空调器设定温度与耗电量关系

家用空调器设定温度与耗电量关系的

实验研究

同济大学楼宇设备工程与管理系黄治钟周辉摘要：通过对一普通办公室中家用空调器多种制冷工况下耗电量测试，并分析其相关关系，找出了影响空调器输入功率的主要影响因素，得出了设置温度与输入功率之间的关系，估算了改变设置温度对节约电力的贡献。关键词：家用空调器设置温度耗电量1概述2003年夏天，上海遭受了60年未遇的高温天气，夏季气温超过35°C的高温天数达41天，其中绝大多数在38C以上，最高达到39.9C，都已接近历史最高记录。为了抵御热浪的袭击，无论是商业建筑还是居民住宅，大量的空调设备纷纷开启，从而给电网造成了巨大的压力，上海电网的最高负荷达到了创记录的1362万kW。为了保证人民生活不受影响，有关部门不得已采取了限电、拉电措施。与此同时，市政府号召居民将空调器的设置温度适当调高，以节约电力。究竟将空调器的设置温度调高能不能节约电力？在什么条件下能够节约电力？能节约多少电力？笔者以回答这些问题为目的，进行了下述测试。2测试过程测试在2003年8月21日至24日进行，地点为一间普通办公室，位于六层教学楼的第五层，面积为14.78m2(2.82mx5.24m)，南偏西朝向，室内挂有浅色塑料百叶窗帘。其平面布置见图1。室内装有KFR-22GWA型分体壁挂式家用空调器一台，1997年2月生产，额定输出功率2200W。温度控制方式为带死区的压缩机启、停控制(死区宽度约为土0.5C),无变频装置。走廊图1测试场地布置根据空调器额定输出功率和房间面积计算，每平方米的空调设备容量约为走廊图1测试场地布置150W，接近目前居民住宅和一般办公室的平均水平。由于这台空调器已经使用了七年，因此除了在测试前进行了清洗滤网等日常维护工作外，在测试过程中还测量了它的EER值，以确定制冷量衰减的情况。测试表明，这台空调器在实际运行条件下的EER值约为2.05o测试期间的天气为晴到多云，最高气温35C〜37C。空调器运行时间为每天8:30〜19:30，共11小时，四天的设置温度分别为26C、27C、28C和29Co由于测试期间室内基本无人，因此为了模拟室内负荷，在室内开启了两台计算机和台灯，加上照明灯具和测试仪器，室内热负荷约为400W。为了连续记录室内外温湿度的变化，分别在室内安放了RHLOG-II型温度自记仪两只，室外一只（加简单遮阳以防止太阳直接照射和雨淋），采样间隔为15分钟；同时，在室内和另一间办公室的北窗外（图1中未示出）分别安放了RHLOG-H型湿度自记仪两只，采样间隔同样为15分钟。电能的测量和记录采用了一台DZFC-1型电能综合分析仪，除了即时显示电压、电流、功率因数、电源频率、瞬时功率和电能积算值以外，还以30分钟的间隔打印输出测试结果。3测试数据四天的测试数据汇总见图2〜图5，其中包括每一天的室外温度、室内温度，以及60分钟平均输入功率。0009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:00时间X^W^功入输均平钟分oo0009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:00时间X^W^功入输均平钟分oo0009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:00时间功入输均平钟分0064室外温度 室内平均温度图2室外温度 室内平均温度图2设置温度为26C时测试结果室外温度 室内平均温度图3设置温度为27C时测试结果功入输均平钟分008642。上{度温外内室功入输均平钟分功入输均平钟分008642。上{度温外内室功入输均平钟分8642。室外温度 室内平均温度 室外温度 室内平均温度 图4设置温度为28°C时测试结果室外温度 室內平均温度 图5设置温度为29C时测试结果由于四天中的室内外相对湿度变化规律极为相似，因此仅给出设置温度为28C时的相8:30 9:30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 17:30 18:30时间图6设置温度为28C时的室内外相对湿度对湿度数据作为代表，见图6。