室外機(jī)安裝平臺(tái)對(duì)房間空調(diào)器性能的影響（二）
——對(duì)空調(diào)器實(shí)際運(yùn)行能耗的影響

楊子旭 于洋 石文星

清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系 北京 100084

1 引言

房間空調(diào)器作為一種直接膨脹式空氣-空氣熱泵，具有用電計(jì)量方便、價(jià)格便宜、質(zhì)量可靠、安裝使用方便且用戶完全可自主控制、具有行為節(jié)能條件等優(yōu)點(diǎn)，已成為住宅建筑的主要供暖空調(diào)方式[1]。我國(guó)是全球最大的房間空調(diào)器生產(chǎn)和使用國(guó)家[2]，然而，空調(diào)器的大量使用使能耗也逐年攀升，目前能耗占比已超過(guò)居住建筑居民用電量的40.8%[3]。因此，提升空調(diào)器的實(shí)際運(yùn)行能效，是貫徹實(shí)施綠色高效制冷行動(dòng)方案，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排并推動(dòng)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑。

在本文的上一篇（《室外機(jī)安裝平臺(tái)對(duì)房間空調(diào)器性能的影響（一）——對(duì)室外機(jī)進(jìn)風(fēng)參數(shù)的影響》）中，分析了安裝平臺(tái)因平臺(tái)的開口率、百葉的疏密度或安裝角度設(shè)計(jì)不合理引起室外機(jī)風(fēng)量降低以及排風(fēng)回流，確定了影響房間空調(diào)器運(yùn)行性能的兩個(gè)因素：風(fēng)量衰減以及排風(fēng)回流，并分別定義了風(fēng)量衰減系數(shù)β以及排風(fēng)回流系數(shù)α?，F(xiàn)有研究雖注意到這兩方面的影響[4-8]，但尚未給出二者對(duì)空調(diào)器性能綜合影響的定量描述方法。

另一方面，由于空調(diào)器的實(shí)際運(yùn)行能效測(cè)量技術(shù)尚未大量推廣[9]，因此，空調(diào)器在建筑中的實(shí)際運(yùn)行性能則多采用模擬方法進(jìn)行分析，且通常將實(shí)驗(yàn)室確定的空調(diào)器性能模型直接代入建筑負(fù)荷模型中，以計(jì)算空調(diào)器的運(yùn)行能效或能耗[10][11]，而未考慮安裝平臺(tái)對(duì)室外機(jī)風(fēng)量衰減和排風(fēng)回流的影響，導(dǎo)致其模擬得出的能效比偏高、能耗偏小。

圖1 不同風(fēng)量及室外溫度對(duì)應(yīng)的機(jī)組性能曲線轉(zhuǎn)換圖

基于以上背景，本文將分析安裝平臺(tái)導(dǎo)致空調(diào)器性能衰減的根本原因，以此建立實(shí)際使用中的空調(diào)器性能模型；在此基礎(chǔ)上，以定速空調(diào)器為例，定量分析三角支架平臺(tái)、常規(guī)和優(yōu)化百葉窗平臺(tái)對(duì)空調(diào)器全年運(yùn)行能耗的影響程度。

2 原因分析

當(dāng)給定室內(nèi)工況和室內(nèi)、外機(jī)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，定頻空調(diào)器的制冷量、制冷能效比EER、制熱量、制熱性能系數(shù)COP等性能參數(shù)可以簡(jiǎn)化為室外機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度（制熱時(shí)還包含進(jìn)風(fēng)濕球溫度）和風(fēng)量的函數(shù)。下面，以空調(diào)器制冷能效比EER為例，結(jié)合圖1說(shuō)明安裝平臺(tái)引起的風(fēng)量衰減和排風(fēng)回流分別對(duì)空調(diào)器性能的影響關(guān)系。

