变频空调器中国能效与美国能效标准计算差异分析

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２０２０年０２月／　Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０２０
Ａｂｓｔｒａｃｔ：As an effective means of energy-saving control of products, air-conditioning energy efficiency standards have been widely adopted by various countries. This text analyzes the differences between the seasonal energy efficiency tests and calculation methods in the US energy efficiency standard ARI Standard 210/240-2008[1] and the Chinese energy efficiency standard GB/T 7725-2004[2], and analyzes and experimentally verifies the two standards. Under the difference in energy efficiency values, the proposed development direction of the Chinese Energy Efficiency Standard. Through verification, the SEER value of the cooling season obtained under the same machine American standard is always higher than the Chinese Energy EfficiencyStandard. The SEER and HSPF of the Chinese Energy Efficiency Standard Samples are 47.3 % and 37.4 % higher than the US Energy Star requirements respectively, which provides a reference for the horizontal correspondence between the national standard and the American standard energy efficiency rating.
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：energy efficiency standard;inverter air conditioner; SEER; HSPF
摘要：空调能效标准作为产品节能控制的有效手段，已普遍被各国采用。

本文针对美国能效标准ARI Standard 210/240-2008[1]与中国能效标准GB/T 7725-2004[2]中的季节能效测试及计算方法的差异进行了解析，分析并实验验证了两种标准下的能效值差异，提出国标发展方向建议。

通过验证，同一样机美标下得出的制冷季节能效SEER 值始终高于国标。

国标入门1级能效样品的SEER 和HSPF 分别高出美国能源之星要求的47.3 %、37.4 %，为国标与美标能效等级的横向对应关系提供参考。

关键词：能效标准；变频空调；制冷季节能效；制热季节能效
中图分类号：G307 文献标识码：A 文章编号：1004-7204(2020)01-0121-07
变频空调器中国能效与美国能效标准计算差异分析
Analysis on Differences Between Chinese Energy Efficiency and American
Energy Efficiency Standards for Inverter Air Conditioner
黄允棋，范建波
（空调设备及系统运行节能国家重点实验室，珠海 519070）
HUANG Yun-qi, FAN Jian-bo
(State Key Laboratory of Air-conditioning Equipment and System Energy Conservation, Zhuhai 519070)引言
空调器能效标准的制定通常综合了地区气候类型，行业形势及文化、经济发展水平等客观因素，从而形成了多样的能效评价标准。

为促进我国空调出口行业的发展，有必要建立起我国与其它国家能效等级之间的横向对应关系。

吴晓丽［３］概述了目前国际上季节能源消耗效率计算方法分为三类，国标、美标、日标以及ＩＳＯ标准属于同一类，季节能效以季节总制冷（热）量除以季节
总耗电量，在这相同指导思想下而不同标准计算的值却相距甚远。

本文理论分析了中国标准与美国标准能效测试、计算方法的差异，并用同一空调实验验证两种标准下测试计算的能效差异，为进一步探讨国标能效等级与美国能效等级的对应关系提供参考。

１国标与美标季节能效计算差异
１．１制冷季节能效计算解析
季节能效计算差异将从房间负荷设计、能效测试条
件、计算方法三方面做对比分析。

房间制冷负荷的设计，国标以２３　℃为零负荷点，
３５　℃为设计负荷点（即选型空调制冷能力刚好与房间
负荷相匹配），定义两点连线为制冷负荷线。

美标以
１８．３　℃（６５　℉）为零负荷点，同样以３５　℃为设计负荷
点，但对空调能力留有１０　％余量［４］，国标与美标的建筑
负荷线如图１所示。

按照美国、日本的研究结论，采用
制冷季节室内２７　℃，制热季节室内２０　℃为人体舒适温
度［５］，零负荷点的选取是在不开空调情况下，室内能够
保持２７　℃平衡时对应的室外温度。

各国选取计算的房间
模型室内灯光、人等热源及房间传热结构不同，因此也
导致了零负荷点的不同。

设计负荷点的选取则要求环镜
温度≤设计温度时，空调制冷能力可以使室内温度降至
２７　℃舒适温度，这里国标与美标选取了相同的温度点。

季节能效计算需要对空调进行不同条件下的制冷量
标准类型测试项目室外干球温度℃室内干/湿球温度℃压缩机转速
国标额定制冷量3527/19额定转速中间制冷量3527/19中间转速（1）25%制冷量3527/1925%转速（2）
美标A
2
工况35（95℉）26.7/19.4（80/67℉）最大转速
B
2
工况27.8（82℉）26.7/19.4（80/67℉）最大转速
E
V
工况30.6（87℉）26.7/19.4（80/67℉）中间转速（3）
B
1
工况27.8（82℉）26.7/19.4（80/67℉）最小转速
F
1
工况19.4（67℉）26.7/19.4（80/67℉）最小转速
和耗电量测试，国标与美标制冷季节能效测试项目如表
１所示。

