单元式空气调节机.doc

《单元式空气调节机》GB/T17758-1999标准已经于2007年进行了修订并报批，即将出台。影响风冷型单元式空调机APF性能评价指标的因素除空调自身性能参数外，还包括“建筑负荷线”和“空调的使用小时数分布”两个因素。依据中国国情，我们对这两个因素进行了定量研究，为GB/T17758-1999标准修订提供了理论依据。
    随着制冷空调技术的发展，变速、变容量制冷空调设备逐渐成为行业的研究与发展重点，变速、变容量单元式空气调节机（以下简称单元式空调）在中国制冷产业中所占的比例越来越大，而1999年制定的《单元式空气调节机》GB/T17758-1999标准尚未考虑该类产品。为推进行业的技术进步，实现中国标准迈向国际先进行列，并与国际接轨，全国冷冻空调设备标准化技术委员会经过两年多的努力，对GB/T17758-1999进行了修订（修订标准已经报批），其重要变化之一是用季节能效指标（单冷型用季节能效比SEER，热泵型用全年能源消耗效率APF）代替原标准中的名义制冷或名义制热工况的性能指标（EER或COP），更为客观地描述风冷型单元式空调的性能。 

　　从SEER、APF的计算公式可以看出，采用季节能效指标来评价单元式空调的性能时，必须明确三个问题：（1）定义建筑负荷线；（2）定义使用空调的小时数分布；（3）研究制冷与制热时空调的性能曲线及其测试方法。其中，问题（3）是全世界都面临的共同问题，研究成果可以相互借鉴；而问题（1）与问题（2）则与空调的应用地域、建筑围护结构、空调使用习惯、人们的平均生活水平等因素具有直接关系，因此，对于不同国家而言，在制定标准时，必须进行有针对性的研究，提出符合本国国情的数据或曲线。本文针对计算风冷型单元式空调全年能源消耗效率APF（对于单冷型空调而言，则采用SEER）所需的建筑冷热负荷线、制冷与制热季节及其各温度（外温）下的使用小时数进行研究，为中国国家标准《单元式空气调节机》GB/T17758-1999的修订提供了理论依据。 

　　建筑负荷线的确定方法 

　　借鉴现有国内外标准对制冷与制热负荷线的定义方法，负荷线采用直线即在平均室内发热量条件下，室内的制冷和制热负荷均只取决于室外环境温度，因此必须给定负荷线上的两个点才能确定出负荷线。 

　　1.制冷负荷线 

　　制冷负荷线的负荷点：当室外温度为35℃，室内温度为27℃时，房间的制冷负荷BLc（35）与单元式空调的名义制冷量（Φcr）相同。 

　　制冷负荷线的零负荷点：根据典型地区（如南京）典型建筑需要供冷的最低日平均外温tc来定义制冷季节的发生日期段；为了节能，认为在制冷季节所规定的时间段内，只有当逐时外温tj≥tc+2℃时，才发生冷负荷，故BLc=0时的外温为tc+1℃（即制冷零负荷点）。 

　　2.制热负荷线 

　　制热负荷线的负荷点：制热负荷线的负荷点是指在外温为0℃、室温为20℃时房间的热负荷BLh（0）。为确定此工况下典型建筑房间的热负荷BLh（0），则需考察建筑的BLh（0）与外温35℃、室温27℃时的冷负荷BLc（35）（等于名义制冷量Φcr） 的比值HCR（需求热冷比），以获得制热负荷线的负荷点BLh（0），即 
BLh（0）=HCR·BLc(35)=HCR·Φcr       (1) 

　　制热负荷线的零负荷点：设典型城市典型建筑需要供热的最高日平均外温为th，根据th定义制热季节的发生日期段；为保证供热安全，认为在制热季节所规定的时间段内，只要逐时外温tj≤tc+2℃时，就发生热负荷，故BLh=0时的外温为th+3℃。 

