空調(diào)器設(shè)定溫度與耗電量關(guān)系

家用空調(diào)器設(shè)定溫度與耗電量關(guān)系的

實(shí)驗(yàn)研究

同濟(jì)大學(xué)樓宇設(shè)備工程與管理系黃治鐘周輝摘要：通過對(duì)一普通辦公室中家用空調(diào)器多種制冷工況下耗電量測(cè)試，并分析其相關(guān)關(guān)系，找出了影響空調(diào)器輸入功率的主要影響因素，得出了設(shè)置溫度與輸入功率之間的關(guān)系，估算了改變?cè)O(shè)置溫度對(duì)節(jié)約電力的貢獻(xiàn)。關(guān)鍵詞：家用空調(diào)器設(shè)置溫度耗電量1概述2003年夏天，上海遭受了60年未遇的高溫天氣，夏季氣溫超過35°C的高溫天數(shù)達(dá)41天，其中絕大多數(shù)在38C以上，最高達(dá)到39.9C，都已接近歷史最高記錄。為了抵御熱浪的襲擊，無論是商業(yè)建筑還是居民住宅，大量的空調(diào)設(shè)備紛紛開啟，從而給電網(wǎng)造成了巨大的壓力，上海電網(wǎng)的最高負(fù)荷達(dá)到了創(chuàng)記錄的1362萬kW。為了保證人民生活不受影響，有關(guān)部門不得已采取了限電、拉電措施。與此同時(shí)，市政府號(hào)召居民將空調(diào)器的設(shè)置溫度適當(dāng)調(diào)高，以節(jié)約電力。究竟將空調(diào)器的設(shè)置溫度調(diào)高能不能節(jié)約電力？在什么條件下能夠節(jié)約電力？能節(jié)約多少電力？筆者以回答這些問題為目的，進(jìn)行了下述測(cè)試。2測(cè)試過程測(cè)試在2003年8月21日至24日進(jìn)行，地點(diǎn)為一間普通辦公室，位于六層教學(xué)樓的第五層，面積為14.78m2(2.82mx5.24m)，南偏西朝向，室內(nèi)掛有淺色塑料百葉窗簾。其平面布置見圖1。室內(nèi)裝有KFR-22GWA型分體壁掛式家用空調(diào)器一臺(tái)，1997年2月生產(chǎn)，額定輸出功率2200W。溫度控制方式為帶死區(qū)的壓縮機(jī)啟、?？刂?死區(qū)寬度約為土0.5C),無變頻裝置。走廊圖1測(cè)試場(chǎng)地布置根據(jù)空調(diào)器額定輸出功率和房間面積計(jì)算，每平方米的空調(diào)設(shè)備容量約為走廊圖1測(cè)試場(chǎng)地布置150W，接近目前居民住宅和一般辦公室的平均水平。由于這臺(tái)空調(diào)器已經(jīng)使用了七年，因此除了在測(cè)試前進(jìn)行了清洗濾網(wǎng)等日常維護(hù)工作外，在測(cè)試過程中還測(cè)量了它的EER值，以確定制冷量衰減的情況。測(cè)試表明，這臺(tái)空調(diào)器在實(shí)際運(yùn)行條件下的EER值約為2.05o測(cè)試期間的天氣為晴到多云，最高氣溫35C?37C。空調(diào)器運(yùn)行時(shí)間為每天8:30?19:30，共11小時(shí)，四天的設(shè)置溫度分別為26C、27C、28C和29Co由于測(cè)試期間室內(nèi)基本無人，因此為了模擬室內(nèi)負(fù)荷，在室內(nèi)開啟了兩臺(tái)計(jì)算機(jī)和臺(tái)燈，加上照明燈具和測(cè)試儀器，室內(nèi)熱負(fù)荷約為400W。為了連續(xù)記錄室內(nèi)外溫濕度的變化，分別在室內(nèi)安放了RHLOG-II型溫度自記儀兩只，室外一只（加簡(jiǎn)單遮陽以防止太陽直接照射和雨淋），采樣間隔為15分鐘；同時(shí)，在室內(nèi)和另一間辦公室的北窗外（圖1中未示出）分別安放了RHLOG-H型濕度自記儀兩只，采樣間隔同樣為15分鐘。電能的測(cè)量和記錄采用了一臺(tái)DZFC-1型電能綜合分析儀，除了即時(shí)顯示電壓、電流、功率因數(shù)、電源頻率、瞬時(shí)功率和電能積算值以外，還以30分鐘的間隔打印輸出測(cè)試結(jié)果。3測(cè)試數(shù)據(jù)四天的測(cè)試數(shù)據(jù)匯總見圖2?圖5，其中包括每一天的室外溫度、室內(nèi)溫度，以及60分鐘平均輸入功率。