В Соединенных Штатах эффективность кондиционеров часто оценивается по сезонному коэффициенту энергоэффективности (SEER) , который определяется Институтом кондиционирования воздуха, отопления и охлаждения , торговой ассоциацией, в ее стандарте AHRI 210/240 2008 года « Рейтинг производительности унитарных систем кондиционирования воздуха и воздушного теплового насоса» . [1] Похожий стандарт — европейский сезонный коэффициент энергоэффективности (ESEER).
Рейтинг SEER блока — это холодопроизводительность в течение типичного сезона охлаждения, деленная на общее потребление электроэнергии за тот же период. Чем выше рейтинг SEER блока, тем он более энергоэффективен. В США SEER — это отношение холодопроизводительности в британских тепловых единицах (БТЕ) к потребляемой энергии в ватт-часах.
Например, рассмотрим кондиционер мощностью 5000 БТЕ/ч (холодопроизводительность 1465 Вт) с SEER 10 БТЕ/(Вт·ч), работающий в общей сложности 1000 часов в течение годового сезона охлаждения (например, 8 часов в день в течение 125 дней).
Годовая общая мощность охлаждения составит:
При SEER 10 БТЕ/(Вт·ч) годовое потребление электроэнергии составит около:
Среднее потребление энергии можно рассчитать проще:
Если стоимость вашей электроэнергии составляет 0,20 долл. США/(кВт·ч), то ваши затраты за час работы составят:
Коэффициент энергоэффективности (EER) конкретного охлаждающего устройства — это отношение выходной энергии охлаждения (в БТЕ) к входной электрической энергии (в ватт-часах) в заданной рабочей точке. EER обычно рассчитывается с использованием наружной температуры 95 °F (35 °C) и внутренней температуры (фактически возвратного воздуха) 80 °F (27 °C) и относительной влажности 50%.
EER связан с коэффициентом производительности ( COP ), обычно используемым в термодинамике , с основным отличием в том, что COP охлаждающего устройства не имеет единиц измерения, поскольку числитель и знаменатель выражены в одних и тех же единицах. EER использует смешанные единицы, поэтому он не имеет непосредственного физического смысла и получается путем умножения COP на коэффициент перевода из БТЕ в ватт-часы: EER = 3,41214 × COP (см. Британская тепловая единица ).
Коэффициент сезонной энергоэффективности (SEER) также является COP (или EER), выраженным в BTU/ватт-час, но вместо того, чтобы оцениваться в одном рабочем состоянии, он представляет собой ожидаемую общую производительность для типичной годовой погоды в данном месте. Таким образом, SEER рассчитывается при той же температуре в помещении, но в диапазоне наружных температур от 65 °F (18 °C) до 104 °F (40 °C), с определенным указанным процентом времени в каждом из 8 интервалов, охватывающих 5 °F (2,8 °C). В этом рейтинге нет допусков для различных климатических условий, который призван дать представление о том, как на EER влияет диапазон наружных температур в течение сезона охлаждения.
Типичный EER для жилых центральных охлаждающих устройств = 0,875 × SEER. SEER — это более высокое значение, чем EER для того же оборудования. [1]
Более подробный метод преобразования SEER в EER использует следующую формулу:
SEER, равный 13, приблизительно эквивалентен EER, равному 11, а COP — 3,2, что означает, что на единицу энергии, используемой для работы кондиционера, из помещения удаляется 3,2 единицы тепла.
SEER и EER кондиционера ограничены законами термодинамики . Процесс охлаждения с максимально возможной эффективностью — цикл Карно . COP кондиционера, использующего цикл Карно, равен:
где — температура в помещении, а — температура наружного воздуха. Обе температуры должны измеряться с использованием термодинамической шкалы температур, основанной на абсолютном нуле, например, Кельвина или Ренкина . EER рассчитывается путем умножения COP на 3,412 БТЕ/Вт⋅ч, как описано выше:
Если предположить, что температура наружного воздуха составляет 95 °F (35 °C), а температура в помещении — 80 °F (27 °C), то приведенное выше уравнение дает (при переводе температур в шкалу Кельвина или Ренкина) COP, равный 36, или EER, равный 120. Это примерно в 10 раз эффективнее, чем у типичного домашнего кондиционера, доступного сегодня.
Максимальный EER уменьшается по мере увеличения разницы между внутренней и внешней температурой воздуха, и наоборот. В пустынном климате, где температура наружного воздуха составляет 120 °F (49 °C), максимальный COP падает до 13, или EER составляет 46 (для температуры внутри помещения 80 °F (27 °C)).
Максимальный SEER можно рассчитать путем усреднения максимального EER по диапазону ожидаемых температур за сезон.
Рейтинг SEER отражает общую эффективность системы на сезонной основе, а EER отражает энергоэффективность системы при одном конкретном рабочем состоянии. Оба рейтинга полезны при выборе продуктов, но для сравнения необходимо использовать один и тот же рейтинг.
