多变环境条件下家用空调器性能的实验研究

金听祥 时子超 杨有伟 金梦晓

（郑州轻工业学院能源与动力工程学院 郑州 450002）

由收入增长和气候变化的驱动，空调器的能源需求将在未来100年迅速增加，2100年空调器能源需求预计将会增加72%［1-2］。作为改变室内环境舒适性和健康性的一种方法，家用空调器耗电约占全社会总能耗的40%［3-4］。部分负荷特性是评价房间空调器效率的一个重要因素，因为在整个季节大部分热负荷一般小于房间空调器的额定能力［5-6］，所以用单一的标准工况测试一台空调器的好坏，显然不合理。因此有必要研究空调器在变工况条件下的性能。何钦波等［7-9］研究了室内外温湿度变化对空调器运行性能的影响，结果表明：在制冷系统不变的情况下，室内湿球温度和室外干球温度的变化对空调器运行性能影响较大，而室内干球温度和室外湿球温度的影响则稍小。M.B.Yurtseven等［10］对伊斯坦布尔的两处布置相同的办公场所的变频和定频空调器进行了43 d的耗电量实验，实验较好的反映了多变环境条件下变频和定频空调器的能耗差别。Chen I.Y.等［11］研究了一天内室外环境温度和空调器设定温度对定频和变频空调器性能的影响。结果表明，平均消耗功率随着热负荷的增加和设定点温度的降低而增加；对于相同的初始室温，定频空调器可以更早的达到设定点温度。G.Cherem-Pereira等［12］建立了房间空调器模型，用来估测能效比、制冷量、显冷量随室内外环境变化的影响，并建立了数学相关性，误差在10%左右。诸多学者均对房间空调器在多变环境条件下做了实验研究和定性分析。定频空调器的铭牌参数以额定工况下测得EER和COP为准［13-14］，并且我国各地区夏季和冬季温度差异较大，所以空调器实际运行时性能参数与铭牌参数相差甚远［15］。而消费者也仅仅是通过铭牌参数来选择空调器。因此，铭牌参数的精确性和对空调器性能评价方法的改进具有重要意义。

本文通过在多变环境条件下对房间空调器进行性能实验。实验测得制冷模式和制热模式下空调器制冷量、制热量、输入功率、能效比、性能系数等参数，并与空调器铭牌参数进行对比分析，直观的体现空调器性能的优劣。

1 实验设备及方法

1.1 实验设备

实验设备是一台制冷量为2 500 W的定频型家用空调器，具体参数如表1所示。实验在某5 HP焓差实验室中进行，布局如图1所示。

表1 空调器铭牌参数Tab.1 Normal parameters of air conditioner

图1 焓差实验室布局Fig.1 The enthalpy difference lab layout

1.2 实验精度及误差分析

热电偶测温线采用T型铜-康铜热电偶测温线精度为±0.5℃；功率表和电流表为0.5级；精密压力表为0.2级。实验过程中所用仪器本身造成的误差由厂家提供的参数得到，部分测量值和误差度如表2所示。

表2 实验参数误差度Tab.2 Error of test parameters

1.3 实验方法

本实验针对空调器制冷性能和制热性能进行实验，测得的实验数据与铭牌参数进行对比，分析实测性能与铭牌参数之间的关系。实验步骤如下：

1）制冷工况下，改变室外干球温度和相对湿度，制冷温区24～43℃，室外相对湿度 40%、60%、80%，间隔1℃对空调器进行耦合测试，测得不同室外干球温度和相对湿度条件下空调器的制冷量、输入功率、能效比等参数。

2）制热工况下，改变室外干球温度和相对湿度，制热温区 -6～16℃，室外相对湿度40%、60%、80%，间隔1℃对空调器进行耦合测试，测得不同室外干球温度和相对湿度条件下空调器的制热量、输入功率、性能系数等参数。

3）通过实验测得的相关参数，与铭牌参数进行对比，引入相对制冷量比率（relative refrigerating capacity percentage，RRCP）、相对制热量比率（relative heating capacity percentage，RHCP）、相对功率比率（relative power percentage，RPP）、相对能源消耗比率（relative energy consumption percentage，RECP），分析实测性能参数与铭牌参数的关系，直观的体现空调器性能在多变环境条件下的变化范围。相对比率定义：

2 实验结果及分析

2.1 空调器制冷工况性能分析

2.1.1 RRCP和RPP的分析

目前对房间空调器的设计仍停留在单一的标准工况，而人们并不只在标准工况下使用，可能在各种工况下使用［16］，因此空调器的使用和铭牌参数之间存在很大偏差。图2和图3给出了RRCP和RPP随室外温度和相对湿度的变化关系。室外相对湿度从40%升高到80%，RRCP和RPP有微小的变化。室外干球温度由24℃升高到43℃，RRCP最大可增大到16.5%，最大可减小到-13.2%；RPP最大可减小到-4.8%，最大可增大到24%，间隔1℃ RRCP和RRP分别降低2%和升高2.5%。由此可见，随着室外干球温度的升高，RRCP由正偏差过度到负偏差，RPP由负偏差过渡到正偏差，空调器制冷性能逐渐衰减，主要因为室外干球温度的升高，导致冷凝温度、冷凝压力升高，压缩机排气温度、排气压力升高，流量降低，压比增大，不可逆损失增加，压缩机功耗增大。而家用空调器的节流机构为毛细管，节流度固定，导致蒸发器进口制冷剂的焓值增大，单位制冷量减小，空调器制冷性能降低。

