粘世和黃致愷余培煜撰特稿 /粘世和黃致愷余培煜撰 34...

特稿 /粘世和黃致愷余培煜撰

34 冷凍空調＆熱交換\99.11\第99期

R410A變頻空調機性能測試之運轉參數探討

摘要

由於經濟部能源局對於國內空調機能源效率值的管制基準日漸提高，因此，找出高

效率空調機的設計方法與流程，以及影響性能測試結果的空調機重要操控參數，是提昇

國產空調機商品性能以符合國家能源效率管制基準要求的重要工作。本研究以工研院綠

能所開發之鰭管式熱交換器設計軟體以及壓縮機、風機與空調機測試實驗室技術為基

礎，結合數值分析商業軟體與元件性能資料庫，進行空調機的模擬設計開發，並以模擬

結果建議值為初始預設值，透過實驗測試找出影響空調機性能測試結果的重要操控參

數，包括壓縮機轉速、室外風機轉速、電子式膨脹閥開度、冷媒充填量等，以使空調機

在 CNS 14464 之 T1 條件下，能有最佳的性能測試結果。

關鍵字：R410A 冷媒、空調機、性能測試、最佳操控參數

一、前言

為達成全國性的空調設備節能目

標，經濟部在 95 年 1 月 6 日公佈新修訂的『無風管冷氣機能源效率比基準』，

要求在民國 100 年時，空調設備性能要比現行產品提昇 15%以上，105 年時則比現行產品提昇 25%以上。又於 98 年 8 月 10 日，經濟部公告「無風管冷氣機節能標章能源效率基準與標示方法」的修

正，要求無風管冷氣機節能標章能源效

率基準提昇為： (1)單體式機組的 COP

要符合民國 100 年與 105 年之國家能效比基準的平均值、(2)分離式機組的 COP則要符合民國 105 年之國家能效比基準等，方能申請節能標章認證。而依據業

界實機測試的結果顯示，目前的國產空

調機商品性能，無法達民國 105 年性能基準者達 93%以上。因此，找出高效率空調機的設計方法與流程，以及影響性

能測試結果的重要操控參數是提昇國產

品性能以符合國家能源效率管制基準要

求的重要研發項目。

本資料來源為工研院綠能與環境研究所出版之冷凍空調＆熱交換雙月刊，若有冷凍空調相關問題歡迎洽詢０３－５９１４２２２

特稿

二、台灣空調機的效率管制與測試方法而隨著製造工藝技術的進步及環保意識的抬頭，經濟部能源局於民國 95 年修改並提升了能源效率比基準，訂定了

民國 100 年及 105 年無風管空氣調節機效率比值基準，其基準如表 2 所示。

表 1 為台灣於民國 91 年 1 月 1 日起的空氣調節機能源效率比管制基準，空

調機的能源效率值需高於管制基準才能

上市販售。

表 1. 民國 91年法規限定最低能源效率標準

表 2. 無風管空氣調節機能源效率比基準

執行階段第一階段第二階段

實施日期中華民國 100年 1月 1日至 104年

12月 31日止中華民國 105年 1月 1日起

機種冷氣能力分類 (kW) 能源效率比(w/w)

2.2 以下 3.15 3.40

高於 2.2 ，4.0 以下 3.20 3.45

高於 4.0 ，7.1 以下 3.00 3.25

單體式

高於 7.1 ，10.0 以下 2.95 3.15

4.0 以下 3.45 3.85

高於 4.0 ，7.1 以下 3.20 3.55

氣冷式

分離式

高於 7.1(2) 3.15 3.40

能源效率比管制基準是依據 CNS

14464 無風管空氣調節機與熱泵之試驗法及性能等級之第 4.1 節的 T1 條件下所

進行試驗的量測值，其測試條件及試驗

規定如表 3 所示：

冷凍空調＆熱交換\99.11\第99期 35


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表 3. CNS 14464 4.1 節冷氣能力試驗條件