Значительная экономия энергии может быть получена от более эффективных систем. Например, при обновлении с SEER 9 до SEER 13 потребление энергии снижается на 30% (равно 1 − 9/13).
При наличии существующих блоков, которые все еще функциональны и хорошо обслуживаются, если учесть временную стоимость денег , сохранение существующих блоков вместо их активной замены может быть наиболее экономически эффективным. Однако эффективность кондиционеров может значительно снизиться с течением времени. [3]
Но при замене оборудования или указании новых установок доступны различные SEER. Для большинства применений минимальные или близкие к минимальным блоки SEER наиболее экономически эффективны, но чем длиннее сезоны охлаждения, тем выше расходы на электроэнергию и чем дольше покупатели будут владеть системами, тем более оправданы постепенно более высокие блоки SEER. Сейчас доступны бытовые сплит-системы кондиционеров с SEER 20 и более. Блоки с более высоким SEER обычно имеют более крупные катушки и несколько компрессоров, а некоторые также имеют переменный поток хладагента и переменный поток подаваемого воздуха.
В 1987 году был принят закон, вступивший в силу в 1992 году, требующий минимального рейтинга SEER 10. [4] В Соединенных Штатах редко можно увидеть системы с рейтингом ниже SEER 9, поскольку устаревшие существующие блоки заменяются новыми, более эффективными.
Начиная с января 2006 года требовался минимальный SEER 13. [5] В США требуется, чтобы бытовые системы, произведенные после 2005 года, имели минимальный рейтинг SEER 13. Центральные кондиционеры, имеющие сертификат ENERGY STAR, должны иметь SEER не менее 14,5. Оконные блоки освобождены от этого закона, поэтому их SEER по-прежнему составляет около 10.
В 2011 году Министерство энергетики США (DOE) пересмотрело правила энергосбережения, чтобы ввести повышенные минимальные стандарты и региональные стандарты для жилых систем HVAC. [6] Региональный подход признает различия в оптимизации затрат, возникающие из-за региональных климатических различий. Например, нет большой выгоды от установки кондиционера с очень высоким SEER в штате Мэн на северо-востоке США.
Начиная с 1 января 2015 года, центральные кондиционеры сплит-системы, установленные в Юго-Восточном регионе Соединенных Штатов Америки, должны иметь показатель SEER не менее 14. Юго-Восточный регион включает Алабаму, Арканзас, Делавэр, Флориду, Джорджию, Гавайи, Кентукки, Луизиану, Мэриленд, Миссисипи, Северную Каролину, Оклахому, Южную Каролину, Теннесси, Техас и Вирджинию. Аналогично, центральные кондиционеры сплит-системы, установленные в Юго-Западном регионе, должны иметь показатель SEER не менее 14 и EER не менее 12,2, начиная с 1 января 2015 года. Юго-Западный регион состоит из Аризоны, Калифорнии, Невады и Нью-Мексико. Центральные кондиционеры сплит-системы, установленные во всех других штатах за пределами Юго-Восточного и Юго-Западного регионов, должны продолжать иметь показатель SEER не менее 13, что является текущим национальным требованием. [6]
За последние 10 лет произошло много новых достижений в области эффективных технологий, которые позволили производителям значительно повысить свои рейтинги SEER, чтобы оставаться выше требуемых минимумов, установленных Министерством энергетики США. [ необходима цитата ]
Начиная с 1 января 2023 года, охлаждающие продукты будут подчиняться региональным минимальным показателям эффективности в соответствии с сезонным коэффициентом энергоэффективности 2 (SEER2) . Новая процедура тестирования M1 [7] разработана для лучшего отражения текущих полевых условий. DOE увеличивает внешнее статическое давление систем с текущего SEER (0,1 дюйма воды) до SEER2 (0,5 дюйма воды). Эти условия давления были разработаны для рассмотрения канальных систем, которые будут видны в полевых условиях. С этим изменением будет использоваться новая номенклатура для обозначения рейтингов M1 (включая EER2 и HSPF2). [8]
Электроэнергия обычно измеряется в киловаттах (кВт). Электроэнергия обычно измеряется в киловатт-часах (кВт·ч). Например, если электрическая нагрузка, потребляющая 1,5 кВт электроэнергии, работает в течение 8 часов, она потребляет 12 кВт·ч электроэнергии. В Соединенных Штатах с бытового потребителя электроэнергии взимается плата на основе количества использованной электроэнергии. В счете потребителя электроснабжающая организация указывает количество электроэнергии в киловатт-часах (кВт·ч), которое потребитель использовал с момента последнего счета, и стоимость энергии за киловатт-час (кВт·ч).
Размеры кондиционеров часто указываются в «тоннах» охлаждения , где 1 тонна охлаждения равна 12 000 БТЕ/ч (3,5 кВт). 1 тонна охлаждения равна количеству энергии, которое необходимо непрерывно подавать в течение 24 часов, чтобы растопить 1 тонну льда.
