欧盟中央空调器能效和认证研究的初步进展.docx
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欧盟中央空调器能效和认证研究的初步进展
欧盟中央空调器能效和认证研究的初步进展
1.简介
本文讲述了欧盟关于中央空调设备能效的一个正在进行的研究的初步成果。
中央空调器的能效和认证研究（EECCAC）在欧盟的SAVE项目的支持下运作并且将在2003年3月完成。
EECCAC是1999年结束的房间空调器能效研究（EERAC1999）的后继研究，EERAC的结论是最近实施的欧洲房间空调器能源分类的基础。
和EERAC的情况一样，EECCAC研究也将为中央空调器能耗性能如何提高提出政策性的建议。
2.EECCAC研究参考的术语
EECCAC研究的作用是调查和能源，环境以及经济结果相关的中央空调设备的所有方面，并对如何使与环境影响因素有关的能耗达到最低提出政策性的建议，研究由如下几个任务组成：
研究由12个任务组成，这12个任务可被分成如下四个主题：
●第一：
基本概念的确立，一致性统计数据的形成和当前试验影响力的研究（任务1、2、3）
●第二：
基本部件性能的技术性和经济性研究（任务4、5、6）
●第三：
与计算平均性能和最佳试验手段相一致的程序的发展（任务7、8、9）
●第四：
基于国家或欧洲标准的政策的选择和适用（任务10、11、12）
工作要按照这四个主题进行，但前面两个是最首要的。
研究是由空调和能效方面的专家和专业人员组成的一个很大的多国协会来进行的。
协调工作由法国巴黎的EcolesdesMines来做，但研究人员包括欧洲空调工业的代表，能效顾问，空调系统设计和安装工程师以及从8个欧洲国家抽出的学院和国家能源机构的代表。
3.EU（欧盟）空调需求
和北美和日本相比，欧盟空调使用量一直比较低。
但在过去的十年里，需求量急剧增加从而导致空调能源消耗呈指数增加。
图1显示商业作为一般设定的条件下EU房间空调器历史性和规划性的能源消耗状况。
EECCAC研究并没有对中央空调器能源消耗作出评估，但以前的评估（ECCP2001，Waide2001）已将EU服务部门1996年的空调和通风的能源消耗定为75.4TWh，并指出如果没有引入新的节能政策，2010年将上升到123TWh。
减去服务部门的空调份额意味着中央空调和通风系统1996年占了65.7TWh，并在2020年将升至101.3TWh。
由于EERAC研究提出了一个有点强制性的区别，制冷能力为12KW或更高的机组被排除在房间空调器定义之外。
EECCAC研究则考虑所有的中央空调系统，包括制冷能力为12KW或更高的机组。
4.中央空调系统类型
CAC系统组成：
产生制冷液体的系统；将冷量从这个液体传递到大楼内部的系统；通风系统（可能有或可能没有A/C系统）；很多调节舒适性的部件（局部再热，湿度调节；空气过滤等）。
通常相同的设备需要注意具有很多潜在地变化的加热模式。
可能的系统的数量（即使是单个的房间）是在50和100之间。
EECAC研究中设定了一套缩写词，从而可以详尽的包含能被定义的系统，这样是为了将来EU的CAC调整工作上产生通用的语言和术语。
很多大工厂需要去综合很多系统，每个系统只处理区域的一部分，这个区域有不同的负荷，使用时间和舒适性标准。
EECCAC研究只考虑一般的系统（一个区域对应一个系统）并不考虑各种不同系统的综合。
在这些大约50个左右要考虑的系统中，一些明显太复杂，一些不常用且成本高，还有一半的由于低的初期成本，或舒适性，或generaladequacy的系统是真正需要关心的。
但是哪些系统？
这在很大程度上是未知的并将由EECCAC工作的部分成果决定。
一个CAC系统的命名和结构来源于对基本部件的很多考虑的综合。
决定一个系统的首要决策是选择被集中制冷和循环的液体。
最通常的选择是使用制冷机，它能产生7℃的冷却水，冷却水被引入大楼来冷却空气。
空气处理末端有不同的选择但最常用的是使用风机盘管系统。
4.1制冷系统
非成套制冷系统分类如表1所示。
