1、Articles论文74 家电科技 Vol.3 2023 Issue 422基于动态环境及变负荷的改进空调设备季节性能测量方法探讨Dynamic environment and load-based seasonal performance testing procedures for air conditioning systems杨子旭 石文星 王宝龙 于天蝉 林波荣YANG Zixu SHI Wenxing WANG Baolong YU Tianchan LIN Borong 清华大学建筑技术科学系 北京 100084Department of Building Science,Tsi
2、nghua University Beijing 100084摘 要：随着产业和技术发展，中国对空调设备的性能考核已从额定工况的“点”评价发展为季节性能的“综合”评价，即通过在给定有限室内外工况的稳态运行测量结果，根据发生时间分布计算获得季节性能指标。然而，现有方法无法反映空调器等直膨式空调设备的调节控制品质，为此，给出基于动态环境及变负荷的改进空调季节性能测量方法（简称：基于负荷的季节性能测量法），其核心在于：在空调设备性能实验室内，在一定的测量时段内，用室外侧模拟空调设备运行的室外工况，而在室内侧投入与室外工况相对应的热、湿负荷，用空调设备将室内温、湿度控制在规定的工况和精度范围内，并测量
3、空调设备在测量时段内的运行性能。根据室内负荷的给定方式，可分为静态补偿法和动态补偿法两种方式，对两种测试方法进行介绍和辨析，并对其适用性进行分析。关键词：动态环境；变化负荷；控制策略；性能测量；标准化Abstract:With the advancement of industry and technology,the evaluation of air conditioner performance in China has transitioned from a point assessment based on rated operating conditions to a more c
4、omprehensive evaluation of seasonal performance.This evaluation takes into account the seasonal performance factors by analyzing the distribution of bin-hours through steady-state measurements conducted under limited indoor and outdoor working conditions.However,the existing methods fail to adequate
5、ly refl ect the dynamic control quality of direct expansion air conditioning equipment,such as air conditioners.To address this issue,proposes an enhanced method for dynamic environment and load-based seasonal performance testing,referred to as the load-based seasonal performance testing method.The
6、core principle of this method involves simulating the outdoor conditions of air conditioning equipment over a specifi c measurement period within a performance laboratory.On the indoor side,heat and humidity loads corresponding to the outdoor operating conditions are applied,and the test air conditi
7、oning equipment is utilized to maintain the indoor temperature and humidity within the specifi ed operating conditions and accuracy range.Based on the indoor load compensation method,two distinct approaches can be distinguished:the static compensation method and the dynamic compensation method.Prese
8、nts a thorough examination and analysis of these two testing methods and their respective applicability.Keywords:Dynamic environment;Variable load;Control strategy;Performance measurement;Standardization中图分类号：TM925.12 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.03.0121 研究背景随着人们对全球变暖和能源成本上升的日益担忧，消费品的能效对社会发展越来