圖1給出了一臺(tái)定速空調(diào)器在室內(nèi)工況確定，空調(diào)器在有無(wú)安裝平臺(tái)時(shí)EER隨室外機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度的影響曲線。其中，曲線1為無(wú)安裝平臺(tái)時(shí)的空調(diào)器性能曲線，曲線2為考慮風(fēng)量衰減并以室外機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度tin為基準(zhǔn)的空調(diào)器性能曲線，曲線3為內(nèi)置于安裝平臺(tái)且以室外溫度為ta、有效換熱風(fēng)量為G2的空調(diào)器性能曲線。

（1）當(dāng)沒(méi)有安裝平臺(tái)時(shí)

室外機(jī)的進(jìn)風(fēng)溫度tin為室外溫度ta，風(fēng)量為無(wú)平臺(tái)遮擋時(shí)的設(shè)計(jì)風(fēng)量G0，空調(diào)器的EER為圖中A點(diǎn)，空調(diào)器的性能曲線對(duì)應(yīng)圖1的曲線1。即：

（2）當(dāng)采用安裝平臺(tái)時(shí)

①根據(jù)本文上篇的分析，由于安裝平臺(tái)導(dǎo)致流過(guò)室外換熱器的風(fēng)量減小為G（風(fēng)量衰減系數(shù)β），此時(shí)空調(diào)器的EER減小至圖中的B點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)按照風(fēng)量為G對(duì)空調(diào)器進(jìn)行性能測(cè)試，則可獲得此風(fēng)量下空調(diào)器EER隨進(jìn)風(fēng)溫度tin的變化曲線則為圖中的曲線2。

如果此時(shí)的風(fēng)量還按照設(shè)計(jì)風(fēng)量G0考慮，則可以從曲線1上找到相同EER的D點(diǎn)，相當(dāng)于空調(diào)器在設(shè)計(jì)風(fēng)量G0、進(jìn)風(fēng)溫度tin=ta+Δt2下的性能。也就是說(shuō)，因風(fēng)量減小導(dǎo)致的性能衰減（B點(diǎn)）與風(fēng)量不變、室外溫度增加Δt2時(shí)（D點(diǎn)）的性能等價(jià)。故：

②另一方面，室外機(jī)排風(fēng)還會(huì)因安裝平臺(tái)的遮擋導(dǎo)致排風(fēng)回流（排風(fēng)回流系數(shù)α）。此時(shí)，空調(diào)器相當(dāng)于在B點(diǎn)（風(fēng)量衰減后）的基礎(chǔ)上，使其進(jìn)風(fēng)溫度tin比室外溫度ta升高了Δt1′，此時(shí)，空調(diào)器的性能曲線仍為曲線2，但是進(jìn)風(fēng)溫度變?yōu)閠a+Δt1′，其實(shí)際工作點(diǎn)從B點(diǎn)沿曲線2變化為C點(diǎn)。同時(shí)，C點(diǎn)的EER也是制冷劑與溫度為ta的室外空氣進(jìn)行有效換熱風(fēng)量G2條件下的EER，即對(duì)應(yīng)實(shí)際性能曲線3上的F點(diǎn)。

值得注意的是，曲線2上C點(diǎn)的EER還可以表示在曲線1上，即處于設(shè)計(jì)風(fēng)量G0下的E點(diǎn)，這就相當(dāng)于只有有效換熱風(fēng)量G2時(shí)，空調(diào)器的EER相當(dāng)于在設(shè)計(jì)風(fēng)量G0時(shí)進(jìn)風(fēng)溫度在室外溫度ta基礎(chǔ)上增加了一個(gè)附加溫差Δt（即E與F之間的溫差），該Δt中包含了因安裝平臺(tái)導(dǎo)致的風(fēng)量衰減附加溫差Δt2和排風(fēng)回流附加溫差Δt1：

