从美国标准季节能效比的测试计算方法看房间空调器节能技术2009-05-21 10:45:10 作者：李绍斌曹勇来源：中国建筑网本文从美国ARI标准210/240中对房间空调器季节能效比（SEER）的定义以及测试计算方法入手，阐述房间空调器提高季节能效比的若干方法与方向，在大力提倡节能降耗的新形式下，为提高现有中低能效房间空调器的季节能效比提供设计参考。
1.简介美国是世界上能源消耗最大的国家，美国人口2.5亿，人均住房面积达到6 0平方米，居世界首位，其中大部分住宅都是3层以下的独立房屋，供暖、空调全部是分户设置，住宅空调电力消耗是美国主要的能源消耗之一。
自从上世纪7 0年代的能源危机导致美国经济大衰退后，美国政府通过政府立法的方式开始制定能源政策，这些政策包括建筑本身的节能和设备节能要求，以立法形式制定了强制性最低能源效率标准并推行节能建筑和使用节能设备的激励政策。
这些标准每隔3~5年就考虑新技术的不断发展而更新，要求也越来越严格。
对房间空调器产品，美国在1977年就开始推行季节能效比（SEER）这一更能体现空调机组运行性能的概念，最低能效标准从最初的SEER10一直提高到现在的SEER13，在不久的将来肯定还会更高，这种变化表明了美国政府对能源消耗的控制力度，也显现了美国市场房间空调器节能技术发展的日新月异的发展。
2. 解读季节能效比2.1 SEER的定义、来由以及未来的发展方向空调在实际使用过程中,室外状况是不断变化的,满足额定工况的时间很少,大部分时间都是偏离额定工况的。
再加上空调机组经常会随着室外温度、房间负荷的变化而不断启停,功耗很不稳定。
因此,在全年使用季节里,用EER 和COP 并不能代表空调机组实际使用时对输入电功率的有效利用程度。
美国国家标准与技术协会最早于1977年首先提出空调制冷季节能效比SEER的概念：制冷季节总制冷量SEER ---------------------制冷季节空调消耗的总能量考虑了空调在不同环境温度下的运行时间、制冷量和能耗,计算方法接近实际。
与EER相比, SEER更能合理地描述空调机组的运行性能。
美国能源部于1979年将季节能效比纳入能源政策体系，以此作为衡量房间空调器能源消耗的量化参数。
在美国这些标准在不同的州有不同的具体内容和要求，加州、纽约等经济比较发达的州，节能标准比联邦政府标准更加严格。
而美国联邦政府往往都以加州(2)(3)在以下情况下退化系数的默认值：如果制造商在ARI认证测试中不测试C、D两个可选的测试项目，那么退化系数将默认为0.25。
我们可以做以下计算对比：如果退化系数为0.25，根据公式（1），SEER将等于EER B*0.875.，如果要达到将至少要达到4.35，对于定速压缩机来说，这将非常困难SEER13的要求，EERB除非在空调的其它部件上花费很高的成本。
但是，如果这个退化系数值能够想办将只需要达到4.0法降低，那么情况就大不一样了，如果退化系数为0.1，EERB1即可满足SEER13的要求，相对于退化系数为0.25时的情况，这将降低8％的要求，这标志着机组成本也将相应降低，并降低机组的开发难度。
从此看出我们需积极寻求能使退化系数得到有效降低的方法。
退化系数对SEER的影响可以从下图中看出：图1 SEER随C D变化的衰减系数图3. 提高季节能效比的途径3.1 提高EER的途径从以上SEER的影响因素可以看出，提高季节能效比的途径一方面就在于提高EER B，对于定频房间空调器，提高能效可以从以下几个方面来实现[3]：1、采用高效的压缩机，一般来讲，使用涡旋式压缩机比转子式压缩机能获得更高的能效，同时压缩机排量的合理选择也是一个需要重要考虑的因素；2、合理设计换热器，换热器对高能效系统的实现至关重要，换热器的设计包括换热面积、流路流程布置、翅片片形设计与优化、换热管内部传热强化等诸多方面（使用微通道换热器是一个很好的选择）；3、合理的风量与迎面风速设计，风量的大小直接关系功率的消耗，风量太大对系统换热是有利，但是功率同时会大幅增加，对整机能效反而降低了，因此风量有一个最佳值选择。
换热系数与迎面风速直接相关，风速也是风量选择时需要考虑的因素；4、合理的配管设计对系统效率也有重要影响，特别是气管的选择尤为重要。
3.2 降低退化系数（Cd）的途径退化系数的降低可直接促成空调器能效的提高，由图1可以看出提高幅度非常可观，因此美国在对退化系数的研究上做了很多工作，图2是美国ARI和CEC 对大量机组测试结果的一个统计，结果表明，大部分产品在空调系统上采取一定降低退化系数的措施后，退化系数可大幅降低。
技术统计图2目前的Cd通过稳态C工况和循环D工况对机组实际开停运行的模拟测试过程，我们可以找到一些降低退化系数的方法[4]，从而改善机组的季节能效比。