表1定点安装制冷系统分类
系统分类概要
1.全空气系统
制冷：
制冷机（使用或不使用冷却塔的风冷或水冷）
空气处理：
集中处理型，空气处理单元型
制冷区域
空气分布
空气流量
空气温度
空气处理单元
结构
单区域
单风道
定量
变化
有再热装置
循环中有旁通装置
空气混合处有旁通装置
管道容量控制
多区域
每个区域单风道
每个区域定量
变量
变量
每个区域变化
不变
变化
多区域（制冷＋制热）
不同管道的分配
VAV系统
VVT系统
双风道
定量
变化
冷风道－冷空气
热风道－热空气
双风道
一次风
二次风
定量
变量
变化
不变
高压系统
2.空气－水系统
制冷：
制冷机（使用或不使用冷却塔的风冷或水冷）
空气处理：
一次风－集中处理型，空气处理单元型
二次风－房间处理器
空气类型
一次风
空气流量
定量
空气温度
变化
空气分布
单管
系统Std速率
有风机盘管
系统高速率
有诱导器系统
二次风
由房间末端装置处理：
风机盘管，诱导器，辐射板
4.2其他CAC系统
大制冷量整套空调系统的类型定义如下：
VRF（变制冷剂流量）系统
此类系统与多台分体式系统相似，但由于其大的制冷量，并没有考虑在以前的EERAC研究中。
VRF被归类于定点安装系统；因为即使制造商规定了哪类室外机组和需要的室内机组的数目对应，安装时必须适应具体位置。
VRF系统都使用换向阀且可以用作热泵，具有热量回收模式。
它们在大范围内的公共和私人商业住宅被设计成提供高效、灵活舒适的制冷或制热形式。
一种电子膨胀阀可持续调节制冷剂的流量以满足室内机组的负荷要求，使系统能将温度维持在一种实际上恒定和舒适的水平，从而没有典型的控制系统开关时的温度波动。
这种控制每个空调区域的能力将使VRF系统运行费用保持在一个绝对低的水平。
此外，仅仅那些要求空调的地方需要被制冷或加热，并且系统被设计成在非常低的能耗条件下于房间之间传递热量和“冷量”。
水环路热泵系统
此类系统也需要与其所安装的位置相适应。
注意到同时考虑现场可逆的RAC、中央制冷机或锅炉去充分描述系统和其额定功率是十分必要的。
当大楼同时需要加热和制冷的话，选择此系统是特别适宜的。
这种情况下，需要集中冷却水或加热水的能量被减到最小，因为流入空气热泵的可循环水在循环过程中释放或产生能量。
一个中央制冷机或仅仅一个空气制冷剂（多数情况下）以及一个锅炉集中控制循环的温度。
更高效的系统同时使用热量储存系统或者蓄水器。
整体式系统：
屋顶式和柜式
尽管屋顶式机组（室外）和柜式机组（室内）这两个系统要制冷的房间（无管路和风管）的距离不远，但因为它们不是按照每个房间制冷的，因此被定义为“中央系统”。
此外，此系统的制冷能力高于12KW。
在超级市场和诸如计算机中心和电话交换中心的工作地点比较常见。
就像窗体式机组一样，此系统可以是风冷或水冷。
他们也可以变风量并使用多台压缩机。
使用“自由制冷”在此系统的应用比较难但不是没可能。
系统可以是单冷模式和转换循环模式。
CAC子系统
CAC系统能用下面的主要类型和子类型进行分类：
风冷制冷机（包括6个子类型）；使用冷却塔的水冷制冷机（包括3个子类型）；使用外部水源的“真正水冷式”制冷机（6个子类型）；VRF系统（3个子类型）；分体式系统和“整体式”系统（屋顶式系统及同类型的其它系统），最后两种类型仅有两种子类型。
具有水循环的可逆的RAC系统可被看作CAC系统，即使他们包含在EERAC研究中。
最后还有一些具有两个循环（冷循环和热循环）且制冷机在这两个循环中间的系统。
当然，这些简化描述的系统和不同类型，尺寸和使用时间的大楼相联系。
适用于水冷系统的6个标准分类是：
利用水进行冷负荷分配，可转换也可不转换；利用空气进行冷负荷分配，可转换也可不转换；通过带有恒温恒湿控制的空气进行冷负荷分配，可转换也可不转换。
对于带有冷却塔的水冷式制冷机来说，转换是不可能的（因此只有三种子类型）。
VRF系统的三个标准子类型是：
单冷，双管转换和三管转换。
整体式和分体式可以转换也可以不转换。
转换
加热模式下，转换由以下几种类型：
