陳煥新 曾宇柯 成建宏 邵雙全 張建強 陳 進 張夢華

(1 華中科技大學能源與動力工程學院 武漢 430074；2 中國標準化研究院 北京 100086；3 大金(中國)投資有限公司技術開發(fā)研究院 上海 201108；4 珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070)

建筑能耗在生產(chǎn)生活中占比極大。在中國，建筑能耗占總能耗的20%，其中約40%為暖通空調(diào)能耗[1]。為了遏制暖通空調(diào)能耗的飛速增長，研發(fā)高效、可靠的空調(diào)系統(tǒng)是行之有效的重要舉措。多聯(lián)機具有能耗低、熱舒適性高、安裝便捷等優(yōu)勢，其市場規(guī)模不斷擴大[2]。多聯(lián)機在中國商用空調(diào)市場居于首位，總銷售額超過300億[3]。歐洲多聯(lián)機空調(diào)的銷量增長了7%，達到216 135臺[4]。

隨著多聯(lián)機系統(tǒng)的發(fā)展與普及，對多聯(lián)機產(chǎn)品性能評價的研究逐漸受到重視。多聯(lián)機系統(tǒng)節(jié)能特性體現(xiàn)在部分負載工況下，不同工況對多聯(lián)機系統(tǒng)的運行性能影響較大。因此，各國都根據(jù)自身天氣與地區(qū)特點設計了各自適應的多聯(lián)機能效標準。美國針對能力在19 kW以下的單相電多聯(lián)機，考慮變頻調(diào)速特性、室外環(huán)境、冷熱負荷及使用習慣設計了季節(jié)評價指標：SEER(seasonal energy efficiency ratio，制冷季節(jié)能源消耗效率)和HSPF(heating seasonal performance factor，制熱季節(jié)能源消耗效率)。日本Top Runner計劃采用年度性能因子APF(annual performance factor，全年能源消耗效率)[5]作為多聯(lián)機系統(tǒng)的能效評價指標，APF綜合考慮了制冷、制熱能效與季節(jié)性能源利用效率，反映了空調(diào)產(chǎn)品全年的運行性能，對比結果更為直觀。

近20年來，我國逐步開展了關于多聯(lián)機能效標準和能效標識的研究工作。Yu Hao等[6]調(diào)查了中國多聯(lián)機能效標準在2005—2015年期間的節(jié)電和二氧化碳減排情況，并建議每4年或5年修訂一次標準。Lu Wei[7]建立基準期能耗、能源效益等級等指標，并據(jù)此評價了GB 19577—2004和GB 19576—2004標準下的空調(diào)系統(tǒng)對環(huán)境影響，結果表明，實施中央空調(diào)節(jié)能標準能顯著降低空調(diào)能耗，減少污染。針對不同的制冷量，國家先后制修訂定了GB 21454—2008《多聯(lián)式空調(diào)(熱泵)機組能效限定值及能源效率等級》[8]、GB/T 18837—2015《多聯(lián)式空調(diào)(熱泵)機組》[9]，采用了SEER、APF、IPLV(僅針對水冷式多聯(lián)機)和EER(energy efficiency ratio，制冷能效比)等評價參數(shù)進行多方位對比，加速了多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)的進步。

然而，現(xiàn)行的多聯(lián)機能效標準并不能完全滿足節(jié)能環(huán)保的要求。研究集中在多聯(lián)機能效標準的分析和發(fā)展趨勢上。中國地域廣闊，不同區(qū)域具有明顯的降水和熱量差異[10]，多聯(lián)機能效標準分區(qū)的合理性及存在的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)值得探討。針對上述問題，本文從地理環(huán)境的角度出發(fā)，結合國內(nèi)外多聯(lián)機能效標準，討論并分析了多聯(lián)機能效標準分區(qū)的合理性、優(yōu)勢與挑戰(zhàn)，對修訂多聯(lián)機能效標準、減少溫室氣體排放及減少資源損耗具有一定的參考價值。