9、越重要。空调器是我国绝大部分地区居住建筑的主要供冷设备，统计结果表明，2016年到2021年全国居民空调保有总作者简介：杨子旭，男（1995），博士后，助理研究员。通讯作者：石文星，男，博士学位，教授。研究方向：制冷与热泵技术，蓄能与可再生能源技术。电话：010-62796114，E-mail：。基金项目：本文由国家重点研发计划项目“公共建筑环境人因工程关键技术和产品”（课题编号：2022YFC3801502）资助。量从4.58亿台增长至6.65亿台，增幅达45%。同期，居民每百户空调拥有量从91.3台/百户增长到了132.7台/百户，年均增幅达到7.8%，仅住宅空调一项每年耗能导致的CO2排
10、放量就达到约1.1亿吨，超过了建筑运行总碳排放的8%1。Articles论文 75家电科技 Vol.3 2023 Issue 422空调器的制冷（热）能力、制冷（热）能效是评价其性能的主要指标2。长期以来，空调器的制冷（热）能力与能效一直是业内的关注重点。为限制空调器电耗、降低碳排放，自1992年起3，中国市场监督管理部门一直在对空调和热泵的最低能效值进行监管，随着技术的进步，对空调器、单元机、多联机等直膨式空调设备的性能考核已从额定工况的“点”评价（EER/COP）发展为季节性能（SEER/HSPF/APF）的“综合”评价4。随着变频压缩机、变频风机及控制算法等部分负荷控制技术快速发展，直膨
11、式空调设备的部分负荷性能逐渐得到提升，其调控品质也逐渐成为用户在实际使用过程中日益关注的重要指标。然而，现有标准给定的测试方法，除了除霜工况外都只能获得稳定工况下的性能，在测试时一般将压缩机和风机频率锁定在某些数值，而忽略空调设备本身的控制算法，故不能反映变频设备的调控特征和调控品质，即便采用季节性能评价，也是在典型测试工况点下稳态运行性能的加权计算值。另一方面，一些新型室内末端和设备近些年来逐步发展并实现了商业化，如新风复合空调器等，采用现行测量方法则无法反映整个空调系统的运行性能。因此，亟待探索空调设备季节性能改进测试方法，使其既能衡量空调实际运行季节性能，又能反映空调的调控品质，并可应用
12、于新型空调系统的性能测量。据此，本文给出了可实现上述目的的基于动态环境及变负荷的改进空调设备性能测量方法（简称：基于负荷的季节性能测量法，或改进的SEER测量法），介绍其测量原理、测试方法、测试步骤及其季节性能指标（SEER/HSPF）的计算步骤。2 性能测量方法2.1 基本原理传统的直膨式空调设备性能测量方法是在不同部分负荷工况下测量其制冷（热）量，在特定控制模式下运行设备，并通过标准给定的季节性能计算公式获得其季节性能值。相比之下，基于负荷的季节性能测量法可以真实反映空调器动态运行的控制策略和实际运行性能。其特征是，在空调设备性能实验室内，在一定的测量时段内，用室外侧模拟空调设备运行的室外
13、工况，而在室内侧投入与室外工况相对应的热、湿负荷，用空调设备作为室内环境调控设备，将室内温、湿度控制在规定的工况和精度范围内，并测量空调设备在测量时段内的运行性能，进而按照现行标准的季节性能指标计算方法，计算出季节能效比SEER等指标，如图1所示。基于负荷的季节性能测量法突出设备动态调节下制冷（热）量输出能力，因而随着空调设备的发展，也可以对各类复合末端空调设备能效进行测量。2.2 实验方法对于这种改进的SEER测量法，室外侧是动态环境，应表征被测空调设备的运行外界环境特征，例如采用被测机组制冷季节典型环境工况。在运行时，应当由焓差室自带的室外侧空气调节装置营造维持对应的温度。室内侧可变负荷应
14、反映空调设备的控制特征，也需要空气调节装置或模拟负荷装置。根据室内侧动态负荷补偿差异的区别，分为静态补偿法和动态补偿法两种类型：（1）静态补偿法，室内侧空气调节装置或补偿装置以恒定的速率向室内添加或移除热量，以模拟室内侧的负荷。例如，测试期间需要模拟空调器输出2 kW制冷量的工况，则室内空气调节装置根据室内回风温度、制冷量，向室内送入对应2 kW冷量补偿下送风温度的空气；（2）动态补偿法，也可称作虚拟建筑补偿，通过模拟建筑对被测空调设备提供条件的响应，来施加补偿的负荷。具体而言，例如系统制冷量低于冷量补偿，则室内侧空气调节装置将使空调设备回风温度降低，以提供更大的负荷，来反映负荷和空调设备容量
15、不平衡时室内温度的动态变化。静态补偿法和动态补偿法的主要区别在于，前者施加给被测空调是稳定的负荷，而后者在被测机组的容量与施加冷（热）量补偿不匹配时，将改变冷热量补偿值以模拟建筑的响应特征。a)传统焓差室测量方法 b)基于负荷的季节性能测量法图1 测量方法框图Articles论文76 家电科技 Vol.3 2023 Issue 422以制冷工况为例（室外名义工况为35），静态和动态补偿法的补偿冷量都可以表示为公式（1）的计算结果：（1）其中，BL(ti)为干球温度ti时室内模拟的显冷量补偿，W；SHRbuilding为目标显热比（潮湿试验条件为0.8，干燥试验条件为1.0），W/W；tbal和
16、tzl分别为基于当前室内温度的平衡温度和0负荷点对应的温度，。对于静态补偿法，由于其并不反映空调输出冷量与模拟建筑响应特征，因而室内平衡温度与0负荷点对应的温度相等（tbal=tzl），冷量补偿是定值；对于动态补偿法，tbal则需要通过公式（2）（3）进行计算：（2）（3）其中，RAT(t)为室内侧空气调节装置的最新室内干球温度设定值，；tID为室内当前温度，；Qs为室内侧空气调节装置在前一时间中提供的显冷量，W；t为室内侧空气调节装置更新的时间间隔，min；C为模拟建筑物内部的热容量。因而，该方法的关键是确定虚拟建筑的模型及其热容，并设置利用虚拟建筑冷量补偿的室内侧空气调节装置或补偿装置。2