国标所有能力测试均在相同工况下进行，测试
相对简化；美标则有４个不同测试工况，在高负荷工况
下测试对应压缩机最大转速，在低负荷工况下测试对应
最小转速，不同的制冷需求量条件下测试相应的制冷能
力，比较符合空调实际运行特性，但由于各测试工况所
带来的不确定度累加在一起所构成的测试不确定度大，
复现性相对较差［６］。

中间能力测试国标限制的是能力范
围，美标则是限制压缩机转速。

制冷季节能效等于季节总制冷量除以季节总耗电量，
从国标和美标制冷季节能效计算方法中可以总结出三步
流程：①确定建筑负荷线，计算各温度点的制冷需求量；
②确定最大、最小、中间能力线并计算其与负荷线的交点；
③依据负荷与能力的大小关系划分制冷温度区间，计算
各区间温度点制冷量与耗电量，进一步计算季节制冷量
和季节耗电量。

１）确定建筑负荷线
（１）
（２）
式（１）为国标建筑制冷负荷曲线，式（２）为美标
建筑制冷负荷线。

通过以上式子可以计算各温度点下的
房间负荷。

其中，（３５）为实测额定制冷量；ｋ＝２表
示最大转速，９５／６５　℉分别对应摄氏温度
３５／１８．３　℃。

美图1 制冷季节建筑负荷线
表1 制冷测试条件
注：国标中间转速指制冷量为额定制冷量×50%±100W对应的压缩机转速，铭牌标称制冷量≤7100W不用进行25%制冷量测试；美标要求中间转速=最小转速+（最大转速-最小转速）/3，允差5%。

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标要求空调器在３５　℃留有１０　％的制冷能力余量，实际上负荷平衡点达到３６　℃，而且美标的零负荷点１８．３　℃也比国标２３　℃低，建筑负荷线斜率更低，对同款空调来说，建筑负荷线斜率越低，则ＳＥＥＲ计算值越大［７］。

２）确定最大、最小、中间能力线，并计算能力线与
负荷线交点：
（
３） （４）
式（３）和式（４）分别为国标下额定转速能力线、功率线。

测试外环３５　℃工况下空调以额定转速运行的制冷量为φ额（３５）、功率为Ｐ额（３５），根据经验系数计算外环２９　℃时以额定转速运行的制冷量φ额（２９）、功率Ｐ额（２９），以两点连线构成空调额定转速下的能力线和功率线。

中间转速及２５　％转速能力线、功率线计算方法与此相同，各转速下能力线和功率线如图２所示。

（５）（６）
（７）
式（５）、式（６）和式（７）分别为美标下最大转速能力线、最小转速能力线和中间转速能力线。

以Ａ２、Ｂ２两实测点连线构成空调最大转速下的能力线，以Ｂ１、Ｆ１两实测点连线构成空调最小转速下的能力线，以最大能力线斜率和最小能力线斜率计算出中间能力线斜率，加上ＥＶ测试点得出中间转速能力线。

各转速能力线以及功率线如图３所示。

在确定空调各转速能力线时，每条能力线国标只测试一个点φ（３５），根据经验系数直接定义φ（２９）＝　１．０７７φ（３５），也就是说，不论哪种配置的空调器，国标默认定转速下能力随温度变化的比例是一致的。

美标计算则是根据实际测试情况来定，最大／最小能力线的两个点都是以实际测试得出，不同配置的空调器，定转速下能力随温度变化的比例是不同的，美标测试方法更符
合空调器的真实情况。

３）划分区域，计算各温度点制冷量和耗电量，进一步计算季节制冷量和季节耗电量。

①房间负荷小于最小能力区域
国标与美标采取相同的计算方法，空调以最小转速定频开停运行，制冷量等于房间负荷，耗电量取最小转
速运行功率线乘以修正系数。

（８）
式（８）为该区间各温度点制冷功率计算公式。

式中：
Ｐｍｉｎ（ｔｊ）—外环温度ｔｊ下，空调以最小转速运行时的功率；
Ｘ（ｔｊ）—部分负载因素，等于房间负荷除以最小转速制冷能力；
Ｎｊ—外环温度ｔｊ的发生时间；
ＰＬＦ（ｔｊ）—空调断续运行时效率降低系数。

