辦公建筑空調(diào)室內(nèi)計(jì)算參數(shù)分析

彭鵬

(天津大學(xué)建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院，天津 300073)

辦公建筑空調(diào)室內(nèi)計(jì)算參數(shù)分析

彭鵬

(天津大學(xué)建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院，天津 300073)

為了獲得合理的室內(nèi)計(jì)算參數(shù)以實(shí)現(xiàn)節(jié)約空調(diào)能耗的目的，本文以Fanger的熱舒適理論及PMV-PPD評(píng)價(jià)指標(biāo)為依據(jù)并綜合考慮我國(guó)現(xiàn)階段國(guó)情，得出滿足熱舒適要求的舒適區(qū)，同時(shí)以天津地區(qū)的辦公建筑為例，采用建筑能耗模擬軟件DeST定量的分析了溫、濕度對(duì)空調(diào)能耗的影響規(guī)律。由于不同類型的建筑能耗差別很大，本文以辦公建筑為研究對(duì)象，分析建筑能耗特點(diǎn)并考慮室內(nèi)熱舒適因素得出節(jié)能舒適區(qū)，從而為選擇室內(nèi)計(jì)算參數(shù)提供參考依據(jù)。

溫度；濕度；熱舒適；建筑能耗

引言

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，公共建筑中，空調(diào)制冷采暖所消耗的能耗占到建筑能耗的50%～60%，按照以上比例推算，空調(diào)采暖能耗將占到總能耗的15%～20%。而且隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，采暖地區(qū)的擴(kuò)大，以及空調(diào)建筑的增加，空調(diào)采暖能耗的比例將越來(lái)越大。人的一生中80%以上的時(shí)間是在室內(nèi)度過(guò)的，空調(diào)采暖系統(tǒng)的最終目的是保證空氣品質(zhì)和維持室內(nèi)合適的環(huán)境，即要控制合適的室內(nèi)參數(shù)。隨著生活水平的不斷提高，人們往往追求更高的舒適度。目前，業(yè)主、設(shè)計(jì)人員往往在取用室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)選用過(guò)高的標(biāo)準(zhǔn)。室內(nèi)參數(shù)不僅僅影響到人體的熱舒適，而且與空調(diào)系統(tǒng)的能耗息息相關(guān)。因此只有制定合理的室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)，才能科學(xué)的計(jì)算冷熱負(fù)荷，選擇經(jīng)濟(jì)合理的供冷供熱設(shè)備，達(dá)到建筑節(jié)能的目的。所以，室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)的確定是采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)的首要前提[1-2]。

研究方法

為了獲得符合我國(guó)實(shí)際情況的室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)值，本文以我國(guó)現(xiàn)行的《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50019-2003）[3]、《 公 共 建 筑 節(jié) 能 設(shè) 計(jì) 標(biāo) 準(zhǔn) 》（GB50189-2005）[4]等為主要依據(jù)，并參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO7730[5]，ASHRAE55[6]等，從室內(nèi)熱舒適、建筑節(jié)能和實(shí)際調(diào)研三部分進(jìn)行分析。

本文以天津地區(qū)的民用建筑為例，分析了室內(nèi)計(jì)算參數(shù)對(duì)建筑采暖空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響。在研究過(guò)程中，以熱舒適為前提，通過(guò)能耗模擬的方式得出不同室內(nèi)參數(shù)下的能耗值。因?yàn)椴煌δ芙ㄖ娜藛T活動(dòng)量、人員服裝熱阻、空調(diào)開(kāi)啟時(shí)間等參數(shù)差異很大，所以各自的舒適區(qū)及能耗特點(diǎn)也各不相同，所以應(yīng)該分類研究，本文針對(duì)辦公建筑，通過(guò)模擬軟件DeST計(jì)算建筑全年的空調(diào)能耗，并得出溫、濕度對(duì)建筑能耗的影響規(guī)律，綜合考慮熱舒適及能耗得出辦公建筑的節(jié)能舒適區(qū)。

