空调热泵设备性能测量与评价：从稳态到实际.pdf

216 2023中国家电科技年会论文集0 引言产品性能是指所具有的适合用户要求的物理、化学或技术性能。性能指标确定原则包括：应能区分同类产品性能的优劣、相同功能的其他类别产品应具有可比性、尽可能反映实际使用状况1。空调热泵装置的功能就是实现制冷、制热、除湿，因而制冷（热）能力、制冷（热）能效是评价其热工性能的主要指标2。随着变频技术的发展，季节性能系数也成为了空调热泵装置主要性能指标。确定空调热泵装置性能必须进行性能试验，其遵循的基本原作者简介：杨子旭（1995），男，博士学位。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。联系方式：010-62796114。Email：。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”（编号：2022YFC3801502），博士后科学基金（编号：2023M732000），清华大学-丰田联合研究基金专项，清华大学水木学者计划资助。空调热泵设备性能测量与评价：从稳态到实际杨子旭 石文星 王宝龙 林波荣清华大学建筑技术科学系 北京 100084摘 要：空调热泵装置的制冷（热）能力及能效是评价其性能的主要指标。在实验室稳态工况性能测量中，为体现空调热泵部分负荷性能的提升，性能评价经历了从“点”评价到季节性能评价的过程，但其本质都是给定热源侧和使用侧工况以及指定压缩机和风机运行状态下的稳态运行参数。随着空调热泵装置控制水平的发展，为进一步空调热泵装置的自动控制特征与品调控质，综述了国内外关于基于变化负荷性能测量的方法，包括静态补偿法（房间固定负荷）和动态补偿法（虚拟建筑负荷），本质是将虚拟的空调热湿负荷施加到实验室室内侧，并要求空调热泵装置根据室内的负荷利用自动控制技术将室内调节到设定温度，在此期间获得机组的性能。旨在为建立在实验室模拟空调热泵装置实际运行性能的测量方案提供参考或依据。关键词：空调热泵设备；季节性能；实际运行；变化负荷；标准化Performance measurement of air conditioning heat pump units:From steady conditions to actual operationYANG Zixu SHI Wenxing WANG Baolong LIN Borong Department of Building Science,Tsinghua University Beijing 100084Abstract:The cooling(heating)capacity and energy efficiency of air conditioning heat pump devices are the main indicators for evaluating their performance.In laboratory steady-state performance measurement,in order to reflect the improvement of partial load performance of air conditioning heat pumps,performance evaluation has gone through a process from point evaluation to seasonal performance evaluation,but its essence is the steady-state operating parameters under given heat source side and usage side conditions,as well as specified compressor and fan operating conditions.With the development of the control level of air conditioning and heat pump devices,in order to further improve the automatic control characteristics and quality control of air conditioning and heat pump devices,reviews the methods for measuring performance based on variable loads at home and abroad,including static compensation method(chamber induced load)and dynamic compensation method(virtual building load).Essentially,virtual air conditioning heat and humidity load is applied to the inside of the laboratory room,And it is required that the air conditioning and heat pump device use automatic control technology to adjust the indoor temperature to the set temperature based on the indoor load,in order to obtain the performance