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

實驗研究

同濟大學(xué)樓宇設(shè)備工程與管理系黃治鐘周輝摘要：通過對一普通辦公室中家用空調(diào)器多種制冷工況下耗電量測試，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，估算了改變設(shè)置溫度對節(jié)約電力的貢獻。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41天，其中絕大多數(shù)在38C以上，最高達到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)的最高負荷達到了創(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，市政府號召居民將空調(diào)器的設(shè)置溫度適當調(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，進行了下述測試。2測試過程測試在2003年8月21日至24日進行，地點為一間普通辦公室，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，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)的壓縮機啟、?？刂?死區(qū)寬度約為土0.5C),無變頻裝置。走廊圖1測試場地布置根據(jù)空調(diào)器額定輸出功率和房間面積計算，每平方米的空調(diào)設(shè)備容量約為走廊圖1測試場地布置150W，接近目前居民住宅和一般辦公室的平均水平。由于這臺空調(diào)器已經(jīng)使用了七年，因此除了在測試前進行了清洗濾網(wǎng)等日常維護工作外，在測試過程中還測量了它的EER值，以確定制冷量衰減的情況。測試表明，這臺空調(diào)器在實際運行條件下的EER值約為2.05o測試期間的天氣為晴到多云，最高氣溫35C?37C?？照{(diào)器運行時間為每天8:30?19:30，共11小時，四天的設(shè)置溫度分別為26C、27C、28C和29Co由于測試期間室內(nèi)基本無人，因此為了模擬室內(nèi)負荷，在室內(nèi)開啟了兩臺計算機和臺燈，加上照明燈具和測試儀器，室內(nèi)熱負荷約為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，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。電能的測量和記錄采用了一臺DZFC-1型電能綜合分析儀，除了即時顯示電壓、電流、功率因數(shù)、電源頻率、瞬時功率和電能積算值以外，還以30分鐘的間隔打印輸出測試結(jié)果。3測試數(shù)據(jù)四天的測試數(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時間X^W^功入輸均平鐘分oo0009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:00時間X^W^功入輸均平鐘分oo0009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:00時間功入輸均平鐘分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時測試結(jié)果室外溫度 室內(nèi)平均溫度圖3設(shè)置溫度為27C時測試結(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時測試結(jié)果室外溫度 室內(nèi)平均溫度 圖5設(shè)置溫度為29C時測試結(jié)果由于四天中的室內(nèi)外相對濕度變化規(guī)律極為相似，因此僅給出設(shè)置溫度為28C時的相8:30 9:30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 17:30 18:30時間圖6設(shè)置溫度為28C時的室內(nèi)外相對濕度對濕度數(shù)據(jù)作為代表，見圖6。在這些數(shù)據(jù)中有兩點需要說明：(1)記錄到的室外最高溫度與氣象部門報告的當天實際最高溫度不符，筆者認為這是由于測試條件不同造成的；(2)當設(shè)置溫度為26°C時，室溫并沒有保持在26C附近，大部分時間都是在26.1C8:30 9:30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 17:30 18:30時間圖6設(shè)置溫度為28C時的室內(nèi)外相對濕度根據(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小時總耗電量(kWh)每小時平均耗電量(kWh)267.860470.71459277.596260.69057286.321460.57468295.986820.544264數(shù)據(jù)分析采用簡單的帶死區(qū)壓縮機啟、?？刂颇軌蜉^好地保持室內(nèi)溫度。在絕大部分時間內(nèi)，控溫誤差均小于±0.6C，接近死區(qū)的寬度，這對于家用空調(diào)器來說是一個可以接受的結(jié)果。但是，當設(shè)置溫度為26C時，在一天的大部分時間內(nèi)，室溫在26.1C?27.5C之間波動，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形成了鮮明的對照。之所以出現(xiàn)這種情況，筆者認為可以從圖2中得到解釋：測試日當天室外溫度有超過10C的變化，但空調(diào)器的60分鐘平均輸入功率僅變化70W。這表明由于負荷很大，啟、?？刂埔呀?jīng)基本不起作用，壓縮機處于連續(xù)運行狀態(tài)，空調(diào)器的輸出功率已接近最大值。