多联机空调 (热泵) 系统 (本文简称多联机) 具有控制灵活、部分负荷性能好、安装管理方便等优点, 在国内发展近20年, 已广泛应用于中、小型商用建筑及部分大型办公建筑和大面积居住建筑中, 成为集中式空调系统的主要形式之一。

　　 多联机的能耗状况是行业关注的重点, 已有学者开展了系统节能设计[1]和能耗模拟[2-4]等工作, 但系统的节能性必须用实际能耗数据才能客观描述。由于多联机的能耗监测设备投入成本较大, 且用户出于对数据保护等原因, 目前未见大量公开的实测数据。本文通过安装能耗分户计量仪器, 对不同气候区采用多联机的7栋办公建筑进行长期的能耗监测, 并根据历年的能耗数据和气象参数[5], 分析了我国多联机在不同气候区办公建筑中的能耗水平和特点, 供多联机研发、设计和应用参考。

　　 20世纪90年代末期, 我国多联机开始应用, 随着技术研发和市场推广的深入, 多联机产业得到了快速发展。据统计:2005年, 我国多联机的市场销售额仅为34亿元, 在集中式空调市场中占比11.5%;而在2016年, 多联机的市场销售额达到320亿元, 约为2005年市场销售额的9.4倍[6]。图1给出了2016年多联机等产品的市场占有率对比情况。多联机在集中式空调市场销量的占比达到了47.0%, 其中, 在办公商用建筑和家装零售市场中的占有率分别为25.1%和21.9%。

　　 为了探明多联机在办公建筑中的实际运行能耗情况, 笔者对位于不同气候区的多联机系统进行了为期1年以上的能耗监测。

　　 考虑多联机在我国不同地域市场规模的现状, 选取了分别位于寒冷地区的唐山和青岛, 夏热冬冷地区的南京、上海和长沙, 夏热冬暖地区的福州和深圳的7栋办公建筑, 对其多联机系统能耗进行了实测。

　　 所调研的办公建筑相关信息见表1。由于部分建筑的部分楼层为酒吧等商业用途, 故在统计时, 仅对办公楼层的空调面积进行统计, 这些建筑的空调面积为0.9万~5.5万m², 建筑高度为24~260m。

　　 考虑7栋办公建筑的空调作息习惯等因素, 室内外机的配比率约在95%~105%之间。根据项目实际情况, 室外机设置在裙房屋面、主楼楼顶、避难层和设备间等场所。为避免室外机组进、排风气流短路, 部分空调系统采用专门的排风罩。室内机包括四面出风嵌入式、风管式等形式。所采用的新风系统包括全热交换器和直接膨胀式新风机组2种类型。建筑B的裙房 (1~3层) 和建筑E的部分楼层 (1~5层) 使用直接膨胀式新风机组, 而其他建筑和区域均使用全热交换器对新风进行预处理。由于直接膨胀式新风机组的使用量较少, 其耗电量对整个空调系统的能耗影响不大, 因而实测的多联机能耗数据基本反映了整栋办公建筑空调系统的能耗水平。

　　 在现场安装AMC-16型电能监控测试仪 (电能精度为1.0级) , 并通过其监测控制系统每天记录1次多联机系统的耗电量, 进行了1年以上的测量, 获得了多联机在这7栋办公建筑中的实际能耗数据。采用图解法对数据进行统计分析, 即利用各种统计图揭示数据分布特征, 挖掘数据蕴含的基本信息。

　　 本文主要采用盒形图的形式分析办公建筑多联机的能耗特性。盒形图中包含了5个统计量:最小值、第一四分位数 (Q₁, 矩形盒的下端边) 、中位数 (矩形盒的内部线段) 、第三四分位数 (Q₃, 矩形盒的上端边) 与最大值[7]。温和异常值, 用“〇”表示, 数据系列平均值用“□”表示。

　　 不同气候区7栋办公建筑多联机的逐月能耗强度如图2所示, 制热季、制冷季、过渡季的划分见表2。

　　 图2a给出了寒冷地区所调研办公建筑的多联机系统能耗强度的逐月变化情况。寒冷地区的建筑负荷以冬季热负荷为主, 其中, 全年的最冷月为1月。相应地, 多联机逐月能耗强度的最大值也出现在1月, 其中位数约为7.2kW·h/ (m²·月) 。

