空调器设定温度与耗电量关系

家用空调设定温度与耗电的关系实验研究同济大学大楼设备工程与管理系黄治钟周辉摘要：在普通办公室测量家用空调在多种制冷状况下的耗电量，分析其相关关系，找出影响空调输入功率的主要影响因素，得出设置温度与输入功率的关系，估算改变设置温度对节约功率有贡献。关键词：家用空调设定温度功耗1概要2003年夏天，上海遭遇60年来首次高温天气，夏天气温超过35的高温天数达到41天，大部分为38以上，最高达到39.9，接近历史最高值。 为了防止热浪的攻击，无论是商业建筑还是居民住宅，大量的空调设备都陆续接通，给电网带来很大的压力，上海电网的最高负荷达到了创记录的1362万kW。 为保证人民生活不受影响，有关部门不得已采取了限电、引电措施。 与此同时，市里呼吁居民适度提高空调的设置温度，节约电力。 能提高空调的设置温度节约电力吗？ 在什么条件下可以节约电力？ 笔者以回答这些问题为目的，进行了如下测试。2测试步骤图1测试站点配置测试于2003年8月21日至24日进行，地点为普通办公室，位于6楼教室楼5层，面积为14.78m2 (2.82m5.24m )，向西南偏转，室内挂有明亮的塑料百叶窗。 其平面配置如图1所示。室内设置了KFR-22GWA型分体壁挂型家用空调，1997年2月生产，额定输出2200W。 温度控制方式为带死区压缩机的on、off控制(死区宽度约0.5)，是无逆变器装置。根据空调的额定功率和房间面积计算，每平方米的空调设备容量约为150W，接近当前居民住宅和普通办公室的平均水平。这个空调已经使用了7年，除了在测试前进行了清洗过滤器等日常的维护作业之外，还在测试中测量了其EER值，确认了冷冻量的衰减状况。 测试表明，该空调在实际运行条件下的EER值约为2.05。考试期间天气晴转阴，最高气温为3537。 空调运转时间为1天8:3019:30，合计11小时，4天的设置温度分别为26、27、28、29。在测试期间，室内几乎没有人，为模拟室内负荷，室内设置2台计算机和台灯，加上照明灯和测试仪器，室内热负荷约为400W。为了连续记录室内外温湿度的变化，分别在室内设置RHLOG-II型温度自记计，在室外设置1只(为了防止太阳的直接照射和下雨加上简单的遮阳伞)，采样间隔为15分钟，并且在室内和其他办公室的北窗外(图1中未图示)设置RHLOG-H型湿度计电能的测量和记录采用DZFC-1型电能综合分析仪，除了能瞬时显示电压、电流、功率因数、电源频率、瞬时功率和电能累计值外，每隔30分钟打印输出测试结果。3测试数据总结4天的测试数据，图2图5显示的是每天的室外温度、室内温度、60分钟的平均输入功率。图2设置温度26下的测试结果图3设置温度27下的测试结果图4设置温度28下的测试结果图5设置温度29下的测试结果4天内外相对湿度的变化规律非常相似，因此仅代表设置温度为28时的相对湿度的数据，请参照图6。图6设置温度28室内外相对湿度在这些数据中，(1)记录的室外最高温度与气象部门报告的当天的实际最高温度不一致是由于测试条件的差异造成的(2)设置温度为26时，室温没有保持在26附近，大部分时间在26.127.5之间变动，其原因是以下的数据根据电能综合分析器的电能累计记录，设置温度和每天的总耗电量和每小时的平均耗电量之间的关系如表1所示。表1设置温度与耗电量的关系设置温度()11小时总功耗(kWh )每小时平均功耗(kWh )267.860470.71459277.5963260.69057286.321460.57468295.989898820.544264数据分析4.1采用简单的带死区压缩机起动停止控制，可保持室内温度良好。 大部分时间，控制温度的误差小于0.6，接近死区的宽度是家用空调容许的结果。 但是，设置温度为26时，一天的大部分时间室温在26.127.5之间变动，日平均温度为26.54，与其他几天的室内日平均温度比设置温度低0.40.6形成鲜明的对照。 之所以发生这种情况，从图2可以说明，测试日当天的室外温度有超过10的变化，但空调的60分钟平均输入功率只有70W变化。 这表示由于负荷大，起动停止控制几乎不起作用，压缩机处于连续运转状态，空调的输出接近最大值。 在这样的运转状态下，即使不能将室温保持在设置温度附近，也能够理解。 当然，如果进一步降低设置温度，则无法将室温保持在设置温度附近。 另外，尽管没有单独的湿度控制功能，由图6可知，室内的相对湿度保持在50%70%的舒适范围内。4.2天的测试期间，由于每天的气象条件不同，为了尽量减少气象条件不同对耗电的影响，笔者每天选择平均温度为34和37的期间1小时，读取与其对应的60分钟的平均输入功率，得到了如图7所示的关系。由图3图5可知，设置温度在27 29的范围内，室温几乎没有变化，并且压缩机不是连续运转状态，因此，即使设置温度在该范围内变化，室外的气温变化，实际上室内外的温度差也会变化，对建筑负荷产生影响。 