冷氣能力試驗條件標準試驗條件

參數 T1 T2 T3

室內側進風溫度(℃) 乾球濕球

27 19

21 15

29 19

室外側進風溫度(℃) 乾球濕球(1)

35 24

27 19

46 24

冷凝器冷卻水溫度(2)(℃) 入口出口

30 35

22 27

30 35

試驗頻率額定頻率(3) 試驗電壓額定電壓(4)

T1: 溫帶地區之標準冷氣能力分等條件(台灣地區適用) T2: 寒帶地區之標準冷氣能力分等條件 T3: 熱帶地區之標準冷氣能力分等條件

註 (1)當試驗氣冷式冷凝器時，因濕球溫度不影響冷媒之冷凝蒸發，所以不須要濕球溫度條件。 (2)代表該待測設備與冷卻塔一起工作，為其他用途設計之待測設備，應在等級中指定冷卻水入口與出口之溫

度或是水流率和入口之水溫度。 (3)具雙重額定頻率者，應在每一頻率作試驗。 (4)具雙重額定電壓者，試驗電壓應在兩種電壓下分別執行，若標示額定電壓範圍者，取其較低之電壓執行。

三、空調機設計開發流程

為了開發出高效率空調機，本研究

以工研院綠能所開發之鰭管式熱交換器

設計軟體以及壓縮機、風機與空調機測

試實驗室技術為基礎，結合數值分析商

業軟體與元件性能資料庫，規畫出一套

變頻空調機的開發設計流程，以利開發

工程的分工與時程的掌控，以及相關性

能提升方案的反覆驗證。

另外，由於空調機的能源效率管制

基準是依據 CNS 14464 的 T1 試驗條件下的量測值，因此，針對 T1 試驗條件進行空調機的開發設計與性能提升，是國

產空調機通過能效管制基準最捷徑的方

法。為了進行高效率空調機國產品的開

發設計，除了參考 CNS 14464 之 T1 試驗條件之外，本研究採用國產之變頻廻

轉式 R410A 空調壓縮機，並使用工研院開發且利用國產晶片完成的壓縮機驅動

控制器與室內外機控制器及機組，以兼

顧國產空調機的性能與成本競爭力。同

時透過整合電力線及網路通訊監控與

RS232 等技術，以 NI LabView 撰寫控制取值模組，以進行空調機狀態即時監

控與取值分析等研究，以利空調機性能

提升改善方案的研發。空調機系統控制

與測試取值分析之架構如圖 1 所示。圖 2則為整合系統控制與狀態取值分析的中

文化人機介面。



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圖 1. 系統測試控制架構圖

圖 2. 系統控制與即時取值之人機介面

四、壓縮機性能曲線數值化

傳統空調機設計大多使用壓縮機性

能表來取得壓縮機於某特定冷凝溫度及

蒸發溫度下之性能與消耗電功率。但是

壓縮機性能表為較粗糙的曲線圖，若要

進行較細部之運算，或是推算不同過冷

度及過熱度下的性能則會產生較多誤差

性與困難性。因此，本研究針對變頻壓

縮機的性能評估，是以多組壓縮機性能

測試數據為基礎，利用數值分析商業套

裝軟體，將壓縮機性能曲線化成一多項

式方程式，而可依此方程式估算變頻壓

縮機在不同轉速時，不同冷凝溫度與蒸

發溫度的冷氣能力與消耗電功率等基本

參數，以進行不同轉速下之空調機系統

能源效率值的模擬計算。本文以國產

R410A 變頻壓縮機 60Hz 為例，利用商用數值分析軟體將其性能曲線程式化，

以作為後續運算使用。

由圖 3 可以發現，在蒸發溫度 0℃ ~ 12℃ 範圍中，冷凝溫度 45℃~60℃ 均是一相當線性化的曲線，而且蒸發溫度越