1 國外多聯(lián)機能效標準

為了提升多聯(lián)機性能，減少能源消耗，各國開展了制定多聯(lián)機能效標準與評價指標，日本制定了JRA 4048[11]空調(diào)器年度性能指標，提出APF作為評價多聯(lián)機系統(tǒng)的重要指標；美國頒布了10 CFR Part 430[12]行業(yè)標準，并根據(jù)氣候進行了分區(qū)；歐盟制定了EN 14825[13]標準，介紹了SEER和SCOP的詳細計算方法，本文將結合各國地理環(huán)境對上述標準進行對比和總結。

1.1 日本多聯(lián)機能效標準

日本的變頻空調(diào)最為普及，其空調(diào)能效水平一直居于世界前列。2001年，日本提出多聯(lián)式空調(diào)器年度性能標準JRA 4048∶2001[14]，本標準率先使用APF作為評價多聯(lián)機系統(tǒng)的指標。2006年，日本國家標準JIS B8616∶2005《單元式空調(diào)器》[15]引用該評價方法，并與2015年發(fā)布標準修訂版JIS B8616∶2015[16]，JIS B8616詳細闡述了APF能效指標的計算方法。該標準以東京作為溫度設置標準，商鋪：每周7天，每天7:00—21:00，每年5—10月，環(huán)境溫度21 ℃以上為空調(diào)制冷時間；每年11月—次年4月，環(huán)境溫度15 ℃以下為空調(diào)制熱時間；辦公建筑：每周6天，每天8:00—20:00，每年4—11月，環(huán)境溫度18 ℃以上為空調(diào)制冷時間；每年11月—次年4月，環(huán)境溫度12 ℃以下為空調(diào)制熱時間。

APF針對空調(diào)變頻后，使用單一工況的EER和COP(coefficient of performance，性能系數(shù))不能完全客觀反映空調(diào)實際效率的問題，通過計算一年總熱量轉移量與總耗能功率的比值進行評價，計算如式(1)所示。

APF=(CSTL+HSTL)/(CSTE+HSTE)

(1)

式中：CSTL為全年制冷總負荷，W·h；HSTL為全年制熱總負荷，W·h；CSTE為全年空調(diào)制冷消耗總功率，W·h；HSTE為全年空調(diào)制熱消耗總功率，W·h。CSTL作為評價指標的計算關鍵，其標準測試條件如表1所示。

表1 日本CSTL、HSTL指標測試工況

1.2 美國多聯(lián)機能效標準

美國AHRI 1230—2014 Add 1《變制冷劑流量多聯(lián)式空調(diào)和熱泵設備性能標準》[17]規(guī)定：對于名義制冷量小于19 kW的家用多聯(lián)機采用季節(jié)能效比SEER/HSPF評估性能，對于大于19 kW的商用多聯(lián)機則采用綜合能效比IEER取代傳統(tǒng)的綜合部分負荷性能系數(shù)IPLV(AHRI 340/360—2007[18]標準規(guī)定)來評價其季節(jié)運行性能。

SEER為空調(diào)器進行運行時從室內(nèi)除去的熱量總和與消耗電量的總和之比。其考慮空調(diào)在不同環(huán)境溫度下的運行時間、制冷量和能耗，計算方法更接近實際(定頻機組SEER計算方法如式(2)所示，變頻機組SEER計算方法如式(3)所示)。

SEER=(1-0.5CD)EERB

(2)

式中：CD為效率降低系數(shù)，默認值為0.25；EERB為在ARI標準中規(guī)定的能效測試工況B中測得的能效比(ARI 210/240—2008[19]規(guī)定的測試工況如表2所示)，將室外溫度設置為27.8 ℃(27.8 ℃為美國常年數(shù)據(jù)室外溫度均值)。

表2 能效比測試工況(ARI 210/240標準)

(3)

HSPF與SEER相對，其定義為制熱季節(jié)期間，空調(diào)器進行熱泵制熱運行時，送入室內(nèi)的熱量總和與消耗電量的總和之比。在計算HSPF的過程中，美國劃分了6個廣義氣候區(qū)。每個區(qū)域都有獨立的運行時間和室外設計溫度，提高了評價指標的準確性。

IEER(integrated energy efficiency ratio，綜合能效比)用于評價工商用空調(diào)機和熱泵設備部分負荷能效的單一數(shù)值的指標，基于被測設備在不同負荷工況下加權的EER，計算式如式(4)所示。