图2 相对制冷量比率随室外温度和相对湿度的变化Fig.2 The change of RRCP with the outdoor temperature and relative humidity

图3 相对功率比率随室外温度和相对湿度的变化Fig.3 The change of RPP with the outdoor temperature and relative humidity

2.1.2 RECP的分析

由图4可知，室外相对湿度的变化对RECP的影响较小，室外干球温度由24℃升高到43℃，RECP由22.2%减小到-30%，每升高1℃ RECP降低2.4%，RECP由正偏差过度到负偏差的变化幅度较大。主要因为室外干球温度的升高，室外热交换器的换热温差减小，导致室外热交换器不能很好地与外界环境进行换热，造成制冷剂在室外热交换器中未得到充分换热。由此可知，当室外干球温度低于铭牌参数对应的设计温度时，RECP为正偏差，空调器性能优良，有利于空调器节能，当室外干球温度高于铭牌参数对应的设计温度时，RECP为负偏差，空调器性能低于铭牌所标定的性能，不利于空调器节能。

图4 相对能源消耗比率随室外温度和相对湿度的变化Fig.4 The change of RECP with the outdoor temperature and relative humidity

2.2 空调器制热工况性能分析

2.2.1 RHCP和RPP的分析

制热工况下，RHCP和RPP随室外干球温度和相对湿度的变化关系如图5和图6所示。与制冷工况相同，室外相对湿度对RHCP和RPP的影响较小。室外干球温度由-6℃升高到16℃，RHCP和RPP均呈线性增大，RHCP由-34%增大到14%，每升高1℃ RHCP平均增大2%；RRP由 -24%增大到-2%，每升高1℃ RRP平均增大1%。主要原因是室外干球温度越低，室外热交换器换热温差越小，蒸发温度、蒸发压力随之降低，导致压缩机吸气压力降低，系统制冷剂流量减小，制热量显著衰减。室外干球温度过低也会导致室外换热器结霜，霜层增大了空气的流动阻力，室外空气与热交换器之间的热交换量减小，导致制热性能降低。

图5 相对制热量比率随室外温度和相对湿度的变化Fig.5 The change of RHCP with the outdoor temperature and relative humidity

图6 相对功率比率随室外温度和相对湿度的变化Fig.6 The change of RPP with the outdoor temperature and relative humidity

2.2.2 RECP的分析

由图7可知，室外相对湿度的变化对RECP的影响较小，室外干球温度由-6℃升高到16℃，RECP由负偏差过度到正偏差，由-13%增大到16.9%，制热性能变化跨度大。由此可知，当室外干球温度低于铭牌参数对应的设计温度时，RECP为负偏差，空调器性能低劣，并不能达到铭牌所标定的性能，当室外干球温度高于铭牌参数对应的设计温度时，RECP为正偏差，空调器性能优良，有利于空调器节能。

图7 相对能源消耗比率随室外温度和相对湿度的变化Fig.7 The change of RECP with the outdoor temperature and relative humidity

3 结论与展望

本文通过焓差实验室，选取不同的室外温度和相对湿度分别对空调器的制冷性能和制热性能进行实验测试，同时与铭牌参数进行对比分析，得出以下结论：

1）改变室外相对湿度对家用空调器的制冷性能和制热性能进行实验研究。结果表明：相对湿度由40%升高到80%，RRCP、RHCP、RPP和RECP均有较小的变化。因此，对定频型家用空调器进行性能实验时，可以忽略室外相对湿度变化的影响。

2）改变室外干球温度对家用空调器的制冷性能进行实验研究。结果表明：室外干球温度由24℃升高到43℃，RRCP由16.5%减小到-13.2%，RPP由-4.8%增大到24%，RECP由22.2%减小到-30%。因此，当室外干球温度低于铭牌参数对应的设计温度时，RECP为正偏差，空调器性能优良，有利于空调器节能，当室外干球温度高于铭牌参数对应的设计温度时，RECP为负偏差，空调器性能低于铭牌所标定的性能，不利于空调器节能。

3）改变室外干球温度对家用空调器的制热性能进行实验研究。结果表明：室外干球温度由-6℃升高到16℃，RHCP由 -34%增大到14%，RRP由-24%增大到-2%，RECP由-13%升高到16.9%。因此，当室外干球温度低于铭牌参数对应的设计温度时，RECP为负偏差，空调器性能低劣，并不能达到铭牌所标定的性能，当室外干球温度高于铭牌参数对应的设计温度时，RECP为正偏差，空调器性能优良，有利于空调器节能。

综上所述，引入相对比率指标分析空调器在多变环境条件下的性能，能精确和直观的体现空调器性能的变化范围，对空调器性能评价方法的改进有一定的参考价值。

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