研究對(duì)象

本文是以天津地區(qū)的建筑為例研究各類建筑的能耗，因此所選取的建筑模型必須能夠反映天津地區(qū)現(xiàn)有建筑的實(shí)際狀況。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析天津地區(qū)公共建筑的基本信息并結(jié)合《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求確定了本文的建筑模型。

辦公建筑模型共有5層，層高3.6m，建筑面積為5000m2，空調(diào)系統(tǒng)形式采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管+新風(fēng)系統(tǒng)，冷源選用30HXC高效型螺桿式冷水機(jī)組，熱源選用燃煤鍋爐。水系統(tǒng)采用定流量系統(tǒng)。

Fanger的熱舒適理論及PMV-PPD指標(biāo)

1970年，F(xiàn)anger提出了PMV指標(biāo)，該指標(biāo)是綜合傳熱理論和人體試驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值得到的，該指標(biāo)可以預(yù)測(cè)任何給定環(huán)境變量的組合所產(chǎn)生熱感覺(jué)。

PMV指標(biāo)代表了同一環(huán)境下絕大多數(shù)人的感覺(jué)，但是人與人之間存在生理差別，因此PMV指標(biāo)并不一定能夠代表所有個(gè)人的感覺(jué)。為此，F(xiàn)anger又提出了預(yù)測(cè)不滿意百分比PPD（Predicted PercentDissatisfied）指標(biāo)來(lái)表示人群對(duì)熱環(huán)境不滿意的百分?jǐn)?shù)，并利用概率分析方法，給出PMV與PPD之間的定量關(guān)系：

ASHRAE 55-2004中推薦-0.5＜PMV＜0.5為設(shè)計(jì)依據(jù)，對(duì)應(yīng)的PPD≤10%，即90%以上的人感到滿意；ISO7730-2005中推薦-0.7＜PMV＜0.7。我國(guó)還是發(fā)展中國(guó)家，考慮到我國(guó)的經(jīng)濟(jì)水平，《中等熱環(huán)境PMV和PPD指數(shù)的測(cè)定及熱舒適條件的規(guī)定》(GB/T18049-2000)及《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50019-2003）中推薦-1＜PMV＜1，對(duì)應(yīng)的PPD≤27%。本文以-1＜PMV＜1作為舒適區(qū)的計(jì)算范圍[7-11]。

舒適區(qū)的計(jì)算

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外的研究結(jié)果，影響室內(nèi)熱舒適的因素主要有以下六個(gè)：人體的新陳代謝率、服裝熱阻、室內(nèi)空氣流速（風(fēng)速）、空氣溫度、平均輻射溫度、相對(duì)濕度（或含濕量）。本文主要考慮溫度及相對(duì)濕度對(duì)熱舒適的影響，因此需要對(duì)其他影響因素進(jìn)行一些假設(shè)，假設(shè)條件主要依據(jù)ISO7730及ASHRAE，同時(shí)也綜合考慮我國(guó)的國(guó)情。假設(shè)結(jié)果見(jiàn)下表：

表一 舒適區(qū)計(jì)算假設(shè)條件[5-6]

根據(jù)上述理論及假設(shè)條件，可以計(jì)算出建筑舒適區(qū)。將PMV劃分為五個(gè)等級(jí)（-1、-0.5、0、0.5、1）, 對(duì)于每個(gè)舒適等級(jí)，在給定的濕度條件下，可以計(jì)算出其對(duì)應(yīng)的舒適溫度。表3及表4為辦公建筑夏季工況及冬季工況下的舒適區(qū)。

表二 辦公建筑夏季空調(diào)舒適區(qū)

表三 辦公建筑冬季空調(diào)舒適區(qū)

由上表可知，在其他條件已定的情況下，影響熱舒適的主要因素是溫度，相對(duì)濕度對(duì)熱舒適的影響較小。

室內(nèi)計(jì)算參數(shù)對(duì)空調(diào)能耗的影響

圖2及圖3是相對(duì)濕度30%～70%、PMV-1～1時(shí)，辦公建筑不同室內(nèi)參數(shù)對(duì)應(yīng)的夏季空調(diào)能耗及冬季空調(diào)能耗值。

從圖2中可知：對(duì)于采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)的小型辦公建筑，夏季空調(diào)能耗約為15～27kWh/（m2·a）。

