对我国城镇住宅空调发展方向的思考

对我国城镇住宅空调发展方向的思考总装备部工程设计研究总院李兆坚清华大学江亿摘要住宅空调应走分散式空调还是集中式空调的发展道路？这是目前争论较大的一个重要问题。本文从运行能耗和费用、经济性、环境影响、资源消耗、舒适性等方面，对住宅分体空调和集中空调方式进行综合比较分析，认为分体空调仍然是目前最经济实惠、节能环保、适合中国国情的住宅空调方式，我国住宅空调应坚持走分散式空调的发展道路。关键词城镇住宅空调方式集中空调分散式空调综合比较我国城镇住宅建筑面积巨大、增长迅速,随着国民经济的长期高速增长、人民生活水平的快速提高，我国城镇居民空调消费需求呈现爆炸性增长趋势，近十年我国城镇住宅空调器拥有量增加了16倍［1-3］，如何防止城镇住宅空调能耗的过快增长？这是我国建筑节能工作亟待解决的一个重要课题。以往我国住宅基本上都是采用分体空调方式，十多年前，人们开始探索户式空调方式，一些高档住宅选择了户式空调。近年来，分体空调和户式空调方式似乎均无法满足人们对高品质空调的消费需求，集中空调成为了住宅空调的热点。在研究方面,不少专家认为集中空调的美观性好、舒适性高，而且集中空调系统冷机的能效比大大高于分体空调器，由此认为采用集中空调方式可以大幅度减少住宅空调能耗，得出了“空调集中度越高、其能耗越低，我国城镇住宅空调应走集中空调的发展道路”的推论。在工程应用方面,恒温恒湿的“高舒适”集中空调成为一些房地产开发项目的卖点，越来越多的高档住宅采用了“高档”的集中空调，一些住宅小区采用了集中度更高的区域供冷。但笔者对一些住宅楼空调能耗的调查发现住宅集中空调的实际运行能耗大大高于分体空调，一些采用了集中空调的节能样板楼却成为空调能耗大户，那么究竟哪一种住宅空调方式最节能？我国城镇住宅空调应走何种技术发展道路？这是一个亟待研究解决、意义重大的课题，因为如果出现技术发展方向的失误将可能造成严重损失，因此有必要对这一问题进行分析探讨。1不同住宅空调方式的实际运行能耗调查对比1.1调查对象概况为了了解不同住宅空调方式的实际能耗状况，2006年和2007年，笔者对北京市采用不同空调方式的一些住宅楼的空调能耗进行调查分析，其中4栋为高层住宅，它们分别采用了分体空调、户式空调和集中空调三种不同的空调方式，因此具有较好的可比性和代表性，本文以这四栋住宅楼的2006年的调查结果进行对比分析，这四栋楼的基本情况见表1。其中D楼采用集中空调方式，它是2005年新建成的节能样板楼，建筑保温性能很好，外墙传热系数仅为0.4W/(m2.K),优于北京市现行住宅节能标准［4］的要求，外窗采用双层断热中空Low-e膜玻璃窗，并且全部设置了外遮阳，空调系统采用了先进的温湿度独立控制的集中空调系统，并采用了辐射空调、排风热回收、无风机冷却塔、水泵和风机变频控制等众多先进的节能技术和设备，运行调控状况良好。表1调查对象基本情况住宅代号总建筑面积／m22总层数户均建筑面积／mm2建成时间住宅性质总户数空调方式常住率/%建筑物达到的节能标准A11146181031996年普通住宅108分体空调941988年标准B27220261412003年高档住宅192分体空调841997年标准C27489261322004年高档住宅207户式空调（多联机）881997年标准D29120262802005年高档住宅104集中空调54优于2006年标准1.2调查方法和结果对于采用分体空调和户式空调方式的住宅楼，采用逐户抄表调查分析的方法进行住宅空调能耗调查。将住户的夏季总耗电量减去基础耗电量，拆分得到各住户的夏季空调耗电量，基础耗电量按春秋过渡季的住户耗电量的平均值计算。对于采用集中空调的住宅楼则直接采用空调系统的分项计量电度表进行空调能耗调查分析。调查分析结果见表2。表2全楼有效样本户空调平均能耗状况调查分析结果住宅编号有效样本户数户均空调器台数空调普及率%户均空调耗电量／／（kWh）年总耗电指标/（kWh／m2）空调耗电指标/（kWh／m2）空调电耗与总耗电电之比／%A1082.69714017.531.367.75B1733.19942016.432.9818.13C189/10069520.595.2325.38D102/100555324.1419.8382.13注：本文的能耗指标均按建筑面积计算。