长江流域夏热冬冷、全年高湿, 绝大部分属于非集中供暖地区。随着该地区城镇化建设的加速, 居民对供暖的需求越来越高。住宅供暖的技术路线很多, 必须因地制宜[1]。由于房间空调器是一种制冷、供暖一体化的设备, 且安装、操作简便, 故在长江流域得到了广泛应用, 并逐年增长。

　　 我国能源供应紧缺, 其中建筑供暖空调是耗能大户之一[2]。为保证室内热舒适并强化节能意识, 国家对公共建筑已出台了空调使用设定温度标准[3], 有力地推动了公共建筑的节能步伐。对于采用房间空调器的住宅, 特别是长江流域的住宅, 目前虽有一些调研成果指出该地区室内热舒适性与其地域、生活习惯相关, 也给出了该地区的一些室内温度、室外温度的分布与人员空调使用行为[4-11], 但这些成果都是以问卷调研的方式获得的, 不仅样本量较少, 而且主观因素偏多, 故空调器的客观使用状态、室内环境参数及空调器运行时的室外环境参数 (非气象参数) 并不十分明确。为研发适用于该地区的高效房间空调器, 必须探明该地区空调器运行时的实际热环境, 但传统的问卷调研方法已无法满足其需求。

　　 随着物联网的快速发展, 调研方式也逐渐多样化。文献[12-14]指出了网络法和大数据调研的优势与可应用的场合, 它不仅能弥补传统调研方法的缺陷, 而且不影响用户体验;采用物联网大数据进行统计量化分析, 可以更客观地认识不同地区室内人员的复杂调控行为及对建筑热环境和能耗的定量需求, 以指导适应不同地区的房间空调器的开发及空调器使用能耗管控。然而, 目前尚缺乏针对长江流域住宅空调的行为习惯、空调运行热环境参数及耗电量等方面的大数据分析或报告, 为此, 本文针对该问题进行研究, 以期为长江流域建筑供暖空调解决方案和相应系统的研发提供数据支持[15]。

　　 通过空调器本身携带的温度传感器和Wi-Fi技术, 以及电量检测和物联网智慧家居云平台技术, 在对用户不进行任何干涉的条件下, 对长江流域住宅中8.9万台在线空调器2015年10月1日至2016年9月30日一年中待机与运行时连续采集并上传的4 462万次数据样本进行分析, 从而获得该地区客观真实的室内温度、空调运行室外温度、使用情况、耗电量等数据, 以弥补传统问卷调查与抽样测试的不足, 探明长江流域住宅空调器的使用和运行情况。

　　 1) 被统计的空调器的容量和服务面积。空调器的实际用户为住宅用户, 适用面积分别为:26机型, 11~17m²;32机型, 14~21m²;35机型, 15~23m²;51机型, 26~36m²;72机型, 35~49m²。

　　 2) 温度传感器的类型与精度。室内外机组环境温度测试采用了相同的温度传感器, 其相关参数为:负温度系数的热敏感半导体电阻器;材料常数B值为4 100K, 25℃零功率电阻值为10kΩ, 绝缘电阻100MΩ (500V) , 耐压1min (1 500V交流电、50Hz) ;量程-30~105℃, 采样分辨率±0.1℃。

　　 3) 温度采样位置。室内温度采样位置为室内机的回风口, 室外温度采样位置为室外机的回风口。

　　 4) 空调器的供电方式。采用室内供电, 室内机通电后持续采集室内热环境参数。开机运行时, 室外机供电继电器吸合, 室外机才通电;在待机状态下, 室外机处于断电状态。换言之, 通过控制器采集和上传的室外温度数据即可判断空调器是否运行。

　　 基于上述数据来源、采集途径与数据样本进行数据处理与分析。由于物联网大数据的量级巨大, 为简化计算, 将采集数据先利用大数据平台, 根据研究需求在云端处理成不同维度的小数据包导出, 再采用常规数据分析工具, 进行人工分析与归一化处理 (以便给出各参数的分布情况) , 以图表形式客观、直接地给出数据分析结果。

　　 在分析过程中, 需要考察制冷、制热与过渡季节, 采用如下方式将全年 (2015年10月1日至2016年9月30日) 划分为3个季节:过渡季为2015年10月和2016年4—5月, 制冷季为2016年6—9月, 制热季为2015年11月至2016年3月;进而统计分析空调器的使用状态, 包括制冷、制热运行的时刻、时长及空调器运行时的室内外温度和能耗等信息。