（R1）循环的转换（热泵），例如双管风机盘管（FC）
（R2）需要同时加热和制冷情况下的集中转换（带有4管FC的蒸发器或冷凝器的余热回收）
（R3）分散转换（允许区域之间的冷热转换）
4.3和房间空调器的竞争
为了和CAC竞争，大部分的RAC系统也用在工作地点而不用在居住地。
由于这个原因，从EERAC研究中得到的RAC数据参数再次应用到现在的研究，从而在给定的经济部门和国家中，我们可以直接获取所有A/C型号的共同之处。
例如，在很多情况下，这也将重建起RAC和CAC之间的真正意义上的竞争而不仅仅是RAC内部和CAC内部的竞争，从而避免了执行时政策的扭曲。
四种类型的RAC被广泛应用：
●分体式机组：
通过管道连接的两个机组（室内机组和室外机组），制冷剂在管道中流动。
室内机组包括蒸发器和风机，室外机组有压缩机和冷凝器。
超过12kW的是大型的分体式系统，此系统现在和家用分体式系统分开介绍。
●多台分体式机组：
几个室内机组和一个室外机组连接。
此类系统部分小于12kW部分大于12kW。
在相同的几何形状下，我们发现VRF（变制冷剂流量）系统大部分超过12kW。
●整体机组：
通常的窗式或墙式RAC系统即是整体机组。
一边和室外空气接触，另一边用风机直接向室内供冷。
●单管机组：
室内整机里的冷凝器通过一个管道向外界散热。
任何小于12kW的水冷式机组是先前EERAC研究的一部分。
用在RAC中的水原则上可以是天然水也可以是没有被推荐但不贵的自来水，但很少可行。
因此我们认为很多这样的机组实际上是带有水循环系统并必须在真正的运行条件下研究的CAC系统的一部分，也是CAC系统的能效选择的一个方面。
5.CAC测试步骤
5.1制冷机测试标准
协调运作的EU设备能量和制冷性能测试标准由CEN和CENELEC这两个欧洲部门制定，并被其成员国在他们国家标准的范围内采用。
在制冷机情况下，欧洲制造商协会在满负荷条件下采用的欧洲测试标准非常类似于USA使用的ARI说明书，见表2，它意味着直接进行性能比较是可能的；然而，部分负荷时并不相同。
表2欧洲和US满负荷时制冷机能量测试状态的比较
欧洲标准
ARI550/590-98标准
内置式冷凝器的制冷运行
制冷机出水温度
7℃
6.7℃（44℉）
制冷机进水温度
12℃
冷凝器进水温度
30℃（水冷）
29.4℃（85℉）（水冷）
冷凝器进风温度
35℃（风冷）
35℃（95℉）（风冷）
加热运行
冷凝器出口热水温度
45℃
冷凝器进口热水温度
40℃
蒸发器进气温度
7℃干球温度
6℃湿球温度（风冷）
蒸发器进水温度
10℃（水冷）
5.2ARI制冷机认证项目中的部分负荷测试状态
EU还没有研究部分负荷的测试状态，然而，ARI制冷机认证项目中用到的ARI550/590测试步骤包含了部分负荷的比例。
这些比例的目的是在大范围的运行条件下尝试描述部分负荷性能，从而在真正的运行条件下能给出一个更好的全方位的制冷机性能指数。
用在ARI550/590中的部分负荷测试点的测试状态和比例见表3。
表3ARI550/590标准下制冷机部分负荷测试工况和比例
在满负荷中的比例
％
冷凝器进风的干球温度
℃
冷凝器进水温度
℃
在整个运行时间中的比例
％
100
35.0
29.4
1
75
26.7
23.9
42
50
18.3
18.3
45
25
12.8
18.3
12
这个负荷图用来计算综合的部分负荷值（IPLV），IPLV是USA制冷机的季节平均效率并通过下式计算：
IPLV=0.01A+0.42B+0.45C+0.12D
这里A=100%EER，B=75%EER，C=50%EER，D=25%EER
欧洲ARI部分负荷工况的应用
IPLV的使用是对使用简单全负荷比例的直接修正，因为它更可能在真正的运行环境下给出制冷机的绝对和相对性能的真实描述；然而，EECCAC研究中的分析已经说明了与欧洲的气候和大楼stock相比，用在ARI测试步骤中的“在整个运行时间中所占的比例”因子更适合US。
实际上，温度和运行时间中所占的比例只代表US的气候，大楼stock和运行习惯并不是不合理的.