特稿

高，則冷氣能力越高，冷凝溫度越

低，也可得到冷氣能力越高的相對結

果。因冷凝溫度與冷氣能力線是一高

度線性化的曲線，所以，可以一多項

式曲線來數值化壓縮機性能，並藉此

多項式來直接計算壓縮機在此蒸發溫

度與冷凝溫度範圍內的性能。

圖 4 為壓縮機馬達消耗電功率之性能曲線圖。相同地，圖中可以發現

蒸發溫度及冷凝溫度與消耗電功率的

曲線圖與冷氣能力相似，均為一高度

線性化的曲線。因此，仍可利用數值

分析商用套裝軟體，將壓縮機消耗電

功率的性能曲線數值化，以用來進行

壓縮機在蒸發溫度 0℃ ~ 12℃、冷凝溫度 45℃~60℃之壓縮機消耗電功率的計算。

依上述之方法，將 30~90Hz 範圍內之各轉速壓縮機性能曲線程式

化，並利用此數值模式進行各種轉速

下的冷氣能力與壓縮機消耗電功率的

估算，以進行空調機系統能源效率值

的模擬計算，此方法可適用於變頻壓

縮機在各種不同工況條件下之性能分

析與設計評估。

五、風機性能評估

由於鰭管式熱交換器的熱傳性能

與工作流體流速成正相關，另外，在

風機扇葉不產生失速的情況下，風機

轉速越高，也可得到越高的空氣流速

而增強熱交換能力，因此，本研究以

AMCA/ ANSI 210 的風機測試標準進行所開發之變頻風機的性能測試，量測變

頻風機原型在轉速 1000 rpm 以下之風

量、全壓、靜壓、馬達消耗電功率的變

化數據，以取得較佳的風機控制參數供

空調機的模擬設計使用。圖 5 為變頻風機在 1000rpm 時的性能量測數據。

60Hz -冷氣能力

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00℃

W 45C 50C 55C 60C

圖 3. 國產 R410A變頻壓縮機 60Hz 之冷氣能力性能圖(x

軸-蒸發溫度℃，y軸—冷氣能力 W)

Power

700

750

800

850

900

950

1000

1050

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00℃

W 45C 50C 55C 60C

圖 4. 國產變頻壓縮機 60Hz 之消耗電功率圖

Fan Performance

Filename... Out Side FAN Date:99.07.29Speed 1000rpm

0 10 20 30 40Flw rated Q cmm

800

900

1000

1100

1200

RPM

0

10

20

30Ef

f (Pt

) %

40

60

80

100

120

140

Wat

t

0

2

4

6

8

Pres

sure

Ps

,t m

mA

q

Eff.%-QKw-QPt-QPs-QRPM-Q

圖 5. 本研究開發之變頻風機於 1000rpm下消耗電功率、

效率及機外靜壓之性能曲線圖



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在圖 5 中可以發現，原型風機運轉於 1000 rpm 時，在風量為 35.10 CMM，靜壓為 1.98mmAq (即可承受之風道壓降量 ) 的狀態下，可以得到最高效率28.32%的運轉操作點。而當壓降量提高到 4.92mmAq 以上時，則因馬達無法提供足夠扭力，而將會導致風機馬達啟動