0009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:00時(shí)間X^W^功入輸均平鐘分oo0009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:00時(shí)間X^W^功入輸均平鐘分oo0009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:00時(shí)間功入輸均平鐘分0064室外溫度 室內(nèi)平均溫度圖2室外溫度 室內(nèi)平均溫度圖2設(shè)置溫度為26C時(shí)測(cè)試結(jié)果室外溫度 室內(nèi)平均溫度圖3設(shè)置溫度為27C時(shí)測(cè)試結(jié)果功入輸均平鐘分008642。上{度溫外內(nèi)室功入輸均平鐘分功入輸均平鐘分008642。上{度溫外內(nèi)室功入輸均平鐘分8642。室外溫度 室內(nèi)平均溫度 室外溫度 室內(nèi)平均溫度 圖4設(shè)置溫度為28°C時(shí)測(cè)試結(jié)果室外溫度 室內(nèi)平均溫度 圖5設(shè)置溫度為29C時(shí)測(cè)試結(jié)果由于四天中的室內(nèi)外相對(duì)濕度變化規(guī)律極為相似，因此僅給出設(shè)置溫度為28C時(shí)的相8:30 9:30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 17:30 18:30時(shí)間圖6設(shè)置溫度為28C時(shí)的室內(nèi)外相對(duì)濕度對(duì)濕度數(shù)據(jù)作為代表，見圖6。在這些數(shù)據(jù)中有兩點(diǎn)需要說明：(1)記錄到的室外最高溫度與氣象部門報(bào)告的當(dāng)天實(shí)際最高溫度不符，筆者認(rèn)為這是由于測(cè)試條件不同造成的；(2)當(dāng)設(shè)置溫度為26°C時(shí)，室溫并沒有保持在26C附近，大部分時(shí)間都是在26.1C8:30 9:30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 17:30 18:30時(shí)間圖6設(shè)置溫度為28C時(shí)的室內(nèi)外相對(duì)濕度根據(jù)電能綜合分析儀的電能積算記錄，可得到設(shè)置溫度與每天總耗電量及每小時(shí)平均耗電量的關(guān)系，如表1。表1設(shè)置溫度與耗電量的關(guān)系設(shè)置溫度(C)11小時(shí)總耗電量(kWh)每小時(shí)平均耗電量(kWh)267.860470.71459277.596260.69057286.321460.57468295.986820.544264數(shù)據(jù)分析采用簡(jiǎn)單的帶死區(qū)壓縮機(jī)啟、停控制能夠較好地保持室內(nèi)溫度。在絕大部分時(shí)間內(nèi)，控溫誤差均小于±0.6C，接近死區(qū)的寬度，這對(duì)于家用空調(diào)器來說是一個(gè)可以接受的結(jié)果。但是，當(dāng)設(shè)置溫度為26C時(shí)，在一天的大部分時(shí)間內(nèi)，室溫在26.1C?27.5C之間波動(dòng)，日平均溫度為26.54C，這與其它幾天的室內(nèi)日平均溫度均低于設(shè)置溫度0.4C?0.6C形成了鮮明的對(duì)照。之所以出現(xiàn)這種情況，筆者認(rèn)為可以從圖2中得到解釋：測(cè)試日當(dāng)天室外溫度有超過10C的變化，但空調(diào)器的60分鐘平均輸入功率僅變化70W。這表明由于負(fù)荷很大，啟、停控制已經(jīng)基本不起作用，壓縮機(jī)處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，空調(diào)器的輸出功率已接近最大值。在這樣的運(yùn)行狀態(tài)下，室溫不能保持在設(shè)置溫度附近也就可以理解了。當(dāng)然，如果進(jìn)一步降低設(shè)置溫度，室溫更不可能保持在設(shè)置溫度附近。另外，盡管沒有單獨(dú)的濕度控制功能，但是從圖6可以看出，室內(nèi)相對(duì)濕度仍然能夠保持在50%?70%的舒適范圍內(nèi)。由于在四天的測(cè)試期間中，每天的氣象條件不盡相同，為了盡量減少由于氣象條件不同對(duì)耗電量的影響，筆者在每一天中選取了平均溫度為34C和37C的時(shí)段各一小時(shí)，讀取與之相對(duì)應(yīng)的60分鐘平均輸入功率，可以得到如圖7所示的關(guān)系。從圖3?圖5中可以知道，當(dāng)設(shè)置溫度在27C至29C的范圍內(nèi)時(shí)，室溫基本上保持不變，而且壓縮機(jī)不是處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下，因此無論是設(shè)置溫度在此范圍內(nèi)變化，抑或室