②制冷能力与负荷相匹配区域，即房间负荷在最小能力与最大能力之间
空调变频运行使制冷能力与房间负荷相吻合，制冷量等于房间负荷，耗电量采用房间负荷除以对应能效值。

国标下ＥＥＲ（ｔｊ）采用温度区间端点的ＥＥＲ线性插值计算；美标下ＥＥＲ（ｔｊ）则以经过ＥＥＲ（ｔ１）、ＥＥＲ（ｔＶ）、ＥＥＲ（ｔ２）三点的抛物线曲线计算，　如图２、图３所示。

③负荷大于最大能力区域
国标与美标计算方法相同，该温度区间空调能力不能满足房间制冷需求，空调器以最大转速运行，制冷量和功率分别在最大转速能力和对应功率线上线性插值。

将以上区间的各点制冷量乘以对应的发生时间并求和，得到季节制冷量，季节耗电量同理，从而得到制冷季节能效ＳＥＥＲ。

在计算方法上，国标直接以２５　％能力线为最小能力线（额定制冷量７　１００　Ｗ以下的空调器以中间能力线为最小能力线），而空调器实际最小转速低于此，导致国标变频运行温度区间小于美标。

同时国标定义变频温度区间的ＥＥＲ与温度呈一次函数关系，美标
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环境技术/Environmental Technology
图2 国标下空调制冷能力线及功率线
图
3 美标下空调制冷能力线及功率线
定义变频温度区间的ＥＥＲ与温度呈二次函数关系。

１．２制热季节能效计算解析
国标定义房间制热负荷用于制冷负荷大小相同的房间来评价，并用对制冷负荷以固定比率进行计算。

以室外温度０　℃时的制热负荷（３５　℃制冷负荷×１．２５×０．８２），与室外温度１７　℃零负荷点连接的直线作为制热负荷线。

国标采取单一气候区，以南京作为代表性城市来确定各温度发生小时数［９］。

美标定义制热负荷则比较精细，根据地域气候的不同将全国分为６种气候区，每个气候区都有特定的设计温度和设计负荷，以设计负荷点与１８．３　℃（６５　℉）零负荷点连线为制热负
标准类型
测试项目室内干球温度℃
室外干/湿球温度℃
压缩机转速国标
低温制热量
202/1最大转速额定制热量207/6额定转速中间制热量207/6中间转速25 %制热量207/6
25 %转速美标
H12工况21.1（70 ℉）8.33/6.11（47/43 ℉）最大转速H32工况
21.1（70 ℉）-8.33/-9.44（17/15 ℉）最大转速H2V 工况21.1（70 ℉） 1.67/0.56（35/33 ℉）中间转速H01工况21.1（70 ℉）16.7/13.6（62/56.5 ℉）最小转速H11工况
21.1（70 ℉）
8.33/6.11（47/43 ℉）
最小转速
表2 制热测试条件
荷线。

制热不同于制冷的表现，制热运行时室外机结霜会影响换热使能力发生衰减，国标进行了２个工况的能力测试，用以计算发生除霜运行的能力线和不发生除霜运行的能力线；美标制热与制冷测试类似，仍进行４个不同工况测试。

所有制热测试均在关闭电辅热条件下进行。

制热计算流程与制冷计算流程一致，也是分负荷小于最小能力、负荷与能力匹配、负荷大于最大能力三块区域来计算，不同点在于：①制热出现外机结霜会造成能力衰减，国标定义－７　℃～５．５　℃为结霜区，美标定义－８．３３　℃～７．２２　℃为结霜区，计算能力线时，结霜区与
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无霜区以不同公式计算；②在热泵最大制热能力小于负荷的区域，默认以电辅热补充，辅热耗电量为房间负荷与热泵制热量的差值。

国标与美标的制热能力线如图４、图５所示，计算公式与制冷类似，此处不再重复。

需要补充说明的是国标制冷以额定转速为最大能力线，制冷计算里设计点３５　℃之后空调继续提高压缩机转速升高能力，则计算能力与负荷平衡点温度高于３５　℃，更高转速下的耗电量更高，这样计算出的ＳＥＥＲ会降低，而国标里允许环境３５　℃以上空调制冷能力比负荷低，所以把额定转速作为最大能力时能效最高；制热情况则不同，当额定转速的制热能力比负荷低时，若不继续提高转速，就要考核电辅热耗电，对能效不利，所以制热在额定转速之上还有一个最大转速。

１．３国标与美标季节能效计算差异对比
对比国标与美标的能效计算方法：①在设计负荷上，美标制冷设计负荷点对空调能力留有余量，这只对能效计算结果有影响，而实际用户房间负荷与选型空调并不会刚好匹配，对用户的选型使用并没有影响。

