不同气候区域对多联机空调能效标准指标的影响

2021-04-17陈焕新曾宇柯成建宏邵双全张建强张梦华

制冷学报 2021年2期

陈焕新曾宇柯成建宏邵双全张建强陈进张梦华

(1 华中科技大学能源与动力工程学院武汉 430074；2 中国标准化研究院北京 100086；3 大金(中国)投资有限公司技术开发研究院上海 201108；4 珠海格力电器股份有限公司珠海 519070)

建筑能耗在生产生活中占比极大。在中国，建筑能耗占总能耗的20%，其中约40%为暖通空调能耗[1]。为了遏制暖通空调能耗的飞速增长，研发高效、可靠的空调系统是行之有效的重要举措。多联机具有能耗低、热舒适性高、安装便捷等优势，其市场规模不断扩大[2]。多联机在中国商用空调市场居于首位，总销售额超过300亿[3]。欧洲多联机空调的销量增长了7%，达到216 135台[4]。

随着多联机系统的发展与普及，对多联机产品性能评价的研究逐渐受到重视。多联机系统节能特性体现在部分负载工况下，不同工况对多联机系统的运行性能影响较大。因此，各国都根据自身天气与地区特点设计了各自适应的多联机能效标准。美国针对能力在19 kW以下的单相电多联机，考虑变频调速特性、室外环境、冷热负荷及使用习惯设计了季节评价指标：SEER(seasonal energy efficiency ratio，制冷季节能源消耗效率)和HSPF(heating seasonal performance factor，制热季节能源消耗效率)。日本Top Runner计划采用年度性能因子APF(annual performance factor，全年能源消耗效率)[5]作为多联机系统的能效评价指标，APF综合考虑了制冷、制热能效与季节性能源利用效率，反映了空调产品全年的运行性能，对比结果更为直观。

近20年来，我国逐步开展了关于多联机能效标准和能效标识的研究工作。Yu Hao等[6]调查了中国多联机能效标准在2005—2015年期间的节电和二氧化碳减排情况，并建议每4年或5年修订一次标准。Lu Wei[7]建立基准期能耗、能源效益等级等指标，并据此评价了GB 19577—2004和GB 19576—2004标准下的空调系统对环境影响，结果表明，实施中央空调节能标准能显著降低空调能耗，减少污染。针对不同的制冷量，国家先后制修订定了GB 21454—2008《多联式空调(热泵)机组能效限定值及能源效率等级》[8]、GB/T 18837—2015《多联式空调(热泵)机组》[9]，采用了SEER、APF、IPLV(仅针对水冷式多联机)和EER(energy efficiency ratio，制冷能效比)等评价参数进行多方位对比，加速了多联机空调系统的进步。

然而，现行的多联机能效标准并不能完全满足节能环保的要求。研究集中在多联机能效标准的分析和发展趋势上。中国地域广阔，不同区域具有明显的降水和热量差异[10]，多联机能效标准分区的合理性及存在的优势与挑战值得探讨。针对上述问题，本文从地理环境的角度出发，结合国内外多联机能效标准，讨论并分析了多联机能效标准分区的合理性、优势与挑战，对修订多联机能效标准、减少温室气体排放及减少资源损耗具有一定的参考价值。

1 国外多联机能效标准

为了提升多联机性能，减少能源消耗，各国开展了制定多联机能效标准与评价指标，日本制定了JRA 4048[11]空调器年度性能指标，提出APF作为评价多联机系统的重要指标；美国颁布了10 CFR Part 430[12]行业标准，并根据气候进行了分区；欧盟制定了EN 14825[13]标准，介绍了SEER和SCOP的详细计算方法，本文将结合各国地理环境对上述标准进行对比和总结。

1.1 日本多联机能效标准

日本的变频空调最为普及，其空调能效水平一直居于世界前列。2001年，日本提出多联式空调器年度性能标准JRA 4048∶2001[14]，本标准率先使用APF作为评价多联机系统的指标。2006年，日本国家标准JIS B8616∶2005《单元式空调器》[15]引用该评价方法，并与2015年发布标准修订版JIS B8616∶2015[16]，JIS B8616详细阐述了APF能效指标的计算方法。该标准以东京作为温度设置标准，商铺：每周7天，每天7:00—21:00，每年5—10月，环境温度21 ℃以上为空调制冷时间；每年11月—次年4月，环境温度15 ℃以下为空调制热时间；办公建筑：每周6天，每天8:00—20:00，每年4—11月，环境温度18 ℃以上为空调制冷时间；每年11月—次年4月，环境温度12 ℃以下为空调制热时间。

APF针对空调变频后，使用单一工况的EER和COP(coefficient of performance，性能系数)不能完全客观反映空调实际效率的问题，通过计算一年总热量转移量与总耗能功率的比值进行评价，计算如式(1)所示。

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

(1)

式中：CSTL为全年制冷总负荷，W·h；HSTL为全年制热总负荷，W·h；CSTE为全年空调制冷消耗总功率，W·h；HSTE为全年空调制热消耗总功率，W·h。CSTL作为评价指标的计算关键，其标准测试条件如表1所示。