17、.3 实验设置与步骤改进的SEER测量法可以在现有的空气焓差室改造基础上进行测试，外围护结构由隔热材料组成，隔热材料可视为绝热材料。以房间空调器测量为例，室外侧设置空气处理装置，以调节动态的室外侧环境，这种方法与传统的空调器性能测量实验室调控方法类似；在室内环境实验室中，区别于传统方法无输入负荷、固定室内温湿度，本方法通过室内侧空气调节装置或设置电热电阻和加湿器，模拟负荷变化，如图2所示。空调器制冷（热）量测量方法包括室内空气焓差法、室外空气焓差法和制冷剂焓差法等。实验前将空调系统正常安装于焓差室的室内侧和室外侧，用支架和密封条安装好，室内机与室外机通过制冷剂管道连接；采用室内（外）侧空气焓差
18、法获取空调器性能，应当安装室内（外）侧空气焓差法测量装置，通过测定空调器室内（外）机进、出口的空气干、湿球温度和空气流量确定制冷量，并确认附装的空气流量测量装置不会改变被试空调机的性能。在实验过程开始前，将室内侧和室外侧分别设置为测试工况点对应的空调器提供的冷量（冷量补偿）BL(ti)和室外温度ti，并将空调器设定为27（制冷）或20（制热）。当室内工况稳定后，开始连续的实验测试，根据公式（1）计算的每个工况点的显冷和潜冷负荷，室内侧空气调节装置提供对应的冷量补偿，并由空调器自动控制室内温度。以夏热冬冷地区为例的室外侧动态工况设置和室内侧负荷设置如图3所示。在图3中，不同工况对应的冷量补偿为定
19、值，因此显示的是静态补偿。在每个测试工况下，可依据GB/T 17758 单元式空气调节机5标准规定的工况进行测试，每个测试工况应至少包括以下三个部分：1）预处理阶段：室外环境温度及室内负荷变化的阶段；2）平衡阶段：至少60 min的平衡时间，或者在除霜工况至少经历一个完整的除霜循环；3）数据采集阶段：在达到温度平衡阶段下35 min采样周期，或除霜工况下完整的3个除霜循环。室内平衡阶段和数据采集阶段的允差可参照表1的要求。图4给出了测试的具体步骤（不含除霜工况）。用数据采集阶段35 min所记录的制冷（热）量的平均值作为平均制冷（热）量，所记录的输入功率的平均值或35 min所记录的积分的输入
20、功率作为平均输入功率，从而获得该测试工况的制冷或制热能效比EER(ti)、COP(ti)，随后转换室内侧和室外侧的工况及负荷，开图2 基于负荷的季节性能测量法实验室（以室外焓差法为例）Articles论文 77家电科技 Vol.3 2023 Issue 422始下一组工况实验。当机组连续运行并记录完成各工况点有效数据后，根据能效计算公式（4）（5），获得制冷或制热季节能效比SEER、HSPF：（4）（5）式中，CSTL、CSTE分别为制冷季节总负荷、制冷季节总耗电量，HSTL、HSTE分别为制热季节总负荷、制热季节总耗电量，单位均为kWh；ni和nj对应温度的负荷发生小时数。3 讨论与分析本文
21、给出的改进的季节性能测量方法，突出在动态环境、变化负荷条件下的机组控制水平，考虑新技术的应用，以获得更接近于真实使用状态下的性能。在室内侧给定变化的负荷、在室外侧给定可调节的温度，是检验空调设备实际性能的有效方法，如在全球制冷创新技术大奖赛6（Global Cooling Prize）中，组委会采用类似的方法对参赛队伍研发的新型制冷空调方案进行测试，以进行公平比较。两个相邻的实验室分别作为室内侧及室外侧，室外侧组委会将新德里的全年气象综合为10天的室内、室外工况，通过加权计算出研发的空调器全年运行的能耗，如图5所示。值得注意的是，国际上已经有许多研究机构、协会等开展基于动态环境和变负荷的空调性
22、能测量研究，比较有代表性的研究包括：2020年，德国联邦材料研究与测试研究所（BAM）8为欧盟EN 14825:2016标准提出的基于静态补偿的空调热泵性能测量方案。研究表明，该方法与传统固定压缩机频率的方法可重复性相当，且采用基于动态负荷计算得到SEER与传统方法相比下降了20%左右。2021年，美国空调、供热和制冷研究所（AHRI）发布了多联机测量方法，并提出了控制方法验证程序（VRF CVP）9，该验证程序通过降低室内侧温度、用以校验多联机压缩机频率、风机风速及膨胀阀开度的控制逻辑是否有效，由于该方法通过降低室内侧温度反映机组控制方法，因此也属于静态补偿法。美国能源部（DOE）已经将该方
23、法作为多联机的强制测试项目，并认为静态补偿法可重复性和可操作性更高。在动态补偿方面，加拿大标准协会（CSA）提出的测试指南CSA EXP 07:201910-11是该方法的代表，研究表明，动态补偿法主要取决于被测空调、实验室和恒温器的相互作用。恒温器计算测量的室内温度与室内机组设定差值，向被测机组发送信号以控制其运行状态；此a)制冷工况b)制热工况图3 测试工况点及负荷表1 测试允差测量参数允差室内干球温度/0.5室外干球温度/0.5电压/V4%室内补偿功率5%图4 测试步骤Articles论文78 家电科技 Vol.3 2023 Issue 422外，日本早稻田大学12也开展了相关研究，并提
24、出了基于虚拟建筑输入假设来模拟返回的室内空气温度的方法；ISO/TC 86/SC 6标委会也成立了“TG 13下一代性能标准”工作组13，以推动未来空调器基于负荷的季节性能测量法的发展，但对动态补偿法的可重复性表示关注。总之，基于负荷的季节性能测量法评估了空调设备控制品质、反映了其现场性能。产品性能评价方法往往是产品技术发展方向的指挥棒，作为世界最大的空调器生产国和消费国，中国的空调器生产制造水平已经走在世界前列，改进的SEER测量法更能反映空调器全工况的控制技术和品质，而非仅反映在固定压缩机频率、风机风速和膨胀阀开度的特征，从而进一步推动行业高效转型。此外，直膨式空调设备调控反映速度快，尤其
