變頻冷氣COP突破200年卡諾定理極限！？？
(日本創出自己不用的CSPF，台灣撿到寶，全球NO.1！)
冷氣節能啟蒙班：嘸講你毋知！(第5講)
於1824年，法國科學家Carnot(卡諾)提出卡諾定理，簡言之，任何熱機(Heat Engine)的最高效率，取決於熱源溫度(TH)及冷源溫度(TL)，ηmax=(TH-TC)/TH，進而衍生出卡諾冷凍循環(Carnot Refrigeration Cycle)，或稱逆卡諾循環(Reversed Carnot Cycle)，最大COP冷凍=TL/(TH-TL)。如圖1之冷凍機/冷氣機的理論冷媒循環系統，是在恆溫恆壓的冷凝溫度(TC)與蒸發溫度(Te)下進行熱交換，因此，
以ASHRAE及AHRI等國際通用的壓縮機測試工況：「冷凝溫度TC=54.4℃、蒸發溫度Te=7.2℃，過冷度=8.3℃，…」為例，則氣冷式冷氣機的COP上限是5.94，計算式如下：
※在相同工況下，不同冷媒的COP略有不同，但仍不可能高於逆卡諾循環COPmax。
(中國)上海海立集團公司是全球第三大之小型壓縮機製造廠，圖2是摘自該公司的型錄，以R410A直流變頻迴轉式壓縮機為例，ASHRAE/T測試工況的冷凝溫度(TC)為54.4℃，壓縮機的COP均小於3.26；其他2種測試工況的冷凝溫度較低(45℃及46℃)，故COP較高，翻閱R32等其他冷媒壓縮機的COP，也均介於4.00～4.95之間。
(台灣)瑞智公司的小型壓縮機產能是全球第四大，圖3是摘自該公司型錄之R32直流變頻壓縮機的性能表，Testing Condition (測試工況)NGB即是圖2的New GB(冷凝溫度46℃)，以Series 31機型為例，NGB工況的額定能力是1510W，(含變頻器)額定功率為575W，故(含變頻器)COP為2.63，若不含變頻器之耗電，則COP較高(3.28)。
(美國)Copeland公司是全球性的(渦卷式)壓縮機大廠，以其選機軟體選出之冷氣機種的COP均≦4.0(@ASHRAE/T工況)。前述圖2之S09-C1測試工況的冷凝溫度45℃，已算是"商業量產"氣冷式冷氣機的冷凝溫度下限(@35℃周溫)，代入Copeland軟體試算(圖4)，逆卡諾循環COP的上限是7.41，選出的冷氣機COP值是4.16，僅為逆卡諾COPmax 7.41的56.1%。※壓縮機COP(4.26)略高於冷氣機COP(4.16)。
But，表1三大台灣日系冷氣的COP欄，均高於圖4的4.16，可能嗎？其測試工況(TC=？℃，Te=？℃)不得而知；因為冷氣機銘牌只需標示CSPF值，並不需標示COP值，消費者不會特地去推算COP值的合理性，因此，冷氣廠商有了操弄"CSPF第1"的模糊空間。表1國際序號1機組COP(8.03)已突破圖4的COPmax 7.41極限；「第4講：冷氣機的CSPF每提高0.1，可省電2～3%？」表9之日立RAC-22NE3機組的CSPF12.5是全球No.1，COP高達9.44，均推翻了已有200年歷史之卡諾定理COP極限，如果卡諾定理真的被否定了，那麼，台灣將會出現首位諾貝爾物理獎得主。
為了了解表1之三大台版日系變頻冷氣的COP值是否"膨風"，由日本Yahoo搜尋到日系冷氣的原廠型錄，限於篇幅僅列出冷氣能力2.2kW之COP最高與最低的兩種機型，來與表1的最高/最低COP作比較。由圖5的右側欄位，可看出台灣的國際、日立及大金的COP，均遠高於日本原廠的COP，這應不符合"原廠較佳"的民眾認知。Why？再看圖5的日本原廠冷氣"力率"(即功因)，均遠高於最右欄之台灣冷氣的功因(cosθ)，這或許是台灣冷氣COP高於日本原廠COP的原因，但是，再高似乎也不應高於逆卡諾循環的COP天花板。※因COP=冷氣能力÷耗電功率，且耗電功率(W)=VI cosθ，故功因愈高，愈耗電、COP也愈低。
