摘 要

随着社会经济的发展，空调器已经成为最常用的家用电器之一。现在人们的绝大部分时间都是在室内建筑中度过，室内环境的优良直接影响人们的工作效率和身体健康，由于对室内环境的品质和人体舒适度的要求逐渐变高，室内空气的各参数调节控制逐渐变得严格，同时为响应国家节能减排号召，空调器的节能发展也成为了人们十分重视的问题。因此，空调器的舒适性研究和能耗研究具有重要的理论和现实意义。

本文先简单介绍家用空调器的分类、组成及基本原理，以及现阶段国内外的研究发展现状，再以国内外广泛认可的PMV指标作为人体舒适度指标，分析室内空气温度、相对湿度、室内风速等因素对于舒适度评价指标的影响。然后在实验室对窗式空调器进行焓差法测性能实验，通过采集一系列不同环境工况下的实验数据，计算其能效比，分析比较不同环境工况对空调器性能的影响。对实验的硬件、软件系统进行介绍，实验过程及遇到的问题进行分析。最后根据家用空调器的应用特点，结合当今空调器的一些新技术，提出家用空调器的主要节能措施及发展趋势。

关键词：家用空调器；舒适性；空气焓差法；能效比；节能

Abstract

With the development of social economy, air conditioners have become one of the most commonly used household appliances. Nowadays, people spend most of their time in indoor buildings. The excellent indoor environment directly affects people#39;s work efficiency and physical health. As the quality of the indoor environment and the comfort of the human body become higher, the indoor air is different. The parameter adjustment control has gradually become stricter, and in response to the national energy conservation and emission reduction call, the energy-saving development of air conditioners has become a problem that people attach great importance to. Therefore, the research on comfort and energy consumption of air conditioners has important theoretical and practical significance.

This paper first briefly introduces the classification, composition and basic principles of household air conditioners, as well as the current research and development status at home and abroad. The PMV indicators widely recognized at home and abroad are used as human body comfort indicators to analyze indoor air temperature, relative humidity and indoor wind speed. The influence of other factors on the comfort evaluation index. Then, in the laboratory, the window air conditioner is subjected to the enthalpy test performance test. By collecting a series of experimental data under different environmental conditions, the energy efficiency ratio is calculated, and the influence of different environmental conditions on the performance of the air conditioner is analyzed and compared. Introduce the hardware and software system of the experiment, analyze the experimental process and the problems encountered. Finally, according to the application characteristics of household air conditioners, combined with some new technologies of today#39;s air conditioners, the main energy-saving measures and development trends of household air conditioners are proposed.

Key words: resident air conditioner; comfort; air enthalpy difference method; EER; energy conservation

目 录

第1章 绪论 1

1.1论文研究的背景及意义 1

1.2空调器的分类及简介 2

1.3国内外研究现状 2

1.3.1热舒适度发展研究现状 2

1.3.2房间空调器性能的发展研究现状 3

1.4课题主要任务 3

第2章空调器舒适性及指标的理论研究 5

2.1人体热舒适度的评价指标PMV 5

2.2热舒适度指标PMV的影响因素分析 6

2.2.1空气温度影响分析 6

2.2.2相对湿度影响分析 6

2.2.3室内风速影响分析 7

2.3环境参数对人体舒适度的影响 7

2.3.1空气温度对舒适度指标的影响 7

2.3.2相对湿度对舒适度指标的影响 9

2.3.3室内风速对舒适度指标的影响 10

2.4本章小结 11

第3章 窗机空调器的性能测试 12

3.1测试台架的组成 12

3.1.1硬件系统 12

3.1.2软件系统 14

3.2焓差法测试空调器性能的原理及方法 16

3.2.1焓差法测空调器性能实验原理 16

3.2.2焓差法空调器性能实验方法 18

3.3实验准备及过程遇到的问题分析 19

第4章EER的计算及分析 21

4.1房间空调器能效的基本理论 21

4.2主要参数的测量 22

4.3制冷工况EER计算分析 24

4.4制热工况EER的计算分析 28

第5章 家用空调器的节能和发展 30

5.1窗式空调器与分体式空调器的对比评价 30

5.2家用空调器的节能措施 30

5.3家用空调器的发展趋势 32

第6章 总结 34

参考文献 35

致 谢 37

第1章 绪论

1.1论文研究的背景及意义

家用空调器是当今社会使用最为广泛的小型空调设备之一，也是发展最快的制冷和热泵产品^[1]。随着经济的快速发展，人们生活水平的逐渐提高，空调已经成为生活中必不可少的一款家用电器。其作用是对室内空气参数（温度、湿度、洁净度、风速等）进行调节，从而满足使用者对舒适性的追求，当今社会人们绝大多数时间是在室内环境中度过的，室内环境的优良不仅保证人们的工作效率，更是对人身体健康的一种保障，人们对室内环境品质和人体舒适度的要求也愈发变得严格。传统空调器以温度为控制对象，忽略了相对湿度、室内风速、空气洁净度等室内环境对人体舒适度的影响，导致实际需求与控制目标不一致，从而达不到对人体舒适度的控制，很大程度上无法满足人们的舒适性要求。据2016年数据统计，在全国居民中每100户居民的空调占有量为90.9户，与2015年同比增长11.5%，农村的空调消费正在逐步发展^[2]。由于国家城镇化战略的推进，家用空调在农村拥有巨大的市场空间，综上所述，空调已经成为百姓日常都能使用的普通消费品和生活必需品，因此，空调舒适性的研究具有更重大的意义。

