徐振坤1 李金波1 赵福云2 石文星3 李雷涛1 张杰1
1. 广东美的制冷设备有限公司
2. 武汉大学动力与机械学院
3. 清华大学建筑技术科学系
摘要
Abstract
通过对746个住宅建筑楼盘的问卷调研及110个住宅楼盘的现场勘查，探明了当前空调器室外机的主要安装形式为百叶窗凹槽，并调研其特征尺寸，依据调研结果还原其使用场景，在焓差实验室内对一台1HP房间空调器采用GB/T 7725-2004的制冷性能实验方法进行了大量的对比测试。结果表明，常用百叶窗凹槽将导致空调器制冷能效比EER衰减36%，影响其性能的通风尺寸依次为前、左、上、后、右的间距，同时，百叶窗的格栅间距、倾斜方向与角度大小也是影响空调器性能的重要因素，且格栅间距存在有最优值；在此基础上，分析给出了1HP空调器制冷能效比衰减小于4%的凹槽空间最小通风尺寸推荐值。
关键词
Keywords
房间空调器；能效比；室外机安装平台；凹槽；百叶窗
DOI:10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2021.06.006
1 研究背景
建筑能耗作为我国主要的能耗之一[1]，一直受到国家的高度重视，大力发展建筑节能与绿色建筑，建立了一系列建筑节能设计与评价标准[2-6]，因其要求的空调设备节能评价指标的主要是额定或名义能效比，故推动了其能效标准不断提升[7-9]，然而标准中缺乏对实际使用效果的要求，对建筑预留给空调设备的安装空间并未得到重视，仅定性地提到要强化通风[10-13]，外加对城市美观性要求，导致空气源热泵室外机被遮挡、安装不便与性能衰减严重的问题凸显。另一方面，空调器作为住宅建筑的主要供暖空调设备[14]，已成为住户耗能的主要来源[15]。随着城镇化提速与人民生活品质提升[16]，空调能耗还会继续增加。因此，对空调器室外机安装平台的标准建立与完善，引起了国家的高度重视[17]。
徐振坤等[18]通过大数据分析方法，对长江流域地区10万台空调器的实际使用工况进行了统计剖析，发现空调器室外机工作环境温度大幅超出气象温度范围。大量仿真研究[19-33]表明，高层凹槽安装环境与百叶窗格栅将导致室外机排风回流，制冷时回风温度升高，其中上层影响比下层更大，百叶格栅密比疏影响大，百叶倾斜角度大比角度小影响更大。单磊[34]等通过实测分析室外机出风遮挡距离对空调器性能的影响，提出了回风与出风遮挡物的距空调器本体的间距应在300mm以上的建议；金梧凤[35]等测试了室外机安装间距及排风格栅对空调器性能的影响，得到室外机和墙体间距大于80mm、排风扇距百叶格栅300mm时最佳，百叶格栅角度为30°时空调散热效果最好；张春枝[36]等通过实验测试与仿真分析，给出了带百叶窗凹槽安装平台中的室外机左侧与后侧距离宜不小于200mm，前侧距离宜不小于100mm，凹槽进深宜在800mm以上的建议。
在上述研究基础上，于洋等人总结了室外机安装平台的特征参数，并通过模拟和现场试验，分析指出，建筑中空调器的性能衰减除了受其他室外机排风的影响外，最为重要的是室外机安装平台导致的室外机风量衰减和排风回流[37]，进而提出了更能反映实际安装条件的空调器性能修正模型，定量分析安装平台对空调器性能的影响程度[38]。
因现场实测空调器性能极为困难，故模拟仿真是现有研究的主要方法，而对性能影响的实验研究开展很少。而且，在现有研究中存在有凹槽形式与尺寸的代表性如何、凹槽特征尺寸对空调器性能定量影响的顺序及趋势不清、现有安装状态对空调器性能的影响大小以及百叶窗格栅角度与间距之间的关系不明确等问题，故需在实验室内还原实际使用场景，对此前的研究进行补充实验，以探明相关问题，为室外机安装平台的设计提供数据支撑。
2 现状调研
采用网络问卷调研确定安装形式分布与现场勘察确定尺寸分布相结合的方法，获取了不同地区空调器室外机的实际安装情况和室外机平台结构尺寸，为在实验室还原现场的性能测试提供安装平台模型的结构参数。
2.1 问卷调研
图1示出了2000年以来对746个商品房楼盘的调研问卷的分布情况，可以看出华北、华东、华南、华中、西南的楼盘样本数分布基本均衡。
