辦公建筑空調(diào)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)選取的研究

蘭 芳，萬建武

（廣州大學土木工程學院，廣東廣州 510006）

引言

在經(jīng)歷20世紀80年代的世界性石油危機后，眾多國家開始重視建筑節(jié)能。發(fā)達國家提出了新建建筑的節(jié)能要求，使在不影響合理的室內(nèi)熱舒適前提下減少建筑物的能源消耗［1］。公共建筑因其建筑特點，建筑能耗遠高于住宅建筑，公共建筑種類繁多，其中辦公建筑是非常重要的一種，一定程度上可以表征其他類型公共建筑［2］。盡管辦公建筑單位面積能耗在公共建筑中并非最高，但由于其總建筑面積非常大，其建筑能耗是公共建筑各類型建筑能耗中的最大之一［3］。研究相同熱舒適環(huán)境下不同室內(nèi)設(shè)計參數(shù)組合對辦公建筑空調(diào)能耗影響以及相同熱舒適條件下定量地選取室內(nèi)設(shè)計溫、濕度的方法對建筑節(jié)能具有重要意義。

1 熱舒適評價指標及辦公建筑模型建立

為了能夠定量的衡量室內(nèi)環(huán)境的熱舒適，本文采用PMV－PPD指標［4］并利用VB編程對PMVPPD進行計算。

利用能耗模擬軟件VE，選取廣州地區(qū)某一辦公建筑建立建筑及空調(diào)模型。該辦公樓共25層，地下0層，建筑總高度為89.5m，總建筑面積為33885m2。屋頂、外墻、外窗的傳熱系數(shù)分別為0.9、1.5、5.5kW/（m2·K）。

本辦公建筑模型空調(diào)區(qū)域照明的照度標準值為300lx，折算照明功率密度設(shè)定為18 W/㎡，人均占有建筑面積設(shè)定為8m2人，辦公設(shè)備功率密度設(shè)定為13 W/m2?？照{(diào)模型的冷源 COP設(shè)置為5.1。冷水系統(tǒng)形式采用一次泵變流量系統(tǒng)，供、回水溫度設(shè)置為7℃/12℃。冷水泵選用定轉(zhuǎn)速水泵，水泵全效率為70%。冷卻水系統(tǒng)采用一次泵定流量系統(tǒng)，供、回水溫度設(shè)定為32℃/37℃，冷卻水泵選用定轉(zhuǎn)速水泵，水泵全效率為70%。冷卻塔容量將由VE軟件自動匹配。風系統(tǒng)采用風機盤管加新風系統(tǒng)，風機盤管風機為定轉(zhuǎn)速風機，效率為60%，采用間歇運行模式，新風機組風機也采用定轉(zhuǎn)速風機，效率為70%。

建筑空調(diào)運行期設(shè)定為4月15日～10月15日，日運行時間為07∶00～18∶00，一周運行5天，周末及節(jié)假日不開啟空調(diào)系統(tǒng)。

2 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)與空調(diào)能耗的關(guān)系

2.1 室內(nèi)設(shè)計溫度對空調(diào)能耗的影響

為了探究室內(nèi)設(shè)計溫度對空調(diào)能耗的影響，相對濕度設(shè)定為60%不變，計算室內(nèi)設(shè)計溫度22～28℃的能耗。

圖1為不同室內(nèi)設(shè)計溫度對應的單位建筑面積空調(diào)能耗。由圖1可知，溫度對能耗有著較大的影響。隨著室內(nèi)設(shè)計溫度的提高，能耗下降，溫度平均每升高1℃，空調(diào)能耗減少5.3%，建筑能耗減少2.0%。這是因為溫度升高縮小了室內(nèi)外溫差和室內(nèi)空氣與新風的焓差，降低了維護結(jié)構(gòu)冷負荷和新風冷負荷。由圖1可知，空調(diào)能耗與溫度為線性關(guān)系 （R2=0.999），擬合關(guān)系式為式 （1）。