为了向图7中输入电力，设置温度与室外平均气温的关系(1)必须压缩机响应于建筑负载的变化而相应地改变输出，即，改变其启动、停止时间比最终影响压缩机的平均输入功率。 这样，尽管室外气温不同，相同宽度的设置温度变化对空调的平均输入功率的影响必须相同。 由图7可知，室外气温为34时，设置温度从27变为28时，60分钟的平均输入功率减少了173.8W的设定温度从28变为29时，60分钟的平均输入功率又减少了32.2W。 室外气温为37时重复此过程，60分钟的平均输入功率分别减少170.5W和50.0W，两者的变化基本相同。 用曲线表示这两条曲线大致平行。 请参见图8。 结果表明，在室内负荷基本保持不变的前提下，室内外温差是影响空调平均输入功率的主要因素之一。图8输入功率、设置温度与室外平均气温的关系(2)(1)但是，根据图8曲线图，室外温度为34、设置温度为27时，60分钟的平均输入功率为0.6783kW，此时的室内外温度差为7； 但是，室外温度为37、设置温度为29时，尽管室内外温度差增加到了8，此时60分钟的平均输入电力反而降低到了0.5316kW。 很明显，由于前者的建筑负荷大于后者，室内外温差不是决定空调输入功率的唯一因素。之所以发生这种“异常”，我认为是因为空调的除湿量因设置温度而异。 进行EER值测试，发现空调处于连续运转状态时，每小时的冷凝水量为0.4kg左右，气化潜热约为900kJ。 为了消除这些热量，在不考虑线圈的传热效率的情况下，所需的潜热量约为0.25kW，占空调输出的15%20%左右。 这样，由于测试中使用的家用空调的温度控制采用压缩机的on-off方式，因此设置温度上升后，在on-off周期期间，压缩机在运转时间中所占的比例减少，因此除湿量降低，平均输入功率的设置温度恒定，比外部气体温度降低到相同宽度的情况小综上所述，笔者认为变更空调的设置温度时，有两条路径会影响其输入功率。 首先，变更设置温度后，在一定时间的运转后，室温发生变化，这会影响包围结构的传热，影响空调的平均输入功率，接着，变更设置温度时，变更压缩机的起动停止时间比，变更空调的除湿量，影响空调的平均输入功率。 由于这两种影响不是抵消而是重叠，因此如果改变空调的设定温度，对其输入功率有显着的影响。另外，在设置温度变化(对室内温度产生影响)、室外温度变化的情况下，尽管室内外温度差变化，但对空调机的平均输入电力的影响程度可以认为不同。 根据以上分析，如果设置温度变化，建筑负荷和除湿量同时变化的室外气温变化，则只有建筑物负荷变化。 显然，前者对空调输入功率的影响大于后者。图9设置温度与耗电的关系4.3为了考虑全天的运行状况，表1的数据用图表表示在图9中。 由图可知，空调的设置温度分别为26、27、28、29的情况下，其每1小时的平均耗电量与设置温度几乎呈线性关系，可以拟合为如图9所示的直线方程式。考虑到空调的设置温度下降一定程度后，压缩机的起动停止控制不起作用，压缩机进入连续运转状态，无论设置温度下降多少，输入功率都不会增加。 因此，仅在能够进行空调的开启/关闭控制的范围内，设定温度与每1小时的平均耗电量成为大致线性关系，另外，在开启/关闭控制变得不能发挥作用，压缩机变为连续运转状态的情况下，每1小时的平均耗电量保持一定，与设置温度无关。笔者在此次测试中看到的空调的最大瞬时输入功率0.779kW作为空调连续运转时的输入功率的话，图9所示的空调设置温度和每小时的平均消耗功率的关系可以如下拟合其中w是输入功率(kW )Tp为设置温度()该方程的方差R2=0.9255。根据该拟合方程，在设定温度为25.1 29的范围内，每次设定温度上升或下降，空调的每小时平均功耗减少或增加62.7W。 设定温度低于25.1时，即使变更设定温度，也不会影响空调的耗电。 将安装温度提高到30以上，就不能满足一般的舒适要求，没有现实意义。利用这一拟合方程，可以粗略推断，上海地区家用空调的安装温度适当提高，能够降低功耗。据上海市统计年鉴(2002 )提供的数据显示，截至2002年底，上海地区人均人口为2.8人。 城市人口为1018.81万人，共计363.86万户，平均每100户有家用空调117.6台，农村人口为315.42万人，共计112.65万户，平均每100户有家用空调24台。 根据这个计算，估计上海地区共有455万台家用空调。 这些空调在高温季节以90%开关计算的话，设置温度每上升1，每小时能节电25.7万千瓦。当然，这一估计是上海地区建设的所有家用空调额定功率为2200W (所谓一人)，而且其温度控制方式采用压缩机启动、停止控制的方法。 实际上，相当部分家用空调的额定输出功率为3200W3500W，更大，采用节能的变频控制方式，适当提高设置温度节约的电力也很多。 因此，上述数字只是保守的估计五个结论5.1室内空调采用带死区的压缩机，可将室内温度保持在设定值附近。 同时，尽管没有单独的湿度控制功能，仍可将室内相对湿度保持在令人满意的范围内。5.2压缩机启动、停止时，改变空调设置温度对平均输入功率有显着影响，影响的途径是围栏