　　 由图2b可知:在夏热冬冷地区的最冷月 (1月) 和最热月 (7月) , 多联机的逐月能耗中位数分别约为5.2, 6.1kW·h/ (m²·月) 。一方面夏热冬冷地区的冬季存在较大的供暖需求, 另一方面冬季高湿的气候特点使得风冷多联机容易在结除霜工况下运行, 多联机在冬季的能耗强度接近夏季。

　　 从图2c中可看出:夏热冬暖地区办公建筑的多联机制冷季逐月能耗最大值出现在8月, 其中位数达到7.4kW·h/ (m²·月) 。此外, 即使在该地区, 办公建筑中也有一定的供暖需求。

　　 在逐月能耗基础上, 统计7栋办公建筑在制热季、制冷季和过渡季的能耗分布比例, 结果如图3所示。在寒冷地区, 办公建筑多联机制热季的能耗约占全年能耗的60%, 制冷季的能耗约占全年能耗的28%;在夏热冬冷地区, 办公建筑多联机制冷季的能耗约占全年能耗的50%, 而制热季的能耗占比约为29%~40%, 其能耗比例的不同与制热季空调的使用时长、外界环境参数等差异密切相关;夏热冬暖地区的多联机, 其能耗以制冷季为主, 占比均在80%以上。其中建筑F在1月份仍存在供暖需求, 其制热能耗约为全年能耗的5%。

　　 需要说明的是, 从所调研的7栋办公建筑来看, 过渡季仍消耗了10%~20%的能源。其原因可能是:1) 由于本文划分的过渡季和多联机实际运行的模式 (制冷或制热) 存在差异, 为获得室内舒适环境, 仍有部分房间使用空调;2) 多联机在过渡季节会产生一定的非工作能耗 (运行回油循环等) 。建议在过渡季采用合理通风等方式, 缩短多联机的运行时长, 进一步减少空调能耗。

　　 通常情况下, 制冷 (制热) 运行时, 室外环境参数影响多联机系统的冷凝 (蒸发) 温度和负荷率, 导致实际运行能耗存在差异。相对于室外环境参数, 室内环境的温湿度变化范围较小, 因而对系统能耗的影响较小。

　　 通过统计7栋建筑在测试年份的室外日平均温度, 得到了制热季和制冷季不同室外日平均温度下多联机逐日能耗强度总体分布, 见图4。制热季室外日平均温度划分区间分别为:≤-2.5℃、 (-2.5℃, 2.5℃]、 (2.5℃, 7.5℃]、 (7.5℃, 12.5℃]和>12.5℃;制冷季的室外日平均温度的划分区间分别为≤17.5℃、 (17.5℃, 22.5℃]、 (22.5℃, 27.5℃]、 (27.5℃, 30.5℃]和>30.5℃。各温度区间的多联机逐日能耗强度的样本数记为N。

　　 由图4a可以看出:在制热季, 随着室外温度降低, 各区间多联机能耗强度的中位数和平均数逐渐增加; (7.5℃, 12.5℃]区间能耗强度的中位数为0.093kW·h/ (m²·d) , 而≤-2.5℃区间的中位数为0.235kW·h/ (m²·d) 。

　　 从图4b中可以看出:在制冷季, 随着室外温度升高, 各区间多联机能耗强度的中位数和平均数逐渐增加; (17.5℃, 22.5℃]区间能耗强度的中位数为0.068kW·h/ (m²·d) , 而>30.5℃区间的中位数为0.251kW·h/ (m²·d) 。

　　 从样本数在各区间的分布情况来看, 制热季约有28.3%的时间温度在高于7.5℃的区间, 制冷季约有18.6%的时间温度在低于22.5℃的区间, 这与办公建筑部分人员在休息日加班的行为相关。从所调研的7栋办公建筑的多联机能耗结果来看, 休息日 (周六和周日) 的能耗比例约在15.7%~23.8%之间。

　　 以寒冷地区的办公建筑B和夏热冬冷地区的办公建筑D为例, 说明多联机在制冷季的能耗强度随测试年份的变化情况, 图5给出了测试结果。

　　 由图5a可以看出:办公建筑B在2007年投入使用, 前4年多联机的制冷季能耗强度不断增加, 在2010年达到14.2kW·h/m², 但在2011年有所减小。办公建筑B投入使用时, 用户入住率约为70%, 制冷季能耗强度仅为9.5kW·h/m²;之后入住率逐渐增加, 2009年达到90%, 此后稳定在90%以上。结合不同年份制冷季的室外平均温度进行分析, 2007—2009年制冷季的室外平均温度逐渐降低, 而能耗强度却不断增加, 说明前3年的人员入住率是影响多联机能耗的主要因素;当入住率基本稳定后, 2010年制冷季的室外平均温度为25.1℃, 相应的能耗强度也出现峰值;2011年制冷季室外平均温度约降低1.1℃, 使得其能耗强度有所减小。