　　由此可见，确定负荷线的核心问题是要确定需要供冷的最低日平均外温tc和需要供热的最高日平均外温th，以及规定条件下建筑物的需求热冷比HCR。 

　　3. 典型城市各类建筑的零负荷点确定方法 

　　（1） 典型城市与典型建筑的选取 

　　中国于1993年制定了《民用建筑热工设计规范（GB50176-1993）》，对中国建筑热工设计进行了分区。根据中国气候特点，将中国分为5个区，即严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷区、温和地区和夏热冬暖区。由于温和地区的供热、制冷季节非常短，故在负荷线研究时，只考虑严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷区、夏热冬暖区四个区，并取其中的代表城市哈尔滨、北京、南京和广州进行分析。 

　　单元式空调在中国的主要应用建筑是办公建筑和租赁商铺等普通公共建筑中，虽然住宅建筑和独栋小型商铺也有一定的使用量，但考虑到中国国情，住宅建筑主要使用的是7500W附近的空调且数量较少，独栋小型商铺使用空调的数量则更少，故在标准修订中主要考虑办公建筑和租赁商铺两类建筑，由此构造建筑物的冷、热负荷线BLc（j）和BLh（j），其中j表示空调制冷与制热所发生的温度带（室外温度）。 

　　（2） 基于全年的热量分析确定tc和th 

　　为研究各地区建筑的冷热负荷，则首先必须明确各地区建筑围护结构的热工性能，定义其参考建筑并根据室内发热量、新风量（换气次数）、空调使用时间等信息进行负荷分析。 

　　建筑物冷热量需求可以采用自然室温和室内舒适温度的相互关系作为判据。所谓自然室温是指当建筑物没有任何供暖、降温系统时，在室外气象条件和室内各种发热量的联合作用下所导致的室内空气温度。研究表明，中国人认为合理的室内舒适温度范围为18℃～26℃，因此，空调制冷、制热运行的判定条件如下：（1）当建筑物的自然室温低于18℃（制热季节）时，为维持舒适室温，空调必须制热运行（或投入其他辅助热源）；（2）当自然室温高于26℃（制冷季节）时，为维持舒适室温，空调必须制冷运行；（3）当自然室温介于18℃～26℃之间（过渡季节）时可认为建筑物无需冷热量，空调停止运行。 

　　在确定“制冷负荷线的零负荷点”时，考虑哈尔滨、北京、南京、广州四个城市夏季都有供冷需求，在标准制定时可取哈尔滨、北京、南京、广州四个城市开始制冷的最低日平均外温的平均值；由于在哈尔滨仅靠单元式空调制热来进行供暖不能满足其供热需要，另外，广州很少需要供热，故在确定“制热负荷线的零负荷点”时，只取北京、南京两城市来计算需要供热的最高日平均温度。 

　　根据tc、th和冷热负荷线的确定原则可以确定出典型建筑制冷与制热负荷线的零负荷点，如表1所示。即办公建筑和普通租赁商铺需要制冷的最低日平均外温tc＝19.5℃（取整为tc＝20℃）、制冷零负荷点为21℃；需要制热的最高日平均外温th＝10.2℃（取整为th＝10℃）、制热零负荷点为13℃。 

　　（3）典型建筑的需求热冷比HCR 

　　确定BLh（0）的关键是计算公式（1）中的需求热能比HCR参数。由于建筑物存在热惯性，故当外温为某一数值时，其建筑物的负荷不可能为某一定值，从而计算出来的HCR也不可能是一个定值，故需考察建筑物在某一外温条件下的负荷分布，并根据负荷分布计算出平均（或考虑冬季极限条件下的供暖安全时，可考察建筑的最大）。本文以由办公建筑和租赁商铺构成的平均建筑为基准，计算其平均热冷比，得到公式（1）中HCR=0.75。 

　　单元式空调制冷与制热的发生时间 

　　单元式空调制冷与制热的发生时间需根据空调的使用日期（制冷与制热季节的起止时间）和每天的使用时间表两个因素才能确定。因此，必须对两个因素分别进行研究。 

　　1. 制冷季节与制热季节的判定方法 

　　修订标准参考日本标准JIS B 8616-2005定义了基于（办公建筑和租赁商铺的）平均建筑的制冷与制热季节的判定方法。 

　　（1）制冷季节：是指单元式空调制冷运行的日期段，当基于标准气象数据的日平均气温达到某一温度tc以上第三次的那天开始，到日平均气温达到该温度tc以上的最后一天向前数的第三次的那天为止。制冷季节的日期段随空调的使用地区不同而异。 