此外，由圖5可知，日本冷氣機的能效分級是採用APF(通年エネルギー消費効率)，日本於2013年創出CSPF能效評估法，自己卻不用，似乎很奇怪？
回頭再看表1的冷氣能力(2,200W)及除濕量1.3L/h或1.4L/h，這似乎"不可能"同時成立，以空氣線圖分析，即可看出端倪。
圖6是表1國際牌冷氣能力2.2kW及除濕量1.3L/h的空氣線圖分析結果，要同時達到此兩項能力，較可能的選項是出風狀態11.0℃db/8.6℃wb(表1最右欄)，風量為3.96CMM(66L/s)，此時的顯熱比(SHR)僅0.585，似乎不符合家用空調的蒸發器管排設計原則(SHR0.65～0.75)。大金公司"較聰明"，未提供除濕量，但有列出室內機(高速)風量，故同理可依空氣線圖推算出其出風狀態，如表1最右欄所示；國際及日立的風量與SHR均偏太低，而大金的出風溫度(≧16℃db)及SHR均偏太高，因此，合理推論出：「表1之9台冷氣機組的冷氣能力、除濕量及風量三項，其中之一或其中之二"可能有誤"」。相信稍微了解空氣線圖的工程師，應多可做出以上的推論。
通常，1級水冷式冰水機的選機工況是TC=36℃，Te=6℃，以Copeland的選機軟體，如圖7選出機種的COP為5.50，僅為卡諾冷凍循環COPmax 9.3的59.1%；表2是冰水機的能效分級基準，水冷式≦150RT容積式冰水機的1級COP基準是5.15， 300RT離心機的1級COP基準是7.10，氣冷式冰水機的1級COP基準是3.20。看了表2之COP基準值之後，不禁懷疑表1(序號1) 3台機組之COP≧6.11的合理性。
CNS14464標準認可的2種冷氣性能測試法，一種為熱量測量室法，優點是精度高；另一種為空氣焓(差)法，優點是(1)建置成本低、(2)測試項目少、(3)測試成本低、(4)測試時間短；因此，合格的「冷氣性能測試實驗室」多採用空氣焓(差)法。空氣焓(差)法理應同時量測室內側及室外側，但是，CNS14464標準未明確規定，故合格試驗室多僅採用室內側空氣焓(差)法。
台灣有商品檢測驗證中心、金屬工業研究發展中心及大電力研究試驗中心等數間合格的「空調機性能測試系統試驗室」，每間試驗室均可依CNS標準進行冷氣機的性能測試；然而，測試前要安裝多達近20處的溫溼度、風量、風壓等探頭，安裝點及固定角度等均可能影響測試值。此外，室內/外機由誰負責安裝配管？配管後的抽真空作業是否確實？風量測試正確否？應以何種方式測試中間冷氣能力？以及廠商代表是否可"協助"試驗室進行測試？CNS標準沒有明文規定，換言之：「在不同試驗室或由不同人執行測試，均會影響測試結果」。
2021/7/20 16:18於mobile01.com的討論群組，cylte97693樓主PO出一篇名為「台灣的冷氣CSPF值如何測算出？」的文章，樓主應是冷氣性能測試實驗室的核心人物，本文除了文字、照片、影片之外，尚公開一台(日規50Hz/200V)大金分離式冷氣的「性能試驗成績表」，此表應是被「冷氣性能測試實驗室」列為"機密文件"，我曾向7個試驗室請求提供任一台冷氣機的性能測試總表作研究用，均被告知"無此資料、無法提供"。此PO文對我而言，如獲至寶；概略地推估其測得的額定冷氣COP 2.614(圖8(A)第35項)，算是合理值(※參照「第2講：冷氣設定溫度每提高1℃，可省電6%？」表1)。然而，(B)中間冷氣能力的測得值並不符合CNS3615之規定。
由文中的照片及影片來看，室內機風量(=風速×面積)的測得值，似乎是較可能的"誤差盲點"，因受限於室內機之進/出風口形狀的限制，難以依ISO5801及ASHRAE51等國際標準進行風量測試，這可能是每家認可試驗室的相同困境。本PO文坦言其中間冷氣能力測試(圖8(B))結果(5,120.3W)超出CNS標準的[(額定能力(8,000W)÷2)±10%]；"聽說"若無製造廠商的技術協助，則無法進行(B)中間能力測試作業。