對(duì)于同樣的熱舒適等級(jí)，能耗隨相對(duì)濕度的降低而降低，相對(duì)濕度每降低10%，能耗平均增加6%。對(duì)于同樣的相對(duì)濕度，能耗隨PMV的降低而顯著增大，在本文中將熱舒適分為五個(gè)等級(jí)，PMV每降低0.5（溫度降低1.7℃左右），能耗約增加8%。

從圖3中可知：對(duì)于采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)的辦公建筑，冬季空調(diào)能耗約為13～34kWh/（m2·a）。

在實(shí)際的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的冬季空調(diào)不加濕，造成室內(nèi)濕度過(guò)低。當(dāng)采用了高壓噴霧加濕器時(shí)，相對(duì)濕度每增加10%，總能耗約增加3%，其中變化的主要是加濕能耗，加濕能耗約增加17%。對(duì)于相同的相對(duì)濕度，能耗隨PMV的增大而顯著增大，PMV每升高0.5（溫度升高2.2℃左右），能耗約增加14%。

圖1 小型辦公建筑夏季空調(diào)室內(nèi)計(jì)算參數(shù)與建筑能耗的關(guān)系圖

圖2 小型辦公建筑冬季空調(diào)室內(nèi)計(jì)算參數(shù)與建筑能耗的關(guān)系圖

2007年6月1日國(guó)務(wù)院辦公廳下發(fā)了《關(guān)于嚴(yán)格執(zhí)行公共建筑空調(diào)溫度控制標(biāo)準(zhǔn)通知》，規(guī)定空調(diào)設(shè)定溫度夏天不得低于26℃。但僅僅調(diào)整空調(diào)設(shè)定溫度來(lái)節(jié)能是不夠的，只有合理組合室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)才能同時(shí)達(dá)到舒適且節(jié)能的目的。由于相對(duì)濕度對(duì)熱舒適影響不大，在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)相對(duì)濕度的要求并不嚴(yán)格。例如：在ISO773-2005中對(duì)相對(duì)濕度未做要求，而在ASHRAE55-2004中指出，含濕量應(yīng)低于12g/Kg干空氣，或水蒸氣分壓力低于1.910Kpa。對(duì)熱舒適來(lái)說(shuō)沒(méi)有濕度的下限，理論上來(lái)講，即使相對(duì)濕度達(dá)到0%，依然能夠滿足熱舒適的要求，因此ASHRAE55中沒(méi)有規(guī)定濕度的下限。但是一些非熱舒適的因素，會(huì)對(duì)濕度的范圍有一定的要求，例如：在ASHRAE手冊(cè)中提到：低的濕度會(huì)使皮膚和粘液表面干燥，導(dǎo)致鼻子喉嚨眼睛干燥，特別是露點(diǎn)低于零度的時(shí)候。高濕度的時(shí)候，單一的熱感覺(jué)已經(jīng)不是熱舒適的可靠的表現(xiàn)者了，因?yàn)椴皇孢m的出現(xiàn)是因?yàn)閷?duì)濕度本身的感覺(jué)，濕度會(huì)增加衣服和皮膚之間的摩擦。為了防止這種因熱引起的不舒適，在冬季熱邊界的相對(duì)濕度不能超過(guò)60%[6]。另外在《中等熱環(huán)境中PMV和PPD指數(shù)的測(cè)定及熱舒適條件的規(guī)定》中指出：推薦相對(duì)濕度應(yīng)維持在30%～70%限度的設(shè)置是為了減少潮濕或干燥對(duì)皮膚及眼睛的刺激、靜電、細(xì)菌生長(zhǎng)和呼吸性疾病的危害。綜合國(guó)內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)及研究成果，推薦夏季相對(duì)濕度在40%～65%之間；冬季相對(duì)濕度在30%～60%之間[7]。相對(duì)濕度對(duì)熱舒適的影響很小，但對(duì)能耗的影響不容忽視。因此，在滿足人體健康的情況下，在夏季應(yīng)盡可能的采用高一點(diǎn)的室內(nèi)計(jì)算濕度，冬季應(yīng)盡可能的采用低一點(diǎn)的室內(nèi)計(jì)算濕度。