负荷和温度都和正在讨论的CEN测试标准一样发生变化。
我们通过欧洲使用IPLV的一些尝试的报道来证明。
用欧洲数据来重新应用美国使用的计算IPLV系数的方法，这些欧洲数据是从使用16个气象文件的动态模拟中产生的，这些气象文件是欧洲气候的典型代表。
对显热负荷进行简单处理就可以确定测试点和运行时间比例，他们和用在ARI测试步骤中的不同。
这些成果被AICARR（意大利HVAC工程师协会）的独立分析所支持，此协会也证明了ARI系数完全不理想而且后来导致了一个EMPE（欧洲测试部分负荷效率方法）议案。
参照欧洲委员会委托的问题看，CEN（欧洲标准委员会）的TC113正在进行一个适用于欧洲使用的任何空调设备的部分负荷测试。
此测试参照了EECCAC研究得出的部分分析。
相似的ISO标准委员会也研究了部分负荷测试条件的发展，因此尝试并确保欧洲和ISO方法并不冲突是很重要的。
TC113制定了一个早期的草略标准并作为补充加到CEN814和255标准中，这两个标准推荐了在50％输入功率和同满负荷时一样的温度情况下的部分负荷测试。
国家标准部门经常评论这个草案但负面评论导致TC113的延期。
WG7继续此项工作，而且5月29号在Lyon将再次开会来讨论新的方案。
EECCAC研究团浏览了CEN草案并提出了如下建议：
用草略标准得到的低容量空调（<12kW）的精确性并不高但足够用能量分类的标准来将他们分类。
另一方面，制冷机测试从如下四个方面进行补充：
1.当制冷机在外界温度低于10℃的情况下运行时，需要在相似的温度情况下定义一个”T6”点，例如，ARI使用的12.8℃对应测试条件下的T1（35℃）和T2（28℃）
2.为了将来与ISO一致，欧洲在25％、50％、75％、100％部分负荷开始工作是有效的；尤其是委员会也用部分负荷进行一些测试时
3.假定调整容量存在困难，但是可以做到比目前更好的详细说明，测试状态的结果补充是合理的（这点已经被ISO委员会以书面的方式达成一致）
4.区分部分负荷（带有循环和控制系统）和部分容量（固定在室外的系统装置）是必要的；这种情况下，通过加热能模拟负荷并能考虑控制质量，由此能更好理解设备的质量
同时，一些EU会员国已开始了自己的部分负荷测试项目，例如意大利。
6.欧洲CAC市场的性能
6.11998年A/C的欧洲市场
拿1998年作为参考，按照卖出的数量、容量和机组类型以及安装在给定系统中的制冷区域的平方米数来分析EU中央空调。
后面的数据的获得是假定了EU平均制冷量是120W/m2以及机组的尺寸是正确的，它脱离了假定机组尺寸大了2倍的房间空调器。
这些假定是从大楼热量模拟数据和真实经验数据的分析中获得的。
图3显示了每年的空调销售量，销售量是以不同类型的空调器制冷的区域大小的形式表达的。
很明显整个空调器销售量从1985年制冷区域4千万平方米上升到2000年制冷区域一亿五千万平方米，而且增长是加速的。
很明显，制冷机和房间空调在1998年分别占领着47.4％和34.7％的服务部门的空调市场；然而，国家的市场有点不同，例如，CAC类型的销售分额在国家之间的变化很大。
在制冷机销售领域里，有两个主流的子系统：
占58％销售分额的使用风机盘管的典型系统（FCU）和占39％销售分额的使用空气处理单元（AHU）的系统。
其他的分额由自然水冷系统和使用两级循环的系统所占有。
西班牙和意大利是EU最大的中央空调市场，1998年分别占领着27％和25％的市场分额。
法国，德国和UK各有10％的市场分额，其他的17％被其他的十个EU国家占有。
如图3所示，CAC类型在90年代的销售增长率是非常明显的。