由于空調(diào)器的EER隨進(jìn)風(fēng)溫度和風(fēng)量的影響是單調(diào)的，當(dāng)其影響程度不是很大時(shí)，可以認(rèn)為圖中1、2、3三條性能曲線近似平行，根據(jù)全等三角形（ΔBCF≌ΔDEH）的性質(zhì)可知，可以認(rèn)為Δt1≈Δt1′，即Δt1可以認(rèn)為近似等于排風(fēng)回流導(dǎo)致的溫差Δt1′。

基于上述分析可知，安裝平臺(tái)導(dǎo)致風(fēng)量衰減后的空調(diào)器性能，可以簡(jiǎn)化為在設(shè)計(jì)風(fēng)量G0條件下，在室外溫度ta基礎(chǔ)上再增加兩個(gè)附加溫差（即風(fēng)量衰減附加溫差Δt1和回流附加溫差Δt2）后的性能，其中，Δt2和Δt1分別取決于與風(fēng)量衰減系數(shù)β和排風(fēng)回流系數(shù)α的大小。

3 性能模型

3.1 模型建立

鑒于安裝平臺(tái)的幾何結(jié)構(gòu)多樣，不可能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)量所有容量和能效的空調(diào)器在各種安裝平臺(tái)內(nèi)的性能，為了更為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)空調(diào)器在實(shí)際安裝平臺(tái)中的性能，應(yīng)建立其在實(shí)際使用過(guò)程中的性能模型。

（1）無(wú)安裝平臺(tái)時(shí)的空調(diào)器性能模型

房間空調(diào)器生產(chǎn)廠家通常會(huì)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)量有限工況的性能，進(jìn)而擬合給出其變工況運(yùn)行性能。以定頻空調(diào)器為例，空調(diào)器的制冷EER、制熱COP等性能參數(shù)都可以擬合成關(guān)于室外溫度ta（℃）的函數(shù)（對(duì)應(yīng)圖1中的曲線1），如：

式中：a1，a2，b1，b2，c1，c2——與空調(diào)器有關(guān)的擬合系數(shù)。

當(dāng)測(cè)試工況點(diǎn)有限時(shí)，還可以按照產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試工況和變工況性能計(jì)算方法獲得其性能模型。在我國(guó)空調(diào)器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7725-2004中，定頻空調(diào)器僅對(duì)額定點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試[12]，則可基于產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于季節(jié)能效評(píng)價(jià)的變工況性能模型和效率降低系數(shù)CD獲得空調(diào)器在不同室外溫度下的制冷EER和制熱COP性能模型。例如，制冷EER可用公式（6）和（7）獲得：

式中：Qful——空調(diào)器的制冷量，W；

Pful——空調(diào)器的輸入功率，W；

ti——任意時(shí)刻的室外溫度ta，℃。

（2）有安裝平臺(tái)時(shí)的空調(diào)器性能模型

空調(diào)器在進(jìn)行性能測(cè)試時(shí)，通常僅會(huì)測(cè)量室外機(jī)在額定風(fēng)量、不同進(jìn)風(fēng)溫度（實(shí)際上是室外空氣溫度ta）時(shí)的性能。為了獲得安裝平臺(tái)對(duì)空調(diào)器性能的定量影響關(guān)系，基于上文分析，將安裝平臺(tái)導(dǎo)致的附加溫差引入性能模型，本文將之稱為“附加溫差法”。

當(dāng)室外機(jī)設(shè)置在安裝平臺(tái)內(nèi)部時(shí)，空調(diào)器的性能模型需考慮風(fēng)量衰減和排風(fēng)回流導(dǎo)致的附加溫差的影響。

（1）風(fēng)量衰減的影響

研究表明，空調(diào)器的EER將隨室外機(jī)風(fēng)量的減小至而降低，當(dāng)風(fēng)量降至一定程度后，其EER將迅速降低，其影響關(guān)系根據(jù)文獻(xiàn)[13]的研究結(jié)果，可以總結(jié)成（8）式的函數(shù)關(guān)系：