PMV是熱舒適的量化指標(biāo)，影響PMV的主要因素是溫度，由此可見(jiàn)，適當(dāng)提高夏季空調(diào)設(shè)定溫度、降低冬季空調(diào)溫度對(duì)降低建筑能耗有極其重要的意義。

節(jié)能舒適區(qū)的建立

為了綜合考慮熱舒適及能耗，本文采用先計(jì)算舒適區(qū)內(nèi)各工況點(diǎn)的能耗，然后去掉高能耗區(qū)的方法。溫度對(duì)熱舒適及夏季空調(diào)及冬季空調(diào)的能耗都有很大影響，在本文中熱舒適的量化指標(biāo)為PMV。下面以夏季空調(diào)為例介紹PMV與能耗的結(jié)合方式。

首先，根據(jù)各工況點(diǎn)的能耗，如圖1、圖2所示，根據(jù)得出的能耗值，可以做出不同相對(duì)濕度時(shí)，PMV與能耗的關(guān)系圖，并擬合出能耗與PMV的關(guān)系曲線。其次，根據(jù)能耗值大小將-1

表4 能耗分區(qū)圖

根據(jù)分區(qū)結(jié)果，可以確定各能耗區(qū)PMV的邊界。高能耗區(qū)的的特點(diǎn)是既不舒適也不節(jié)能，應(yīng)當(dāng)去掉；中能耗區(qū)的特點(diǎn)是熱舒適等級(jí)最高，較節(jié)能；低能耗區(qū)的特點(diǎn)是節(jié)能，但熱舒適等級(jí)較低。用同樣的方法可以計(jì)算其他類型建筑夏季空調(diào)及冬季空調(diào)的節(jié)能舒適區(qū)。

室內(nèi)參數(shù)與熱舒適及能耗都有很大關(guān)系，用定量的方法將熱舒適及能耗結(jié)合起來(lái)的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

以熱舒適區(qū)為計(jì)算前提，保證選取的室內(nèi)計(jì)算參數(shù)全部滿足熱舒適要求。

將高能耗區(qū)去掉，避免選擇高能耗的計(jì)算參數(shù)。

根據(jù)建筑等級(jí)分級(jí)，根據(jù)不同的熱舒適要求，有針對(duì)性的選擇不同級(jí)別的計(jì)算參數(shù)。

考慮了建筑能耗隨PMV的變化趨勢(shì)，當(dāng)建筑能耗隨PMV變化較快時(shí)，則選取較窄的熱舒適范圍，當(dāng)能耗隨PMV變化較慢時(shí)，則取較寬的熱舒適范圍。

通過(guò)此方法，可以計(jì)算出辦公建筑的節(jié)能舒適范圍，如表5、表6所示：

表5

表6

三、結(jié)語(yǔ)

合理選擇室內(nèi)計(jì)算參數(shù)對(duì)降低空調(diào)能耗由很大的意義，應(yīng)大力推廣，要根據(jù)建筑類型選擇合適的室內(nèi)計(jì)算參數(shù)。通過(guò)本文的分析，可以得出以下結(jié)論：

根據(jù)Fanger熱舒適理論，相對(duì)濕度對(duì)熱舒適影響很小，但對(duì)能耗的影響不容忽視，對(duì)于夏季空調(diào)，相對(duì)濕度應(yīng)控制在40～65%之間，并盡量取較高的相對(duì)濕度，對(duì)于冬季空調(diào)，相對(duì)濕度應(yīng)控制在30～60%之間，并盡量取較低的相對(duì)濕度。

溫度是影響熱舒適的主要因素，同時(shí)對(duì)空調(diào)能耗有很大影響。在選擇室內(nèi)計(jì)算溫度時(shí)要綜合考慮熱舒適及能耗，根據(jù)建筑等級(jí)及建筑類型，合理選擇室內(nèi)計(jì)算溫度。高級(jí)辦公建筑溫度應(yīng)取22.9～25.5℃，普通建筑溫度應(yīng)取24.9～28.5℃。

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