圖1 不同溫度時單位面積的空調(diào)能耗Fig.1 Energy consumption per unit square meters of air conditioning in different temperatures

2.2 室內(nèi)相對濕度對空調(diào)能耗的影響

為了探究室內(nèi)設(shè)計相對濕度對空調(diào)能耗的影響，溫度設(shè)定為25℃不變，改變室內(nèi)設(shè)計相對濕度，計算相對濕度30%～70%的能耗。

圖2 不同相對濕度時單位面積的空調(diào)能耗Fig.2 Energy consumption per unit square meters of air conditioning in different relative humidities

由圖2可知，相對濕度對能耗有著較大的影響。能耗隨室內(nèi)設(shè)計相對濕度的升高而減小，相對濕度平均每上升10%，空調(diào)能耗減少5.8%，建筑能耗減少2.1%。因為相對濕度的升高使得室內(nèi)空氣與新風的焓差減小，降低了新風冷負荷，從而減少了能耗。由圖2可知，相對濕度與能耗近似成線性關(guān)系 （R2=0.997），擬合的線性方程為式 （2）。

2.3 相同熱舒適不同室內(nèi)空氣流速對空調(diào)能耗的影響

為了探究相同熱舒適不同風速對能耗的影響，固定室內(nèi)相對濕度為60%，對不同風速下PMV為0和0.5時的室內(nèi)設(shè)計參數(shù)組合的能耗進行模擬計算。需要說明的是，此處不同室內(nèi)空氣流速的能耗并不是直接由空氣流速的變化引起的能耗，而是在同一PMV值時，相對濕度不變的情況下，風速的變化會引起溫度的變化，從而引起能耗的變化。PMV為0和0.5時不同室內(nèi)空氣流速對應的溫度見表1。

表1 不同室內(nèi)空氣流速對應的溫度Table.1 Temperatures under different air velocities

圖3 不同風速相同PMV時的空調(diào)能耗Fig.3 Air－conditioning energy consumption of different air velocity in the same PMV

由圖3可知，室內(nèi)空氣流速對能耗也有著較大的影響，PMV為0時，空氣流速從0.1m/s升高到0.8m/s時，空調(diào)能耗減少了6.91 kWh/（m2·a），減少近11.9%。能耗隨著空氣流速的增加而減小，這是因為在同一PMV值且相對濕度不變的情況下，增大空氣流速可以提高室內(nèi)設(shè)計溫度，因而能夠減小能耗。由圖3可以看出，當空氣流速在0.1～0.4m/s之間時，空氣流速引起的能耗變化較大，隨著空氣流速的增加，空調(diào)能耗減少的量越來越少。以PMV=0為例，當空氣流速從0.1m/s升為0.2m/s時，空調(diào)能耗減少了2.1 kWh/（m2·a），而當空氣流速從0.7m/s升為0.8m/s時，空調(diào)能耗僅減少了0.3 kWh/（m2·a）。

雖然提高空氣流速能夠減少空調(diào)能耗，但室內(nèi)空氣流速并不是越大越好，采用傳統(tǒng)氣流組織時，如果空氣流速過大會造成吹風感，影響人體舒適感，基于此考慮，許多標準中均規(guī)定了室內(nèi)空氣流速的上限，如《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》（GB50189－2005）中將這一上限值規(guī)定為0.3 m/s，不同標準的上限值存在一定差異。相同熱舒適且相對濕度不變的情況下，增大空氣流速可以提高室內(nèi)設(shè)計溫度，進而可以減小空調(diào)能耗，因此在空調(diào)的氣流組織設(shè)計時，應使得工作區(qū)域空氣流速達到標準中的上限，這樣既保證了舒適性，又達到了節(jié)能的效果。

2.4 不同PMV時各參數(shù)組合的空調(diào)能耗分析

為了探究不同溫濕度組合的能耗，計算空氣流速分別為 0.1、0.2、0.3m/s，PMV值分為 －1、－0.5、0、0.5、1的溫濕度組合，各PMV下的參數(shù)組合見表2、3、4，計算各溫濕度組合的能耗情況，計算結(jié)果見圖4、5、6。