空调器的快速发展和推广普及以及市场的不断扩大，给人们生活带来了相对舒适和崭新体验的同时，也引发了一系列的问题。能源消耗是一个永远无法回避的问题，能源是国家发展的基础，国民的经济命脉，也是社会可持续发展的关键制约因素，我国现在是世界上经济发展最快的国家之一，也是能源消耗大国，能源消耗位居世界第二，仅次于美国。“十二五”规划纲要中指出“为了体现我国可持续发展的观点，深化我国友好型环境建设方略，必须要切入节约型方针，并确保可以尽快转变我国固有的经济发展战略点，凸显我国经济命脉逐步转移的理念。”“十三五”规划纲要中也指出，“在未来数年时间内，可以将经济型社会往资源节约型社会转移，从根本上改革我国的生活模式，深入到多个层面去，全面落实绿色生态，可持续科学型社会的目标”。在家电领域，家用空调器的能耗占比较大，能耗占社会总能耗的15%左右，在夏季部分地区或城市甚至达到了40%。目前，我国的空调器生产已经跃居世界第一位，约占世界总产量的70%。由于温室气体的无节制排放，全球气候变暖现象日渐严重，促进了空调行业的发展。而空调的广泛使用，又进一步导致室外温度的升高，形成恶性循环，为了延缓这一进程，在目前的技术条件下，提高空调器的能效是最有效的办法。

1.2空调器的分类及简介

空调器是将处理空气供应到空间区域（通常是封闭的）的单元。其功能主要是调节室内（或封闭空间、区域）空气的温度、湿度、清洁度和空气流量，以满足人体舒适性的要求。空调的分类方法有很多种，根据结构分为两种：整体型和分体型^[3]。整体型有窗式和穿墙式，分体型分为两部分：室内机和室外机。室内机有吊顶式、壁挂式、落地式、嵌入式、台式等。根据功能，分为冷风式、热泵式、冷风除湿式、冷风热泵除湿式、热泵辅助电加热式等，根据冷却方式分为水冷式和空冷式，家用空调通常是采用空气冷却。

1.3国内外研究现状

房间空调器作为调整室内空气参数的设备，在中国已有近40年的发展历史。发展分三个阶段进行：在20世纪60年代和70年代，空调被用作一种室内空气参数调节器以进行普及的设计和开发阶段，在20世纪80年代，由于能源危机，节能型空调的开始发展，进入20世纪90年代后，空调在中国开始迅速发展，在这个阶段，节能、环保和舒适已成为现阶段的新研究课题。自诞生以来，对节能和舒适性的研究就从未停止过。

1.3.1热舒适度发展研究现状

热舒适性是对所处热环境满意度的主观评估（ISO 7730）。它分为三个主要方面：物理、生理和心理方面。①物理方面：根据人体活动产生的热量与人体在外部环境影响下的热量损失之间的热平衡，分析了环境对人体舒适性的影响和满足人体舒适度的条件。 ②生理方面：研究人体对冷热负荷的生理反应，如皮肤温度、湿度，出汗强度，血压，体温等，并利用生理反应来确定环境舒适度。 ③心理方面：分析人们在热环境中的主观情绪，并使用心理学方法来区分环境的温暖和舒适。由于影响人体热舒适性的因素和条件非常复杂，自20世纪20年代以来，已经进行了大量关于各种因素的相互作用以及热舒适性和热等级的实验研究。目前，全球空调行业基于由ASHRAE（美国空气制冷设备制冷设备协会）和ISO（国际组织）开发的ASHRAE 55热舒适标准提供的ISO7730人体热量（以提供舒适度）为标准^[4]。Yaglou等人于1923年，详细研究了室内温度，相对湿度以及室内风速对人体舒适度的影响，提出了对热舒适性有较深远影响的有效温度ET，热舒适性的研究得到了加快。基于美国暖通协会舒适指数的发展，POFanger教授进行了一系列实验和问卷调查，并利用生物和物理研究的结果提出了人体舒适指数PMV（Predicted Mean volt），推导出了不满意度PPD，并且许多后续实验表明，标准PMV-PPD指数的准确性为舒适性研究提供了坚实的理论基础^[5]。国内在热舒适领域的研究起步较晚，随着研究技术的逐步发展，从事舒适空调领域研究的研究人员数量逐渐增加。 1994年，清华大学张良杰基于神经网络算法和模糊控制技术，开发出PMV热舒适指数为零作为控制目标的智能空调控制器“朗逸”，效果良好。夏一斋等人，考虑到家庭通风，楼层高度和方向，研究了北京夏季自然通风条件下的室内舒适度情况。王怡提出辐射采暖可以避免房间内空气流动引起的人体不适，不仅可以提高热量的使用，降低能耗，还可以提供稳定舒适的环境。唐鸣放等人研究了重庆夏季气候的室内舒适度，并建议夏季可采用周期性控制方法，以达到更好的舒适度。因此，采用热舒适来控制空调系统不仅提供了房间的舒适性，而且还降低了能源消耗。