表1 日本CSTL、HSTL指标测试工况

1.2 美国多联机能效标准

美国AHRI 1230—2014 Add 1《变制冷剂流量多联式空调和热泵设备性能标准》[17]规定：对于名义制冷量小于19 kW的家用多联机采用季节能效比SEER/HSPF评估性能，对于大于19 kW的商用多联机则采用综合能效比IEER取代传统的综合部分负荷性能系数IPLV(AHRI 340/360—2007[18]标准规定)来评价其季节运行性能。

SEER为空调器进行运行时从室内除去的热量总和与消耗电量的总和之比。其考虑空调在不同环境温度下的运行时间、制冷量和能耗，计算方法更接近实际(定频机组SEER计算方法如式(2)所示，变频机组SEER计算方法如式(3)所示)。

SEER=(1-0.5CD)EERB

(2)

式中：CD为效率降低系数，默认值为0.25；EERB为在ARI标准中规定的能效测试工况B中测得的能效比(ARI 210/240—2008[19]规定的测试工况如表2所示)，将室外温度设置为27.8 ℃(27.8 ℃为美国常年数据室外温度均值)。

表2 能效比测试工况(ARI 210/240标准)

(3)

HSPF与SEER相对，其定义为制热季节期间，空调器进行热泵制热运行时，送入室内的热量总和与消耗电量的总和之比。在计算HSPF的过程中，美国划分了6个广义气候区。每个区域都有独立的运行时间和室外设计温度，提高了评价指标的准确性。

IEER(integrated energy efficiency ratio，综合能效比)用于评价工商用空调机和热泵设备部分负荷能效的单一数值的指标，基于被测设备在不同负荷工况下加权的EER，计算式如式(4)所示。

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

(4)

式中：A、B、C、D分别为100%、75%、50%、25%负荷时标准额定工况下的EER。

美国地域广阔，东北部为温带气候，冬季寒冷，夏季温和多雨；中部处于大陆性气候，夏季炎热；西部则是高原干燥气候，年温差较大，其空调系统能效标准也与当地气候条件密切相关[20]。10 CFR Part 430将美国划分为3个气候区(东南(干热)、西南(湿热)和北方)，每个区的HDD(heating degree days，采暖度日数)按照当区的每年制冷小时数和相对湿度进行加权计算，其中东南和西南地区HDD<5 000，而北方HDD≥5 000。针对19 kW以下单相电的家用中央空调，考虑到不同分区的气候条件区别显著，标准规定了不同的最低SEER指标，如表3所示，使评价尺度更为合理。

表3 美国家用中央空调(单相)最低SEER

1.3 欧盟多联机能效标准

欧盟整体气候变化相似，陆地区域主要为温带大陆性气候，沿海区域主要为温带海洋性气候和地中海气候[21]，其多联机能效标准根据气候分区统一规划为一个区。2009年，欧盟EN 14825标准指出，使用SEER与SCOP(seasonal coefficient of performance，制热季节能源消耗率)代替单一的能效比EER，SEER和SCOP的计算式如式(5)～式(6)所示。

(5)

(6)

式中:Qc为制冷季节建筑需求总制冷负荷,W·h；Qh为制热季节建筑需求总制热负荷，W·h；SEERon指整个制冷季节制冷运行时的能源消耗效率；SCOPon指整个制热季节制热运行模式下的季节能源消耗效率(包括辅助电加热工作状态)；PTO、PSB、PCK、POFF分别为机组在恒温模式、待机模式、曲轴箱加热模型和关机模式的电功率，W；HTO、HSB、HCK、HOFF为机组在恒温模式、待机模式、曲轴箱加热模型和关机模式的时间，h。

相比于美国，欧盟在SEER和SCOP的计算上方法上更加全面，考虑了大量辅助功耗(油加热器、恒温器关闭、备用和关闭模式)。此外，SEERon与SCOPon需要通过实验和插值的方式计算24～26种工况下对应的制冷需求和EER，每种工况拥有不同的部分负载率和室外干球温度，因此该标准能更为精准的反映欧盟整体空调的实际效率。

2 气候区域对中国多联机能效标准的影响探讨

我国疆域辽阔，地形复杂，根据温度划分为5个气候区(寒冷地区、严寒地区、温和地区、夏热冬冷地区和夏热冬暖地区)。各气候区温度差异显著，如严寒地区最低月平均气温小于10 ℃，最高月平均小于25 ℃；夏热冬暖地区最低月平均温度高于10 ℃，最高月平均温度范围为25～29 ℃[22]。现行的多联机能效标准以南京为代表城市，以办公建筑为代表建筑进行计算，其他城市及建筑类型参照执行[23]。

GB/T 18837—2015《多联机空调(热泵)机组》规定了不同类型多联机的评价指标，其中风冷式多联机采用季节能效比(SEER)和全年能源消耗效率(APF)进行评价，以ISO 16358[24]标准计算模型。水冷式多联机采用IPLV(C)进行评价。IPLV(C)(制冷综合性能系数，integrated part load value(cooling))是用一个单一数值表示空调机的部分负荷效率值。基于GB/T 17758—2010[25]规定的工况，通过加权计算空调机组在部分负荷下运行时间的EER得到：

