1、從美國標準季節能效比的測試計算方法看房間空調器節能技術 2009-05-21 10:45:10  作者：李紹斌 曹勇  來源：中國建筑網   本文從美國ARI標準210/240中對房間空調器季節能效比（SEER）的定義以及測試計算方法入手，闡述房間空調器提高季節能效比的若干方法與方向，在大力提倡節能降耗的新形式下，為提高現有中低能效房間空調器的季節能效比提供設計參考。1. 簡介美國是世界上能源消耗最大的國家，美國人口2.5億，人均住房面積達到60平方米，居世界首位，其中大部分住宅都是3層以下的獨立房屋，供暖、空調全部是分戶設置，住宅空

2、調電力消耗是美國主要的能源消耗之一。自從上世紀70年代的能源危機導致美國經濟大衰退后，美國政府通過政府立法的方式開始制定能源政策，這些政策包括建筑本身的節能和設備節能要求，以立法形式制定了強制性最低能源效率標準并推行節能建筑和使用節能設備的激勵政策。這些標準每隔35年就考慮新技術的不斷發展而更新，要求也越來越嚴格。對房間空調器產品，美國在1977年就開始推行季節能效比（SEER）這一更能體現空調機組運行性能的概念，最低能效標準從最初的SEER10一直提高到現在的SEER13，在不久的將來肯定還會更高，這種變化表明了美國政府對能源消耗的控制力度，也顯現了美國市場房間空調器節能技術發展的日新月異的

3、發展。2. 解讀季節能效比2.1 SEER的定義、來由以及未來的發展方向 空調在實際使用過程中,室外狀況是不斷變化的,滿足額定工況的時間很少,大部分時間都是偏離額定工況的。再加上空調機組經常會隨著室外溫度、房間負荷的變化而不斷啟停, 功耗很不穩定。因此,在全年使用季節里, 用EER 和COP 并不能代表空調機組實際使用時對輸入電功率的有效利用程度。美國國家標準與技術協會最早于1977年首先提出空調制冷季節能效比SEER的概念： 制冷季節總制冷量 SEER - 制冷季節空調消耗的總能量 考慮了空調在不同環境溫度下的運行時間、制冷量和能耗, 計算方法接近實際。與EER相比, SEER更能合理地描述

4、空調機組的運行性能。美國能源部于1979年將季節能效比納入能源政策體系，以此作為衡量房間空調器能源消耗的量化參數。在美國這些標準在不同的州有不同的具體內容和要求，加州、紐約等經濟比較發達的州，節能標準比聯邦政府標準更加嚴格。而美國聯邦政府往往都以加州作為更高標準推行的試驗地區，當在加州的標準推行的基本成熟后即頒布新的法令將這一更高標準推向全國。目前加州SEER最低要求是14.5，而且已經推行了兩三年，可以預想，美國很可能很快就將這一要求推向全國。從世界范圍來講，包括美國、日本、中國、韓國在內的很多國家都正積極推進把季節能效比引入衡量空調器能源消耗的標準制定，房間空調器節能技術的發展也勢必圍繞提

5、高季節能效比的方向發展。2.2 ARI 210/2401【2】中關于SEER的測試和計算方法ARI的全稱是制冷與空調協會，其職責是制定行業相關產品標準，推行產品相關認證，引導相關企業在產品上的標準執行。ARI 210/240是就是由ARI制定的針對單元式空調和空氣源熱泵設備的性能測試與計算標準。ARI 210/ 240規定額定負荷點中對于不同機組分別規定了計算SEER的試驗工況，表1是針對定頻機組SEER 的計算規定的4個工況，其中A、B和C 試驗時機組連續運行，記錄數據前，系統必須至少運行1個小時。試驗方法可用空氣焓值法、壓縮機標定法或制冷劑流量法，進行測試時每隔10分鐘記錄一次數據，直到4

6、個連續讀數組的允差都在ASHRAE37-2005所規定的范圍以內。在C試驗結束后，立即開始D試驗，按照開機6分鐘、停機24分鐘循環人為控制機組開停運行。停機時，室內、室外機組均停止運行。在至少進行兩次開/ 停機循環使室外側和室內側都重新達到穩定的重復環境條件后，機組在不中斷循環方式條件下，進行最后一次開/ 停機循環，記錄所需數據來測定開停損失系數CD。如果不想進行CD值的測試，可以用默認值0. 25代替。表一 ARI 210/ 240 中規定的試驗工況測試室內側室外側進口空氣溫度（）進口空氣溫度（）干球溫度濕球溫度干球溫度濕球溫度制冷A、名義制冷工況26.719.435.023.9B、能效比工