of the unit during this period.Aims to provide reference or basis for establishing a measurement scheme for simulating the actual operating performance of air conditioning heat pump devices in the laboratory.Keywords:Air conditioning heat pump units;Seasonal performance;Field operation;Variable load;Standardization中图分类号：TM925.12 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.99.049 2172023中国家电科技年会论文集则是：试验方法尽可能简单、试验次数应尽可能少以及测试结果应具有一致性（可重复性）1。因此，应当在稳态工况下测量设备的能力和能效，此时空调热泵设备通常被控制在特定的压缩机频率和风机转速下。空调器在实际动态环境、负荷变化情况下的运行性能一直是相关领域专家研究的热点。对空调器、多联机的现场性能测量表明，利用实验室测试结果评价安装后空调性能存在缺陷，尤其是无法反映空调热泵设备在变工况运行部件及系统优化、部分负荷控制技术的发展34。但是，完全依靠现场性能测量又不满足试验简单、次数少和一致性的要求，进而无法对不同的设备进行合理比较的问题。为此，应当提出基于实际动态环境、负荷变化的空调热泵性能测量方法，以表征空调热泵装置在安装使用后的实际运行性能。为此，本文介绍了稳态性能测量（包括名义性能和季节性能指标）和国内外针对变化负荷测量的方法，旨在协助提出先进的标准衡量空调热泵设备的方案，以反映的实际动态环境、负荷变化运行性能。1 稳态性能测量1.1“点”评价季节性能评价在产品设计时，需要给定设计工况，即名义工况（或称为额定工况）。空调热泵设备的名义性能是设备最基础的指标之一，通常包括名义工况下的制冷（热）量和能效比，这是产品容量选型的依据，也是能效高低的基本判据。名义能效比EER定义为名义制冷（热）量Q与设备名义功率P之比，如公式（1）所示：EER=Q/P （1）对于定频运行的空调热泵设备，名义性能的优劣往往能反应设备在不同运行条件下的优劣。然而，随着变频技术的发展，压缩机负载可以调节，设备在名义工况下的性能不再代表其在不同工况下的性能。为综合考虑变工况、部分负荷工况的空调热泵设备运行性能，在2002年多联式空调（热泵）机组性能评价中采用了IPLV指标对季节性能进行评价5，这是我国空调热泵设备首个季节性能评价标准；2004年，我国新修订的房间空调器标准中则首次纳入APF作为空调热泵设备季节性能评价指标6。季节性能评价能够考核设备在不同部分负荷工况下的性能，通过不同部分负荷工况下测量其制冷（热）量，并通过标准给定的季节性能计算公式获得其季节性能值。其本质是在典型建筑、典型气候和使用方式下，计算空调热泵机组在一个制冷季、制热季及一年的平均能效比。因此，季节性能评价的测试过程可以看做是多个“名义工况”测试的重复。公式（2）是IPLV体系下性能系数计算方法，表征的是典型负荷率下的COP加权求和；公式（3）是APF体系下SEER的计算方法，是计算运行期间的总制冷/热量与机组耗电量之比。IPLV=aA+bB+cC+dD （2）（3）式中，A、B、C、D是机组负荷率100%、75%、50%和25%时的性能系数，而a、b、c、d代表负荷率100%、75%、50%和25%时的权重系数，对应于机组在各负荷率下运行的总制冷（热）量的比例；SEER、CSTL、CSTE分别为制冷季节性能比、制冷季节总负荷、制冷季节总耗电量，单位为kWh/kWh和kWh；BLc(ti)为ti温度下的制冷季节负荷。1.2 测试方法无论是名义性能测试还是季节性能测试，各工况点的性能参数需要在稳定条件下获得，每个工况条件在非常小的允差范围内变化，而被测空调热泵装置则需要被预先调整为指定的压缩机频率等相关参数。虽然季节性能评价反映了机组部分负荷下性能提升，但其本质都是给定热源侧和使用侧工况以及指定压缩机和风机运行状态下的稳态运行参数。图1 a)给出了按照GB/T 77256房间空气调节器测试方法下的测试点，其中，额定工况（35）的全冷量、半冷量为必测，部分负荷工况（29）的全冷量、半冷量为选测点（图1 a)），体现了机组在部分负荷下的性能。GB/T 25127 低环境温度空气源热泵冷（热）水机组7等在变工况温度制取相应低负荷率的冷（热）量，此时定频/定速机组在工频下运行，变频/变容机组将压缩机的运行频率或容量调至适宜值（图1 b)）。2 基于变化负荷性能测量2.1 基本方法实验室稳态工况测试无法真实反映空调器动态运行的控制策略和实际运行性能。虽然目前的测试内容包括除霜测试等动态环节，但是这并不作为性能考核指标。因而，亟待一种测量方法兼顾现场测试的动态特征，并在实验室可重复，以便不同设备进行公平的比较。目前国际上出现了基于负荷（Load-Based）的性能测量方法，这种方法将简化的空调负荷施加到室内侧，并且要求空调热泵装置根据室内的负荷、依据自动控制技术调节到室内设定温度，而不是提前预定设计值。变化负荷的性能测量国际上目前主要分为两类：（1）房间固定负荷；（2）虚拟动态负荷。房间固定负荷是通过实验室内置的风机218 2023中国家电科技年会论文集盘管和电加热装置，以恒定速率向室内增加或移除热量，由德国联邦材料研究与测试研究所（BAM）8首先提出。