高負荷保護而降低風機轉速。

六、模擬分析

利用軟體進行空調機性能之模擬設

計將可節省重覆製造與測試驗證的次

數、工時及成本，本研究使用工研院開

發之鰭管式熱交換器設計模擬軟體與系

統質能守恆計算式，進行空調機尺寸設

計與能源效率模擬分析，以加速高效率

變頻空調機的開發流程。由於空調機的

設計參數眾多，包括熱交換器的尺寸、

變頻壓縮機轉速、變頻風扇轉速、室內

外側的空氣條件、冷媒側的蒸發溫度、

冷凝溫度、過冷度與過熱度等等，都會

影響空調機的性能。因此，在進行空調

機的設計模擬之前，考量時間成本，會

先依據既有的現實條件，擬出軟體參數

的變化限制條件，限縮設計參數的變動

範圍上下限，以加速軟體的模擬設計時

間，而這些限制條件主要是來自於廠商

可提供的元件性能資料庫，包括熱交換

器模具的尺寸限制、變頻壓縮機及風機

的轉速與性能限制、測試條件與運轉條

件的設定限制等等，是一門必須結合實

際經驗與分析理論的科學。圖 6 為本研究開發之原型機的部分模擬數據，由圖

可知，在熱交換器尺寸及壓縮機轉速固

定下，當冷媒蒸發溫度提高時，蒸發器

入口的冷媒乾度降低，冷媒熱力性能提

升，空調機 COP 值理應增加，但是，若所搭配的蒸發器風機風速未能隨之增加

時，則空調機的冷氣能力不升反降，因

為空氣流速的不足造成熱傳管的熱交換

效果下降，所以空調機的能源效率值

COP 反而下降。因此，並非僅是提高蒸發溫度就能提升空調機的能源效率值，

必須搭配各零組件的優化設計才能達成

高效率空調機的設計目標。所以，兼具

成本競爭力與能源效率的空調機設計，

需經由同時考量製造限制與理論分析的

多次疊代方能完成。

圖 7 為本研究開發之 R410A 一對一分離式變頻空調機原型機。

2700rpm/Tc45

3.47

3.984.17

3.77

3.353.47

3.98

4.39

3.90

3.47

3.98

4.74

4.50

3.47

3.98

4.89

4.444.434.48 4.63

4.594.494.804.62

4.874.764.63

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

0 4 8 9 10 11 12

蒸發溫度(C)

COP(W

/W)