IEER=0.020A+0.617B+0.238C+0.125D

(4)

式中：A、B、C、D分別為100%、75%、50%、25%負荷時標準額定工況下的EER。

美國地域廣闊，東北部為溫帶氣候，冬季寒冷，夏季溫和多雨；中部處于大陸性氣候，夏季炎熱；西部則是高原干燥氣候，年溫差較大，其空調(diào)系統(tǒng)能效標準也與當?shù)貧夂驐l件密切相關[20]。10 CFR Part 430將美國劃分為3個氣候區(qū)(東南(干熱)、西南(濕熱)和北方)，每個區(qū)的HDD(heating degree days，采暖度日數(shù))按照當區(qū)的每年制冷小時數(shù)和相對濕度進行加權計算，其中東南和西南地區(qū)HDD<5 000，而北方HDD≥5 000。針對19 kW以下單相電的家用中央空調(diào)，考慮到不同分區(qū)的氣候條件區(qū)別顯著，標準規(guī)定了不同的最低SEER指標，如表3所示，使評價尺度更為合理。

表3 美國家用中央空調(diào)(單相)最低SEER

1.3 歐盟多聯(lián)機能效標準

歐盟整體氣候變化相似，陸地區(qū)域主要為溫帶大陸性氣候，沿海區(qū)域主要為溫帶海洋性氣候和地中海氣候[21]，其多聯(lián)機能效標準根據(jù)氣候分區(qū)統(tǒng)一規(guī)劃為一個區(qū)。2009年，歐盟EN 14825標準指出，使用SEER與SCOP(seasonal coefficient of performance，制熱季節(jié)能源消耗率)代替單一的能效比EER，SEER和SCOP的計算式如式(5)～式(6)所示。

(5)

(6)

式中:Qc為制冷季節(jié)建筑需求總制冷負荷,W·h；Qh為制熱季節(jié)建筑需求總制熱負荷，W·h；SEERon指整個制冷季節(jié)制冷運行時的能源消耗效率；SCOPon指整個制熱季節(jié)制熱運行模式下的季節(jié)能源消耗效率(包括輔助電加熱工作狀態(tài))；PTO、PSB、PCK、POFF分別為機組在恒溫模式、待機模式、曲軸箱加熱模型和關機模式的電功率，W；HTO、HSB、HCK、HOFF為機組在恒溫模式、待機模式、曲軸箱加熱模型和關機模式的時間，h。

相比于美國，歐盟在SEER和SCOP的計算上方法上更加全面，考慮了大量輔助功耗(油加熱器、恒溫器關閉、備用和關閉模式)。此外，SEERon與SCOPon需要通過實驗和插值的方式計算24～26種工況下對應的制冷需求和EER，每種工況擁有不同的部分負載率和室外干球溫度，因此該標準能更為精準的反映歐盟整體空調(diào)的實際效率。

2 氣候區(qū)域對中國多聯(lián)機能效標準的影響探討

我國疆域遼闊，地形復雜，根據(jù)溫度劃分為5個氣候區(qū)(寒冷地區(qū)、嚴寒地區(qū)、溫和地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū))。各氣候區(qū)溫度差異顯著，如嚴寒地區(qū)最低月平均氣溫小于10 ℃，最高月平均小于25 ℃；夏熱冬暖地區(qū)最低月平均溫度高于10 ℃，最高月平均溫度范圍為25～29 ℃[22]?，F(xiàn)行的多聯(lián)機能效標準以南京為代表城市，以辦公建筑為代表建筑進行計算，其他城市及建筑類型參照執(zhí)行[23]。

GB/T 18837—2015《多聯(lián)機空調(diào)(熱泵)機組》規(guī)定了不同類型多聯(lián)機的評價指標，其中風冷式多聯(lián)機采用季節(jié)能效比(SEER)和全年能源消耗效率(APF)進行評價，以ISO 16358[24]標準計算模型。水冷式多聯(lián)機采用IPLV(C)進行評價。IPLV(C)(制冷綜合性能系數(shù)，integrated part load value(cooling))是用一個單一數(shù)值表示空調(diào)機的部分負荷效率值?；贕B/T 17758—2010[25]規(guī)定的工況，通過加權計算空調(diào)機組在部分負荷下運行時間的EER得到：