1998年每个工人安装空调的平均面积是0.72m2/每个工人。
这个值高于南部国家的平均值，低于北部国家的平均值。
卖出的制冷机的平均制冷量在各个国家市场中的变化很大，从UK的最大量230kW变到意大利的最少量70kW。
图4所示。
7.欧洲制冷机组的效率
图5揭示了满负荷条件下评估的欧洲制冷机组的效率是制冷量的函数，这个满负荷是在欧洲认证项目的T1测试环境下测得的。
这个数据显示了水冷式和风冷式在平均性能下的明显不同，前者有3.57W/W的平均EER，后者有2.52W/W的平均EER。
实际上水冷机组更好的性能反应了标准测试条件下冷却塔的温度regime，但有可能并不完全代表真实的运行环境。
为了搞清预期的性能的真正差异，任务3和4正在研究这个课题；然而，很明显水冷系统比风冷系统更有效但水冷系统更贵一些因此趋向于大型的应用场合。
可转换机组的EER和相应的单冷机组的EER相似。
图5的数据也显示了制冷机的制冷量和由两个线性回归方法显示的EER没有联系。
表4总结了主要制冷机类型的性能差异。
满负荷测试条件下制冷机的能效分布可以按照图6所示的按相同等级下的平均效率划分的具体机组的效率表述。
制冷机效率是压缩机类型（涡旋式、螺杆式或往复式）的函数的分析确实显示了压缩机类型和EER之间的联系，但这主要是因为水冷机组倾向使用螺杆式压缩机，并不是压缩机技术的内在优点。
相似分析显示使用R22和使用R407c以及使用两者混合的系统之间在性能上有可忽略的差异，而且选择制冷机时也没有明显的价格差异。
表4欧盟制冷机EER（W/W）范围；来源：
欧洲目录
EER
种类
类型
冷凝器介质
应用
最小值
平均值
最大值
完整机组
单冷
空气
空气调节
1.90
2.53
3.29
可转换
空气
空气调节
1.90
2.48
2.96
楼层
3.31
3.34
3.39
单冷
水
空气调节
2.90
3.73
4.09
可转换
水
空气调节
2.90
3.57
4.09
Condenserless
单冷
水
空气调节
2.76
3.21
3.69
8.欧洲认证项目
一个国际性的性能认证项目由欧洲认证委员会负责，欧洲认证委员会是一个为此目的产生的商业团体，不是一个社会机构。
欧洲认证的设备是从按照国际标准和确保可重复性的附加标准测试过的制造商中自由选择出来的（例如，相同的测试中心和设备适用于所有的测试装置）。
参与的制造商的目的是测试他们的装置性能并载入每年的目录中，这个目录在大约20000个顾问和安装者之间流通而且允许使用欧洲分类（图7）。
少于0.2％的成本制造商可以依照模型的数目让他们的模型出现在目录中。
实际上欧洲市场大约10％的模型每年都经过检验。
对和他们自己的信息相抵触的测试结果的恐惧导致很多制造商去重新调整他们的产品文献中的EER指数。
欧洲RAC市场的高比率已经包含在几乎含有所有重要制造商的欧洲计划（整个市场的80－90％）中
9.计算CAC能耗标准
为了能对服务部门的空调能量需求进行定性，需要将能耗和制冷区域的面积联系起来。
如果知道安装的各种AC系统的比例的话，就有可能计算平均EER，系统SEER等等。
最后，如果系统能或多或少提供高质量的环境（比如或多或少的完全舒适性）或者新控制（绝热，通风）的话，EECCAC研究将这些复杂的因素用下列方式表述：
制冷能耗＝制冷负荷/系统SEER
（1）
制热能耗＝制热负荷/系统SCOP
（2）
为了能比较所有的AC系统，空调系统的季节能效比由一些在T1测试条件下获得的系数再乘以制冷机或RAC的EER或COP构成的函数所决定的。
如下所示：
系统SEER=C1ХC2ХC3ХC4ХC5ХC6ХC7ХC8ХEER