虚拟动态负荷是另一种补偿负荷的方法，这种方法需要模拟建筑对被测空调热泵系统的响应，例如，如果当前设备制热量低于制热量测试当前补充热负荷、返回机组的回风温度将通过实验室调节设备进一步降低，以反映负荷和机组容量不平衡是建筑室内侧温度的变化。这两种方法的主要区别是，前者施加的是稳态的负荷，因此也称作“静态补偿法”；而后者在机组当前能力与室内负荷不一致时改变补偿负荷的大小，模拟当前建筑的热响应，也叫作“动态补偿法”9。2.2 测试方法说明CSA EXP07:1910采用不同室外工况变负荷的测量方法，使用动态更新模型，根据被测设备的容量实时计算室内的温度条件，如公式（4）（5）所示，并将其与要施加的负荷进行比较，根据负荷和制冷（热）量之差更新室内条件。这是典型的虚拟动态负荷。（4）（5）其中，BL(Tj)为干球温度Tj时室内模拟的显冷补偿，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，TOD和Tzl分别为基于当前室内温度的平衡温度，室外设计温度和0负荷点对应的温度，；RAT(t)为室内房间修复系统的最新室内干球温度设定值；TID为室内当前温度，。表1 还给出了CSA EXP07:19规定的制冷季节部分负荷测试点，该标准体现了变室外温度和变负荷的动态特征，并在一个连续运行测试条件下完成CACE五个工况点的测试，如图2所示。每次工况变化后空调热泵装置根据室内的负荷、依据自动控制技术调节到室内设定温度，达到稳态后再记录空调器的制冷量和功率，进而获得空调器能效比，并按照SEER计算方法公式（2）进行加权。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。2019年，BAM8根据欧盟EN 14825:2016标准，提出的房间固定负荷的空调热泵性能测量方案补充说明，这是一个典型的静态补偿 a)按照GB/T 7725测试工况 b)按照GB/T 25127.1测试工况 图1 国标中关于空调热泵的测试方法表1 CSA EXP07:19规定的制冷季节部分负荷测试点（已转化为摄氏度）测试点湿环境（）干环境（）干球温度室内干球室内湿球干球温度室内干球室内湿球CA*N/A23.317.245（113）26.113.3CB40（104）40（104）CC35（95）35（95）CD30（86）30（86）CE25（77）25（77）表2 BAM补充文件规定热制冷季节部分负荷测试点测试工况室外干球温度室外湿球温度室内干球温度补偿负荷A-7-820B2120C7620D121120ETOL-20FTblv-20 2192023中国家电科技年会论文集方案（测试工况如表2，实验室方案如图3）。测试以制热工况为例，并选择了6个典型测试工况，在每个工况下补偿固定的负荷，同样通过类似公式（2）获得制热季节性能指标。研究表明，该方法与传统方法可重复性相当，且由于固定频率和自由运行控制的差异，计算得到HSPF与传统方法下降了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AHRI 1230-2021，并在附件中提出了控制方法验证程序（VRF CVP）11。该标准要求制造商给出在动态测试中关键参数（如压缩机频率、节流阀开度等）的设定值，通过如图4的输入室内温度变化，将空调设备每个关键参数的测量位置与认证的关键参数值进行比较。根据附件要求，测试为制冷工况，并在测试期间持续降低室内温度，多联机需要在室内温度降低时做出响应、降低制冷能力。需要说明的是，该测试方法不是用于机组能效测试，主要是验证动态过程的关键参数变化，因此不属于典型的静态补偿和动态补偿法。而在2022年，美国能源部（DOE）已经将该附件作为多联机的强制测试项目。此外，在国际上进行相关研究的还有早稻田大学团队17，采用虚拟建筑负荷控制不同实验室回风温度；国际能源署节能终端设备技术合作计划对CSA EXP07、BAM测试和AHRI 1230 CVP进行了比较，并认为应首选BAM测试（即静态补偿法），因为其可重复性最高13；美国先进热泵联盟则通过13台空调设备对CSA EXP07和AHRI 1230 CVP的测试精度与实验室稳态值进行比较，结果表现出较大差异，说明未来空调热泵装置测试必须考虑其动态性能14；ISO TG13（下一代性能标准）工作组也对不同方法进行了比较，结果表明上述方法的可重复性都难以达到目前基于额定工况稳态测量的方案15。在国内，中国家用电器研究院给出了一种既能进行自由运行性能实验、又能考核稳态下机组能力的实验室建设方案，如图5所示。在自由运行实验中，不需要固定空调热泵装置的设定参数，并采用辐射板来模拟室内的冷热负荷，但目前未形成完整的测试方案。图5 中国家用电器研究院自由运行与稳态测试实验台示意图2.3 与实际性能测量的关系空调热泵实际使用过程中的安装条件、控制模式、换热器脏堵、部件的老化磨损以及室内外进风等因素都直接影响其运行性能16，探明方面空调器真实运行性能尤为重要。为此，近年来提出了基于压缩机能量平衡法和压缩机容积效率法的全工况在线性能测量法，可实现对空调器和多联机的非介入、无干扰测量，具有良好的通用性和长期测量精度。图2 按照CSA EXP 07:19的空调器性能测量方法图4 AHRI 1230-2021附件的控制方法验证程序（VRF CVP）图3 BAM在EN 14825:2016标准提出的性能测量方案补充说明220 2023中国家电科技年会论文集在T/CAS305-2018 房间空气调节器实际运行性能参数测量规范17中，空调热泵装置实际运行性能系数AEERC通常定义为：（6）也就是指累计制冷量与制冷测量期耗电量之比。其中AQC和APC是测量期间累计的制冷量与耗电量，kWh；QC,i和Pc,i是单次采样下的制冷量与耗电量，kWh。