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

(7)

式中：A、B、C、D分别为100%、75%、50%、25%负荷时的EER，此处部分负荷百分数计算基准为名义制冷量(明示值)。A、B、C、D这4种负荷下水冷式空调机试验工况如表4所示。

表4 水冷式空调机组EER试验工况(GB/T 17758标准)

表5总结了各国多联机标准、主要评价指标与气候特点的关系，日本、欧盟整体气候相似，为了使各指标能更公正的评价各地区的多联机性能，通过对不同地区、不同工况的空调性能进行加权来获得一个全国/地区的统一标准。美国地域复杂，不同地区之间气候变化显著。美国在对不同工况多联机性能进行加权的同时，采用分区的方式，对不同地区规定了不同的室外温度、运行时间和最低标准，从而使评价指标更为客观。中国区域特点类似于美国，气候变化更加复杂，气候区域不同，产品对应不同环境温度性能也不同，此外，我国目前多联机采用的3种主要评价指标(SEER、HSPF和IPLV(C))均与环境温度的发生小时数有关。通过分区的方式，对不同地区的多联机空调采用不同的测试工况，是提升多联机能效指标的准确度可行的方法。

表5 能源效率等级对应的制冷综合性能系数指标

3 中国多联机能效标准分区的利弊

随着国内专家学者对多联机系统的了解逐步深入，进一步优化多联机系统性能标价指标的任务日益重要，施行标准分区能减少地区温差不平衡带来的影响，是提高能效指标准确度的一个新思路。

3.1 多联机能效标准分区的收益

1)适应不同地区、不同气候的制冷/热需求。我国国土辽阔，各地气候差异显著，如武汉、上海地区属于亚热带季风气候，夏季高温多雨、冬季低温少雨；新疆、内蒙古地区属于温带大陆性气候，全年干旱少雨；海南、三亚等地则属于热带季风气候，全年高温。张国辉等[26]对我国办公建筑用多联机空调系统能耗进行调研，结果表明，寒冷地区多联机在制热季的能耗约占全年能耗的60%；夏热冬冷区制冷季的能耗约占全年能耗的50%，制热季能耗占比在29%～40%之间；在夏热冬暖地区，多联机的制冷季能耗占比在80%以上。由此可知，不同气候地区制冷/热能耗差异较大，若实行标准分区，为每个区域制定独立的实验工况和基准指标，能使得能效标准适应不同地区、不同气候和建筑的制冷/热需求，提升指标的准确性。

2)规范评价尺度，减少区域差异。目前，多联机的性能效指标种类较多，不同地区之间的气候差异较大，吴成斌等[27]在我国相关标准给定的气象参数和建筑负荷模型条件下，对4套多联机系统进行35个工况的制冷与制热性能试验，结果表明，基于GB/T 18837—2002[28]或根据中国气象数据构造的IPLV(C)比“基准SEER/SCOP”偏大较多，最大偏差接近15%。基准工况与系统实际运行工况具有一定偏差，不同地区多联机空调的性能指标难以反映产品的实际性能。

现行标准GB 21455—2019《房间空气调节器能效限定值及能效等级》[29]规定了房间空气调节器能效等级标准值(表6)。相比于美国ANSI/AHRI 1230[30]标准，考虑地区气候差异对能效评级的影响，通过多联机能效标准分区，是使得现行标准评价指标更加精准、客观的举措之一。

表6 房间空气调节器能效等级指标值

3)降低空调能耗，带动产业升级

GB/T 18837—2015《多联机空调(热泵)机组》从标准评价体系一致性角度考虑，风冷式多联机采用APF评价体系、水冷式多联机采用IPLV评价体系。为保障多联机系统在我国不同气候区均能高效运行，同时降低成本，针对不同气候区域采用适宜的技术方案是今后提升多联机性能指标的重要方向。标准分区的探讨或将提高多联机设计水平，促进节能减排，改善工作和生活环境，对引导相关工程标准和产品标准的提升具有重要作用。

3.2 多联机能效标准分区的弊端

1)精确分区困难

我国5个气象分区主要是：夏热冬暖(华南)、夏热冬冷(长江中下游)、温和(云贵)、寒冷地区(华北和黄河中下游、西藏)严寒地区(东北、西北)。各地多联机系统室外工况条件即气象条件不同，建筑类型不同，存在不同的多联机性能域，目前还没有关于不同地区多联机运行工况的标准。是否按照气象分区设计多联机能效标准分区，如何精确设计分区标准，仍需深入研究。

2)企业成本增加

GB 21454—2008《多联机能效标准》规定了多联机机组的制冷综合性能系数(IPLV(C))限定值、节能评价值、能源效率等级的判定方法，并针对不同的制冷量规定了能效限定值与制冷综合性能系数指标。多联机能效标准分区将改变现有能效等级评价体系，重新划分市场。企业需要重新设计实验，淘汰原有老旧机型，增加了投资成本。