1.3调查结果分析B，C，D楼为同一个高档住宅小区的3栋高层住宅楼，它们的总层数均为26层，总建筑面积基本相同，属于典型的高密度住宅，它们分别采用了不同的空调方式，因此这三栋楼具有较好的可比性。尽管采用集中空调的D楼的建筑保温性能大大优于B楼和C楼，并采用了大量的节能技术，而且入住率只有54%，但调查结果表明，D楼的空调能耗指标大大高于采用分体空调方式的B楼，这4栋楼的空调平均能耗指标的比例关系为：B楼（分体空调）：C楼（户式空调）：D楼（集中空调）＝1：1.8：6.7A楼（分体空调）：D楼（集中空调）=1：14.6可见集中空调方式的空调能耗指标最高，分体空调方式的空调能耗指标最低，住宅空调集中度越高，其空调能耗指标也越高；户式空调方式的能耗显著高于分体空调。即使对于城镇高密度高档住宅，采用集中空调也会使住宅夏季空调能耗增加6～7倍，而对于普通住宅楼则可使空调能耗增加十多倍！2住宅集中空调方式能耗高的原因分析为了找出住宅集中空调方式的运行能耗大大高于分体空调的原因，笔者对D楼集中空调系统夏季空调能耗组成进行了分析，结果见图1。由图1可以看出，该集中空调系统仅水泵一项的耗电指标就高达7.6kWh/m2，占系统总能耗的38%，集中空调方式仅水泵能耗就大大超过了分体空调方式的空调总能耗，分别是采用分体空调方式的A楼和B楼空调耗电指标的5.6倍和2.6倍，而集中空调系统的制冷机的能耗只占系统总能耗的49.5%。通过分析发现，住宅集中空调方式的运行能耗大大高于分体空调方式的主要原因有两个：1）集中空调系统的综合能效比并不比分体空调高。图1D楼集中空调系统能耗组成图尽管集中空调制冷机的额定能效比大大高于房间空调器，但集中空调系统的冷水泵、冷却水泵、风机、冷却塔等其他用能设备的能耗所占比例较大；而且冷冻水泵消耗的电能转化为热能，大部分加热了冷冻水，这会增加空调冷水机组的冷负荷，从而使冷水机组耗电量增加、能效比下降；另外集中空调系统还要考虑庞大的冷水系统管网的冷损失。综合考虑这些因素，集中空调系统的综合能效比通常与普通分体空调器相当，而且会低于能效等级较高的节能分体空调器。图1D楼集中空调系统能耗组成图2）集中空调方式无法充分发挥出住户行为节能的潜力，因此实际运行能耗高。图2A楼分体空调住户空调能耗指标分布状况图2是A楼各住户的空调能耗指标分布图，由图2可以看出，采用分体空调的住宅楼各住户之间的空调能耗差异很大，空调能耗的集中度高。大多数住户的空调能耗指标低于平均值，但少数空调能耗大户的空调能耗大大超过平均值，达到平均值的5～8倍。这说明住宅空调的不同住户的空调消费需求差异巨大，大多数采用分体空调住户的空调能耗水平很低，空调行为节能潜力很大。另外住宅空调需求的显著特点是：在时间上具有间歇性和不同时性，在空间上具有局部性。采用分体空调方式可以方便地适应不同住户的不同空调需求，以及住宅空调的局部性、不同时性和间歇性的特点，可以充分发挥出住户的行为节能潜力，因此空调器通常是短期间歇运行的，通过各住户的调控，可以自动实现住宅楼部分时间和局部空间的空调。但采用集中空调方式，则只能按照需求最大的情况来运行，难以充分发挥出住户行为节能的潜力，因此住宅集中空调通常是连续运行的，而且是长时间在很低的负荷率下运行，系统实际能效很低，虽然可以采用变频调节等调控手段提高系统调控性能，但在很低的负荷率下，其调控的节能效果十分有限。无法充分发挥出住户巨大的行为节能潜力，这是造成集中空调方式的运行能耗大大高于分体空调方式的最重要因素。图2A楼分体空调住户空调能耗指标分布状况3对住宅分体空调方式的再认识3.1运行能耗前面的实际调查结果表明住宅分体空调方式的实际运行能耗远低于集中空调和户式空调方式，住宅分体空调方式的实际运行能耗只有集中空调方式的5％～15％。近年来随着空调器节能技术快速发展，分体空调器的能效比也不断提高，目前1级节能空调器的额定能效比通常可以达到3.4~4，直流变频等节能技术也日趋成熟，这使得空调器的综合运行能效比大幅度提高，能耗进一步下降。