但在制热负荷设计上，国标以单一南京气候作为代表并不适合中国广大北方地区，美标将全国划分为６个气候区这点值得学习；②在能力线的计算上，美标全部采取实测点，并且是在不同负荷工况下进行测试，美标的方法更贴近空调的实际运行状况，国标只测一个点，另一点采取经验系数计算，而这经验系数是从定频空调上得出，并不完全适用于变频空调器，针对变频空调器国标可考虑向开放实测点方向发展；③在变频温度区间ＥＥＲ计算上，国标采取直线方式，美标采取抛物线方式，实际空调器在不同频率下的ＥＥＲ都是上下波动的，并不存在哪种方式更符合，反而采取直线方式计算更为简化。

１．４国标与美标季节能效计算结果解析
通过上文对国标与美标计算方法的解析，比较二者能效计算结果的差异。

国标对制冷量７　１００　Ｗ以下的空调器直接以中间转速为最小能力，导致了计算定频运行的温度区间偏大而变频运行的温度区间偏小，交点以下的温度区间全部默认为定频开停运行考核效率降低系数ＣＤ，换算得出每个温度点的能效系数为中间转速运行时
的ＥＥＲ中（ｔｊ）乘以断续运行效率降低系数ＰＬＦ（ｔｊ），这样计算出来的能效值比空调实际变频运行的能效值小。

而在计算变频区间的ＥＥＲ时，国标定义的是直线，美标定义的是抛物线，只要调整ＥＥＲ（ｔｖ）在ＥＥＲ（ｔ１）　与ＥＥＲ（ｔ２）两点连线上方，就可以保证抛物线开口朝下，这样以抛物线方式计算出来的各温度点ＥＥＲ比以直线方式计算出来的值大。

季节能效计算以季节总制冷（热）量除以季节总耗电量，按照胡健［８］每个温度点功耗分布的概念，实质上是空调器在提供每个温度点需求制冷（热）量的等效ＥＥＲ乘以该温度点发生时间权重累加起来。

以出口美国
空调器常采用的制热第Ⅳ气候区为例，国标与美标各温
图4 国标制热能力线
图5 美标制热能力线
度点发生时间权重如图６所示，可以看到美标制冷低温区比重明显高于国标，制热同样低温区比重高于国标。

空调制冷运行时在低温区能效高，制热运行时在高温区能效高。

综上所述，同样的空调器，以美标计算出来的变频温度区间范围广，变频区间各温度点ＥＥＲ高于以国标计算出来的值，且制冷低温高能效区比重大，以美标计算出来的制冷季节ＳＥＥＲ始终大于国标计算出来的值；制热计算则由于美标低温区比重大，降低了制热季节能效，不符合此规律。

２实验验证
以一台额定制冷量３　５００　Ｗ的变频空调器作为测试样机，分别进行国标能效测试和美标能效测试，美标制热计算以第Ⅳ气候区为例，进而比较国标能效与美标能效计算方法的结果差异，测试过程中通过调节压缩机频率和电子
膨胀阀开度，以达到测试项目的相应能力／转速要求，实验测试及能效计算结果如表３和表４所示。

表３的测试结果也应证了上文分析的美标计算的ＳＥＥＲ值比国标大这一结果，同一台空调器以美标计算出的ＳＥＥＲ（６．４７７）值高出国标计算出的ＳＥＥＲ（５．２６３）值２３．１　％。

制热情况表现不同，同一台空调器以国标计算出的ＨＳＰＦ（３．７１４）值高出美标计算值（３．４２３）的８．５　％。

主要原因在于美标制热低温区比重远大于国标，美标制热计算里最低温度达到－２２．２　℃（－８　℉），国标下的制热温度区间最低温度为－７　℃，美标０　℃以下温度发生时间占比２２．６　％，国标０℃以下温度发生时间占比９．５　％，制热运行发生在低温环境时，空调器的ＣＯＰ值是非常低的，同时考评电辅热消耗功率，导致最终计算结果ＨＳＰＦ的值低于国标。