0.8m/s

1.0m/s

1.2m/s

1.4m/s

圖 6. 本研究開發之空調機原型於 2700rpm冷凝溫度 45℃下的性能模擬分析結果



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(a)室外機雛型 (b)室內機雛型

(c)壓縮機雛型 (d)變頻控制器雛型

圖 7. 本研究開發之 2.8kW 一對一 R-410A直流變頻空調機

七、空調機性能測試驗證

當空調機運轉時，壓縮機壓縮氣態

冷媒為高壓高溫冷媒至冷凝器散熱冷凝

成液態冷媒，經電子膨脹閥膨脹降溫

後，成為低溫之液氣共存冷媒進入蒸發

器吸熱蒸發為氣態冷媒，再循環進入壓

縮機。此運作狀態包含許多控制參數，

如壓縮冷媒時之壓縮機轉速參數、冷凝

器散熱時之室外機風機轉速、冷媒膨脹

時之電子膨脹閥開度及蒸發冷卻時之室

內機風機轉速。而找出空調機在性能測

試條件 CNS 14464 的 T1 試驗條件下，能產生最佳能源效率值的運轉操控參

數，將是國產空調機通過能源效率管制

值的重要工作之一，本研究以模擬設計

值額定冷氣能力 2.8kW、COP3.85 為目

標，經由測試實驗方法，找出影響性能

測試結果的重要參數。考量室內機風機

轉速通常為使用者設定值，控制器無法

作劇烈反應控制，因此將壓縮機轉速、

膨脹閥開度及室外機風機轉速作為空調

機性能測試驗證的操控基準，並藉由參

考模擬分析數據，以實測方式找出空調

機性能測試之最佳操控參數。

(i) 室外機風機轉速

室外機風機變頻馬達轉動時，帶動

葉片轉動使空氣被扇葉推動而產生空氣

流動，當馬達轉速增加時，空氣流動的

速度將會加快。然而馬達轉速愈高，卻

導致馬達所消耗的電功率增加越多。雖

然風速增加，增強了室外機鰭管式熱交

換器的熱傳效果，可以降低蒸氣壓縮循



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環的冷凝溫度，而系統高低壓力比的降

低可減少壓縮機的消耗電功，然而，如

果風機馬達增加轉速所導致的耗功增加

幅度大於壓縮機降低冷凝溫度所減少的

消耗電功，此時將造成空調機能源效率

值 COP 的降低，讓節能效果下降，因此找出最佳的室外機風機轉速，是空調機

能維持高效率運轉的重要參數。圖 8 為室外機風機轉速對於空調機冷氣能力與

COP 之性能影響的測試結果。由圖中可以發現，本研究之空調機原型於壓縮機

先固定在模擬結果建議值 3150rpm 及電子膨脹閥開度 330pulse 時，則室外風機轉速於 800 rpm 時有最佳的能源效率值 COP 3.94，但由實測結果可知，模擬結果建議值的壓縮機轉速

3150rpm 明顯無法滿足冷氣能力2.8kW 的設計目標，所以需要再調整壓縮機轉速及電子膨脹閥開度以同時

滿足冷氣能力 2.8kW 及 COP3.85 的設計目標。

(ii)膨脹閥開度

電子膨脹閥為蒸氣壓縮循環中控

制冷媒進行膨脹降溫的電子式針閥裝

置。當電子膨脹閥開度加大時，膨脹

比率減小，空調機冷媒系統的高低壓

力差縮小，此時冷凝溫度降低，蒸發

溫度升高且過熱度降低。反之，當其

開度縮小時，膨脹比率增加，空調機

冷媒側的高低壓力差增大，冷凝溫度

升高、蒸發溫度降低且過熱度增加。

在蒸氣壓縮循環運作中，當冷凝溫度

與蒸發溫度的溫度差值增加時，會導

致壓縮機必須在高壓縮比的狀態中運

作，因而增加單位質量冷媒的壓縮功

消耗，同時造成壓縮機容積效率的降

低。然而，若僅增加蒸發溫度，而不做

其它元件調控，終將導致室內機能力降

低而無法達到設計所需求的能力，故膨

脹閥開度必須運作於一合理狀態使得整

體蒸氣壓縮循環保持最佳效率。圖 9 為壓縮機運轉於 3600 rpm(60Hz) 及 4500 rpm(75 Hz)下，改變電子膨脹閥開度對空調機冷氣能力與 COP 之影響的測試結果，由圖 9 可以發現系統於膨脹閥開度350 pulse 時，均有較佳的冷氣能力及COP 表現。