25、是突出变频、送风温度控制等技术，因而更需要优先推广基于负荷的季节性能测量法。4 结论与展望本文给出了基于动态环境及变负荷的改进空调设备性能测量方法，以反映空调设备实际动态运行时的性能。主要工作和结论包括：（1）改进的SEER测量法在一定的测量时段内，用室外侧模拟空调设备运行的室外工况，而在室内侧投入对应的热、湿负荷，用空调器作为室内环境调控设备，将室内温、湿度控制在规定的工况和精度范围内，并测量空调器在测量时段内的运行性能。（2）根据室内负荷给定方法的差异，给出两种测量方法，即静态补偿法和动态补偿法。其中静态补偿法在室内侧以恒定的速率向室内添加或移除热量，而动态补偿法通过模拟建筑对被测空调器提
26、供条件的响应来施加冷量补偿。（3）本方法能够反映空调设备动态调控品质和现场性能，从而推动全工况的控制技术发展，目前国际上已经有许多研究机构、协会等开展相关测试方法的研究。参考文献1 国家统计局.2021中国统计年鉴M.北京:中国统计出版社,2022.2 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会.GB 214552019房间空气调节器能效限定值及能源效率等级S.北京:中国标准出版社,2019.3 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会.GB 12021.31992房间空气调节器能效限定值及能效等级S.北京:中国标准出版社,1992.4 Yang
27、Z.,Xiao H.,Shi W.,et al.Analysis and determination of a seasonal performance evaluation for air source heat pumpsJ.Journal of Building Engineering,2021,43:102574.5 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会.GB/T 177582010单元式空气调节机S.北京:中国标准出版社,2010.6 杨子旭,崔梦迪,肖寒松,等.“集成智能通风与光伏的超高效空调器”实现节能80%全球制冷技术创新大奖赛获胜项目J.家电科技,
28、2021(06):25-28+35.7 杨子旭.房间空调器实际运行能效提升及舒适性改善方法研究D.北京:清华大学,2017.8 The Bundesanstalt fr Materialforschung und-prfung(BAM).Proposal for the revision of the harmonized test standard EN 14825,for the testing and rating of air conditioners and heat pumps at part load conditions and calculation of seasonal
29、performanceR.2019.9 Air-Conditioning,Heating,and Refrigeration Institute.AHRI Standard 1230-2021.Performance Rating of Variable Refrigerant Flow(VRF)Multi Split Air-Conditioning and Heat Pump EquipmentS.2021.10 Canadian Standards Association.CSA EXP07:19 Load-based and climate-specifi c testing and
30、rating procedures for heat pumps and air conditionersS.2019.11 Canadian Standards Association.CSA SPE07:23 Load-based and climate-specifi c testing and rating procedures for heat pumps and air conditionersS.2023.12 Niccolo Giannetti,Hifni Ariyadi,Yoichi Miyaoka,Jongsoo Jeong,Kiyoshi Saito.Developmen
31、t of an Emulator-Based Assessment Method for Representative Evaluation of the Dynamic Performance of Air ConditionersA/International Refrigeration and Air Conditioning ConferenceC.2022:2458.13 ISO.ISO/TC 86/SC 6/TG 13-NEXT GENERATION OF PERFORMANCE STANDARDEB/OL.https:/standards.iteh.ai/catalog/tc/iso/6649fa1a-9149-4426-ac63-86bd5e5a3d51/iso-tc-86-sc-6-tg-13.（责任编辑：张晏榕）b)测量结果7图5 全球制冷创新技术大奖赛结果（以第6天为例）a)室外侧条件7