问题, 但其计算值准确性不受影响。

   3) 本文建议的APF计算方法, 会使APF值略有降低, 变化量不超过原值的1%, 现有产品能效等级基本不变, 但在理论上保证了我国APF评价标准的准确性和科学性。

   本文主要针对APF两点法机型进行了分析, 对于APF三点法计算的机型, 在下一步的研究工作中同样需要进行分析;另外, 制热工况下的分析是一个更复杂、更难的问题。随着空调器研究人员对评价标准认识的日渐深刻, 中国房间空调器的评价标准将更科学、更准确。

    

参考文献[1]中国家用电器研究院, 广州日用电器检测院, 珠海格力电器股份有限公司, 等.房间空气调节器:GB/T 7725—2004[S].北京:中国标准出版社, 2004:42-62

[2]中国标准化研究院, 北京工业大学, 珠海格力电器股份有限公司, 等.转速可控型房间空气调节器能效限定值及能效等级:GB 21455—2013[S].北京:中国标准出版社, 2013:1-4

[3]日本电机工业会.房间空气调节器:JIS C 9612—2013[S].东京:日本电机工业会, 2013:31-57

[4]International Organization for Standardization.Aircooled air conditioners and air-to-air heat pumps:ISO16358-2:2013[S].Switzerland:International Organization for Standardization, 2013:8

[5]秦存涛, 祁影霞, 胡祥江, 等.关于提高家用空调APF能效的试验研究[C]∥中国家用电器技术大会, 2014:30-33
Calculation method for annual performance factor of inverter air conditioners
(Qingdao Haier Air Conditioning Electronics Co., Ltd.)
Abstract: China inverter air conditioner industry adopts annual performance factor (APF) as energy efficiency evaluation index.Presents the problems of the calculation methods for APF of inverter air conditioners, due to the characteristics of wide operating range and adjustment range of inverter air conditioners.The calculation method does not match the actual situation when the environment temperature is higher than 35 ℃, and suggests the improvement opinions.
Keywords: inverter air conditioner; annual performance factor (APF) ; calculation method; environment temperature; heating load;
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