在用房间空气调节器能效衰减研究
2015-03-15袁雅青吴志东戴兴学
何 曙，袁雅青，吴志东，田 波，戴兴学
(1.上海市质量监督检验技术研究院，上海 200233;2.中国质量认证中心，北京 100070；
3.威凯检测技术有限公司,广州 510663)
在用房间空气调节器能效衰减研究
何曙1，袁雅青2，吴志东3，田波1，戴兴学3
(1.上海市质量监督检验技术研究院，上海 200233;2.中国质量认证中心，北京 100070；
3.威凯检测技术有限公司,广州 510663)
[摘要]对53台来自在不同温区、不同品牌的、不同制冷量、使用了5年及以上的在用房间空气调节器能效进行了测试分析，结果表明除不同品牌的产品能效衰减率差异较大外，使用温区、使用年限、产品制冷量对空调能效衰减率的影响不大。使用了5年或更长时间的家用空调器能效水平远低于当前标准规定的能效限定值，普遍低20%~30%，最高可低54%。为分析加速淘汰在用空调器的节能减排潜力，以2008年中国在用空调器的保有量进行估算，即使以当前最低能效水平的空调器进行替代，一年仅制冷季节节电量也高达2147亿度电，二氧化碳减排量达2.14亿吨。如果更换为能效等级更高的空调或变频空调，节能减排的潜力更大。
[关键词]在用房间空气调节器；能效；衰减率；节能减排潜力
前言
随着人民生活水平的提高，家用空调器已从奢侈品变为生活必需品。中国统计年鉴数据显示[1]：2011年，我国城镇居民空调每百户122台，相比2010年提升10台/百户；农村居民空调每百户23.6台,相比2010年提升6.6台/百户。由于空调一户多机的特点，我国空调的保有量还有较大提升空间。与此同时，空调能耗占社会总能耗的比重也不断攀升。
目前，空调销售中仍以新增需求为主，但是随着2014年末格力电器采用格力空调定频换变频立减1000元的公益促销活动[2]，激发了市场的替换需求。定频换变频，不仅加快了空调市场进入“变频”时代，更让学者深思，由于家用空调器节能技术的不断革新以及在用空调器使用中不可避免的能效衰减，目前我国天量的空调保有市场，到底储存了多大的节能空间？当前在用的家用空调器，能效水平处在什么样的状态？
基于以上考虑，本文选取了市场上主流品牌的在用空调器产品，针对我国不同气候温区的特点，进行试验研究，分析在用空调的能效现状及其节能减排潜力，为政府深化节能减排政策提供基础数据。
1试验方法描述
1.1 试验装置介绍
考虑到试验结果的代表性，试验数据的复现性，试验过程的可操作性，本文采用GB/T7725-2004《房间空气调节器》[3]中的房间式室内空气焓值法对拆卸下来的旧空调器进行试验。其试验装置布置原理图如图1所示。其中风量测量装置如图2所示,它由一个接收室和一个排风室及中间的多个喷嘴组成。被测机组的送风通过风道进入接收室、经过喷嘴，然后排至测试室内。喷嘴装置和与被测机的连接装置密封良好，漏风率不超过1.0%的额定风量。空调器室内侧送风口温度采用图3的空气取样装置测量，安装位置如图1所示。空气测量装置安装在室内侧并与空调器送风口相接。空气测量装置保温良好，保温从空调器送风口开始，直至测温点为止，包括连接风管在内，以使漏热量不超过被测制热量的5%。试验房间内设有空气再处理机组，以保证空调器的回风参数在规定的干球、湿球温度范围内。
图1 房间式室内空气焓值法的试验装置
注： 1)整流板上孔应均匀，且所占面积不超过 整流板未开孔面积的40% 2)b为气流图2 风量测量装置
图3 空气取样装置
制冷量和制热量试验时，空调器室内、室外空气进行交换的通风门和排风门(如果有)、风扇速度、导向格栅按照制造商规定进行设定，如果制造商未规定，将空调器室内、室外空气进行交换的通风门和排风门(如果有)完全关闭，风扇速度、导向格栅等在不违反制造厂规定下调到最大制冷量或最大制热量的位置。
试验过程中，室内、外间室环境温度控制如表1所示。
表1试验工况
工况条件室内侧回风状态室外侧进风状态干球温度/℃湿球温度/℃干球温度/℃湿球温度/℃制冷运行额定制冷27193524制热运行额定制热2015(最大)76
1.2 性能参数计算
1.2.1制冷量的计算
a)制冷量由室内侧确定，按式(1)进行计算：
(1)
式中：
Øtci—室内侧测量的总制冷量，W；
qvi—空调器室内测点的风量，m3/s；
ha1—空调器室内侧回风空气焓值，J/kg(干)；
ha2—空调器室内侧送风空气焓值，J/kg(干)；
Wn—测点处空气湿度，kg/kg(干)。
b)显冷量(房间显热制冷量)按式(2)计算：
(2)
式中：
Øsci—显冷量，W；
qvi—空调器室内测点的风量，m3/s；
Cpa1—空调器室内侧回风空气比容，J/(kg·℃)；
Cpa1—空调器室内侧送风空气比容，J/(kg·℃)；
ta1—空调器室内侧回风温度，℃；
ta2—空调器室内侧送风温度，℃。
c)潜冷量(房间除湿量)按式(3)进行计算：
(3)
式中：
Ø1ci—潜冷量(W)；
K1—2.5004×103(此值为0℃时的蒸发潜热)，J/kg；
Wi1—室内侧回风空气的绝对湿度，kg/kg(干)；
Wi2—室内侧送风空气的绝对湿度，kg/kg(干)。
其他符号定义见公式(1)。