表2 空氣流速為0.1m/s時的溫度、相對濕度組合Table.2 The temperature，relative humidity combination with air velocity of 0.1m/s

表3 空氣流速為0.2m/s時的溫度、相對濕度組合Table.3 The temperature，relative humidity combination when air velocity of 0.2m/s

表4 空氣流速為0.3m/s時的溫度、相對濕度組合Table.4 The temperature，relative humidity combination when air velocity of 0.3m/s

圖4 不同PMV的空調(diào)能耗 （0.1m/s）Fig.4 Air conditioning energy consumption of different PMV（0.1m/s）

圖5 不同PMV的空調(diào)能耗 （0.2m/s）Fig.5 Air conditioning energy consumption of different PMV（0.2m/s）

圖4、5、6可知，即使在相同的熱舒適下，不同的溫濕度組合的能耗是不同的。以空氣流速為0.2m/s、PMV=0為例，相對濕度、溫度為30%、26℃的組合的空調(diào)能耗比相對濕度、溫度為70%、25.1℃的組合高出10.8 kWh/（m2·a），高出約20.2%，可見相同熱舒適不同溫濕度組合的能耗相差很大。相同熱舒適時相對濕度大、溫度低的組合的空調(diào)能耗比相對濕度小、溫度高的組合小，這是因為:溫度對PMV值有著較大影響，相對濕度卻對PMV的影響較小，在同一PMV下，相對濕度提高10%，溫度只下降0.2℃左右，而由2.1及2.2節(jié)分析可知，溫度和相對濕度均對空調(diào)能耗有著較大影響。由此可見，若是在相同熱舒適下提高室內(nèi)溫度，非但不能節(jié)能，而且還會增加能耗，這是因為當提高室內(nèi)溫度時，為了保證熱舒適相同，需要降低室內(nèi)相對濕度，如空氣流速為0.3m/s、PMV=0.5時，如果將室內(nèi)空氣溫度從27℃提高到28℃，相對濕度需要減小44%，雖然提高室內(nèi)溫度減少了維護結(jié)構(gòu)傳熱冷負荷和新風冷負荷，但降低室內(nèi)相對濕度又會增加新風冷負荷，造成了“得不償失”，總的空調(diào)能耗不降反升，增加了11.42 kWh/（m2·a）。單純通過提高室內(nèi)溫度來達到節(jié)能的效果其實是以降低舒適性為代價的。

圖6 不同PMV的空調(diào)能耗 （0.3m/s）Fig.6 Air conditioning energy consumption of different PMV（0.3m/s）

由圖4、5、6可以看出，不同PMV值的空調(diào)能耗有著較大差異。以空氣流速為0.2m/s、相對濕度為50%為例，當PMV=1時空調(diào)能耗為49.2 kWh/（m2·a），當 PMV=－1時空調(diào)能耗為67.11 kWh/（m2·a），增加了17.91 kWh/（m2·a），PMV平均每下降0.5，空調(diào)能耗增加9.1%。而絕對值相等的PMV值對應的不滿意率即PPD是相同的，如PMV為－0.5和PMV為0.5的不滿意率均為10%。所以在進行室內(nèi)設(shè)計參數(shù)選擇時，基于節(jié)能考慮，應選取PMV大于等于0的參數(shù)，例如需要使得室內(nèi)不滿意率控制在10%時，應選擇PMV為0.5而不是－0.5的參數(shù)組合，因為兩者的不滿意率相同，但選擇PMV為0.5的參數(shù)組合能大幅減小空調(diào)能耗，而根據(jù)上述分析可知應選取PMV為0.5的各參數(shù)組合中相對濕度大、溫度低的組合。