图1 问卷调研有效样本楼盘数的分布
问卷结果显示，目前空调器室外机主要有表1所示的4大类共6种安装方式。图2所示的安装形式分布显示，空调器安装在建筑凹槽内的占比为69.6%，其中带百叶窗格栅的占比约62.9%，说明这是目前我国商品房空调室外机的主要安装方式，这与文献[37]采用实地考察、网络实景地图统计以及图纸调研的结果具有很好的一致性。
表1 空调室外机的安装形式
图2 问卷调研不同安装形式的占比情况
2.2 现场勘察
2.2.1 现场勘察总体情况
通过现场勘察、实测获得了安装平台的特征尺寸，其勘察样本分布如图3所示，共计110个楼盘，其中华北、华东、华南、华中、西南各占24%、22%、16%、19%、19%，相对均衡分布在各区域内的一、二线城市。
图3 现场勘察的楼盘分布情况
从图4所示的勘察结果可以看出，室外机主要有单台独立设置、两台上下或左右布置方式，其中客厅 卧室（上下布置）的组合方式最为常见，在上下布置方式中，大部分中间采用搁板分隔，每台室外机有一个相对独立的安装凹槽空间。
图4 现场勘察的安装机位布置形式
图5是现场勘察中记录的建筑凹槽有无百叶格栅遮挡的占比（含格栅拆除情况），可以发现，无百叶格栅的占比仅为18%，有百叶格栅的占比82%，可见，带格栅凹槽是目前室外机安装的主要平台形式。
图5 建筑凹槽中是否采用百叶窗格栅的占比
2.2.2 现场勘察特征尺寸
结合现场勘察结果，可以绘制出主要安装方式即建筑凹槽的特征尺寸，室外机的左右两端及后端均被墙体包围，与中间搁板围出一个安装室外机的凹槽空间，其与室外机本体的间距分别为L1～L5（如图6所示），室外机前方分别考虑有、无格栅遮挡两种情况，有格栅时室外机前端至格栅的距离为L4，格栅为典型的旋转百叶窗结构，格栅宽度和间距分别为δ和h，百叶与水平方向的夹角为α（百叶向下为负值）。
图6 建筑凹槽室外机安装平台的特征尺寸
依据现场实测结果进行统计，获得了图7、图8所示的建筑凹槽及其百叶窗格栅的结构尺寸分布。
图7 现场实测建筑凹槽的结构尺寸分布
图8 百叶窗格栅的结构尺寸分布
从图7a）～c）可以看出，凹槽宽度主要分布在700～1300mm之间，平均值为1000mm；深度在300～600mm之间，平均值为480mm；高度在600～2200mm之间，平均值为1430mm。
由于高度方向受安装形式的影响较大，将上下安装的主要形式与其他安装形式分别统计，如图7d）所示，可见，上下布置的形式凹槽高度主要分布在700～1200mm，均值为1050mm；单台及左右安装形式的高度分布在900～2700mm，均值为2000mm。
凹槽百叶窗格栅的结构尺寸如图8所示，可以看出，格栅的水平厚度主要分布在25～55mm，平均值40mm，间距为20～100mm，平均值60mm，倾角在0～75°，平均值为45°；由于格栅角度的方向不同其遮蔽效果不同，将百叶格栅的倾斜角度按向下、水平、向上三种形式分别统计，从图8d）可以看出，格栅以向下倾斜为主。
3 实验研究
3.1 实验台搭建
基于调研和现场实测结果，采用保温板贴锡箔纸（采用双面铝箔酚醛保温板，导热系数约为0.023W/(m•K)，B1级防火，同时可排除其他热源及风场影响）模拟外墙保温，搭建了三种室外机模拟安装平台，如图9所示。其中，当前典型凹槽的内净尺寸宽×深×高=1000mm×500mm×700mm，百叶窗格栅参数为宽度δ=40mm，倾角α=-45°（向下），间距h=60mm。
图9 室外机模拟安装平台示意图
将室外机放置在此模拟安装平台内，并按照空调器产品标准GB/T 7725-2004[39]的空气焓值法对空调器进行性能测试，以还原现场运行性能。焓差实验室采用标定样机进行精度校核，其偏差在±1.0%以内，且最大值与最小值的偏差在±2.0%以内。
3.2 实验样机
选择1HP定速空调器作为实验样机，其电源为220V/50Hz，额定性能参数、风量和外形尺寸如表2所示。
表2 被测样机的相关参数
3.3 测试工况