注：公式(1)~(2)不包括试验装置的漏热量。
1.2.2制热量的计算
制热量按式(4)进行计算：
(4)
公式中的定义见公式(2)。
注：公式(4)没有包括试验装置的漏热量，试验过程中计算漏热并修正管路损失将其计算在制热量内。
1.2.3能效值计算
额定制冷EER(energy efficiency ratio)为空调额定工况下空调制冷量与制冷消耗功率之比；额定制热COP(coefficient of performance)为空调额定工况下空调制热量与制热消耗功率之比。
2测试样机和使用地域的选择
2.1 测试样机机型选择
我国变频空调市场占有率的开始提升在2008年，由于价格的原因其市场占有率一直不高，其年销量一直居于定频空调的下风。为确保研究结果尽可能代表当前我国在用空调的主体状况，本研究集中在定频空调。
另外，根据不同制冷量空调在我国的销售情况，其中制冷量为2500W(适用于小卧室或书房)，3500W(适用于主卧室)及7200W(适用于客厅)销售最为普遍，故研究集中在制冷量为1HP(house power)，1.5HP及3HP左右的家用空调器。
同时，为保证研究结果的市场代表性，测试样机选用我国家用空调器主流品牌的产品，包括美的、格力、海尔、志高、奥克斯、长虹等。后续研究中，仅以代号来区分不同品牌的产品，不体现具体品牌名称。
2.2 测试样机地域选择
我国是仅次于俄罗斯、加拿大，为世界第三大国，经、纬度跨度大，南北跨纬度约50°，东西跨经度约62°，因此气候表现也极为丰富。根据《实用供热空调设计手册》[4]规定，将我国划分成5个气候温区，分别是严寒、寒冷、温和、夏热冬冷和夏热冬暖(图4)。在严寒地区，冬季以集中供暖为主，夏季气温凉爽，家用空调器的使用量小。本研究集中在家用空调器市场占有率相对较大的其余四个温区中的一、二线城市。具体各温区所选用的城市如表2所示。其中三亚市是一个一面临海的狭长城市，受南海海风的影响，其空气中含盐量大，对家用空调器的腐蚀有别于其他城市，故在后续研究中，将三亚市单独列出进行分析讨论。另外，三亚属于典型的亚热带气候，冬季气候温和，全年空调无需制热，故对于三亚地区的空调只讨论其制冷性能。
图4 我国暖通气候分区及本研究城市覆盖情况
表2测试样机覆盖城市
气候温区城市夏热冬暖广州、珠海、南宁、三亚夏热冬冷南京、上海、重庆温和昆明、贵阳寒冷北京、济南
3试验结果分析
本研究引入了衰减率的概念，即产品使用若干年后在标准工况下实测得到的某性能参数与产品铭牌上相应性能参数相比较，减少的百分率。
3.1 在用空调能效性能分析
图5是针对1HP空调使用若干年后，不同品牌，在不同气候带使用时的能效性能衰减情况。
从图中可以看出，对于同一品牌的产品，除品牌4的变化幅度略大，其寒冷地区的额定制冷EER衰减率比夏热冬暖地区的高17%外，其余品牌产品在不同温区的能效性能衰减率差别不大，变化幅度在10%左右。说明家用空调能效性能衰减受不同气候温区下人们的使用习惯、气候环境差异的影响不大。需要单独说明的是，已经测得的三台不同品牌的产品在三亚地区使用的额定制冷EER的衰减率都比较大，说明该地区盐雾腐蚀对产品能效衰减的影响较大。
图中还可以看出，对于同一气候温区，不同品牌产品能效性能衰减率的差异比较大。除了温和地区两组数据的差异不大外，其他地区不同品牌额定制冷EER衰减率的差别从13%~19%不等，额定制热COP衰减率的差别则从6%~26%不等。说明不同品牌的产品由于其加工工艺、原材料进货渠道以及节能技术的差异，导致能效性能衰减率也存在较大的差异。
对于1HP(分体壁挂式)和3HP(分体落地式)空调，由于其结构上的差异，导致其在设计、布置及生产工艺等方面均存在不同。为获得这两类产品在使用若干年后能效衰减率的差异，对某品牌若干台使用了数年的1HP和3HP的空调进行测试，其额定制冷EER和额定制热COP的衰减率情况分别如图6所示。从图中可以看出，对于额定制冷EER，1HP空调和3HP空调的衰减率都集中在6%左右，并没有因为设备结构的差异而引起很大的差异。而对于额定制热COP，1HP机和3HP机的分化就比较大：1HP空调的衰减率集中在4%，而3HP空调则集中在12%。
图5 不同品牌的1HP空调在不同温区额定制冷EER和额定制热COP衰减率
图6 某品牌不同制冷量空调额定制冷EER和额定制热COP衰减率
不同工作年限后的家用空调器产品能效性能衰减率如图7所示。从图中可以看出，家用空调器随着使用年限的增加，其能效性能衰减率虽然存在5%~15%的变化，但并不完全是呈线性变化的。也就是说，当家用空调器使用到一定年限后，其能效性能衰减到一个相对稳定的水平。
图7 不同品牌空调不同工作年限后额定制冷EER衰减率
3.2 在用空调能效现状分析
对更换下来的来自不同城市、不同制冷量的100台空调进行测试，其中由于拆卸过程中存在冷媒管接口损坏、冷媒泄漏、压缩机无法启动、无冷媒或者空调不停开关机等导致部分在用空调样机无法提供测试数据，最终获得有效测试数据53组，按照GB12021.3-2010《房间空气调节器能效限定值及能效等级》[5]对家用空调器的分类，制冷量在4500W以下的有效测试数据有39组，制冷量在4500~7100W之间的有效测试数据有4组，制冷量在7100W以上的有效测试数据有10组。将以上有效测试数据与现行家用空调器的能效限定值进行对比，结果分别如图8所示。由于我国当前有效的能效标准尚未规定定频空调的制热性能限定值，只规定了制冷性能的能效限定值，故下文的比较中也仅对有效的53组数据中的额定制冷EER与当前能效限定值进行对比分析，以获知当前在用空调的能效现状。