　　 房间空调器的使用状态信息主要包括空调器停机与运行记录的状态参数 (室内温度、室内相对湿度、室外温度、运行模式、运行频率等) 、设置功能的运行状态 (风速、风向、定时开、定时关、睡眠、屏显、干燥、清洁及其他功能的启闭状态) 、记录的行为习惯 (设定温度、设定模式、设定风速、使用时刻、运行时长等) 、运行所消耗的电量。下面将选取室内温度 (含空调器运行时和不运行时) 、空调器运行时的室外温度、每天各时刻的同时使用率、每天的运行时长和耗电量几个参数, 从宏观层面来分析长江流域住宅用房间空调器一年的使用状态和耗电量。

　　 对于空调器而言, 运行室外温度与气象温度不等同, 明确空调器运行时的室外温度分布对空调器的能耗分析调控有重要意义, 同时对空调器的能力、能效设计及可靠性设计也至关重要。在对大数据平台跟踪监控的房间空调器运行时的监测数据进行统计后, 按照对全年的3个季节划分, 分别给出空调器在各季节典型运行时长 (过渡季9h, 制冷季742h, 制热季173h) 下的室外温度分布, 如图1所示。

　　 图1a显示:长江流域住宅在过渡季也会使用空调器, 但是其运行时长相比其他2个季节非常短, 空调器主要在制冷季使用;且该地区过渡季空调器运行时的室外温度主要集中在15~31℃之间, 此工况下空调器能效较好。因此过渡季的空调器能耗并非考察重点, 可以忽略。

　　 进一步考察该地区对空调器设计影响较大的2个季节———制冷季与制热季, 对大数据平台采集存储的数据进行归一化统计, 查看其运行分布。

　　 由图1b可以看出:长江流域住宅空调器制冷运行时室外温度分布区间为20~50℃, 主要集中在25~37℃ (约占制冷总时间的87%) 。一方面, 绝大部分室外温度低于GB/T 7725—2004《房间空气调节器》[16]与JJF 1261.4—2014《转速可控型房间空气调节器能源效率标识计量检测规则》[17]规定的额定制冷工况的室外温度35℃, 有利于房间空调器能力与能效的发挥。另一方面, 37~40℃之间的占比仍然不小, 已超过GB 12021.3—2010《房间空气调节器能效限定值及能效等级》[18]中的能效主要考核室外温度35℃和GB 21455—2013《转速可控型房间空气调节器能效限定值及能源效率等级》[19]中的能效计算最高温度38℃, 说明已有的评价标准无法全面真实地反映该地区空调器运行的实际能效。因此, 在产品设计时需将37~40℃的温度区间纳入能效设计工况考虑。

　　 虽然该地区40℃以上高温相对偏少 (约占3%) , 对制冷季能效比的影响并不显著, 但仍要将该高温区间作为该地区空调器制冷运行的高温工况考虑, 以确保空调器的可靠性。从投入效益最大化角度考虑, 应对此极端的高温室外环境最好的措施是改善空调器的安装环境, 故应向建筑设计人员建议, 设计时应预留合理的空调器安装位置, 以确保室外机的散热效果。

　　 由图1c可以看出:长江流域住宅空调器制热运行时室外温度范围为-9~25℃, 主要集中在0~10℃ (占总制热时间的76%) , 0℃以上的比例达90%, -3℃以上的比例达97%, 说明空调器在超低温工况下的运行时间不长, 当前采用空调器供暖理论上可以满足需求。对于长江流域的空调器, 其制热能力与能效设计需充分考虑室外低温区出现的时长及占比, -3℃以下的超低温可以不做重点考虑, 但需将-3~0℃的室外温度纳入制热能力与能效设计时应考虑的重要因素。

　　 综合长江流域住宅空调器运行的室外温度统计分析可以得到:1) 空调器运行时的室外温度区间很广 (-9~50℃) , 已超出了人们对该地区的气象认知。事实上, 极高与极低的室外温度并不是真实的气象数据, 主要是空调器室外机安装位置通风不畅使得室外机散热不良所导致的。2) 从空调器运行期间的室外温度分布看, 在过渡季、制冷季与制热季均呈现出正态分布, 其峰值对应的室外温度分别为23, 29, 7℃。3) 制冷季空调器的运行时间远长于制热季与过渡季, 过渡季几乎不使用空调器, 空调器运行的室外温度主要集中在26~35℃之间。4) 该地区的空调器制冷季与制热季各室外温度的发生时间与GB 21455—2013《转速可控型房间空气调节器能效限定值及能源效率等级》有明显出入, 采用该标准无法全面真实地反映该地区房间空调器全年实际运行能耗水平。

