京津地區(qū)夏季著裝行為對辦公建筑空調(diào)能耗的影響

李莎，錢曉明，楊瑞梁

(天津工業(yè)大學 a.機械工程學院；b.紡織學院;c.天津市現(xiàn)代機電裝備技術(shù)重點實驗室,天津 300387)

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京津地區(qū)夏季著裝行為對辦公建筑空調(diào)能耗的影響

李莎a，c，錢曉明b，楊瑞梁a

(天津工業(yè)大學 a.機械工程學院；b.紡織學院;c.天津市現(xiàn)代機電裝備技術(shù)重點實驗室,天津 300387)

著裝行為通過影響室內(nèi)空氣參數(shù)的設(shè)定而影響建筑空調(diào)能耗。利用能耗模擬軟件DeST，計算出該地區(qū)典型著裝行為下實測運行參數(shù)與期望參數(shù)對應(yīng)的建筑空調(diào)能耗比推薦標準下能耗分別降低了10.86%和13.16%。而基于典型著裝行為的實驗熱學性能參數(shù)下，平均只降低4%，說明由著裝熱阻關(guān)聯(lián)的主觀溫度需要按地區(qū)著裝行為進行修正。提出了控制建筑空調(diào)能耗的著裝行為調(diào)節(jié)模型，著裝行為節(jié)能率εc為負值時節(jié)能，為正值時不節(jié)能。京津地區(qū)辦公建筑節(jié)能率為0的臨界服裝熱阻為0.563 clo，空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計和運行節(jié)能的前提是，著裝熱阻低于臨界值。著裝行為調(diào)節(jié)模型為地區(qū)著裝形式和著裝面料提供了量化標準，為精確控制建筑能耗提供了一種方法。

著裝行為;熱阻;能耗;節(jié)能率

著裝行為既影響舒適性，也通過影響室內(nèi)空氣參數(shù)的設(shè)定而影響能耗[1-2]。現(xiàn)行標準推薦的夏季空調(diào)房間設(shè)計溫度范圍是在標準服裝熱阻下感覺舒適，并特別說明：服裝熱阻與當?shù)氐纳盍晳T及氣候密切相關(guān)[3-7]。不同地區(qū)的氣候、生活習慣、服飾愛好等存在較大差異[8-9]，目前，很多織物的熱阻、濕阻低于傳統(tǒng)服裝[10]。另外，國外文獻中對服裝式樣的描述和中國也有一定的差別，針對服裝熱阻值缺乏比較準確的描述[11]。因此,僅在某些標準服裝熱阻下進行舒適性實驗研究不夠全面,在中國各地區(qū)采用統(tǒng)一的舒適標準作為空調(diào)設(shè)計指標也不利于能耗的精確控制。因此，有必要研究各地氣候、服飾文化、經(jīng)濟等決定的著裝行為，并根據(jù)其著裝行為確定出典型服裝的熱濕性能參數(shù)，利用這些服裝熱學性能參數(shù)可以確定適合地區(qū)的舒適標準，從而獲得建筑節(jié)能的臨界服裝熱阻值。服裝熱阻值將提供量化標準來指導地區(qū)的著裝形式和著裝面料，而臨界服裝熱阻也可以成為服裝產(chǎn)品的一個強制性熱學參數(shù)。在此基礎(chǔ)上建立的建筑空調(diào)能耗的著裝行為調(diào)節(jié)模型，將為精確控制建筑能耗提供一種方法。

京津地區(qū)各種商務(wù)綜合型辦公建筑面積增長非?？欤墙ㄖ芎牡闹黧w，其氣候?qū)儆诤涞貐^(qū)，空調(diào)度數(shù)大于90 ℃·d。辦公建筑中職員的著裝行為受到氣候、生活習慣、性別、年齡、職業(yè)、文化背景、經(jīng)歷、審美情趣等的影響。為了研究著裝行為對舒適和能耗的影響，在京津地區(qū)的中心城區(qū)選擇有集中空調(diào)的辦公建筑進行現(xiàn)場測試調(diào)查，內(nèi)容包括個人背景信息、著裝形式、著裝面料、室內(nèi)環(huán)境熱工參數(shù)、舒適感覺等。現(xiàn)場調(diào)查中被調(diào)查者處于正常的工作狀態(tài)，能準確反映人與環(huán)境的交互關(guān)系。