因此，通過(guò)空調(diào)器性能方程、風(fēng)量衰減系數(shù)β及公式（8），即可得到風(fēng)量衰減附加溫差Δt2。換言之，當(dāng)已知β和空調(diào)器性能曲線1，就可以利用圖1中的曲線1獲得因風(fēng)量衰減后的等效工作點(diǎn)D點(diǎn)的EER (G0, ta+Δt2)。

（2）排風(fēng)回流的影響

由于排風(fēng)回流是在風(fēng)量衰減為G之后的排風(fēng)短路，故可以通過(guò)排風(fēng)回流系數(shù)α以及能量平衡方程確定回流附加溫差Δt1，即可在圖1中的曲線1上得到等效工作點(diǎn)E點(diǎn)的EER (G0, ta+Δt1+Δt2)。

（3）“附加溫差法”性能模型

當(dāng)已知室外機(jī)在設(shè)計(jì)風(fēng)量G0下的性能曲線1（室內(nèi)工況為干/濕球溫度=27/19℃，室外干球溫度變化時(shí)的EER性能曲線），并通過(guò)上篇給出的不同平臺(tái)風(fēng)量衰減系數(shù)β及排風(fēng)回流系數(shù)α計(jì)算方法，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)試或通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)模型得到兩個(gè)系數(shù)，則可按照?qǐng)D2的流程，計(jì)算出附加溫差Δt1和Δt2，進(jìn)而確定在任意外溫ta、給定室內(nèi)需求制冷量Q0時(shí)的空調(diào)器制冷EER。

圖中：Q0(ta), Q0’(ta)——分別為計(jì)算制冷量的初值與終值，W；

Qc(ta)——環(huán)境溫度為ta時(shí)刻冷凝器的排熱量，Qc(ta)= Q0(ta)+P(ta)；

P(ta)——環(huán)境溫度為ta時(shí)刻空調(diào)器的輸入功率，W；

cp——空氣的比容，kJ/(kg·K)。

3.2 模型驗(yàn)證

圖2 室外機(jī)設(shè)置在安裝平臺(tái)中的空調(diào)器性能模型

表1 模型驗(yàn)證用安裝平臺(tái)的特征尺寸設(shè)定值

圖3 百葉窗平臺(tái)特征尺寸定義

圖4 百葉窗安裝平臺(tái)的模型實(shí)物圖

圖5 不同L1間距下測(cè)試結(jié)果的比較

表2 房間空調(diào)器運(yùn)行設(shè)置

在焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建不同幾何結(jié)構(gòu)的安裝平臺(tái)，并對(duì)平臺(tái)內(nèi)的空調(diào)器進(jìn)行性能測(cè)試，以此驗(yàn)證“附加溫差法”性能模型的正確性。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，選用一臺(tái)額定制冷量為2300 W的定頻空調(diào)器（室外機(jī)尺寸L×W×H=800 mm×300 mm×600 mm），利用空氣焓差法測(cè)試其在無(wú)遮擋情況下的性能曲線（對(duì)應(yīng)圖1中的曲線1），以及采用百葉窗平臺(tái)在不同遮擋情況下的性能變化。表1給出了百葉窗室外機(jī)平臺(tái)的特征尺寸，圖3給出了百葉窗平臺(tái)特征尺寸定義，圖4給出了實(shí)驗(yàn)采用的百葉窗模型實(shí)物圖。

按照?qǐng)D2所示計(jì)算框圖，確定排風(fēng)回流附加溫差Δt1和風(fēng)量衰減附加溫差Δt2。圖5給出了在表1給定的平臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)空調(diào)器的EER測(cè)試結(jié)果與“附加溫差法”性能模型計(jì)算結(jié)果的對(duì)比圖，二者誤差在5%以內(nèi)。

4 案例分析

4.1 能耗計(jì)算方法

下面將針對(duì)一典型戶型中三個(gè)臥室在長(zhǎng)江流域4個(gè)典型城市（上海、武漢、重慶、成都）分別采用三種安裝平臺(tái)方式時(shí)，分析定速空調(diào)器的全年運(yùn)行能耗。