标准类型测试项目频率/Hz能力/W功率/W EER SEER 国标
额定制冷量543465.6853.8 4.059
5.263
中间制冷量261768.8318.8 5.548美标
A
2
工况543465.6853.8 4.059
6.477
22.1Btu/
（h•W）B
2
工况543472.9722.1 4.809
E
V
工况302511.5436.4 5.755
B
1
工况201731245.57.051
F
1
工况202035.8173.211.754
标准类型测试项目频率/Hz能力/W功率/W COP HSPF 国标
低温制热量994336.41519.1 2.855
3.714
额定制热量804956.91394.5 3.555
中间制热量382415.4462.5 5.222美标
H1
2
工况603827.5921.4 4.154
3.423
11.68Btu/
（h•W）H3
2
工况602383.3792.6 3.007
H2
V
工况341640.6372.6 4.403
H0
1
工况241283.7207.9 6.175
H1
1
工况241052.9186.3
5.652
图6 各温度点发生时间权重
表3 制冷季节能效计算结果对比
注：美标能效单位为Btu/（h•W），1 W=3.412 Btu/h
表4 制热季节能效计算结果对比
国标对房间空调器节能等级按全年能源消耗效率ＡＰＦ来标定，即季节总制冷量加上季节总制热量除以全年制冷制热运行总耗电量，分为１、２、３三个等级［１０］，相应等级对应最低限制分别
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为４．５０、４．００、３．５０（制冷量４　５００　Ｗ以下空调器），该空调器计算ＡＰＦ值为４．６０，刚好过１级能效门槛。

美标只有最低能效限值和能源之星两个等级划分，虽然也有全年能源消耗效率ＡＰＦ的计算，但并不标定ＡＰＦ，而是分别标定ＳＥＥＲ和ＨＳＰＦ，这种制冷制热分开标定的方式可以为用户在选择空调器时以制冷为主导或者以制热为主导提供更好的指导作用。

美标最低能效限值要求ＳＥＥＲ≥１４、ＨＳＰＦ≥８．２（单位：Ｂｔｕ／（ｈ·Ｗ）），对应能源之星限值要求ＳＥＥＲ≥１５、ＨＳＰＦ≥８．５，从测试结果可以看到该空调器能效等级达到能源之星要求，国标入门１级能效的空调器ＳＥＥＲ和ＨＳＰＦ分别高出美国能源之星要求４７．３　％和３７．４　％。

３结论
本文解析了国标、美标的季节能效测试条件和计算方法差异，比较了两者之间的优缺点，理论分析并实验验证两种标准下季节能效计算结果差异，横向对比两者等级对应关系，得出如下结论：
１）国标与美标季节能效计算流程基本一致，分三步走：①确定建筑负荷线；②确定能力线并计算各能力线与负荷线的交点；③以交点温度分区并用不同方式计算各区域制冷量与耗电量。

２）美标制热设计负荷划分不同气候区、能力线计算采用实测点的方式更符合实际情况，值得学习，而对制冷设计负荷点留有能力余量和以抛物线计算变频区间ＥＥＲ的方式并没有借鉴意义。

３）以美标计算出来的ＳＥＥＲ值高于国标，制热计算不符合此规律，案例机型制冷季节能效ＳＥＥＲ计算中，美标高出国标约２３．１　％，制热季节能效ＨＳＰＦ计算中，国标高出美标约８．５　％。

４）美标能效标称汇总区分ＳＥＥＲ和ＨＳＰＦ，对于用户在空调器的选择上可以引导选择以制冷为主导或者以制热为主导的产品，建议国标可进行参考，毕竟国内南边区气候跨度还是较大的；
５）国标１级能效要求远高于美标能源之星要求，案例机型入门１级能效的ＳＥＥＲ和ＨＳＰＦ分别高出美国能
源之星要求４７．３　％和３７．４　％。

[1] ARI Standard 210/240-2008,Unitary Air-Conditioners and Air-
Source Heat Pump Equipment [s].
[2] GB/T 7725-2004,房间空气调节器[s].
[3]吴晓丽,蔡宁,胡志强. 国内外空调器能耗效率实验及计算方法对比
分析[J].家电科技, 2014,(2):38-40.
[4]赵宁,蔡宁. 变频空调SEER测试与计算方法的国内外标准研究[J].
家用电器, 2008,(Z1):138-149.
[5]包振球. GB/T 7725修订中季节能效比的参数探讨[J].家用电器科
技, 2001,(8):50-53.
[6]齐云,蔡宁.空调器季节能效的评价方法[A].第十届全国电冰箱（柜）、
空调器及压缩机学术交流大会论文集[C]. 2011.
[7]刘怀灿,王文斌.变频空调器SEER影响因素探讨[J].家电科技,
2009,(15):57-58.
[8]胡健,曾伟平,谷波,等.基于多标准的空调系统季节能效比计算分
析[J].流体机械, 2007,(9):77-81.
[9]姜俊明. GB/T 7725-2004《房间空气调节器》国家标准简介[J].家
电科技, 2005,(3):61-63.
[10] GB 21455-2013,转速可控型房间空气调器能效限定值及能源效率
等级[S].
参考文献：
作者简介：
黄允棋（1988.9-），男，暖通工程师，从事空调性能及舒适性研究工作。

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