对于同一台机组来说，稳态工况下的能效是确定的，因此通过公式（2）和公式（3）我们发现循环工况的能效是影响退化系数的大小的主要因素，越高，退化系数越低，因此针对同一台机组，要降低退化系数我们需要从上想办法。
在循环D工况测试时，我们可以认为6分钟的开机时间是稳态运行的，那么停机的24分钟就成为提高的关键。
一方面，在压缩机停机后有一段特殊的时间，在这段时间里一部分制冷剂液体仍然在蒸发器里面蒸发传热，如果我们在这时将风机设置一个延时停止，在风机延时停的这段时间里，循环工况下总的制冷量将会提升。
如果这个延时期间里额外能力与风机消耗功率的比值高于6分钟开机时间里的的平均能效比，将会提升。
根据这种思路，如果在压缩机停机瞬间同时阻断液管以阻止液体的回流，保持较多液体停留在蒸发器内部，延时期间的风将吹出更多的能力从而提高D工况整体的能效。
另一方面，不同的节流装置，比如毛细管，孔板，热力膨胀阀和电子膨胀阀，不同的压缩机形式比如涡旋机、转子机和活塞机，不同的机组能力大小将都可能带来对退化系数的不同影响。
根据这些分析，我们在相同的焓差台上对相同的机组按照以下方案试验来验证这些理论的可行性：1、在室内机控制上增加一个可以控制当压缩机停机时延时停内风机的装置，并且选择合适的延时时间。
2、在液管上增加一个电动阀开关，在压缩机停机瞬间，这个电动阀也立刻关闭，以保持大部分液体仍在蒸发器内部蒸发。
3、对同一台机组，使用不同的节流装置：毛细管、电子膨胀阀以及热力膨胀阀4、对同一台机组，使用相同形式的节流装置，但是不同形式的能力接近的压缩机：涡旋机、旋转式压缩机机和往复活塞式压缩机机。
5、对于不同冷量的机组使用同样的节流装置和压缩机形式。
经过试验，获得如下的数据记录：图 4 风机延时和电动阀开关动作对C D的影响图5 不同形式的节流装置对C D的影响图6 不同压缩机类型对退化系数的影响图7 不同冷量的机组的退化系数差异可见，采用合适时间的内风机停机延时，使用特定的节流装置以及在系统管路上的特殊处理均会大幅降低退化系数，同时越大冷量的机组退化系数一般较较小冷量机组的退化系数为低，但是相近能力的不同压缩机形式的使用对退化系数影响不大。
至此，我们可以提出一个理想的最大限度降低退化系数的空调系统模型：一个制冷量60000Btu/h的机组，使用热力膨胀阀作为节流装置，在外机液管上设置一个电动阀，其开关与压缩机开停一起动作，在内风机上设置风机停机延时控制，延时时间设置在一个合理的范围内。
这样的系统将可以将机组因开停机产生的能效退化系数降低到0.05以下。
结论季节能效比反映了空调器在一年的全部使用时间内能量的有效利用程度。
它作为评价空调器的运行经济性指标比采用能效比评价经济性更为合理。
季节能效比的概念首先在美国被提出，经过这么多年的发展，美国已经形成比较成熟的季节能效比测试与计算方法，从这些测试和计算方法我们可以寻求到一些提高房间空调器季节能效比的途径，这些途径除了空调戏本身系统配置的合理设计外，还可以从降低因反复开停造成的能效退化系数上做出一些改进，当然我们提出的某些改进方法可能从机组本身成本上有所增加，但是从长远经济性能上来讲，还是具有较强的参考价值，随着美国能效的不断升级，提高B工况的能效比将越来越困难，降低退化系数Cd将是我们提高SEER的重要手段。
术语C D退化系数下标C LF制冷负荷因数cyc, dry循环干盘管工况SEER季节能效比ss, dry稳态干盘管工况参考资料1. ANSI／ARI Standard 210／240-2008Unitary Air-Conditioning and Air-Source Heat Pump Equipment.2. Brian P. Dougherty ,James J. Filliben, Ph.D Ana Ivelisse Avilés, Ph.D,Central AirConditioner Test Procedure Public Workshop: A Technical Discussion On NewDefaults for National Institute of Standards and TechnologyGaithersburg, MD 2 08993. 周彬，《房间空调器高效节能技术分析》,《制冷与空调》，第三卷，第4期4. Goldschmidt V. W., Hart G. H., Reiner R.C. A note on the transient performanceand degradation coefficient of a field heat pump cooling mode. ASHRAE Tran sactions,1980, 86(2):368～375.。