7、況26.719.427.818.3C、干盤管工況26.713.927.818.3D、循環測試工況26.713.927.818.3經過以上測試，獲得如下的能力值：Qss（35）、Qss（27.8）、Qss,dry，qcyc,dry，獲得如下功率消耗值：Ess（35）、Ess（27.8）、Ess,dry，ecyc,dry，季節能效比的計算正是依據這些試驗數據來的。ARI 210/240規定： SEER = （ 1 0.5 · CD） · EERB (1) (2) (3)根據以上公式（1）（2）（3），通過引入以上測試數據，季節能效比得以計算。以上測試和計算均針對定速房間空調器，

8、對多速或變頻房間空調器來說，測試和計算方法有較大差異，本文主要針對定速方間空調器，不對多速和變速機組的測試和計算方法詳述。 2.3 SEER的影響因素很明顯從以上季節能效比的計算公式（1）中可以看出，季節能效比大小有兩個影響因素：EERB 和 CD。這里EERB 是在ARI標準中規定的能效測試工況B中測得的能效比，之所以將室外溫度27.8作為能效測試B的工況，主要是因為從美國全年的室外溫度變化情況來看，空調大部分運行時間都不會在35度的溫度下，27.8度是取的一個常年數據的平均值后確定的能效測試室外溫度。引入B工況作為能效工況對于設備生產商來說是一件好事情，有利于生產商對高能效產品的設計實現，

9、也是更合乎空調實際運行性能的做法。總所周知，中國目前的能效工況仍然是35度工況，這里我們使用一個樣機對美國標準的能力和能效測試與國內標準的測試結果做一個簡單的對比，如表二所示。表二 美國標準與國內標準測試數據對比工況溫度（）制冷能力（W）能效美國工況能力內26.7/19.4,外35/23.989143.56美國工況能效內26.7/19.4,外27.8/18.397694.37國標工況能力能效內27/19, 外35/2487213.48退化系數的引入是因為當空調器的連續穩定運轉制冷量大于房間冷負荷時，空調器會進行周期開、停運轉，以保持房間內被調節溫度恒定。在周期開、停運轉時，空調器的制冷量比連續

10、運轉時的制冷量減小，而開、停運轉時的功率消耗比連續運轉時的功率消耗增大。因此，開、停運轉時的能效比比連續運轉時的能效比減小。退化系數正是用于量化這種開停產生的能效損失。在以下情況下退化系數的默認值 ：如果制造商在ARI認證測試中不測試C、D兩個可選的測試項目，那么退化系數將默認為0.25。我們可以做以下計算對比：如果退化系數為0.25，根據公式（1），SEER將等于 EERB*0.875.，如果要達到SEER13的要求，EERB將至少要達到4.35，對于定速壓縮機來說，這將非常困難除非在空調的其它部件上花費很高的成本。但是，如果這個退化系數值能夠想辦法降低，那么情況就大不一樣了，如果退化系數為

11、0.1，EERB將只需要達到4.01即可滿足SEER13的要求，相對于退化系數為0.25時的情況，這將降低8的要求，這標志著機組成本也將相應降低，并降低機組的開發難度。從此看出我們需積極尋求能使退化系數得到有效降低的方法。退化系數對SEER的影響可以從下圖中看出： 圖1 SEER隨CD變化的衰減系數圖3. 提高季節能效比的途徑3.1 提高EER的途徑 從以上SEER的影響因素可以看出，提高季節能效比的途徑一方面就在于提高EERB，對于定頻房間空調器，提高能效可以從以下幾個方面來實現3：1、 采用高效的壓縮機，一般來講，使用渦旋式壓縮機比轉子式壓縮機能獲得更高的能效，同時壓縮機排量的合

12、理選擇也是一個需要重要考慮的因素；2、 合理設計換熱器，換熱器對高能效系統的實現至關重要，換熱器的設計包括換熱面積、流路流程布置、翅片片形設計與優化、換熱管內部傳熱強化等諸多方面（使用微通道換熱器是一個很好的選擇）；3、 合理的風量與迎面風速設計，風量的大小直接關系功率的消耗，風量太大對系統換熱是有利，但是功率同時會大幅增加，對整機能效反而降低了，因此風量有一個最佳值選擇。換熱系數與迎面風速直接相關，風速也是風量選擇時需要考慮的因素；4、 合理的配管設計對系統效率也有重要影響，特別是氣管的選擇尤為重要。3.2 降低退化系數（Cd）的途徑退化系數的降低可直接促成空調器能效的提高，由圖1可以看出提