　　 为了客观得出该地区安装有空调器的住宅的室内热环境整体情况, 依据长江流域房间空调器自带温度传感器采集的室内温度数据, 按照对全年3个季节的划分, 分别统计出过渡季2 160h、制冷季2 880h、制热季3 600h的室内温度分布 (包含空调器运行与不运行) , 如图2所示。

　　 由图2可以看出:长江流域装有房间空调器的住宅中室内温度分布区间很宽, 为0~37℃, 与文献[20]针对该地域内有代表性的重庆地区的调查研究中提到的室内温度最高37℃的情况也一致, 说明目前长江流域住宅的室内温度在一年中波动很大, 但又主要集中在22~31℃之间 (占比约78%) 。根据ASHRAE 55-2013[21]和ISO 7730:2005[22]、GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[23]、JGJ 134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》[24]、GB/T 50785—2012《民用建筑室内热湿环境评价标准》[25]中规定的室内舒适度范围16 (18) ~28℃进行判断, 长江流域装有空调器的住宅的室内温度全年有约70%的时段位于热舒适区内, 有约30%的时段处于不舒适区, 其中室内温度低于16℃的时段约占10%, 高于28℃的时段约占20%。

　　 由图2a可以看出:该地区住宅过渡季的室内温度处于GB/T 50785—2012《民用建筑室内热湿环境评价标准》规定的舒适区间16~28℃的时段占到了97%, 故不需要空调和供暖, 因此过渡季空调器运行时间非常短。

　　 由图2b可以看出:该地区住宅制冷季的室内温度分布区间为19~37℃, 其中位于24~28℃之间的时段约占64%, 位于29~30℃之间的时段约占20%。在此前针对长江流域一些地区的问卷调查与现场测试研究表明, 人们对29~30℃的室内环境也有较好的满意度 (其中, 江浙地区对30℃室内环境的可接受度达到80%左右) [26-27];还有一些研究成果表明, 室内设定温度每提高1℃可以节能5%~23%[28-30]。在房间空调器设计时可充分利用这2个特点优化控制空调器, 以实现空调器的节能运行。因此, 对于大数据平台获得的室内温度在29~30℃之间的时段占20%的数据值得重视, 有必要深入挖掘、监控与调研分析, 以进一步证实人们对30℃室内温度的可接受性, 为长江流域的房间空调器设计提供指导。

　　 由图2c可以看出:长江流域住宅制热季的室内温度主要分布在9~24℃之间 (占79%) , 其中9~15℃的时段占38%, 高于24℃的时段占14%, 低于9℃的时段占7%。若按GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》和GB/T 50785—2012《民用建筑室内热湿环境评价标准》提出的16℃, 或JGJ 134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》提出的18℃作为供暖舒适性室内温度设计下限, 那么长江流域住宅室内热环境仍有接近45%的时段不能满足热舒适性要求, 然而该地区住宅制热季空调器制热运行的时间并不长。这是因为现行标准的基础数据来源于传统的调研结果, 受传统调研方法存在的局限性与主观性的影响, 其基础数据并非绝对准确;加之该地区仍有冬季户外劳作、增减衣物、烤火等局部取暖御寒等生活习惯, 导致空调器使用率低;该地区的问卷调研与现场测试结果也显示室内温度13~14℃具有较高接受度[31-32]。故此次制热季室内温度区间9~15℃占比很大, 需要引起重视。又根据文献[33]的研究结果, 供暖室内温度每降低1℃, 其能耗可减小10%, 若可进一步降低供暖室内舒适性温度, 该地区的空调器供暖会有一定的节能潜力。因此, 为确切了解该地区制热季的舒适温度, 有必要配合大范围的入户调查, 进行更全面地综合判断, 以便为能耗定额的舒适性供暖提供定量的数据支撑。

　　 对比图2b, c, 该地区制热季的室内温度分布比制冷季分散, 说明制热季室内温度影响因素较多。值得注意的是, 在制热季室内温度仍有超过30℃的情况, 这可能与太阳辐射、室内采用了其他供暖方式等因素有关, 并非完全是通过空调器供暖达到的室内温度。

　　 为了明确当前住宅使用空调器可带来的舒适性改善效果, 需要进一步分析空调器开启与关闭时室内温度的分布情况。由室外温度统计可知, 空调器全年运行924h, 占全年总时间的比例偏小, 且制热运行时间与制热季不运行时间相差悬殊。在此为表述分析的直观, 将空调器运行与不运行时的室内温度分布分别归一化统计, 在一个图中进行对比, 来分析空调器开启前后的室内温度变化趋势。由于过渡季空调器运行时间很短, 此处忽略不计。经过统计获得制冷季与制热季空调器运行与不运行时的室内温度分布情况, 如图3所示。