設(shè)置溫度(C)室外平均氣溫34C□室外平均氣溫37C圖7輸入功率、設(shè)置溫度與室外平均氣溫的關(guān)系(1)設(shè)置溫度(C)室外平均氣溫34C□室外平均氣溫37C圖7輸入功率、設(shè)置溫度與室外平均氣溫的關(guān)系(1)圖8輸入功率、設(shè)置溫度與室外平均氣溫的關(guān)系(2)度從27C變化到28C時(shí)，60分鐘平均輸入功率減少了173.8W；當(dāng)設(shè)置溫度從28C變化到29C時(shí)，60分鐘平均輸入功率又減少了32.2W。如果在室外氣溫為37C時(shí)重復(fù)這一過程，則60分鐘平均輸入功率將分別減少170.5W和50.0W,兩者的變化幾乎相同。如果我們將其用曲線的方式來表示，可以看到這兩條曲線幾乎是相互平行的，見圖圖8輸入功率、設(shè)置溫度與室外平均氣溫的關(guān)系(2)但是根據(jù)圖8中的曲線，當(dāng)室外溫度為34C、設(shè)置溫度為27C時(shí)，60分鐘平均輸入功率為0.6783kW，此時(shí)的室內(nèi)外溫差為7C；但是當(dāng)室外溫度為37C、設(shè)置溫度為29C時(shí)，盡管室內(nèi)外溫差增加到8C,但此時(shí)的60分鐘平均輸入功率反而降低到0.5316kW。顯然前者的建筑負(fù)荷要大于后者，因此室內(nèi)外溫差并不是決定空調(diào)器輸入功率的唯一因素。筆者認(rèn)為，出現(xiàn)這一“反常”的情況，是由于在不同的設(shè)置溫度下，空調(diào)器的除濕量不同所造成的。在進(jìn)行EER值測(cè)試時(shí)，筆者注意到，當(dāng)空調(diào)器處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，每小時(shí)的凝結(jié)水量在0.4kg左右，其汽化潛熱約900kJ。為了除去這些熱量，在不計(jì)盤管傳熱效率的情況下，所需潛冷量約為0.25kW，占空調(diào)器輸出功率的15%?20%左右。這樣，由于測(cè)試所用家用空調(diào)器的溫度控制采用壓縮機(jī)啟、停方式，當(dāng)設(shè)置溫度提高后，在一個(gè)啟－停周期內(nèi)，由于壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間所占的比例減少，除濕量隨之降低，其平均輸入功率將比保持設(shè)置溫度不變、而室外氣溫降低同樣幅度時(shí)為小。綜上所述，筆者認(rèn)為在改變空調(diào)器設(shè)置溫度的時(shí)候，影響其輸入功率的途徑有兩條：首先，改變?cè)O(shè)置溫度后，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行后，室溫隨之改變，這將影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量，從而影響空調(diào)器的平均輸入功率；其次，當(dāng)設(shè)置溫度改變以后，將改變壓縮機(jī)的啟停時(shí)間比，也就改變了空調(diào)器的除濕量，進(jìn)而影響空調(diào)器的平均輸入功率。由于這兩項(xiàng)影響的作用是相互疊加而不是相互抵消，因此，當(dāng)改變空調(diào)器設(shè)置溫度時(shí)，將對(duì)其輸入功率有顯著的影響。同時(shí)，筆者認(rèn)為盡管當(dāng)設(shè)置溫度發(fā)生變化(從而影響到室內(nèi)溫度)和室外氣溫發(fā)生變化時(shí)都改變了室內(nèi)外溫差，但是它們對(duì)空調(diào)器平均輸入功率的影響程度是不同的。根據(jù)以上分析，當(dāng)設(shè)置溫度發(fā)生變化時(shí)，同時(shí)改變了建筑負(fù)荷和除濕量；而當(dāng)室外氣溫發(fā)生變化時(shí)，則僅改變了建筑負(fù)荷。