本文樓主告知：「本測試並非將220V電源直接供電給測試機組用，而是以變壓器降為200V後，再供此日規(60Hz/200V)機組用」。圖8是摘自上述PO文之「性能試驗成績表」的重點測試項目，其(A)額定能力測試之連續7次的每項測試值之誤差均在±1%內，雖然無法驗證測得的(33)總冷房能力(8,108W)及(35)COP(2.614)的準確性，但至少與日本原廠值(※型錄值見圖8最右欄)相當接近；不過，(B)中間能力測試明顯不符合CNS14464標準「能力允差≦10%」規定，此測試機組(S80XTRXP-C)的額定能力為8,000W，(B)中間能力測試的(33)總冷房能力應為4,000W±10%，故7次測得的中間冷房能力均不符合CNS標準之規定，可見上述"聽說"的傳聞並非空穴來風。
此PO文的試驗室也是採用室內側空氣焓(差)法，7次的(A)額定能力測試值看起來很正常，只是無法跟水冷式冰水機測試一樣，以熱平衡百分比(Heat Balance %)驗證其準確性。空氣焓(差)法並非直接測得焓值(Enthalpy)，只需測得室內機之進/出風的溫濕度值(圖8第5～8項)及風量(圖8第29項)，即可依公式計算出室內冷氣能力(※室內側空氣焓(差)法)；同理，只要測得室外機之進/出溫濕度及風量，即可計算出室外機(排熱)能力(※室外側空氣焓(差)法)，並計算HB%。
AHRI550/590 & CNS12575標準：水冷式冰水機
熱平衡百分比(HB%)=[(qe + qp) - qc]÷qc×100%，允差±5%
qe：蒸發器能力、qp：冰水機耗電功率、qc：冷凝器能力，單位kW
偶然發現此篇 PO文有測試紀錄室外機出風溫度44.97℃(圖8(A)第24項)，而日本型錄中有室外機風量62.6CMM(1,043Lps)、室外機風扇耗電130W及室內機風扇耗電68W，故可以空氣線圖作分析，來驗算圖8(A)額定能力測試的準確性，並驗證熱平衡HB%的合理性。
圖9a是圖8(A)之室內/外狀態的平均值(23.164CMM(386L/s))，以空氣線圖作分析，所得的冷氣能力8.278W及除濕量2.7/hr，均與圖8(A)的平均值(8,108.1W及2.54kg/hr)誤差不大，誤差應是兩者採用公式的參數誤差；同理，圖9b是以日本原廠型錄值及圖8(A)第24項出風溫，所計算出的室內機能力8,049W與型錄值8,000W誤差僅0.61%。
其次，再來試算圖9的熱平衡(HB)是多少；對氣冷式冷氣機而言，
蒸發器製冷能力qe=進/出狀態計算值 + 室內機風扇耗電(qfi) ± 冷媒配管等溫損
冷凝器傘熱能力qc=實測能力 - 室外機風扇耗電(qfo) ± 冷媒配管等溫損
冷氣機耗電功率qp=電錶實測值或型錄額定值
熱平衡百分比(HB%)=[(qe + qp) - qc] ÷ qc × 100%
水冷式冰水機的HB%允差標準是±5%，但氣冷式冷氣機有難以實測的「冷媒配管等溫損」，故氣冷式的HB%，應該會大於水冷式冰水機的HB%標準，如圖9a所示，圖8(A)之網路PO文的HB%為-10.5%，而圖9b之日本型錄值的HB%為-13.7%；寫到此，不禁回到網路平台上，為cylte97693樓主的PO文按個讚(5顆星)。※氣冷式冰水機並未採用「HB%≦±5%」來驗證測得值，而是採用CNS12575標準的規定，以2組儀器同時測量的測得值(誤差需≦±2%)之平均值計算。
實務上，中間冷氣能力測試"似乎確實"有問題；圖8(B)中間能力測試總表的項次4功率因素很穩定(平均98.89%)，7次測試之最低(98.18%)與最高(99.49%)的偏差僅1.33%，故可推知(B)中間能力測試時未"降頻運轉"，這應不符合變頻冷氣壓縮機隨室內負載降低而"降頻運轉"的常識邏輯；為何變頻冷氣機的中間冷氣能力測試"無法"以降頻方式測試？可能是受限於變頻冷氣的"內建基板"無法隨意調之故，只能"設法"改變風速來調整中間冷氣能力；這似乎不符合CNS14464標準。