在图9所示的无任何遮挡状态、凹槽无百叶格栅、凹槽带百叶格栅三种安装状态下，分别改变安装平台的特征尺寸，按照GB/T 7725-2004规定的额定制冷、低温制冷、高温制冷、额定制热、低温制热、超低温制热测试工况条件，对制冷量、制热量、功率、制冷能效比EER和制热性能系数COP进行对比测试，以分析不同安装条件和特征尺寸对空调器性能的影响。
4 实验结果
4.1 当前安装环境的实际运行性能
将表2所示空调器被测样机的室外机分别安装在图9所示的安装平台内进行性能测试，采用当前典型凹槽及格栅尺寸，以考察当前使用状态下空调器的实际运行性能。如图10给出了其实验结果。
图10 现有安装环境下空调器性能测试结果
（1）在制冷模式的不同工况下，相比无遮挡裸露安装，凹槽安装会降低空调器的制冷量与EER。当凹槽无格栅遮挡时，空调器性能衰减在4%以内，而有格栅遮挡时的性能衰减明显，制冷量衰减达18%～24%，EER衰减为33%～40%。
（2）在制热模式的不同工况下，相比于无遮挡裸露安装，凹槽安装也会导致制热量和COP衰减，当无格栅遮挡时，性能衰减在4%以内，而有格栅遮挡时，制热量衰减10%～14%，COP衰减3.5%～7.5%。可见，相同安装条件导致COP的衰减程度比EER小，主要有两方面原因：一方面，制热时的取热量小于制冷时的排热量；另一方面，能力衰减的同时也降低了功耗。
为响应节能减排战略，我国空调行业积极修订标准，淘汰高能耗产品，表3显示，2004—2010年空调器的能效限定值提升了23%～25%，节能评价值提高6%，2019年定频、变频房间空调器的标准合并，同时考察制冷与制热的综合性能，已采用APF进行评价，这对定速机提出了更高的要求，节能评价值提高16%～32%，而目前普遍采用的凹槽带格栅室外机安装环境就导致空调器的EER衰减36%，可以看出，仅采用提高产品能效指标还不能达到节能减排战略的要求，更要规范建筑室外机安装平台的设计，以体现提升产品能效的节能减排初衷。
表3 房间空调器能效限定值及节能评价值变迁
4.2 室外机周边通风间距的影响
从上述分析可知，安装条件特别是带百叶窗格栅建筑凹槽对空调器制冷性能的影响更为显著，下面对空调器制冷性能做进一步的实验研究。
为获得图6所示室外机凹槽特征尺寸对性能的定量影响及规律，进行单变量变化的正交试验（实验条件如表4所示），以分析室外机安装平台特征尺寸对空调器制冷性能的影响程度和变化趋势。
表4 安装平台特征尺寸变化的实验条件
图11是被测样机在不同工况下、特征尺寸单独变化时的性能对比实验结果。从图中可以清晰看出，前端间距L4与性能负相关，随着间距的增大，制冷量与EER降低，且随着室外温度的升高而变得更恶劣，而其他面的间距增加可以适当的改善空调器的性能。按对空调器性影响的大小进行排序依次为前端面间距L4、左端面间距L1、上端面间距L5、后端面间距L2、右端面间距L3。但在小间距时（100mm以内）左端面间距L1的影响要大于前端面间距L4的影响，主要受单面进风与换热器的L型布置所致。
图11 室外机周边间距对空调器性能的影响
4.3 格栅角度和间距尺寸的影响
为获得凹槽格栅特征尺寸对空调器性能的影响规律，在固定L1～L5的条件下，进行了变格栅角度α与间距h时的性能测试，其实验条件如表5所示。其中百叶格栅参数厚度δ根据角度变化自动调整。
表5 百叶窗特征尺寸变化的实验条件
4.3.1 格栅倾角α的影响
图12显示，当室外机周边间距与格栅间距相同时，在不同制冷工况下，格栅倾角α变化（-60°～60°）对空调器性能的影响趋势。
图12 格栅倾角α对空调器性能的影响
（1）百叶格栅倾角α对性能的影响随α增大而变大，当百叶格栅水平布置时，即当α=0°时性能最佳；当α为15°、30°、45°、60°时，相比α=0°时的EER分别衰减约5%、12%、28%、36%；而α为-15°、-30°、-45°、-60°时，EER分别衰减约1%、8%、18%、27%。可见α越大，性能衰减越严重。
（2）当格栅倾角相同时，向上倾斜（正角度）比向下倾斜（负角度）对制冷性能的影响更大，排风短路更严重、室外机进风温度更高。从进风温度高低可以看到，格栅向上倾斜更容易导致室外机的排热回流，如果必须设置格栅，则应向下倾斜。