1 DeST軟件模擬辦公建筑空調(diào)能耗

現(xiàn)場問卷調(diào)查共收集有效樣本532份，其中男性53%，女性47%。樣本的平均身高為168.6 cm，平均體重為63.9 kg。被調(diào)查人員的職業(yè)包括建筑設(shè)計師、教師、銀行職員等6類，居住年限均在3 a以上，對京津地區(qū)的文化背景、氣候等非常適應(yīng)[12]。調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計分析得出，京津地區(qū)夏季空調(diào)辦公建筑中的典型著裝形式為短袖+長褲，典型著裝面料為純棉織物。在恒溫恒濕室通過出汗暖體假人實驗[13-14]測試得出典型著裝的平均熱阻為0.37 clo，平均濕阻為18.09 m2·Pa/W，該平均熱阻比標準服裝熱阻低0.13 clo[15]。針對增加舒適度的方式，非典型著裝樣本中主要是增減衣服，而典型著裝下首先考慮的是調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)。主觀調(diào)查獲得的典型著裝下的期望溫度為26.76 ℃，期望相對濕度為66.67%。而熱中性溫度為 26.14 ℃，中性相對濕度為 64.03%[16]。

北京和天津的室外氣象條件非常接近，研究以天津市的氣象條件為依據(jù)，以虛擬某典型辦公建筑為例，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查中室內(nèi)溫濕度參數(shù)范圍，利用能耗模擬軟件DeST[17-18],研究不同室內(nèi)設(shè)計參數(shù)對空調(diào)能耗的影響。該辦公樓為南北朝向的4層長方形建筑，標準層面積800 m2，總建筑面積為3 200 m2，層高3.5 m。房間功能主要是辦公室、會議室、值班管理室等。普通辦公室面積為54 m2，大廳及會議室面積為144 m2。該辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)選用普通定風量全空氣系統(tǒng)，建筑圍護結(jié)構(gòu)的參數(shù)信息和各種內(nèi)擾量，都是按照普通辦公建筑的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)定的。室外氣象參數(shù)是空調(diào)房間的外擾，模擬計算中采用的是調(diào)用Medpha產(chǎn)生的氣象數(shù)據(jù)。由著裝行為決定的室內(nèi)溫濕度參數(shù)的設(shè)計是影響空調(diào)系統(tǒng)能耗最直觀的因素。根據(jù)夏季長期逗留區(qū)域空調(diào)室內(nèi)溫度范圍(推薦Ⅰ級為24～26 ℃，Ⅱ級為27～28 ℃[4])，以及現(xiàn)場測試調(diào)查的室內(nèi)溫濕度統(tǒng)計結(jié)果，確定該模擬辦公建筑夏季室內(nèi)設(shè)計溫度系列取為23～28 ℃，間隔0.5 ℃；相對濕度取為50%～70%，間隔為5%。

1.1 空調(diào)系統(tǒng)能耗隨溫度變化的模擬

用DeST軟件對夏季(5—8月)進行空調(diào)負荷和能耗的動態(tài)模擬，計算不同的室內(nèi)設(shè)計參數(shù)下該建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗，經(jīng)過匯總分析，得到這4個月總的空調(diào)系統(tǒng)耗電量和室內(nèi)設(shè)計參數(shù)之間的數(shù)值關(guān)系。圖1為設(shè)定某相對濕度模擬的不同溫度下，空調(diào)系統(tǒng)能耗的變化曲線。

圖1 不同相對濕度設(shè)定下空調(diào)系統(tǒng)能耗隨溫度的模擬值和擬合線

不同相對濕度下空調(diào)系統(tǒng)能耗隨溫度的變化規(guī)律基本保持一致。趨勢線的R平方值非常接近1，擬合程度很高，趨勢線的可靠性高。只有在相對濕度50%時，如果室內(nèi)設(shè)計溫度低于24 ℃，其能耗才發(fā)生較大的變化。同時，相對濕度50%和70%時，擬合線的斜率相對較大，意味著相對低濕和高濕條件下，溫度的微小變化會帶來較大的能耗變化。通過對所有數(shù)據(jù)進行計算，不同相對濕度下，以23 ℃作為基準點，溫度每增加0.5 ℃，相對前一個設(shè)計溫度，其能耗降低率的范圍為1.51%～11.32%，平均值為2.91%。即室內(nèi)設(shè)計溫度每增加0.5℃，空調(diào)系統(tǒng)平均能耗降低率為2.91%。

1.2 空調(diào)系統(tǒng)能耗隨相對濕度變化的模擬

設(shè)定某溫度模擬的不同相對濕度下，空調(diào)系統(tǒng)能耗的變化曲線如圖2所示，是一系列分布比較緊密的趨勢變化線，不同溫度下，空調(diào)系統(tǒng)能耗隨相對濕度的變化基本保持一致，趨勢線的R平方值也接近1，而且溫度越高越接近。室內(nèi)設(shè)計溫度低于24 ℃，相對濕度低于55%時，趨勢線的斜率較大，意味著低溫低濕的參數(shù)條件，消耗能耗的變化率較大。通過對所有數(shù)據(jù)進行計算，不同溫度條件下，以50%作為基準，相對濕度每增加5%，能耗降低率的范圍為2.17%～21.4%，能耗降低的平均值為6.39%，即室內(nèi)設(shè)計相對濕度每增加5%，空調(diào)系統(tǒng)平均能耗降低率為6.39%。