图8 在用空调额定制冷能效现状(CC:cooling capacity)
从图8中可以看出，当前在用空调器的能效值都远低于目前能效限定值的要求，这一方面是因为家用空调器节能技术的不断发展以及能效标准的提升，使若干年前销售的符合当时能效标准的空调产品其能效值已落后于目前能效标准规定的能效限定值；另一方面是因为家用空调器在使用过程中，由于“两器”及风机叶片的积灰、结垢导致性能下降，
换热管内壁结垢、风机及压缩机电机磨损导致效率降低、以及制冷剂乳化等原因导致制冷效果变差，使得整机的制冷性能出现不同程度的下降，额定制冷EER衰减，如图5~7所示。
从目前随机取样有效测试数据统计分析，不同制冷量范围内在用空调的额定制冷EER与当前能效限定值对比如表3所示。
表3在用空调额定制冷能效与当前限定值对比
额定制冷量/W在用空调额定制冷EER现状(平均值)空调额定制冷EER限定值CC≤45002.393.24500
3.3 在用空调节能减排潜力分析
为挖掘在用空调的节能潜力，分析加速旧空调淘汰的社会价值，本节研究将着重探讨服务年限在5年及以上的产品。加之我国新的空调能效标准GB12021.3-2010《房间空气调节器能效限定值及能效等级》是2010年实施，提升了对空调产品的能效要求，也即在2010年6月1日以后销售的空调能效值相对较高。而我国又分别在2009年6月1日~2011年5月31日,2012年6月1日~2013年5月31日共三年时间实施了家用空调器的“节能惠民工程”以及“家电以旧换新”财政补贴政策，因此，这阶段销售的空调也多以节能型空调为主。故此，选择2008年我国空调的保有量作为在用空调节能潜力分析的依据。
《中国统计年鉴2009》[6]显示，2008年底全国农村和城镇居民家庭平均每百户空调的拥有量分别为9.82台和100.28台；农村人口为72135万人，城镇居民人口数为60667万人；以平均户籍人口3人计，2008年末我国家用空调拥有量约为22640万台。
另外，2008年，我国变频空调的能效标准刚刚实施，也意味着2008年及之前变频空调的市场占比很小，因此在节能潜力分析中，暂忽略变频空调的市场份额。
本文研究人员曾多年对上海市场历年各类制冷量空调的销售占比进行过跟踪统计，各制冷段产品的市场占比如表4所示，各制冷段空调选取销量大的制冷量为计算依据，并主要考虑夏季使用的制冷性能，年使用时数按照GB/T7725-2004《房间空气调节器》2399小时计，比较基准为GB12021.3-2010《房间空气调节器能效限定值及能效等级》中规定的能效限定值(表3)，则年节电和年减碳排放潜力计算汇总如表4所示。
表4在用空调节能减排潜力分析
项目制冷量段(W)计算用制冷量(W)市场占比(%)保有量(万台)实际能效年节电潜力(亿kWh)年减碳潜力(亿吨)空调分类CC≤4500350084.0819035.712.391692.801.694500
4结论
研究对53台来自在不同温区使用了5年及以上的在用空调器能效进行了测试分析，结论如下：
(1)除三亚市在用空调能效衰减率较大外，其他气候温区使用的空调能效衰减率差异不大；
(2)不同品牌的产品由于设计、加工工艺及零、部件差异，使用若干年后能效衰减差异大，额定制冷EER衰减率的差别达到13%~19%，额定制热COP衰减率的差别则可高达26%；
(3)不同制冷量的产品在使用若干年后，能效衰减率差别不大；
(4)家用空调器在使用5年以后，能效衰减率达到一个基本稳定的水平，能效衰减率随使用时间的增加变化不大；
(5)对所有测试样机的能效现状进行统计分析发现，家用空调器在使用5年或更长时间后，其能效水平远低于当前标准规定的能效限定值，普遍比当前能效限定值低20%~30%，最高可低54%。
(6)依据测试结果及2008年统计得到的在用空调的保有量约22640万台，与当前标准规定的能效限定值进行对比分析，若能加速对在用空调的淘
汰，即使采用当前最低能效等级的空调，年节能潜力也高达2147亿度电，年二氧化碳减排潜力达2.14亿吨。如果更换为能效等级更高的空调或变频空调，节能减排的潜力更大。
致谢！本研究得到来自国内空调主流品牌格力、美的、志高、奥克斯、海尔、长虹等企业提供的更换旧空调的资助并提供部分测试数据，在此表示深深的感谢！也得到了来自中国质量认证中心、华南理工大学、威凯检测技术有限公司等专家的技术指导，对他们无私的分享表示衷心的感谢！本研究也得到国家质检总局科技计划项目(合同号2013IK133)提供的经费支持，在此一并表示感谢！
5参考文献
[1] 国家统计局.中国统计年鉴2012，表10-10[M].北京：北京数通电子出版社，2013
[2] http:∥nongye.ce.cn/gdxw/201412/16/t20141216_2174227.shtml