3.2经济性分体空调器价格低廉，即使按全部主要房间均设置价格较高的节能型空调器计算，分体空调方式投资也远低于户式空调和集中空调方式，在这种对分体空调方式不利的极端情况下，分体空调方式的投资通常也只有户式空调和集中空调方式的40％～50％，而按目前居民的实际装机情况计算，采用分体空调方式的投资远低于这一数据。而且由于其运行能耗大大低于集中空调和户式空调方式、几乎不需要维护费用，因此其运行费用也远低于集中空调和户式空调方式。一些实际调查结果显示，住宅分体空调的运行费用通常不到集中空调方式的10％，集中空调方式的管理维护费用通常就高于分体空调的总费用。3.3美观性图3B住宅楼局部外观照片（分体空调）目前确实有不少建筑的空调器室外机对建筑美观性造成了不利的影响，但这并不是分体空调方式的错，而是建筑和暖通专业并没有很好地协调来考虑和解决这一问题。实际上，分体空调室外机美观性问题通过适当装饰的方法并不难解决，这方面有不少成功的实例。图3就是采用分体空调的建筑，由该图可见，通过适当装饰，空调室外机对建筑美观性并没有什么不良影响。但如何对空调器室外机进行合理装饰，既满足美观性的要求，又不影响空调器的能效和性能，这是需要引起注意的问题。图3B住宅楼局部外观照片（分体空调）3.5空气品质在室内空气质量方面，没有证据表明采用分体空调一定会比采用集中空调更容易得空调病，分体空调的新风供应问题可以采用适当开窗等简单方法来解决。而集中空调新风系统的风管较长，清洗不便，二次污染通常比较严重，送出来的往往并不是清洁的新风，另外新风集中长距离输送的能耗也较高。3.6舒适性在舒适性方面，分体空调方式可以达到集中空调所能达到的任何夏季室内温湿度环境，而且与集中空调相比，更容易实现室内温度的个性化调控，更好地满足不同居民对空调舒适性的不同需求，因此其舒适性并不比集中空调差。不少人认为分体空调启停控制的室温波动很大，因此舒适性差，为此，笔者专门做了一些实测对比，结果表明，分体空调器启停控制时室温波动范围通常不超过2℃，与集中空调方式基本相当。虽然，集中空调方式可以提供四季如春的恒温恒湿空调环境，这是目前分体空调方式难以做到的，但长期处于恒温恒湿的环境中，缺乏环境参数变化的刺激，这对人体的健康也是不利的，而以数倍甚至是十多倍的能耗代价来获取这种高舒适性的空调环境，这是得不偿失的，也不符合可持续发展的要求。舒适性空调的“以人为本”不能只考虑空调用户的舒适性，也应考虑空调对公众利益的损害，更要考虑可持续发展问题；不仅要考虑营造舒适的室内环境，也要考虑对室外生态环境的不利影响。3.7资源消耗采用集中空调方式、提高空调集中度，能否使空调设备的材料消耗和生产能耗减少？笔者对此进行了详细的实例计算分析，结果表明，由于集中空调系统输配系统的耗材量较大，因此集中空调方式的材料消耗量和生产能耗也显著大于分体空调方式。在三种住宅空调方式中，分体空调方式的材料消耗量和生产能耗也是最小的，集中空调方式的材料消耗量和生产能耗通常比分体空调方式高20％～30％。3.8环境影响由于住宅分体空调的运行能耗、生产能耗和资源消耗均远低于集中空调方式，因此分体空调方式对环境的不良影响也远低于集中空调方式。综上所述，分体空调仍然是目前最经济实惠、节能环保、适合中国国情的住宅空调方式，正是由于我国绝大部分住宅采用了分体空调方式，才使得住宅空调能耗保持在目前较低的水平。因此应走出对分体空调方式的一些认识误区，我国的住宅空调应坚持走分散式空调的发展道路，并加强对相关问题的研究。4结语住宅空调应走分散式空调还是集中式空调的发展道路？这是目前争论较大的一个重要问题。本文根据对住宅不同空调方式实际能耗的调查对比分析发现：住宅空调的集中度提高，其能耗增加，集中空调方式的运行能耗大大高于分体空调方式，采用集中空调会使住宅空调的一次投资、运行能耗和费用、资源消耗、生产能耗和污染物排放量都将大幅度增加，分体空调方式的舒适性也不比集中空调差，其美观性问题通过适当装饰也可以解决。因此分体空调仍然是目前最经济实惠、节能环保、适合中国国情的住宅空调方式，正是由于我国绝大部分住宅采用了分体空调方式，才使得目前我国住宅空调能耗能够保持在较低的水平，应走出对分体空调