圖2 不同溫度設(shè)定下空調(diào)系統(tǒng)能耗隨相對濕度的模擬值和擬合線

2 基于實測典型著裝行為下與期望下對應(yīng)的建筑空調(diào)能耗

根據(jù)典型著裝行為下樣本的現(xiàn)場環(huán)境測試參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果，得到典型著裝行為下實測溫度和相對濕度的平均值，并依據(jù)該環(huán)境下的期望溫度和期望相對濕度值[9,12]，根據(jù)模擬結(jié)果得出對應(yīng)的空調(diào)模擬能耗，取規(guī)范中室內(nèi)參數(shù)舒適度Ⅰ級的中間值(25 ℃，60%)下的能耗，作為比較基準[4]，計算出相對的節(jié)能率，如表1所示。

表1 典型著裝行為下實測與期望參數(shù)對應(yīng)的空調(diào)模擬能耗和節(jié)能率

表1顯示，相對于公共建筑夏季Ⅰ級舒適度常用的推薦參數(shù)，典型著裝下的實測平均環(huán)境參數(shù)和期望參數(shù)對應(yīng)的能耗分別降低了10.86%和13.16%，節(jié)能率超過10%，說明設(shè)計推薦參數(shù)可以根據(jù)地區(qū)典型著裝行為進一步細化和完善。

3 基于實驗典型著裝行為熱學性能參數(shù)下對應(yīng)的建筑空調(diào)能耗

對該地區(qū)典型著裝的熱學性能測試以及主觀溫度和相對濕度的計算，獲得空調(diào)環(huán)境中典型著裝的濕阻對舒適性影響不大，主要是其熱阻起著主導作用，服裝熱阻的測試符合標準要求[15]。因此，統(tǒng)一以相對濕度60%作為比較值，典型著裝熱阻值對應(yīng)的主觀溫度如表2[12]，利用能耗軟件得到主觀溫度下對應(yīng)的空調(diào)模擬能耗計算值，如表2所示。

表2 典型著裝下熱阻參數(shù)對應(yīng)主觀溫度下的空調(diào)模擬能耗和節(jié)能率

表2顯示，相對于規(guī)范中推薦Ⅰ級舒適度推薦參數(shù)，標準服裝下和典型著裝下主觀溫度對應(yīng)的能耗都有降低，尤以典型著裝下的節(jié)能更明顯，節(jié)能率最小為1.9%，最大為5.75%，平均為4%，但低于表1中現(xiàn)場實測典型著裝下的節(jié)能率。主要原因是其對應(yīng)的主觀溫度偏低，說明由著裝熱阻關(guān)聯(lián)的主觀溫度需要按地區(qū)進行修正。室內(nèi)參數(shù)計算的節(jié)能率符合文獻的范圍[19]，但以往文獻中沒有將節(jié)能關(guān)聯(lián)到具體的著裝熱學性能參數(shù)。

4 引入著裝行為節(jié)能率εc的空調(diào)能耗調(diào)節(jié)模型

常規(guī)建筑空調(diào)能耗模型，一般只考慮建筑圍護結(jié)構(gòu)性能和建筑空調(diào)系統(tǒng)運行兩方面的影響。通過前面分析，可以得出，職員在辦公建筑中的著裝行為和室內(nèi)熱濕參數(shù)會相互反饋影響，從而通過短期影響建筑空調(diào)系統(tǒng)的運行和長期影響建筑圍護結(jié)構(gòu)來影響建筑空調(diào)能耗。把逐時變化的地區(qū)室外氣象參數(shù)作為影響建筑能耗的主要干擾因素，考慮增加人的著裝行為調(diào)節(jié)對建筑空調(diào)能耗的影響，引用控制論中的方塊圖繪制成圖3。

圖3 影響建筑空調(diào)能耗的模型圖

假定，理論空調(diào)能耗為Q(τ)，增加著裝行為調(diào)節(jié)后的實際空調(diào)能耗為Q′(τ)，定義著裝行為節(jié)能率為εc，其對空調(diào)能耗的影響,可以表達為

Q′(τ)=(1+εc)Q(τ)

(1)