利用DeST計(jì)算的建筑逐時(shí)負(fù)荷，結(jié)合圖2所述的空調(diào)器“附加溫差法”性能模型，計(jì)算全年運(yùn)行能耗（不考慮除霜帶來(lái)的能效降低及除霜能耗）?？紤]定頻空調(diào)器在運(yùn)行過(guò)程中存在啟停損失，其能耗計(jì)算公式為：

式中：PLF——部分負(fù)荷率，PLF=1-CD(1-Lci/Q(ti))；

CD——效率降低系數(shù)，根據(jù)GB/T 7725-2004，取CD=0.25；

Ec, Eh——分別表示制冷與制熱季節(jié)的耗電量，kW·h；

Lci, Lhi——分別為制冷與制熱季節(jié)i時(shí)刻的房間逐時(shí)冷負(fù)荷，kW；

Lci——對(duì)應(yīng)室外干球溫度下ta=ti時(shí)刻的房間負(fù)荷，kW；

Q(ti)——對(duì)應(yīng)室外干球溫度ta=ti時(shí)刻的空調(diào)器制冷（熱）量，kW。

4.2 案例設(shè)置

（1）房間的負(fù)荷特點(diǎn)

表2給出了一典型戶型住宅建筑的房間參數(shù)及空調(diào)作息，圖6為其建筑平面圖。為方便起見，下面僅以臥室1為例進(jìn)行介紹，并給出臥室2、3的計(jì)算結(jié)果。臥室1位于建筑物北側(cè)，面積約為12 m2。

采用DeST計(jì)算各個(gè)臥室的逐時(shí)負(fù)荷，圖7給出了臥室1位于四地時(shí)的累計(jì)冷、熱負(fù)荷。由于重慶、武漢的夏季日平均室外溫度高于上海和成都，因而其累計(jì)冷負(fù)荷量最大；成都的夏季日平均室外溫度最低（很少出現(xiàn)超過(guò)30℃的情況），因而房間的累計(jì)冷負(fù)荷顯著低于其他地區(qū)；在制熱季，武漢的氣溫最低，累計(jì)熱負(fù)荷最大，而重慶冬季的平均溫度最高，因此其累計(jì)熱負(fù)荷最小。

（2）空調(diào)器選型

根據(jù)臥室面積和冷熱負(fù)荷的尖峰值大小，選用了KFR-23GW（俗稱1 hp）定頻空調(diào)器，其銘牌參數(shù)參見表3。

（3）安裝平臺(tái)結(jié)構(gòu)

表4給出了三種安裝平臺(tái)的特征尺寸，并與本文上篇的安裝平臺(tái)類型特征尺寸保持一致。其中，三角支架安裝平臺(tái)可以視為理想的室外機(jī)運(yùn)行工況（即無(wú)任何遮擋），常規(guī)百葉安裝平臺(tái)是安裝位置狹小、容易造成遮擋和回流情況；優(yōu)化平臺(tái)也是一種百葉窗安裝平臺(tái)，這種平臺(tái)加大了結(jié)構(gòu)尺寸，因此其遮擋和回流情況有所緩解。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果，兩種安裝平臺(tái)的特征尺寸所決定的風(fēng)量降低系數(shù)β和排風(fēng)回流系數(shù)α兩個(gè)特征參數(shù)的數(shù)值也一同在表4中給出。

4.3 結(jié)果分析

圖8給出了不同形式安裝平臺(tái)對(duì)臥室1空調(diào)器的實(shí)際運(yùn)行能耗的影響結(jié)果。從圖中可以看到，由于三角支架對(duì)空調(diào)器的風(fēng)量影響最小、排風(fēng)回流最小，故其全年耗電量最低；與三角支架安裝方式相比，常規(guī)百葉平臺(tái)的內(nèi)部空間小、開口率小、百葉角度導(dǎo)致風(fēng)量衰減和排風(fēng)回流大，故導(dǎo)致空調(diào)器制冷季、制熱季的性能均下降，其全年能耗增加約6%～10%之間，特別是在夏季表現(xiàn)更為明顯；而優(yōu)化后的百葉窗平臺(tái)其全年能耗僅增大1%～4%，這也印證了上篇提到的優(yōu)化百葉窗平臺(tái)可以有效避免其幾何結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致空調(diào)器實(shí)際運(yùn)行能效嚴(yán)重衰減問(wèn)題。