　　（2）制热季节：是指单元式空调制热运行的日期段，当基于标准气象数据的日平均气温达到某一温度th以下第三次的那天开始，到日平均气温达到该温度th以下的最后一天向前数的第三次的那天为止。与制冷季节相类似，制热季节的日期段随空调的使用地区不同而异。 

　　2. 单元式空调的使用时间 

　　无论是冬季供热还是夏季制冷，中国国情（营业、工作时间和使用习惯）决定了办公建筑和租赁商铺的空调使用时段。根据统计，中国租赁商铺和办公建筑的平均作息时间如表2所示。该作息时间（可以认为只能在作息时间内才能开空调）和制冷、制热季节所定义的空调使用期间构成了统计空调制冷与制热小时数的重要依据。 

　　3. 单元式空调制冷与制热运行小时数分布 

　　图1和图2给出南京地区单元式空调制冷与制热运行的小时数分布结果，表3给出了典型城市、典型建筑的相关数据计算结果，从表3可以看出：  

　　（1）各地制冷与制热的加权平均温度与建筑类型关系不大，办公建筑和租赁商铺的计算结果基本相近（注：在制冷与制热季节的加权平均外温计算时，考虑到利用单元式空调制热的极限外温情况，故在计算制热小时数时，只统计了高于-7℃的外温数据）。 

　　（2）随着所在地区纬度的降低，两类建筑需要制冷的时间逐渐增长，需要制热的时间则明显缩短（哈尔滨-7℃以下的外温时间很长，未作统计），广州地区不需要制热。 

　　（3）所有地区的租赁商铺需要制冷和制热的时间均比办公建筑长（主要是由作息时间长所致），并且办公建筑需要制冷与需要制热的时间分别为租赁商铺的53%～56%和54%～55%，可以认为，办公建筑使用空调的时间约为租赁商铺的55%。 

　　在此次标准修订中，最后确定采用南京地区租赁商铺的制冷与制热发生时间作为计算单元式空调APF（单冷型用SEER）的基准时间，以此来评价产品的季节能效水平；同时给出了全国30余个省会城市的两类建筑的制冷与制热发生时间，可用来计算某型单元式空调在各地使用时的APF或SEER，以便各地选用更为适用的产品。（作者系清华大学建筑技术科学系）