由于可见，AEERC由现场测试获得，完全反映了设备的实际使用状况；但受限于室外工况、室内工况及机组运行模式完全由外界或用户确定，一致性差、性能结果无可比性。因此，实际运行性能测量无法替代本文提出的变化负荷性能测量方法，但对于监测机组正常运行、改造更换需求、建立基于实际性能的调适方案等有重要意义。本文所述的三种方法的关系如图6所示。图6 三种评价方法的关系3 结论与展望本文介绍了空调热泵设备性能评价从“点”评价到季节评价的发展过程，并提出发展基于变化负荷性能测量的方法，主要结论包括：（1）对于稳态工况性能测量名义能效比和季节能效比，各测试工况下被测装置需要调整为指定压缩机、送风参数，该方法无法反映空调热泵装置的控制特征，但一致性高，是目前通行的测试方法；（2）基于变化负荷性能测量的方法，包括静态补偿法和动态补偿法，本质是将虚拟的空调负荷施加到实验室室内侧，并要求空调热泵装置根据室内的负荷利用自动控制技术将室内调节到设定温度，在此期间获得机组的性能。这种方法兼顾实验室的准确和可重复性，并可以考察设备动态控制特征，是未来空调热泵设备评价的重要参考。（3）实际性能测量受室外环境及用户设置影响，无法替代实验室的性能测试，但对于监测机组正常运行、改造更换需求、建立基于实际性能的调适方案等有重要意义。参考文献1 石文星,王宝龙,邵双全.小型空调热泵装置设计M.中国建筑工业出版社,2013.2 Yang Z.,Xiao H.,Shi W.,et al.Analysis and determination of a seasonal performance evaluation for air source heat pumps.Journal of Building Engineering.43(2021),1025743 丁连锐,曲宗峰,亓新,等.房间空调器实际运行性能测量装置的精度标定与应用J.中国标准化,（检测认证）2019(07):143-151.4 丁连锐,曲宗峰,亓新,等.房间空气调节器实际运行性能测量方法研究J.中国标准化,（检测认证）2019(03):172-179.5 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 18837-2002多联式空调(热泵)机组S.北京:中国标准出版社,2002.6 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 7725-2004 房间空气调节器S.北京:中国标准出版社,2008.7 中华人民共和国国家质量监督管理总局和国家标准化管理委员会.GB/T 25127.1-2020.低环境温度空气源热泵（冷水）机组，第1部分：工业或商业用及类似用途的热泵（冷水）机组S.北京:中国标准出版社,2020.8 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 performanceR,2019.9 杨子旭,石文星,王宝龙,等.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J.家电科技,2023(03):74-78.10 Canadian Standards Association.CSA EXP07:19 Load-based and climate-specific testing and rating procedures for heat pumps and air conditioners R,2019.11 Air-Conditioning,Heating,and Refrigeration Institute.AHRI Standard 1230-2021.Performance Rating of Variable Refrigerant Flow(VRF)Multi Split Air-Conditioning and Heat Pump Equipment S,2021.12 Niccolo Giannetti,HifniAriyadi,Yoichi Miyaoka,JongsooJeong,KiyoshiSaito,Developmentof an Emulator-Based Assessment Method for Representative Evaluation of the Dynamic Performance of Air Conditioners(2022).International Refrigeration and Air Conditioning Conference.Paper 2458.13 IEA.Load-based Testing for Variable Speed Air Conditioners&Heat Pumps Phase 1 Findings Webinar.R 4E.IEA presentation,2021.14 The Advanced Heat Pump Coalition.www.mwalliance.org/advanced-heat-pump-coalition EB/OL.15 International Organization for Standardization.https:/www.iso.org/committee/50376.html EB/OL.16 于天蝉,杨子旭,丁连锐,等.房间空调器在线性能测量技术的研究与应用进展J.家电科技,2021(06):16-2417 中国标准化协会.T/CAS 305-2018 房间空调器实际运行性能参数测量规范S.