那麼，要如何以"改變風量"來測試中間冷氣能力？圖8(A)之平均額定風量為23.164CMM，而圖8(B)的第29項風量(室內機)，從第1次的14.172CMM，調到第7次的12.577CMM，仍無法穩定運轉。變頻冷氣機的風速按鈕多僅3～5速，單憑冷氣機遙控器的操作，似乎不太可能"剛好"調到中間冷氣能力(4,000W±10%)；因此，這似乎印證了前述的"聽說"傳聞，合格的驗證試驗室不是獨立測試單位嗎？為何仍需冷氣廠商的技術協助？即使如此，冷氣廠商真的有能力解決嗎？
圖8(B)"測不出"符合CNS標準的中間冷氣能力，應不是測試者的問題，這似乎是"不能說的秘密"；表3是某試驗室提供之一台能效1級2.2 kW窗型冷氣機的最終版測試報告(※計算CSPF用，參考「第4講：冷氣機的CSPF每提高0.1，可省電2～3%？」)，中間負載測試值似乎也是以"改變風量"為主的方式測試；中間能力測試的風量為3.84CMM，為全載測試風量5.44CMM的70.6%，但是，其「連續7次的測試紀錄」仍"不得公開"，連基本的室內機出風狀態亦省略了。※Q：變頻冷氣應否以"降低風量"方式來測試中間冷氣能力？
台灣有逾10家廠商的合格冰水機性能測試實驗室，除可自行依CNS標準測試並依規定標示冰水機能力、COP及能效等級之外，尚有一條不成文規定：「當對某台冰水機的COP值有疑慮時，得要求第三單位重測」，只是迄今仍無人要求重測過，因為冰水機廠商均相當自律，未發現有COP超高的狀況。
在「第2講：冷氣設定溫度每提高1℃，可省電6%？」中，說明了提高冷氣機COP的唯二準則是：「降低冷凝溫度(TC)及提高蒸發溫度Te)」；對於冷氣製造廠商而言，就只能增加室外機及室內機的尺寸，如表1所示，三大日系冷氣COP(或CSPF)最高之序號1機組的尺寸，均大於序號2及序號3機組。
然而，氣冷式冷氣機受到外氣條件35℃db/24℃wb及室內條件27℃db/19℃wb的限制，若要拼COP No.1，則極限的選機條件可能為TC=45℃、Te=10℃，此條件的逆卡諾COPmax為8.09[=(273+10)÷(45-10)]。通常，不論採用何種冷媒，實際COP多≦0.7COPmax，由此推論，表1中COP≧6.0的機組，似乎難以為真；尤其表1的國際牌序號1機組之COP高達8.03，已接近逆卡諾循環的COPmax 8.09，實在難以相信其真實性，宜送交第三單位重測，如果屬實無誤，即使不能申請諾貝爾物理獎，至少可申請金氏世界紀錄，台灣的日系冷氣廠商很低調，太謙虛了！
CNS14464標準，若能要求「同時進行室外側空氣焓法，加上Te與TC的測試值，並公開如圖8之"連測7次"性能測試總表」(※冰水機測試依規定提供"連測3次"的性能測試總表)，就能讓COP/CSPF無所遁形；不過，也許不做修正、保持"灰色地帶"，才是最佳選項。
本文有許多"？、似乎、可能"的不確定性，對於(CSPF)中間冷氣能力的測試方式仍滿腹狐疑，是否有人能安排參觀"測試示範"，或者提供符合CNS標準的中間冷氣能力測試總表(如圖8)，以解迷津；功德無量！感恩！
冷氣節能啟蒙班 班主任：何宗岳(1950年生/雙子座)
美國Memphis大學機械碩士、甲級冷凍空調技術士、機械技師及冷凍空調技師高考及格，50年冷凍空調經歷；有11本冷凍空調書籍、8項專利及3套空調工程設計軟體，並提供空調負荷、水管壓損及風管壓損之免費線上計算器https://www.hvacnr.com.tw/。65歲轉斜槓作家
(筆名股素人)，曾6次上電視財經台節目談理財，有ETF攻略筆記、財務自由初學指引、拒當下流老人的退休理財計劃、不當肥羊，聰明買保險！等9本投資理財書及台海對抗黑皮書(寓言小說)。
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