　　 位于夏热冬冷地区的建筑D的入住率一直在95%以上。从图5b可以看出:对于同一栋建筑而言, 围护结构的热工参数相同, 人员的空调使用习惯变化不大, 制冷季能耗强度与该年度的制冷季室外平均温度呈正相关关系。其中, 2010年上海在8月份出现高温天气, 月平均温度为31.1℃, 仅8月份的能耗强度就达到约10.2kW·h/ (m²·月) ;而2009年和2011年上海8月份的平均气温分别为28.3, 28.4℃, 其相应的能耗强度分别约为4.1, 5.0kW·h/ (m²·月) 。

　　 为了能够更为客观地分析全国办公建筑的能耗水平, 在本文所调研的7栋办公建筑基础上, 结合文献[8-10]的数据, 统计了19栋位于不同气候区的办公建筑的多联机能耗强度, 见图6。

　　 总体而言, 各办公建筑的多联机能耗强度在20~50kW·h/ (m²·a) 之间, 折合标准煤为6.5~16.4kg/ (m²·a) , 平均能耗强度为13.0kg/ (m²·a) 。根据清华大学建筑节能研究中心的调研[11]分析可知, 我国大型办公建筑的空调能耗为15~80kW·h/ (m²·a) , 折合标准煤为4.9~26.2kg/ (m²·a) , 取中间值为15.6kg/ (m²·a) (清华大学建筑节能研究中心统计时, 将夏热冬冷地区公共建筑的供暖能耗纳入到建筑能耗内统一研究) 。按照大、中规模热电联产的热源形式, 我国北方城镇供暖的平均建筑耗热量下的一次能耗约为9kg/ (m²·a) [12], 则估算在寒冷地区办公建筑空调系统的全年一次能源消耗量为24.5 kg/ (m²·a) 。相对于集中式空调系统, 多联机具有明显的节能效果。

　　 由图6可以看出:多联机在面积小于2万m² (中小型建筑) 和大于2万m² (大型建筑) 的建筑中的能耗强度与建筑面积没有明显的关联关系。这是由于在体量较大的建筑中, 多联机分层设置在设备间、裙楼屋顶等场所, 使得单套系统的服务面积较小, 室内外机配管长度也能保证在合理的范围内, 因此多联机的性能衰减较小, 也能发挥其行为节能和部分负荷性能的优势, 相对于传统集中式空调系统具有良好的节能效果。

　　 1) 对办公建筑而言, 多联机在寒冷地区最冷月的能耗强度的中位数约为7.2kW·h/ (m²·月) , 制热季能耗约占全年能耗的60%;在夏热冬冷地区, 最热月的能耗强度的中位数约为6.1kW·h/ (m²·月) , 制冷季能耗是全年能耗的50%左右, 制热季能耗比例为29%~40%;在夏热冬暖地区, 最热月的能耗强度的中位数为7.4kW·h/ (m²·月) , 制冷季的能耗比例在80%以上。

　　 2) 在建筑投入使用的初期, 多联机的能耗与用户入住率密切相关;当用户入住率基本不变时, 室外环境温度对多联机的能耗强度影响显著。此外, 在过渡季, 多联机有能耗, 约占全年能耗的10%~20%, 因此, 在过渡季应采用合理通风等方式, 以缩短多联机的运行时长。

　　 3) 结合文献数据资料, 19栋办公建筑的多联机年能耗强度分布表明, 办公建筑中多联机系统的能耗强度在20~50kW·h/ (m²·a) 之间, 折合标准煤为6.5~16.4kg/ (m²·a) ;即使面积2万m²以上体量较大的建筑, 也可通过分层设置室外机等方式应用, 相比传统集中式空调系统仍具有良好的节能效果。

　　 从多联机的市场规模现状来看, 今后应进一步关注居住建筑、酒店建筑中多联机的实际能耗情况。应重视开展现场条件下多联机的制冷 (热) 量测试, 研究系统的实际运行性能, 探明用户行为和产品效率对多联机能效影响的原因, 为多联机产品研发和系统设计提供更为有效的数据支撑。