系统SCOP=C1ХC2ХC3ХC4ХC5ХC6ХC7ХC8ХEER
这里：
C1是气候对EER的影响；在RAC情况下（干冷凝器），C1局限在几个百分比，但在制冷机情况下，由于室外温度和湿度条件和测试条件进行了比较，C1值要大一些。
C2是污垢的影响；较大容量的AC设备通常和室外保养的减少有关，因此有较小的污垢系数（比如效果可能小于10％）。
C3通常是部分负荷循环控制的影响，RAC（大约10％的损失）情况下是很高的，对制冷机而言甚至更高而且可能是正值。
C4描述了制冷设备冷量最终分配需要的辅助能耗；RAC是不需要的但在全空气中央系统中占了大于40％的能耗。
C5描述了由集中导致的低效率：
过大的空气流量，区域的不良处理，不良控制，冷热流不适当的混合等等，以及占15％能量需求的多区域结构中的自由制冷的效果。
C6考虑了直接和制冷机相关但没有在测试中考虑的辅助能耗的综合效果，例如，和冷却塔有关的辅助能耗。
C7考虑了较大系统（管路和管道损失）的“冷负荷损失”。
C8是“自由制冷”的能量影响；“自由加热”不是理想选择。
EER和COP是欧洲认证中T1条件下的测试值。
注意除了C7是效率以外，Ci是系数，不是效率。
10.节能方式可选项和潜在的政策性规格标准的分类
10.1通用节能方式和政策选择
提高CAC能量效率的标准能按相关政策性标准分成如下7个主要类型：
第一种类型：
更好系统组件的选择
从认证设备单上设备获取的CAC能量效率性能数据的统计学分析显示市场上最高产品效率总是比所有产品（例如不仅包括RAC和制冷机，而且包括大型柜式和屋顶式系统等）的平均值高出＋20-50%。
获取相关能效的提高，可以通过定位于可交易的商品如MEPS（或等价地自愿协议）的能量性能的政策性标准的实现，或者通过到达最终用户的相关信息的提供，并假定他（她）对决定链确实有影响力。
目前专业的选择主要基于最小化提供每KW制冷量的系统初始成本。
在一些情况下，抉择也会受到制冷的EER的影响，尽管理想情况下它应该是基于SEER制冷量（IPLV）。
第二种类型：
最佳的常规系统结构的选择
在任何大型的空调系统中，诸如房间空调系统（RAC）或者中央空调系统（CAC），存在许多体系或类型，它们有着不同的平均效率。
对于RAC系统，不同类型的平均效率与所有RAC类型的平均值的差值范围从-15％到+15％不等（例如分体式一般比整体式效率高）；对于CAC系统，潜在的差异看起来更大。
效率的提高，源自于为一设定任务选择最好的系统型式，可以通过建筑法规（或等价的自愿协议）实现。
EECCAC研究的一个目标是定义什么内容可以更合理的加入到建筑法规中。
其结构的改变实现起来比第一或第三种类型更困难，因为改变可能影响到完成产品的基础。
第三种类型：
系统结构和控制的改进
对中央空气和水冷却系统，存在着由于系统的优化设计带来的其他方面潜在的增值，而且相当高（例如“自由制冷”）。
但这些不可能通过法规的需要完全实现，大多数需要好的工程工作；然而，它们也部分地与设备的类型，风门、控制器等的存在有关（例如参考ASHRAE90）。
风机的效率、不同速度选择、控制系统的质量也都是较重要的因素。
EECCAC研究目的是评估这些选择因素，以一种有条理结构的方式表现出来。
从政策性的长远目标考虑，潜在节能的实现要么通过最好的说明性的实践设计规则，要么通过一种方法论的手段（例如校验单和LCC标准），或者两者兼有（在ASHRAE90标准中有应用）。
第四种类型：
系统转换使用
对所有中央空气和水冷却系统
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