IPLV(C)=2.3%A+41.5%B+46.1%C+10.1%D

(7)

式中：A、B、C、D分別為100%、75%、50%、25%負荷時的EER，此處部分負荷百分數(shù)計算基準為名義制冷量(明示值)。A、B、C、D這4種負荷下水冷式空調(diào)機試驗工況如表4所示。

表4 水冷式空調(diào)機組EER試驗工況(GB/T 17758標準)

表5總結了各國多聯(lián)機標準、主要評價指標與氣候特點的關系，日本、歐盟整體氣候相似，為了使各指標能更公正的評價各地區(qū)的多聯(lián)機性能，通過對不同地區(qū)、不同工況的空調(diào)性能進行加權來獲得一個全國/地區(qū)的統(tǒng)一標準。美國地域復雜，不同地區(qū)之間氣候變化顯著。美國在對不同工況多聯(lián)機性能進行加權的同時，采用分區(qū)的方式，對不同地區(qū)規(guī)定了不同的室外溫度、運行時間和最低標準，從而使評價指標更為客觀。中國區(qū)域特點類似于美國，氣候變化更加復雜，氣候區(qū)域不同，產(chǎn)品對應不同環(huán)境溫度性能也不同，此外，我國目前多聯(lián)機采用的3種主要評價指標(SEER、HSPF和IPLV(C))均與環(huán)境溫度的發(fā)生小時數(shù)有關。通過分區(qū)的方式，對不同地區(qū)的多聯(lián)機空調(diào)采用不同的測試工況，是提升多聯(lián)機能效指標的準確度可行的方法。

表5 能源效率等級對應的制冷綜合性能系數(shù)指標

3 中國多聯(lián)機能效標準分區(qū)的利弊

隨著國內(nèi)專家學者對多聯(lián)機系統(tǒng)的了解逐步深入，進一步優(yōu)化多聯(lián)機系統(tǒng)性能標價指標的任務日益重要，施行標準分區(qū)能減少地區(qū)溫差不平衡帶來的影響，是提高能效指標準確度的一個新思路。

3.1 多聯(lián)機能效標準分區(qū)的收益

1)適應不同地區(qū)、不同氣候的制冷/熱需求。我國國土遼闊，各地氣候差異顯著，如武漢、上海地區(qū)屬于亞熱帶季風氣候，夏季高溫多雨、冬季低溫少雨；新疆、內(nèi)蒙古地區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，全年干旱少雨；海南、三亞等地則屬于熱帶季風氣候，全年高溫。張國輝等[26]對我國辦公建筑用多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)能耗進行調(diào)研，結果表明，寒冷地區(qū)多聯(lián)機在制熱季的能耗約占全年能耗的60%；夏熱冬冷區(qū)制冷季的能耗約占全年能耗的50%，制熱季能耗占比在29%～40%之間；在夏熱冬暖地區(qū)，多聯(lián)機的制冷季能耗占比在80%以上。由此可知，不同氣候地區(qū)制冷/熱能耗差異較大，若實行標準分區(qū)，為每個區(qū)域制定獨立的實驗工況和基準指標，能使得能效標準適應不同地區(qū)、不同氣候和建筑的制冷/熱需求，提升指標的準確性。

2)規(guī)范評價尺度，減少區(qū)域差異。目前，多聯(lián)機的性能效指標種類較多，不同地區(qū)之間的氣候差異較大，吳成斌等[27]在我國相關標準給定的氣象參數(shù)和建筑負荷模型條件下，對4套多聯(lián)機系統(tǒng)進行35個工況的制冷與制熱性能試驗，結果表明，基于GB/T 18837—2002[28]或根據(jù)中國氣象數(shù)據(jù)構造的IPLV(C)比“基準SEER/SCOP”偏大較多，最大偏差接近15%?；鶞使r與系統(tǒng)實際運行工況具有一定偏差，不同地區(qū)多聯(lián)機空調(diào)的性能指標難以反映產(chǎn)品的實際性能。