13、高幅度非常可觀，因此美國在對退化系數的研究上做了很多工作，圖2是美國ARI和CEC對大量機組測試結果的一個統計，結果表明，大部分產品在空調系統上采取一定降低退化系數的措施后，退化系數可大幅降低。圖2目前的Cd技術統計通過穩態C工況和循環D工況對機組實際開停運行的模擬測試過程，我們可以找到一些降低退化系數的方法4，從而改善機組的季節能效比。對于同一臺機組來說，穩態工況下的能效是確定的，因此通過公式（2）和公式（3）我們發現循環工況的能效是影響退化系數的大小的主要因素，越高，退化系數越低，因此針對同一臺機組，要降低退化系數我們需要從上想辦法。在循環D工況測試時，我們可以認為6分鐘的開機時間是穩態運

14、行的，那么停機的24分鐘就成為提高的關鍵。 一方面，在壓縮機停機后有一段特殊的時間，在這段時間里一部分制冷劑液體仍然在蒸發器里面蒸發傳熱，如果我們在這時將風機設置一個延時停止，在風機延時停的這段時間里，循環工況下總的制冷量將會提升。如果這個延時期間里額外能力與風機消耗功率的比值高于6分鐘開機時間里的的平均能效比，將會提升。根據這種思路，如果在壓縮機停機瞬間同時阻斷液管以阻止液體的回流，保持較多液體停留在蒸發器內部，延時期間的風將吹出更多的能力從而提高D工況整體的能效。 另一方面，不同的節流裝置，比如毛細管，孔板，熱力膨脹閥和電子膨脹閥，不同的壓縮機形式比如渦旋機、轉子機和活塞機，不同的機組能力

15、大小將都可能帶來對退化系數的不同影響。根據這些分析，我們在相同的焓差臺上對相同的機組按照以下方案試驗來驗證這些理論的可行性：1、在室內機控制上增加一個可以控制當壓縮機停機時延時停內風機的裝置，并且選擇合適的延時時間。2、在液管上增加一個電動閥開關，在壓縮機停機瞬間，這個電動閥也立刻關閉，以保持大部分液體仍在蒸發器內部蒸發。3、對同一臺機組，使用不同的節流裝置：毛細管、電子膨脹閥以及熱力膨脹閥4、對同一臺機組，使用相同形式的節流裝置，但是不同形式的能力接近的壓縮機：渦旋機、旋轉式壓縮機機和往復活塞式壓縮機機。5、對于不同冷量的機組使用同樣的節流裝置和壓縮機形式。經過試驗，獲得如下的數據記錄： 圖

16、 4 風機延時和電動閥開關動作對CD 的影響 圖5 不同形式的節流裝置對CD的影響 圖6 不同壓縮機類型對退化系數的影響 圖7 不同冷量的機組的退化系數差異可見，采用合適時間的內風機停機延時，使用特定的節流裝置以及在系統管路上的特殊處理均會大幅降低退化系數，同時越大冷量的機組退化系數一般較較小冷量機組的退化系數為低，但是相近能力的不同壓縮機形式的使用對退化系數影響不大。至此，我們可以提出一個理想的最大限度降低退化系數的空調系統模型：一個制冷量60000Btu/h的機組，使用熱力膨脹閥作為節流裝置，在外機液管上設置一個電動閥，其開關與壓縮機開停一起動作，在內風機上設置風機停機延時控制，延時時間設

17、置在一個合理的范圍內。這樣的系統將可以將機組因開停機產生的能效退化系數降低到0.05以下。結論 季節能效比反映了空調器在一年的全部使用時間內能量的有效利用程度。它作為評價空調器的運行經濟性指標比采用能效比評價經濟性更為合理。季節能效比的概念首先在美國被提出，經過這么多年的發展，美國已經形成比較成熟的季節能效比測試與計算方法，從這些測試和計算方法我們可以尋求到一些提高房間空調器季節能效比的途徑，這些途徑除了空調戲本身系統配置的合理設計外，還可以從降低因反復開停造成的能效退化系數上做出一些改進，當然我們提出的某些改進方法可能從機組本身成本上有所增加，但是從長遠經濟性能上來講，還是具有較強的參考價值

18、，隨著美國能效的不斷升級，提高B工況的能效比將越來越困難，降低退化系數Cd將是我們提高SEER的重要手段。術語CD 退化系數 下標CLF 制冷負荷因數 cyc, dry 循環干盤管工況SEER 季節能效比 ss, dry 穩態干盤管工況參考資料1. ANSIARI Standard 210240-2008 Unitary Air-Conditioning and Air-Source Heat Pump Equipment.2. Brian P. Dougherty , James J. Filliben, Ph.D Ana Ivelisse Avilés, Ph.D, Central Air Conditioner Test Procedure Public Workshop: A Technical Discussion On New Defaults fo