在這樣的運行狀態(tài)下，室溫不能保持在設(shè)置溫度附近也就可以理解了。當然，如果進一步降低設(shè)置溫度，室溫更不可能保持在設(shè)置溫度附近。另外，盡管沒有單獨的濕度控制功能，但是從圖6可以看出，室內(nèi)相對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的時段各一小時，讀取與之相對應(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，當設(shè)置溫度在27C至29C的范圍內(nèi)時，室溫基本上保持不變，而且壓縮機不是處于連續(xù)運行狀態(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，60分鐘平均輸入功率減少了173.8W；當設(shè)置溫度從28C變化到29C時，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，當室外溫度為34C、設(shè)置溫度為27C時，60分鐘平均輸入功率為0.6783kW，此時的室內(nèi)外溫差為7C；但是當室外溫度為37C、設(shè)置溫度為29C時，盡管室內(nèi)外溫差增加到8C,但此時的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。筆者認為，出現(xiàn)這一“反?！钡那闆r，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。在進行EER值測試時，筆者注意到，當空調(diào)器處于連續(xù)運行狀態(tài)時，每小時的凝結(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，由于測試所用家用空調(diào)器的溫度控制采用壓縮機啟、停方式，當設(shè)置溫度提高后，在一個啟－停周期內(nèi)，由于壓縮機運行時間所占的比例減少，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為小。綜上所述，筆者認為在改變空調(diào)器設(shè)置溫度的時候，影響其輸入功率的途徑有兩條：首先，改變設(shè)置溫度后，經(jīng)過一段時間的運行后，室溫隨之改變，這將影響圍護結(jié)構(gòu)的傳熱量，從而影響空調(diào)器的平均輸入功率；其次，當設(shè)置溫度改變以后，將改變壓縮機的啟停時間比，也就改變了空調(diào)器的除濕量，進而影響空調(diào)器的平均輸入功率。由于這兩項影響的作用是相互疊加而不是相互抵消，因此，當改變空調(diào)器設(shè)置溫度時，將對其輸入功率有顯著的影響。同時，筆者認為盡管當設(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)生變化時都改變了室內(nèi)外溫差，但是它們對空調(diào)器平均輸入功率的影響程度是不同的。根據(jù)以上分析，當設(shè)置溫度發(fā)生變化時，同時改變了建筑負荷和除濕量；而當室外氣溫發(fā)生變化時，則僅改變了建筑負荷。顯然，前者對空調(diào)器輸入功率的影響要大于后者。為了考慮全天的運行情況，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]到當空調(diào)器的設(shè)置溫0.50度降低到一定程度以后，壓縮機的啟、?？刂茖⒉黄鹱饔茫瑝嚎s機處于連續(xù)運行狀態(tài)，此時無論設(shè)置溫度再怎么降低，輸入功率都不會再增加。因此，僅在空調(diào)0.50器的啟、?？刂颇軌蚱鹱饔玫姆?圖9設(shè)置溫度與耗電量的關(guān)系圍內(nèi)，設(shè)置溫度才與每小時平均耗電量基本上成線性關(guān)系；而當啟、?？刂撇辉倨鹱饔谩嚎s機處于連續(xù)運行狀態(tài)時，每小時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試中觀察到的空調(diào)器最大瞬時輸入功率0.779kW作為空調(diào)器連續(xù)運行時的輸入功率，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)器的每小時平均耗電量將相應(yīng)減少或者增加62.7W。當設(shè)置溫度低于25.1C時，改變設(shè)置溫度對空調(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)適當調(diào)高家用空調(diào)器的設(shè)置溫度時，能夠減少的電能消耗。根據(jù)上海市統(tǒng)計年鑒(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363.86萬戶，平均每百戶擁有家用空調(diào)器117.6臺；農(nóng)村人口為315.42萬人，計112.65萬戶，平均每百戶擁有家用空調(diào)器24臺。以此計算，可推算出上海地區(qū)總共擁有家用空調(diào)器455萬臺。這些空調(diào)器在高溫季節(jié)按90%開啟計算，則設(shè)置溫度每調(diào)咼1°C,每小時可節(jié)電25.7萬千瓦。當然，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)、且它們的控溫方式都是采用壓縮機啟、?？刂七@種方法的基礎(chǔ)之上的。實際上，有相當部分的家用空調(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，在適當調(diào)咼設(shè)置溫度后節(jié)省的電力也會更多。因此上述數(shù)字只是一個偏于保守的估計5結(jié)論房間空調(diào)器采用帶死區(qū)的壓縮機啟、停控制能夠較好地保持室內(nèi)溫度在設(shè)置值附近。同時，盡管沒有單獨的濕度控制功能，室內(nèi)相對濕度也能夠保持在滿意