在这些数据中有两点需要说明：(1)记录到的室外最高温度与气象部门报告的当天实际最高温度不符，笔者认为这是由于测试条件不同造成的；(2)当设置温度为26°C时，室温并没有保持在26C附近，大部分时间都是在26.1C8:30 9:30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 17:30 18:30时间图6设置温度为28C时的室内外相对湿度根据电能综合分析仪的电能积算记录，可得到设置温度与每天总耗电量及每小时平均耗电量的关系，如表1。表1设置温度与耗电量的关系设置温度(C)11小时总耗电量(kWh)每小时平均耗电量(kWh)267.860470.71459277.596260.69057286.321460.57468295.986820.544264数据分析采用简单的带死区压缩机启、停控制能够较好地保持室内温度。在绝大部分时间内，控温误差均小于±0.6C，接近死区的宽度，这对于家用空调器来说是一个可以接受的结果。但是，当设置温度为26C时，在一天的大部分时间内，室温在26.1C〜27.5C之间波动，日平均温度为26.54C，这与其它几天的室内日平均温度均低于设置温度0.4C〜0.6C形成了鲜明的对照。之所以出现这种情况，笔者认为可以从图2中得到解释：测试日当天室外温度有超过10C的变化，但空调器的60分钟平均输入功率仅变化70W。这表明由于负荷很大，启、停控制已经基本不起作用，压缩机处于连续运行状态，空调器的输出功率已接近最大值。在这样的运行状态下，室温不能保持在设置温度附近也就可以理解了。当然，如果进一步降低设置温度，室温更不可能保持在设置温度附近。另外，尽管没有单独的湿度控制功能，但是从图6可以看出，室内相对湿度仍然能够保持在50%〜70%的舒适范围内。由于在四天的测试期间中，每天的气象条件不尽相同，为了尽量减少由于气象条件不同对耗电量的影响，笔者在每一天中选取了平均温度为34C和37C的时段各一小时，读取与之相对应的60分钟平均输入功率，可以得到如图7所示的关系。从图3〜图5中可以知道，当设置温度在27C至29C的范围内时，室温基本上保持不变，而且压缩机不是处于连续运行状态下，因此无论是设置温度在此范围内变化，抑或室

设置温度(C)室外平均气温34C□室外平均气温37C图7输入功率、设置温度与室外平均气温的关系(1)设置温度(C)室外平均气温34C□室外平均气温37C图7输入功率、设置温度与室外平均气温的关系(1)图8输入功率、设置温度与室外平均气温的关系(2)度从27C变化到28C时，60分钟平均输入功率减少了173.8W；当设置温度从28C变化到29C时，60分钟平均输入功率又减少了32.2W。如果在室外气温为37C时重复这一过程，则60分钟平均输入功率将分别减少170.5W和50.0W,两者的变化几乎相同。如果我们将其用曲线的方式来表示，可以看到这两条曲线几乎是相互平行的，见图图8输入功率、设置温度与室外平均气温的关系(2)但是根据图8中的曲线，当室外温度为34C、设置温度为27C时，60分钟平均输入功率为0.6783kW，此时的室内外温差为7C；但是当室外温度为37C、设置温度为29C时，尽管室内外温差增加到8C,但此时的60分钟平均输入功率反而降低到0.5316kW。显然前者的建筑负荷要大于后者，因此室内外温差并不是决定空调器输入功率的唯一因素。笔者认为，出现这一“反常”的情况，是由于在不同的设置温度下，空调器的除湿量不同所造成的。在进行EER值测试时，笔者注意到，当空调器处于连续运行状态时，每小时的凝结水量在0.4kg左右，其汽化潜热约900kJ。为了除去这些热量，在不计盘管传热效率的情况下，所需潜冷量约为0.25kW，占空调器输出功率的15%〜20%左右。