室外風機轉速

2.63

3.92 3.94 3.91

2.632.64

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

650 700 750 800 850 900 950rpm

kW/kW 冷氣能力 COP

圖 8. 原型機改變室外風機轉速對冷氣能力與 COP的影響

之測試結果

3600/4500 rpm 壓縮機轉速

2.8509 2.8874 2.8580

3.253.31 3.31

3.61 3.67 3.62

2.983.12

3.04

2.50

2.70

2.90

3.10

3.30

3.50

3.70

3.90

320 330 340 350 360 370 380EEV Pulse

kW/kW

3600rpm 冷氣能力 4500rpm 冷氣能力

3600rpm COP 4500rpm COP

圖 9. 原型機於 3600及 4500 rpm下改變膨脹閥開度對冷氣

能力與 COP的影響之測試結果



特稿

(iii)壓縮機轉速

當空調機運轉時，變頻壓縮機是最

主要的冷媒循環驅動元件，而素有空調

機心臟的稱號。當變頻壓縮機運轉於高

頻率時，因為壓縮機轉速增加，泵體可

以提供更多的冷媒流量，使得空調機可

以提供更多的冷氣能力供使用者使用。

但是當壓縮機提高轉速時，壓縮機馬達

必須消耗更多的電功率而造成空調機

COP 低下。反之，雖然變頻壓縮機降低轉速可以提高空調機 COP，但是卻因為泵體提供的冷媒流量降低，使得空調機

的冷氣能力也隨之降低。然而並不是一

味的降低壓縮機轉速就可以無限制地提

高空調機 COP，因為壓縮機於低頻運轉時有其機構設計上的困難，包括轉速太

低無法產生足夠的離心力使潤滑油輸送

到運動件區，而使摩擦阻力增大，耗功

增加，或是壓縮機馬達低轉速的效率不

易提升等因素，因而降低壓縮機低頻運

轉的效率，所以壓縮機變頻運轉時，常

會有效率轉折點的產生，視壓縮機產品

於低頻運轉區的效率而定。圖 10 為本研究開發之空調機改變壓縮機轉速對冷氣

能力與 COP 之影響的測試結果，由圖中可見壓縮機轉速越高，冷氣能力越大，

但 COP 相對降低的現象，而且也可以發現當壓縮機轉速低於 1500 rpm 時，系統COP 轉折降低的現象。綜合以上測試實驗的結果，可以得出，在壓縮機轉速

3450rpm、室外風機轉速 800rpm、電子膨脹閥開度 350pulse、冷媒充填量 830g時，空調機於 CNS 14464 T1 條件下的性能量測數據為 2.85kW、COP3.86 可符合性能設計目標值冷氣能力 2.8kW、COP3.85 的要求。

壓縮機轉速及性能

0.83

3.83

1.431.73

2.412.85

2.89

3.31

4.86

4.313.86

3.67

3.12

4.95

0

1

2

3

4

5

6

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

rpm

kW/kW

COP

kW

圖 10. 原型機於 1200 rpm 至 4500 rpm之轉速變化對冷氣能力與 COP的影響之測試結果

八、結語

結合壓縮機消耗電功率的性能曲線

數值化技術與鰭管式熱交換器設計軟

體，可以加速空調機變頻運轉時的性能

評估及模擬設計分析，因而可以降低重

覆製造與重覆測試的成本。同時，可藉

由風機性能測試技術取得風機於各種不

同運轉狀態下之消耗電功率及風量等性

能表現，可以有效縮小模擬分析的誤

差，加速高效率空調機的開發。



特稿

空調機性能測試條件 CNS 14464 之T1 試驗條件下的空調機性能最佳操控參數的擬定，包括壓縮機轉速、膨脹閥開

度、風機轉速及冷媒充填量等的決定，

是國產空調機加速通過能源效率管制值

的重要工作項目。

九、誌謝

本文承蒙經濟部能源局計畫資助，

使本計劃得以順利進行，特此感謝。

十、參考文獻

[1] 能技字第 09304040120 號，氣冷式冷氣機節能標章能源效率基準與標示方法(96 年 8月 1 日起停止適用 ) http://www.energylabel.org.tw/applying/efficiency/upt.asp?cid=1

[2] 能技字第 09604019660 號，無風管冷氣機節能標章能源效率比基準與標示方法(96 年 8

月 1 日實施,98 年 8 月 10 日起停止適用) http://www.energylabel.org.tw/applying/efficiency/upt.asp?cid=1

[3] 能技字第 09804018700 號，「無風管冷氣機節能標章能源效率基準與標示方法」 http://www.energylabel.org.tw/applying/efficiency/upt.asp?cid=1

[4] 經濟部標準檢驗局，＂空氣調節機 (Air conditioners) ＂，編號 :CNS 3615-B7048(2009)

[5] 經濟部標準檢驗局，＂無風管空氣調節機與熱泵之試驗法及性能等級(Non-ducted air conditioners and heat pumps – testing and rating for performance)＂，編號:CNS 14464-B7291(2003)

[6] 王啟川，＂熱交換器設計＂，2007 pp. 147-190

[7] American National Standards Institute, “Laboratory Methods of Testing Fans for Aerodynamic Performance Rating”, ANSI/ AMCA 210(2007)



粘世和 黃致愷 余培煜 撰特稿 /粘世和 黃致愷 余培煜 撰 34...

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