1.3.2房间空调器性能的发展研究现状

国内外空调性能的研究和开发主要集中在以下几个方面：

（1）使用高效元部件，使用高效压缩机。旋转式压缩机比其他压缩机节省10％以上的功率，而旋涡式压缩机比往复式压缩机节省20％以上的功率。通过优化材料可以减小压缩机转子的体积和重量，并且可以以较小的电功率运转，无传感器的无刷直流压缩机的位置检测和极性变化可以通过高速，高精度的数字控制来执行，与交流压缩机相比，大大提高了直流变频的工作效率，提高了效率。

（2）提高换热器的性能。从传热的角度来看，换热器的性能主要体现在三个方面：制冷剂在管内的冷凝，蒸发过程的强化，热交换器管道的分布，热交换器的总体结构和温度均匀的分布^[6]。可以采取下列步骤：①研究内部传热主要集中因素，影响程度，如该管的槽的深度内螺纹，螺纹槽的数量，螺旋角等。②改善外部传热的研究主要涉及翅片结构形式，翅片间距和其他因素，波纹开槽翅片的传热性能明显优于普通扁平翅片。③增加室内和室外热交换器的面积。从日本制造商的情况来看，为实现高性能，日本在2000年空调产品的设计中放弃了小型化的要求并开始大型化发展。例如，当使用三级蒸发器时，热交换面积可增加1/3。④调节热交换器中分流的流量均衡是提高热交换器效率的有效方法。⑤风量的大小对空调器节能也具有重大意义。室外机设计采用风扇叶片直径大，以增加空气流通的速度，它可以显著提高热交换的效率。然而，对于固定结构系统，空气体积的增加具有最佳值。如果超过这个值能效比则不会有显着增加。部分能耗组件可以优化。

1.4课题主要任务

以实验室现有的实验测试台架为基础，根据预先设定的环境条件，首先完成特定房间空调器（窗机）的性能测试，得到比较准确的实验数据，再对所测空调器的能效比进行分析。以空调房间的舒适性和节能为主要目标，对房间空调器的舒适性进行理论研究分析，对相关参数（如温度、湿度、风速等）的控制范围进行分析评价，判断各相关参数的影响效应和相互作用关系。最后根据房间空调器的实际应用特点，结合当下的一些新技术，说明其节能的主要方法及效果，并对其发展作出展望。

第2章 空调器舒适性及指标的理论研究

2.1人体热舒适度的评价指标PMV

人体的热舒适指标是指人对周围环境主观意愿的描述。人体热舒适指数客观地表达了人体对各种环境参数的主观感受。国内学者对热舒适性和环境因素进行研究，研究对象包实际物理环境参数，室内环境质量和正常条件下的人体热舒适度。通过对不同空气温度、空气相对湿度和不同室内空气流量的研究，人体的热舒适性随着各种环境因素的变化而变化，探讨了各种室内环境因素对人体热舒适性的重要性，为后续的人体舒适研究奠定了一定的基础。本文采用了使用广泛的人体热舒适指标PMV，也是ISO7730标准推荐的，它考虑了空气温度、空气相对湿度、室内风速和室内平均辐射温度，人体新陈代谢率和衣物对人体的耐热性对热舒适性的影响，研究结果与实际应用相吻合，因此得到了广泛的应用和推广。影响人体室内环境舒适度的四个主要因素是：室内空气温度、相对湿度、室内风速和室内平均辐射温度，另外两个非环境因素是人体的新陈代谢率和衣物的热阻。

基于人们对空调舒适度控制评价的迫切需求，丹麦Fanger教授通过大量实验和问卷调查得到了人体热感与人体热负荷关系的回归公式^[21]：

（2.1）

其中人体热负荷TL的定义为人体产热量与人体向外界散出的热量之间的差值。

人体热平衡方程式：

（2.2）

M—人体能量代谢率，决定于人体的活动量大小，W/m²；

W—人体所做的机械功，W/m²；

C—人体外表面向周围环境通过对流形式散发的热量，W/m²；

R—人体外表面向周围通过辐射形式散发的热量，W/m²；

E—汗液蒸发和呼出的水蒸气所带走的热量，W/m²；

S—人体蓄热率，W/m²。

自PMV热舒适模型提出以来，已经进行了大量的实验研究，有些实验结果和PMV热舒适模型预测的结果吻合较好，有些则偏差较大，但是作为迄今为止最全面的评价热环境的指标，仍然大量用于建筑等舒适性方面的评估^[8]。

表2.1 PMV级别表