　　 由图3a可以看出:制冷季空调器运行时的室内温度分布区间为19~32℃, 与不运行时的室内温度分布区间21~36℃相比明显变窄, 温度向低温区移动, 变得更加集中, 主要集中在24~28℃之间, 满足ASHRAE 55-2013和ISO 7730:2005, 以及JGJ 134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》和GB/T 50785—2012《民用建筑室内热湿环境评价标准》中的室内舒适温度区间要求。且整个温度区间几乎全部落在GB/T 50785—2012《民用建筑室内热湿环境评价标准》中的动态热舒适评价指标范围内, 说明该地区在制冷季空调器运行后住宅室内舒适度控制效果明显改善。

　　 由图3b可以看出:制热季空调器运行时的室内温度分布区间为5~35℃, 与不运行时的室内温度分布区间0~34℃相比略窄, 温度向高温区移动, 且主要温度分布区间有明显变化。空调器不运行时的室内温度主要集中在7~20℃ (占85%) , 低于16℃的占60%;空调器运行时的室内温度主要集中15℃以上 (占85%) , 温度平均提高约12℃, 大部分能够满足GB/T 50785—2012《民用建筑室内热湿环境评价标准》中室内舒适温度区间要求。说明该地区在制热季采用房间空调器进行供暖基本上可以满足居民舒适性要求。

　　 综合长江流域住宅室内温度统计分析可以得到:1) 过渡季室内热环境较好, 无需空调或供暖;2) 在现有空调器制冷与供暖辅助下, 全年约70%的时间室内温度可以满足热舒适的要求, 但全年总体室内热环境相对比较复杂, 尤其是制热季的热舒适性还需要进一步结合调研进行论证;3) 采用空调器夏季制冷、冬季制热可以明显改善该地区夏季与冬季的室内热舒适度。

　　 对于住宅空调器而言, 空调器的使用习惯 (包括运行的时刻与运行时长) 对空调器的能耗影响很大。

　　 长江流域住宅空调器在过渡季使用时间很短, 对全年的耗电量影响很小, 因此此处的使用习惯分析主要考察制冷季与制热季, 将大数据平台所记录的该地区所有住宅空调器的运行时刻进行统计, 得到该地区住宅空调器制冷季与制热季每天各时刻的同时使用率分布情况, 结果如图4所示。

　　 由图4a可以看出:该地区住宅空调器制冷季每天各时刻的同时使用率不超过8% (说明一个家庭很少同时使用所有空调器, 且有很多家庭虽然安装了空调器但不使用) , 同时使用率最高的时刻主要发生在11:00以后, 挂机 (主要安装在卧室、书房和面积较小的客厅) 与柜机 (主要安装在客厅) 均有2个开机高峰, 且均在晚上达到最高使用率。挂机晚上使用率明显比白天高, 约是白天的2倍, 其2个使用高峰分别出现在12:00—14:00和21:00—01:00, 可见, 除炎热的正午外, 在晚上睡觉时卧室空调器的使用概率较高;柜机的使用高峰分别出现在11:00—14:00和19:00—23:00, 人们晚上看电视等休闲时段客厅空调器的使用概率较高;制冷季柜机在下午的使用率是挂机的2倍左右, 由于该时段是一天中气温相对偏高的时段, 因此制冷季柜机的整体使用能效相对挂机会偏低。

　　 由图4b可以看出:该地区住宅制热季挂机与柜机集中在晚上时段使用, 挂机在20:00—24:00使用率较高, 而柜机在18:00—22:00使用率较高, 柜机比挂机提前2h左右出现高峰并且使用率超过了挂机, 说明制热季用户在睡觉或睡着前开启空调器取暖的人数较多, 制热季的空调器使用高峰也出现在晚上, 与人的基本生活规律和活动区域有关。

　　 前面提到, 空调器的耗电量, 不仅与一天中的使用时刻有关, 还与使用时长强相关, 因此接下来进一步分析该地区住宅空调器每天的运行时长情况。与前面的使用时刻分析对应, 仍然按制冷季与制热季进行统计, 结果如图5所示。

　　 由图5a可以看出:该地区住宅制冷季挂机每天的使用时间比柜机长, 尤其是一天中使用时长在8h以上的挂机远多于柜机。从运行时长分布上看, 挂机与柜机均是每天使用1~3h左右的设备占比最大, 柜机比挂机更明显;但挂机每天使用7~10h的设备占比明显高于柜机, 结合图4a中每天各时刻的同时使用率, 进一步说明用户在制冷季夜间睡眠时更愿意使用卧室空调器。