单元式空调APF性能评价中两个关键问题
《单元式空气调节机》GB/T17758-1999标准已经于2007年进行了修订并报批，即将出台。影响风冷型单元式空调机APF性能评价指标的因素除空调自身性能参数外，还包括“建筑负荷线”和“空调的使用小时数分布”两个因素。依据中国国情，我们对这两个因素进行了定量研究，为GB/T17758-1999标准修订提供了理论依据。
    随着制冷技术的发展，变速、变容量制冷空调设备逐渐成为行业的研究与发展重点，变速、变容量单元式空气调节机（以下简称单元式空调）在中国制冷产业中所占的比例越来越大，而1999年制定的《单元式空气调节机》GB/T17758-1999标准尚未考虑该类产品。为推进行业的技术进步，实现中国标准迈向国际先进行列，并与国际接轨，全国冷冻空调设备标准化技术委员会经过两年多的努力，对GB/T17758-1999进行了修订（修订标准已经报批），其重要变化之一是用季节能效指标（单冷型用季节能效比SEER，热泵型用全年能源消耗效率APF）代替原标准中的名义制冷或名义制热工况的性能指标（EER或COP），更为客观地描述风冷型单元式空调的性能。
    从SEER、APF的计算公式可以看出，采用季节能效指标来评价单元式空调的性能时，必须明确三个问题：（1）定义建筑负荷线；（2）定义使用空调的小时数分布；（3）研究制冷与制热时空调的性能曲线及其测试方法。其中，问题（3）是全世界都面临的共同问题，研究成果可以相互借鉴；而问题（1）与问题（2）则与空调的应用地域、建筑围护结构、空调使用习惯、人们的平均生活水平等因素具有直接关系，因此，对于不同国家而言，在制定标准时，必须进行有针对性的研究，提出符合本国国情的数据或曲线。本文针对计算风冷型单元式空调全年能源消耗效率APF（对于单冷型空调而言，则采用SEER）所需的建筑冷热负荷线、制冷与制热季节及其各温度（外温）下的使用小时数进行研究，为中国国家标准《单元式空气调节机》GB/T17758-1999的修订提供了理论依据。
    建筑负荷线的确定方法
    借鉴现有国内外标准对制冷与制热负荷线的定义方法，负荷线采用直线，即在平均室内发热量条件下，室内的制冷和制热负荷均只取决于室外环境温度，因此必须给定负荷线上的两个点才能确定出负荷线。
    1.制冷负荷线
    制冷负荷线的负荷点：当室外温度为35℃，室内温度为27℃时，房间的制冷负荷BLc（35）与单元式空调的名义制冷量（Φcr）相同。
    制冷负荷线的零负荷点：根据典型地区（如南京）典型建筑需要供冷的最低日平均外温tc来定义制冷季节的发生日期段；为了节能，认为在制冷季节所规定的时间段内，只有当逐时外温tj≥tc+2℃时，才发生冷负荷，故BLc=0时的外温为tc+1℃（即制冷零负荷点）。
    2.制热负荷线
    制热负荷线的负荷点：制热负荷线的负荷点是指在外温为0℃、室温为20℃时房间的热负荷BLh（0）。为确定此工况下典型建筑房间的热负荷BLh（0），则需考察建筑的BLh（0）与外温35℃、室温27℃时的冷负荷BLc（35）（等于名义制冷量Φcr）的比值HCR（需求热冷比），以获得制热负荷线的负荷点BLh（0），即
 BLh（0）=HCR·BLc(35)=HCR·Φcr(1)
    制热负荷线的零负荷点：设典型城市典型建筑需要供热的最高日平均外温为th，根据th定义制热季节的发生日期段；
    为保证供热安全，认为在制热季节所规定的时间段内，只要逐时外温tj≤tc+2℃时，就发生热负荷，故BLh=0时的外温为th+3℃。
    由此可见，确定负荷线的核心问题是要确定需要供冷的最低日平均外温tc和需要供热的最高日平均外温th，以及规定条件下建筑物的需求热冷比HCR。
    3.典型城市各类建筑的零负荷点确定方法
    （1）典型城市与典型建筑的选取
    中国于1993年制定了《民用建筑热工设计规范（GB50176-1993）》，对中国建筑热工设计进行了分区。根据中国气候特点，将中国分为5个区，即严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷区、温和地区和夏热冬暖区。由于温和地区的供热、制冷季节非常短，故在负荷线研究时，只考虑严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷区、夏热冬暖区四个区，并取其中的代表城市哈尔滨、北京、南京和广州进行分析。
    单元式空调在中国的主要应用建筑是办公建筑和租赁商铺等普通公共建筑中，虽然住宅建筑和独栋小型商铺也有一定的使用量，但考虑到中国国情，住宅建筑主要使用的是7500W附近的空调且数量较少，独栋小型商铺使用空调的数量则更少，故在标准修订中主要考虑办公建筑和租赁商铺两类建筑，由此构造建筑物的冷、热负荷线BLc（j）和BLh（j），其中j表示空调制冷与制热所发生的温度带（室外温度）。