[3] GB/T 7725-2004 房间空气调节器[S]
[4] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社,2008
[5] GB12021.3-2010房间空气调节器能效限定值及能效等级[S]
[6] 国家统计局.中国统计年鉴2009，表9-6，9-10,9-30[M].北京：北京数通电子出版社，2010
Study on Energy Efficiency Decay of on-duty Room Air Conditioners
HE Shu1，YUAN Yaqing2，WU Zhidong3，TIAN Bo1，DAI Xingxue3
(1.Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research, Shanghai 200233；2.China Quality Certification
Center,Beijing 100070；3.Vkan Certification & Testing Co.Ltd,Guangzhou 510663)
Abstract：53 sets of on-duty room air conditioners coming from different temperature areas,made from different manufactures，having different cooling capacities and having been used no less than 5 years were tested and analyzed.Results show that except for the decay rate of energy efficiency of products with different brands various significantly,the effect of service temperature areas,on-duty duration and cooling capacity on the decay rate of energy efficiency is negligible.The energy efficiency of domestic air conditioners served for more than 5 years is much less than the minimum allowable energy efficiency values stipulated in current standards with majority 20%~30% lower,some even 54% lower.In order to analyze the potential of energy conservation and carbon dioxide reduction caused by accelerating eliminating the on-duty domestic air conditioners,the market share of on-duty air conditioners in China in 2008 was taken for case study.Results indicate that even if the on-duty air conditioners were replaced by new air conditioners of minimum allowable energy efficiency,it will save 214.7 billion kWh power and reduce carbon dioxide emission 214.7 million ton every cooling season.If they are replaced by higher energy efficiency air conditioners or variable-speed ones,the potential of energy conservation and carbon dioxide reduction will be bigger.
Key words:On-duty room air conditioners；Energy efficiency；Decay rate；Potential of energy conservation and carbon dioxide reduction
[中图分类号]TM925.1 [文献标示码]A
doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.01.002
文章编号：ISSN1005-9180(2015)01-007-07
作者简介：何曙(1973-)，女，高级工程师，主要从事家电产品能效测试方法、相关标准、规范及政策研究。Email:heshu@sqi.org.cn
收稿日期：2014-12-25