4.3.2 格栅间距h的影响
图13给出了采用百叶窗凹槽安装时，格栅间距h和倾角α对空调器性能的联合影响结果。
图13 格栅倾角α和间距h对制冷量的影响
（1）从图13a）可以看出，百叶窗格栅向上倾斜时，随着百叶格栅间距的增大制冷量逐渐提高，达到最佳格栅间距值后，再继续增大间距会导致制冷量降低，当α≥30°时，格栅的最佳间距为150mm，α＜30°时性能最佳间距为120mm。
（2）图13b）显示，格栅向下倾斜时，要比百叶格栅向上倾斜时更为复杂，其中，在小倾角时α＞-30°时，制冷量变化趋势几乎与向上倾斜规律一致，随间距的增大制冷量逐渐改善，达到最佳间距后继续增加制冷量反而会降低；而在倾角α≤-30°的大倾角时，小间距h=30mm时性能衰减较小，随着格栅间距的增大性能衰减变大（图中h=30mm增大到h=60mm），到达最低值后制冷量的衰减减小，到达最大值后间距进一步增大时，制冷量反而减小。
由此可见，百叶格栅间距存在最佳值，且与格栅倾斜方向与角度大小有关，-15°≤α＜30°时的最佳间距是120mm，-60°≤α＜-15°或α≥30°时的最佳间距为150mm。
5 改善建议
基于前文分析，从性能发挥与节能角度考虑，空调器室外机推荐采用进、出风无任何遮挡的敞开方式安装。结合空间最小化的实际建筑利用与造价需求，有时需将室外机进行隐蔽性安装，若采用凹槽安装宜不带格栅，若考虑美观需要带有百叶窗格栅，则需对格栅的尺寸进行限定，其平台特征尺寸的推荐值如表6所示。
将表6的推荐平台（图14中“改善无格栅”和“改善有格栅”）和现状平台、无遮挡时进行对比实验，其结果如图14所示。
表6 1HP空调器的室外机平台特征尺寸推荐值
图14 室外机平台改善前后的性能对比
图14a）与b）显示，对于1HP机型室外机的各周边通风间距采用推荐值后，空调器在不同制冷工况下的制冷量与EER均有明显改善，其中不带百叶格栅的凹槽安装方式非常接近无任何遮挡的裸露安装方式。从图14c）和d）中可以看出，采用推荐尺寸后，带百叶格栅时制冷量比无遮挡时衰减4%～5.3%，EER衰减5%～5.5%，相比调研安装现状，其制冷量改善了14%～18.7%，EER改善了28%～34.5%；当建筑凹槽无百叶格栅时，空调器的制冷量衰减不超过3.8%，EER衰减小于2.3%，更接近铭牌值规定的实验室无遮挡的测试结果。
因此，为了保证空调器的性能能够充分发挥，必须在室外机安装平台设计时根据空调器的容量大小，预留适宜的安装空间。此外，为消除安装平台的影响，空调器厂家还需在室外机小型化与风机抗静压方面进一步开展工作，以推动空调器实际应用性能的提升。
6 结论
本文从调研入手，探明我国当前商品房主要的室外机安装平台的结构形式及其特征尺寸现状，通过平台结构、尺寸的还原在焓差实验室内进行测试，获得了空调器的制冷与制热实际运行性能的衰减程度；进而通过实验测试，详细对比、定量分析了室外机周边通风间距、百叶窗格栅角度与间距对空调器性能的影响规律，给出了下限通风间距及百叶格栅的推荐尺寸。其主要结论如下：
（1）目前商品房中的空调器室外机主要采用凹槽安装方式，其占比达69.6%，此安装方式及其百叶窗格栅将导致空调器的制冷量和制冷EER分别衰减约20%和36%，制热量和制热COP分别衰减约12%和5%。
（2）采用带百叶窗格栅的凹槽安装方式时，空调器的性能与前端面间距负相关，与其他四个端面正相关；按照室外机周边通风间距对空调器性影响程度的绝对值进行排序依次为：前间距、左间距、上间距、后间距、右间距，其中主要的影响间距为前间距、左间距和上间距。
（3）当采用凹槽安装方式时，在安装空间允许的情况下，应尽量保障室外机与周边墙体的通风间距，且不宜设置百叶窗格栅；若设置百叶格栅，其格栅宽度宜小于40mm，间距不宜小于90mm，倾角应在±30°内，且宜朝下设置。
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（责任编辑：张晏榕）
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