　　 由图5b可以看出:该地区住宅制热季柜机与挂机每天的使用时长分布相当。一天中均是使用时长在1~2h左右的设备占比最大, 均超过16%, 其中挂机达到了23%左右, 说明冬季采用热泵制热对用户很重要。但一天中使用时长为1~2h的挂机占比高于柜机, 使用时长为3~6h的柜机占比高于挂机, 使用时长为7h以上的挂机与柜机占比都非常少。

　　 综合长江流域住宅空调器的使用习惯分析可以得到:1) 很少有全天开启家中所有空调器的用户, 几乎所有用户都具有“部分时间、部分空间”的空调或供暖行为;2) 空调器的使用时间相对集中在18:00—23:00之间, 柜机比挂机提前2h出现使用高峰, 夏季在12:00—14:00之间有一个小峰值;3) 相对而言, 挂机平均每天使用时间长于柜机。

　　 基于以上的使用环境与行为习惯, 依据大数据平台采集的该地区住宅空调器实际耗电量数据及不同容量空调器所服务的空调面积, 对长江流域住宅空调器的单位面积全年 (包括制冷季与制热季) 平均耗电量 (分别根据不同机型服务面积的最大值和最小值计算) 与最大耗电量进行统计分析, 结果如图6, 7所示。由图6可以看出:35机型及以下挂机单位面积年平均耗电量在7~12kW·h/ (m²·a) 之间, 51柜机的单位面积年平均耗电量在13~19kW·h/ (m²·a) 之间;不同机型的空调器年平均耗电量按最大与最小服务面积计算均有不小于3kW·h/ (m²·a) 的差异, 最大差异可达6kW·h/ (m²·a) , 这可能与服务面积不够准确及建筑结构存在差异等原因有关。

　　 由图7可以看出:26机型空调器的单位面积年最大耗电量达到了140kW·h/ (m²·a) , 远大于年平均耗电量, 说明各地区住宅的围护结构和不同人群的空调器使用习惯差异很大, 需对这些建筑进行节能改造, 并努力引导人们的行为节能习惯。

　　 为进一步明确该地区住宅空调器全年耗电量的分布情况, 将单位面积全年平均最大耗电量按季节与按月进行统计, 结果分别如图8, 9所示。

　　 由图8可以看出:长江流域住宅不同机型空调器制冷季的单位面积平均耗电量都明显高于制热季和过渡季 (其中过渡季的耗电量可以忽略不计) , 且随着空调器容量的增大, 制热季的单位面积平均耗电量相应增加, 制冷季的单位面积平均耗电量变化规律不明显, 但51机型空调器的制冷季单位面积平均耗电量最大, 说明其使用率较高或使用时间相对较长。

　　 由图9可以看出:一年中各种机型空调器逐月单位面积耗电量峰值出现在制冷季的7—8月, 其次是制热季的1—2月和制冷季的6, 9月。说明目前该地区居民在炎热的夏季对空调器的依赖性更强。

　　 1) 长江流域住宅空调器全年室外运行温度超出一般气象认知, 设计该地区的空调器时, 需综合考虑制冷季与制热季各温度发生时间分布, 重点要考虑制冷运行时的变工况性能和效率及极端工况下的空调器可靠性, 为节能和可靠性设计选择适宜的工况。

　　 2) 长江流域住宅全年总体室内热环境相对比较复杂, 尤其是制热季的热舒适性还需要进一步结合调研进行论证。但是过渡季室内热环境较好, 无需空调或供暖;空调器运行夏季制冷、冬季制热可以明显改善该地区夏季与冬季的室内热舒适度。

　　 3) 长江流域住宅几乎所有用户使用空调器都具有“部分时间、部分空间”的空调或供暖行为;空调器的使用时间相对集中在18:00—23:00, 柜机比挂机提前2h出现使用高峰, 夏季在12:00—14:00有一个小峰值;相对而言, 挂机平均每天使用时间长于柜机。

　　 4) 住宅空调器单位面积耗电量与机型和使用面积相关, 目前该地区房间空调器的单位面积年平均耗电量一般不超过12kW·h/ (m²·a) , 但各机型空调器在不同使用环境与行为习惯下的耗电量差异也很大, 最大耗电量可达到140kW·h/ (m²·a) 。所有机型空调器制冷季的耗电量均大于制热季, 耗电量最大的月份为制冷季的7月与8月。