Годовую стоимость электроэнергии, потребляемой кондиционером, можно рассчитать следующим образом:
Пример 1:
Кондиционер мощностью 72 000 БТЕ/ч (21 кВт) (6 тонн) с рейтингом SEER 10 работает 1000 часов в год при стоимости электроэнергии 0,12 долл. США за киловатт-час (кВт·ч). Какова годовая стоимость электроэнергии, которую он использует?
Пример 2.
В жилом доме недалеко от Чикаго есть кондиционер с охлаждающей способностью 4 тонны и рейтингом SEER 10. Устройство работает 120 дней в году по 8 часов в день (960 часов в год), а стоимость электроэнергии составляет 0,10 долл. за киловатт-час. Какова его годовая стоимость эксплуатации в пересчете на электроэнергию? Сначала мы преобразуем тонны охлаждения в БТЕ/ч:
Годовая стоимость электроэнергии составляет:
Сегодня доступны мини-сплит-кондиционеры (без воздуховодов) с рейтингом SEER до 42. [10] [11] Во время выставки AHR Expo 2014 года компания Mitsubishi представила новый мини-сплит-кондиционер без воздуховодов с рейтингом SEER 30,5. [12] Компания GREE также выпустила мини-сплит-кондиционер с рейтингом SEER 30,5 в 2015 году. [13] Компания Carrier представила кондиционер без воздуховодов с рейтингом SEER 42 на выставке Consumer electronic Show (CES) 2018 года, которая прошла в Лас-Вегасе. [14] Традиционные системы кондиционирования с воздуховодами имеют максимальные рейтинги SEER немного ниже этих уровней. Кроме того, на практике центральные системы будут иметь достигнутый коэффициент энергоэффективности на 10–20% ниже номинального из-за потерь, связанных с воздуховодами.
Кроме того, существуют наземные бытовые кондиционеры с рейтингами SEER до 75. [15] Однако эффективная эффективность наземного теплового насоса зависит от температуры используемого грунта или источника воды. В жарком климате температура грунта или поверхности воды намного выше, чем в холодном климате, и поэтому не удастся достичь такой эффективности. Более того, схема рейтинга ARI для наземных тепловых насосов позволяет им в значительной степени игнорировать требуемую мощность насоса в своих рейтингах, делая достижимые значения SEER часто практически ниже, чем у самого эффективного оборудования с воздушным источником, особенно для воздушного охлаждения. Существует множество технологий, которые позволят рейтингам SEER и EER еще больше повыситься в ближайшем будущем. [16] Некоторые из этих технологий включают роторные компрессоры, инверторы, бесщеточные двигатели постоянного тока, приводы с переменной скоростью и интегрированные системы, такие как те, которые используются в системах кондиционирования воздуха на солнечных батареях . [16]
Холодильный цикл может работать как тепловой насос для перемещения тепла с улицы в более теплый дом. Тепловой насос с более высоким рейтингом SEER для режима охлаждения также обычно будет более эффективным в режиме отопления, оцененном с использованием HSPF . При работе в режиме отопления тепловой насос обычно более эффективен, чем электрический резистивный нагреватель. Это связано с тем, что обогреватель может преобразовывать только входную электрическую энергию непосредственно в выходную тепловую энергию, в то время как тепловой насос передает тепло с улицы. В режиме отопления коэффициент полезного действия представляет собой отношение предоставленного тепла к энергии, используемой устройством. Идеальный резистивный нагреватель, преобразующий 100% своего входного электричества в выходное тепло, будет иметь COP = 1, что эквивалентно 3,4 EER. Тепловой насос становится менее эффективным по мере снижения наружной температуры, и его производительность может стать сопоставимой с резистивным нагревателем. Для теплового насоса с минимальной эффективностью охлаждения SEER 13 это обычно ниже -10 °F (-23 °C). [17]
Более низкие температуры могут привести к тому, что тепловой насос будет работать ниже эффективности резистивного нагревателя, поэтому обычные тепловые насосы часто включают нагревательные змеевики или вспомогательный нагрев от сжиженного или природного газа, чтобы предотвратить низкоэффективную работу холодильного цикла. Тепловые насосы «холодного климата» разработаны для оптимизации эффективности ниже 0 °F (−18 °C). С 2023 года на рынке появились тепловые насосы, которые будут извлекать тепло из наружных температур до −40 °F (−40 °C). В случае холодного климата водяные или грунтовые тепловые насосы часто являются наиболее эффективным решением. Они используют относительно постоянную температуру грунтовых вод или воды в большом подземном контуре, чтобы смягчить разницу температур летом и зимой и улучшить производительность круглый год. Цикл теплового насоса меняется на обратный летом, чтобы действовать как кондиционер.