    （2）基于全年的热量分析确定tc和th
    为研究各地区建筑的冷热负荷，则首先必须明确各地区建筑围护结构的热工性能，定义其参考建筑，并根据室内发热量、新风量（换气次数）、空调使用时间等信息进行负荷分析。
    建筑物冷热量需求可以采用自然室温和室内舒适温度的相互关系作为判据。所谓自然室温是指当建筑物没有任何供暖、降温系统时，在室外气象条件和室内各种发热量的联合作用下所导致的室内空气温度。研究表明，中国人认为合理的室内舒适温度范围为18℃～26℃，因此，空调制冷、制热运行的判定条件如下：（1）当建筑物的自然室温低于18℃（制热季节）时，为维持舒适室温，空调必须制热运行（或投入其他辅助热源）；（2）当自然室温高于26℃（制冷季节）时，为维持舒适室温，空调必须制冷运行；（3）当自然室温介于18℃～26℃之间（过渡季节）时，可认为建筑物无需冷热量空调停止运行。
    在确定“制冷负荷线的零负荷点”时，考虑哈尔滨、北京、南京、广州四个城市夏季都有供冷需求，在标准制定时可取哈尔滨、北京、南京、广州四个城市开始制冷的最低日平均外温的平均值；由于在哈尔滨仅靠单元式空调制热来进行供暖不能满足其供热需要，另外，广州很少需要供热，故在确定“制热负荷线的零负荷点”时，只取北京、南京两城市来计算需要供热的最高日平均温度。
    根据tc、th和冷热负荷线的确定原则可以确定出典型建筑制冷与制热负荷线的零负荷点，如表1所示。即办公建筑和普通租赁商铺需要制冷的最低日平均外温tc＝19.5℃（取整为tc＝20℃）、制冷零负荷点为21℃；需要制热的最高日平均外温th＝10.2℃（取整为th＝10℃）、制热零负荷点为13℃。
（3）典型建筑的需求热冷比HCR
    确定BLh（0）的关键是计算公式（1）中的需求热能比HCR参数。
    由于建筑物存在热惯性，故当外温为某一数值时，其建筑物的负荷不可能为某一定值，从而计算出来的HCR也不可能是一个定值，故需考察建筑物在某一外温条件下的负荷分布，并根据负荷分布计算出平均（或考虑冬季极限条件下的供暖安全时，可考察建筑的最大）。本文以由办公建筑和租赁商铺构成的平均建筑为基准，计算其平均热冷比，得到公式（1）中HCR=0.75。
    单元式空调制冷与制热的发生时间
    单元式空调制冷与制热的发生时间需根据空调的使用日期（制冷与制热季节的起止时间）和每天的使用时间表两个因素才能确定。因此，必须对两个因素分别进行研究。
    1.制冷季节与制热季节的判定方法
    修订标准参考日本标准JISB8616-2005定义了基于（办公建筑和租赁商铺的）平均建筑的制冷与制热季节的判定方法。
    （1）制冷季节：是指单元式空调制冷运行的日期段，当基于标准气象数据的日平均气温达到某一温度tc以上第三次的那天开始，到日平均气温达到该温度tc以上的最后一天向前数的第三次的那天为止。制冷季节的日期段随空调的使用地区不同而异。
    （2）制热季节：是指单元式空调制热运行的日期段，当基于标准气象数据的日平均气温达到某一温度th以下第三次的那天开始，到日平均气温达到该温度th以下的最后一天向前数的第三次的那天为止。与制冷季节相类似，制热季节的日期段随空调的使用地区不同而异。
    2.单元式空调的使用时间
    无论是冬季供热还是夏季制冷，中国国情（营业、工作时间和使用习惯）决定了办公建筑和租赁商铺的空调使用时段。根据统计，中国租赁商铺和办公建筑的平均作息时间如表2所示。该作息时间（可以认为只能在作息时间内才能开空调）和制冷、制热季节所定义的空调使用期间构成了统计空调制冷与制热小时数的重要依据。
    3.单元式空调制冷与制热运行小时数分布
    （1各地制冷与制热的加权平均温度与建筑类型关系不大，办公建筑和租赁商铺的计算结果基本相近（注：在制冷与制热季节的加权平均外温计算时，考虑到利用单元式空调制热的极限外温情况，故在计算制热小时数时，只统计了高于-7℃的外温数据）。
    （2）随着所在地区纬度的降低，两类建筑需要制冷的时间逐渐增长，需要制热的时间则明显缩短（哈尔滨-7℃以下的外温时间很长，未作统计），广州地区不需要制热。
    （3）所有地区的租赁商铺需要制冷和制热的时间均比办公建筑长（主要是由作息时间长所致），并且办公建筑需要制冷与需要制热的时间分别为租赁商铺的53%～56%和54%～55%，可以认为，办公建筑使用空调的时间约为租赁商铺的55%。
    在此次标准修订中，最后确定采用南京地区租赁商铺的制冷与制热发生时间作为计算单元式空调APF（单冷型用SEER）的基准时间，以此来评价产品的季节能效水平；同时给出了全国30余个省会城市的两类建筑的制冷与制热发生时间，可用来计算某型单元式空调在各地使用时的APF或SEER，以便各地选用更为适用的产品。