對(duì)于臥室2和臥室3，考慮其服務(wù)面積及尖峰負(fù)荷，分別選用1.5 hp（室外機(jī)尺寸L×W×H=780 mm×324 mm×550 mm）和2 hp（室外機(jī)尺寸L×W×H=795 mm×378 mm×595 mm）的空調(diào)器提供其全年的制冷（熱）量，其室外機(jī)安裝平臺(tái)成相似比例擴(kuò)大，因而其特征參數(shù)β和α近似不變。其全年運(yùn)行能耗的計(jì)算結(jié)果如表5所示。

綜合表5中的數(shù)據(jù)可以看出：①隨著空調(diào)器容量的增加，無(wú)論采用哪種室外機(jī)安裝平臺(tái)，各地空調(diào)器的全年運(yùn)行能耗均會(huì)顯著增加；②采用常規(guī)百葉窗平臺(tái)時(shí)，不同容量的空調(diào)器的全年耗電量比采用三角支架平臺(tái)增加6%～10%；③優(yōu)化百葉窗平臺(tái)，即適當(dāng)增大空調(diào)器外側(cè)與平臺(tái)內(nèi)壁之間的距離和開口率，適當(dāng)調(diào)整百葉角度，可緩解百葉窗對(duì)空調(diào)器性能的影響，其全年運(yùn)行能耗僅比三架支架平臺(tái)增加2%～5%，還能改善安裝維護(hù)的安全性和建筑美觀性。

圖6 建筑平面圖

圖7 不同地區(qū)全年累計(jì)冷熱負(fù)荷

表3 房間空調(diào)器的銘牌參數(shù)

表4 安裝平臺(tái)的特征尺寸設(shè)定值

表5 安裝平臺(tái)對(duì)空調(diào)器全年運(yùn)行能耗的影響程度

圖8 不同地區(qū)不同結(jié)構(gòu)安裝平臺(tái)對(duì)耗電量的影響（臥室1面積：12m2）

5 結(jié)論

安裝平臺(tái)直接影響房間空調(diào)器的實(shí)際運(yùn)行性能，為探明安裝平臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)室外機(jī)性能的影響程度，本文主要進(jìn)行了以下工作：

（1）根據(jù)室外機(jī)安裝平臺(tái)導(dǎo)致的室外機(jī)風(fēng)量衰減和排風(fēng)回流，分別采用在室外空氣溫度的基礎(chǔ)上分別采用排風(fēng)回流附加溫差Δt1和風(fēng)量衰減附加溫差Δt2來(lái)描述，在此基礎(chǔ)上提出了反映實(shí)際使用狀態(tài)的空調(diào)器“附加溫差法”性能模型，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明該模型具有良好的計(jì)算精度。

（2）通過(guò)多個(gè)計(jì)算案例，分析長(zhǎng)江流域典型城市的住宅房間分別采用三角支架平臺(tái)、常規(guī)及優(yōu)化百葉窗平臺(tái)時(shí)的空調(diào)器全年能耗。結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)三角架式，采用常規(guī)百葉窗安裝平臺(tái)將導(dǎo)致空調(diào)器的全年能耗升高6～10%；而優(yōu)化后的百葉窗平臺(tái)，僅導(dǎo)致全年能耗升高2%～5%。因此，優(yōu)化百葉窗平臺(tái)幾何結(jié)構(gòu)是提高空調(diào)器安裝維護(hù)安全性、改善建筑美學(xué)、緩解空調(diào)器能耗上升的有效途徑。