顯然，前者對(duì)空調(diào)器輸入功率的影響要大于后者。為了考慮全天的運(yùn)行情況，將表1中的數(shù)據(jù)繪制成圖表如圖9。從圖中可以看出，當(dāng)空調(diào)器設(shè)置溫度分別為26C、25.5 26 26.5 27 27.5 28 28.5 29 29.5Tp(°C)55ooooO_h^-量電耗均平時(shí)小每O25.5 26 26.5 27 27.5 28 28.5 29 29.5Tp(°C)55ooooO_h^-量電耗均平時(shí)小每O60565平均耗電量基本上與設(shè)置溫度成線性關(guān)系，可以擬合為一直線方程，如圖9所示?？紤]到當(dāng)空調(diào)器的設(shè)置溫0.50度降低到一定程度以后，壓縮機(jī)的啟、?？刂茖⒉黄鹱饔茫瑝嚎s機(jī)處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)無論設(shè)置溫度再怎么降低，輸入功率都不會(huì)再增加。因此，僅在空調(diào)0.50器的啟、停控制能夠起作用的范 圖9設(shè)置溫度與耗電量的關(guān)系圍內(nèi)，設(shè)置溫度才與每小時(shí)平均耗電量基本上成線性關(guān)系；而當(dāng)啟、?？刂撇辉倨鹱饔?、壓縮機(jī)處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，每小時(shí)平均耗電量將保持為定值，與設(shè)置溫度沒有關(guān)系。如果以筆者在這次測(cè)試中觀察到的空調(diào)器最大瞬時(shí)輸入功率0.779kW作為空調(diào)器連續(xù)運(yùn)行時(shí)的輸入功率，則圖9所表示的空調(diào)器設(shè)置溫度與每小時(shí)平均耗電量之間的關(guān)系可以擬合為：「0.779 (T<25.1)W=< p—0.0627T+2.355 (25.1<T<29)pp其中：W為輸入功率(kW)得為設(shè)置溫度(C)此方程的方差R2=0.9255。根據(jù)這一擬合方程，在設(shè)置溫度處于25.1C到29C的范圍內(nèi)，設(shè)置溫度每升高或者降低1C,空調(diào)器的每小時(shí)平均耗電量將相應(yīng)減少或者增加62.7W。當(dāng)設(shè)置溫度低于25.1C時(shí)，改變?cè)O(shè)置溫度對(duì)空調(diào)器的耗電量沒有影響。如果將設(shè)置溫度提高到30C甚至更高，則已經(jīng)不能滿足一般的舒適要求，沒有實(shí)際意義了。利用這一擬合方程，可以粗略推算出在上海地區(qū)適當(dāng)調(diào)高家用空調(diào)器的設(shè)置溫度時(shí)，能夠減少的電能消耗。根據(jù)上海市統(tǒng)計(jì)年鑒(2002)中提供的數(shù)據(jù)，到2002年末，上海地區(qū)每戶平均人口為2.8人。城市人口為1018.81萬人，計(jì)363.86萬戶，平均每百戶擁有家用空調(diào)器117.6臺(tái)；農(nóng)村人口為315.42萬人，計(jì)112.65萬戶，平均每百戶擁有家用空調(diào)器24臺(tái)。以此計(jì)算，可推算出上海地區(qū)總共擁有家用空調(diào)器455萬臺(tái)。這些空調(diào)器在高溫季節(jié)按90%開啟計(jì)算，則設(shè)置溫度每調(diào)咼1°C,每小時(shí)可節(jié)電25.7萬千瓦。當(dāng)然，這一估算是建立在上海地區(qū)所有的家用空調(diào)器的額定輸出功率都是2200W(即所謂的一匹機(jī))、且它們的控溫方式都是采用壓縮機(jī)啟、?？刂七@種方法的基礎(chǔ)之上的。實(shí)際上，有相當(dāng)部分的家用空調(diào)器的額定輸出功率為3200W?3500W，甚至更大，而且有一些采用了更為節(jié)能的變頻控制方式，在適當(dāng)調(diào)咼設(shè)置溫度后節(jié)省的電力也會(huì)更多。因此上述數(shù)字只是一個(gè)偏于保守的估計(jì)5結(jié)論房間空調(diào)器采用帶死區(qū)的壓縮機(jī)啟、?？刂颇軌蜉^好地保持室內(nèi)溫度在設(shè)置值附近。同時(shí)，盡管沒有單獨(dú)的濕度控制功能，室內(nèi)相對(duì)濕度也能夠保持在滿意