这样，由于测试所用家用空调器的温度控制采用压缩机启、停方式，当设置温度提高后，在一个启－停周期内，由于压缩机运行时间所占的比例减少，除湿量随之降低，其平均输入功率将比保持设置温度不变、而室外气温降低同样幅度时为小。综上所述，笔者认为在改变空调器设置温度的时候，影响其输入功率的途径有两条：首先，改变设置温度后，经过一段时间的运行后，室温随之改变，这将影响围护结构的传热量，从而影响空调器的平均输入功率；其次，当设置温度改变以后，将改变压缩机的启停时间比，也就改变了空调器的除湿量，进而影响空调器的平均输入功率。由于这两项影响的作用是相互叠加而不是相互抵消，因此，当改变空调器设置温度时，将对其输入功率有显著的影响。同时，笔者认为尽管当设置温度发生变化(从而影响到室内温度)和室外气温发生变化时都改变了室内外温差，但是它们对空调器平均输入功率的影响程度是不同的。根据以上分析，当设置温度发生变化时，同时改变了建筑负荷和除湿量；而当室外气温发生变化时，则仅改变了建筑负荷。显然，前者对空调器输入功率的影响要大于后者。为了考虑全天的运行情况，将表1中的数据绘制成图表如图9。从图中可以看出，当空调器设置温度分别为26C、25.5 26 26.5 27 27.5 28 28.5 29 29.5Tp(°C)55ooooO_h^-量电耗均平时小每O25.5 26 26.5 27 27.5 28 28.5 29 29.5Tp(°C)55ooooO_h^-量电耗均平时小每O60565平均耗电量基本上与设置温度成线性关系，可以拟合为一直线方程，如图9所示。考虑到当空调器的设置温0.50度降低到一定程度以后，压缩机的启、停控制将不起作用，压缩机处于连续运行状态，此时无论设置温度再怎么降低，输入功率都不会再增加。因此，仅在空调0.50器的启、停控制能够起作用的范 图9设置温度与耗电量的关系围内，设置温度才与每小时平均耗电量基本上成线性关系；而当启、停控制不再起作用、压缩机处于连续运行状态时，每小时平均耗电量将保持为定值，与设置温度没有关系。如果以笔者在这次测试中观察到的空调器最大瞬时输入功率0.779kW作为空调器连续运行时的输入功率，则图9所表示的空调器设置温度与每小时平均耗电量之间的关系可以拟合为：「0.779 (T<25.1)W=< p—0.0627T+2.355 (25.1<T<29)pp其中：W为输入功率(kW)得为设置温度(C)此方程的方差R2=0.9255。根据这一拟合方程，在设置温度处于25.1C到29C的范围内，设置温度每升高或者降低1C,空调器的每小时平均耗电量将相应减少或者增加62.7W。当设置温度低于25.1C时，改变设置温度对空调器的耗电量没有影响。如果将设置温度提高到30C甚至更高，则已经不能满足一般的舒适要求，没有实际意义了。利用这一拟合方程，可以粗略推算出在上海地区适当调高家用空调器的设置温度时，能够减少的电能消耗。根据上海市统计年鉴(2002)中提供的数据，到2002年末，上海地区每户平均人口为2.8人。城市人口为1018.81万人，计363.86万户，平均每百户拥有家用空调器117.6台；农村人口为315.42万人，计112.65万户，平均每百户拥有家用空调器24台。以此计算，可推算出上海地区总共拥有家用空调器455万台。这些空调器在高温季节按90%开启计算，则设置温度每调咼1°C,每小时可节电25.7万千瓦。当然，这一估算是建立在上海地区所有的家用空调器的额定输出功率都是2200W(即所谓的一匹机)、且它们的控温方式都是采用压缩机启、停控制这种方法的基础之上的。实际上，有相当部分的家用空调器的额定输出功率为3200W〜3500W，甚至更大，而且有一些采用了更为节能的变频控制方式，在适当调咼设置温度后节省的电力也会更多。因此上述数字只是一个偏于保守的估计5结论房间空调器采用带死区的压缩机启、停控制能够较好地保持室内温度在设置值附近。同时，尽管没有单独的湿度控制功能，室内相对湿度也能够保持在满意