根據(jù)空氣流速為0.3m/s時不同室內(nèi)設(shè)計溫度、相對濕度的空調(diào)能耗，對不同PMV時空調(diào)能耗與溫度、相對濕度的關(guān)系進行回歸分析，下面式（3～5）分別給出了PMV為－0.5、0和0.5條件下空調(diào)能耗與溫度、相對濕度的關(guān)系關(guān)系。

3 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)的選取

由上述分析可知，室內(nèi)設(shè)計溫度、相對濕度與空氣流速均對空調(diào)能耗有著較大的影響，而在同一熱舒適且相對濕度不變的情況下，增大空氣流速可以提高室內(nèi)設(shè)計溫度，因而也能夠減小能耗，相同熱舒適時相對濕度大、溫度低的組合的空調(diào)能耗比相對濕度小、溫度高的組合小。根據(jù)上述分析，可以得出室內(nèi)設(shè)計溫度、相對濕度、空氣流速的選取方法:

1）、確定室內(nèi)空氣流速，采用傳統(tǒng)氣流組織的空調(diào)系統(tǒng)選取標準中空氣流速范圍值的上限;

2）、確定熱舒適等級，根據(jù)所設(shè)計的辦公建筑的類型所要達到的室內(nèi)不滿意率PPD，得出所需選擇的室內(nèi)設(shè)計參數(shù)組合需要達到的 PMV值，PMV應選擇正值;

3）、確定相對濕度，相對濕度應選擇所參考標準中的上限值;

4）、確定溫度，由2）、3）中確定的PMV值及相對濕度值計算得出溫度值。

本文將室內(nèi)舒適等級分成4個等級，對于采用傳統(tǒng)的氣流組織的辦公建筑，每個等級按照上述方法選取的各參數(shù)值見表5，設(shè)計人員可以根據(jù)室內(nèi)環(huán)境需要控制的不滿意率選取相應的推薦參數(shù)。

表5 不同舒適性等級室內(nèi)設(shè)計參數(shù)推薦值Table.5 The recommended indoor design parameter of Different comfort level

表5中未把PMV=0時分成一個等級，為了解釋這一原因，計算空氣流速為0.3m/s時PMV=0與PMV=0.25的各溫濕度組合空調(diào)能耗。

PMV為0時對應的預測不滿意率PPD為5%，僅比PMV為0.25時的預測不滿意率PPD低1%，而為了這減小1%的不滿意率，由圖7可知，需要增加空調(diào)能耗，增幅平均約3.7%左右，本文認為不值得為了提高1%的滿意率而增加3.7%的空調(diào)能耗，所以未將其列為一個等級。

4 結(jié)論

圖7 PMV=0與PMV=0.25的空調(diào)能耗對比Fig.7 Air conditioning energy consumption compared to PMV=0 and PMV=0.25

本文以廣州地區(qū)某辦公建筑為例，以PMVPPD指標衡量室內(nèi)熱舒適，對不同室內(nèi)空調(diào)設(shè)計參數(shù)對空調(diào)能耗的影響進行了研究，研究結(jié)果表明:空調(diào)能耗隨室內(nèi)設(shè)計溫度升高而減小，溫度平均每升高1℃，空調(diào)能耗減少5.3%;空調(diào)能耗隨室內(nèi)設(shè)計相對濕度升高而減小，相對濕度平均每上升10%，空調(diào)能耗減少5.8%;在同一PMV下，相對濕度提高10%，溫度只下降0.2℃左右，因而相同熱舒適時相對濕度大、溫度低的組合的空調(diào)能耗比相對濕度小、溫度高的組合小;相同熱舒適且相對濕度不變的情況下，增大空氣流速可以提高室內(nèi)設(shè)計溫度，因而能夠減小能耗，而且隨著空氣流速的增加，空調(diào)能耗減少的量越來越少。根據(jù)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)與熱舒適及能耗的關(guān)系總結(jié)了室內(nèi)設(shè)計參數(shù)的選取方法，將室內(nèi)舒適性分成了4個等級，得出4個不同等級的室內(nèi)設(shè)計參數(shù)推薦值，列于表5中，供設(shè)計人員參考。

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