現(xiàn)行標準GB 21455—2019《房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級》[29]規(guī)定了房間空氣調(diào)節(jié)器能效等級標準值(表6)。相比于美國ANSI/AHRI 1230[30]標準，考慮地區(qū)氣候差異對能效評級的影響，通過多聯(lián)機能效標準分區(qū)，是使得現(xiàn)行標準評價指標更加精準、客觀的舉措之一。

表6 房間空氣調(diào)節(jié)器能效等級指標值

3)降低空調(diào)能耗，帶動產(chǎn)業(yè)升級

GB/T 18837—2015《多聯(lián)機空調(diào)(熱泵)機組》從標準評價體系一致性角度考慮，風冷式多聯(lián)機采用APF評價體系、水冷式多聯(lián)機采用IPLV評價體系。為保障多聯(lián)機系統(tǒng)在我國不同氣候區(qū)均能高效運行，同時降低成本，針對不同氣候區(qū)域采用適宜的技術方案是今后提升多聯(lián)機性能指標的重要方向。標準分區(qū)的探討或將提高多聯(lián)機設計水平，促進節(jié)能減排，改善工作和生活環(huán)境，對引導相關工程標準和產(chǎn)品標準的提升具有重要作用。

3.2 多聯(lián)機能效標準分區(qū)的弊端

1)精確分區(qū)困難

我國5個氣象分區(qū)主要是：夏熱冬暖(華南)、夏熱冬冷(長江中下游)、溫和(云貴)、寒冷地區(qū)(華北和黃河中下游、西藏)嚴寒地區(qū)(東北、西北)。各地多聯(lián)機系統(tǒng)室外工況條件即氣象條件不同，建筑類型不同，存在不同的多聯(lián)機性能域，目前還沒有關于不同地區(qū)多聯(lián)機運行工況的標準。是否按照氣象分區(qū)設計多聯(lián)機能效標準分區(qū)，如何精確設計分區(qū)標準，仍需深入研究。

2)企業(yè)成本增加

GB 21454—2008《多聯(lián)機能效標準》規(guī)定了多聯(lián)機機組的制冷綜合性能系數(shù)(IPLV(C))限定值、節(jié)能評價值、能源效率等級的判定方法，并針對不同的制冷量規(guī)定了能效限定值與制冷綜合性能系數(shù)指標。多聯(lián)機能效標準分區(qū)將改變現(xiàn)有能效等級評價體系，重新劃分市場。企業(yè)需要重新設計實驗，淘汰原有老舊機型，增加了投資成本。

4 思考與探討

中國地域廣闊，氣候復雜，不同區(qū)域之間溫度、環(huán)境差異顯著，國內(nèi)現(xiàn)行的多聯(lián)機能效評價體系未能納入這一影響因素。本文對比了各國現(xiàn)行的多聯(lián)機能效標準和其對應的氣候環(huán)境，從理論與實驗的角度研究中國標準分區(qū)或不分區(qū)的利弊，主要思考如下：

1)中國區(qū)域特點類似于美國，具有5大氣候分區(qū)，溫度變化更加明顯。多聯(lián)機能效主要評價指標(SEER、HSPF和IPLV(C))均與環(huán)境溫度的發(fā)生小時數(shù)有關，通過分區(qū)進行能效評價是多聯(lián)機能效標準研究的一個新思路。

2)通過分區(qū)的方式，對不同地區(qū)的多聯(lián)機空調(diào)采用不同的測試工況，是提升多聯(lián)機能效指標的準確度可行的方法。然而，真實施行多聯(lián)機能效標準分區(qū)存在諸多問題(如：如何精確分區(qū)；如何配置分區(qū)溫度；如何減少企業(yè)測試成本)，仍需要更深入具體的研究。

本文從能效標準分區(qū)的角度出發(fā)，為多聯(lián)機能效標準研究引出了一個新思路。能效標準的改善對提高多聯(lián)機能效、推動國家長期建設具有重要意義，期望眾多暖通制冷領域學者和企業(yè)積極參與，從理論與實驗的角度研究標準分區(qū)或不分區(qū)的利弊，共同推動產(chǎn)業(yè)進步。