著裝行為對空調(diào)系統(tǒng)能耗的反饋可能是正值,也可能是負值。當著裝行為節(jié)能率εc為正值時，則實際能耗高于標準能耗，系統(tǒng)不節(jié)能；為負值時，則節(jié)能。εc主要由著裝熱阻決定，根據(jù)實驗測試的坐姿下，典型著裝的熱阻和表2中對應(yīng)的主觀溫度值以及能耗軟件模擬計算的節(jié)能率，可以獲得節(jié)能率和著裝熱阻之間的關(guān)系，如圖4，并且得到擬合線性公式(2)。

εc=-12.942 8+22.998 61

(2)

圖4 節(jié)能率和著裝熱阻的關(guān)系圖

圖4表明，著裝行為節(jié)能率εc一般為負值，隨著著裝熱阻值的減小，實際能耗越來越低于標準能耗，實現(xiàn)節(jié)能。而隨著熱阻值的增大，節(jié)能率εc逐漸接近0，甚至為正值，不節(jié)能。該地區(qū)的調(diào)查中，典型著裝由于熱阻低于熱舒適規(guī)范中標準服裝熱阻，節(jié)能率都是負值，對應(yīng)的空調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能。而其中的金融類辦公建筑著裝以長袖或短袖加坎肩為主，其著裝熱阻高于典型著裝熱阻，節(jié)能率很低，甚至不節(jié)能。由式(2)獲得研究中節(jié)能率為0的臨界著裝熱阻為0.563 clo。津京地區(qū)辦公建筑實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)運行節(jié)能的著裝熱阻必須低于此臨界值，為該地區(qū)辦公建筑內(nèi)職員的著裝形式和著裝面料提供了量化標準。

5 結(jié) 論

1)采用DeST能耗模擬軟件獲得京津地區(qū)辦公建筑夏季空調(diào)室內(nèi)溫濕度參數(shù)和能耗的關(guān)系：溫度每上升0.5℃，其空調(diào)系統(tǒng)能耗平均降低2.91%。相對濕度每上升5%，其空調(diào)系統(tǒng)能耗平均降低6.39%。

2)基于典型著裝行為下現(xiàn)場實測運行參數(shù)與期望參數(shù)對應(yīng)的建筑空調(diào)能耗比Ⅰ級舒適度推薦設(shè)計參數(shù)下，能耗分別降低了10.86%和13.16%。

3)基于典型著裝行為的實驗熱學性能參數(shù)下，對應(yīng)的建筑空調(diào)能耗相對于公共建筑的推薦標準節(jié)能率，平均降低4%，說明由著裝熱阻關(guān)聯(lián)的主觀溫度需要按地區(qū)進行修正。

4)提出了建筑空調(diào)能耗的著裝行為調(diào)節(jié)模型，服裝熱阻值越低，節(jié)能越顯著。津京地區(qū)辦公建筑節(jié)能率為0的臨界著裝熱阻為0.563 clo，實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)運行節(jié)能的著裝熱阻必須低于此臨界值。

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(編輯 王秀玲)

Influence of summer dressing behavior to office building air-conditioning energy consumpution in Beijing-Tianjin regions

Li Shaa,c, Qian Xiaomingb,Yang Ruilianga

(a. School of Mechanical Engineering; b. School of textile Engineering; c.Tianjin Key Laboratory of Modern Mechatronics Equipment Technology，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387,P.R.China)

Dressing-behaviour affects building air-conditioning energy consumption by indoor air parameter. Energy consumption simulation software DeST is used to calculate that the energy consumption of operating and expectation parameter is 10.86% and 13.16% lower than the recommended standard parameter in Beijing-Tianjin regions. While energy consumption of experimental thermal property of typical dressing behavior is only 4% lower than the recommended standard parameter. Results showed that the subjective temperature related to thermal resistance needs amendment by the dressing behavior of region. The model of dressing behavior adjust office building Air-conditioning Energy Consumpution is given. Energy saving rate of dressing behavior isεc, Energy saving ifεcis negative, on the contrary there is no energy saving. The critical thermal resistance is 0.563clo when energy saving rate is 0 in Beijing-Tianjin Regions. The premise of energy saving is thermal resistance of dressing lower than the critical value in the design and operation of air-conditioning system. The model of dressing behavior offer quantitative criteria of style and fabric in region, suppling a method to accuracy control energy consumption.

dressing-behaviour； thermal resistance；energy consumption；energy saving rate

2016-03-04

李莎(1971-)，女，博士，副教授，主要從事建筑環(huán)境舒適性研究，(E-mail)lisha@tjpu.edu.cn。

TU834.3

A

1674-4764(2016)04-0027-06

10.11835/j.issn.1674-4764.2016.04.005

Received:2016-03-04

Author brief：Li Sha(1971-)，PhD，associate professor，main research interest:thermal comforts of building environment，(E-mail)lisha@tjpu.edu.cn.