夏季空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)的修正研究

李娟 劉艷峰 王瑩瑩 周勇

西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)的合理選取，是設(shè)備容量選取及建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。我國(guó)現(xiàn)行民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[1]中夏季空調(diào)室外計(jì)算干、濕球溫度分別統(tǒng)計(jì)，由于兩參數(shù)非同時(shí)刻對(duì)應(yīng)，造成部分干熱地區(qū)空調(diào)設(shè)計(jì)負(fù)荷偏大和設(shè)備浪費(fèi)[2-3]。

夏季空調(diào)室外設(shè)計(jì)參數(shù)的確定，相關(guān)學(xué)者已有諸多研究[4-6]，如參數(shù)最佳統(tǒng)計(jì)時(shí)間[7]和氣候變化對(duì)參數(shù)的影響[8]等。我國(guó)民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[1]中夏季空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)采用歷年平均不保證50 h 的干、濕球溫度，韓文軒[9]等人指出該方法對(duì)參數(shù)同時(shí)發(fā)生性考慮不足，設(shè)計(jì)狀態(tài)點(diǎn)錯(cuò)位，導(dǎo)致設(shè)計(jì)負(fù)荷不準(zhǔn)確。ASHREA[10]中空調(diào)室外設(shè)計(jì)參數(shù)是“以干球溫度為基礎(chǔ)耦合選取合同期濕球溫度”。ASHREA[10]以及黃翔[11]和辛軍哲[12]推薦的蒸發(fā)冷卻空調(diào)室外設(shè)計(jì)參數(shù)選取方法本質(zhì)均為“以濕球溫度為基礎(chǔ)耦合選取同期干球溫度”。相對(duì)而言，“以一個(gè)參數(shù)為基礎(chǔ)耦合選取另一個(gè)參數(shù)”的方法可減小參數(shù)不同時(shí)帶來的設(shè)計(jì)偏差。

本文利用理論分析、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和模擬計(jì)算等研究方法，通過Energy Plus 對(duì)典型城市建筑的四種參數(shù)選取方法條件下的空調(diào)設(shè)計(jì)負(fù)荷及典型氣象年夏季逐時(shí)冷負(fù)荷分別進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比分析得到各區(qū)域適用的空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)，進(jìn)而利用適用參數(shù)對(duì)我國(guó)干、濕球溫度不同時(shí)刻的室外設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修正，為夏季空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)的合理選取提供參考。

1 研究方法及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1.1 空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)選取方法

分析國(guó)內(nèi)外規(guī)范及相關(guān)學(xué)者建議的夏季空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)選取方法，得到四個(gè)特點(diǎn)：干、濕球溫度分別統(tǒng)計(jì)，干球溫度為基礎(chǔ)耦合同期濕球溫度，濕球溫度為基礎(chǔ)耦合同期干球溫度，干濕球溫度之和與濕球溫度分別統(tǒng)計(jì)。根據(jù)我國(guó)室外參數(shù)不保證時(shí)長(zhǎng)50 h，統(tǒng)一時(shí)間不保證率為0.57%（歷年平均不保證50 h，一年按8760 h 計(jì)，不保證率0.57%），表征室外近極端氣象條件風(fēng)險(xiǎn)水平[9]。經(jīng)整理，本文研究的四種空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)選取方法具體如表1。

表1 夏季空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)四種取值方法

1.2 典型城市選取

我國(guó)地域遼闊城市眾多，為合理簡(jiǎn)化計(jì)算量，本文結(jié)合空氣容納水汽的能力和理論需用空調(diào)時(shí)長(zhǎng)，分析我國(guó)干空氣能的分布情況，從中確定典型城市。

以中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[13]中270個(gè)氣象臺(tái)站中典型氣象年逐時(shí)參數(shù)為基礎(chǔ)，剔除干球溫度小于26 ℃及其對(duì)應(yīng)的濕球溫度，以干球溫度不小于26 ℃的累計(jì)小時(shí)數(shù)表征需用空調(diào)時(shí)長(zhǎng)。利用k-means 算法聚類[14]干球溫度與露點(diǎn)溫度之差和26 ℃與露點(diǎn)溫度之差，所得我國(guó)干空氣能[11]分布如圖1。Ⅴ區(qū)全年氣溫皆低于26 ℃，為空調(diào)非適用區(qū)，不作計(jì)算分析。Ⅵ區(qū)干空氣能資源豐富，但全年需用空調(diào)時(shí)長(zhǎng)不足5 天，空調(diào)需求極低。各區(qū)域特點(diǎn)和其對(duì)應(yīng)的典型城市如表2，烏魯木齊、吐魯番、北京、南京、拉薩五個(gè)城市為本文計(jì)算的具體城市。

圖1 我國(guó)干空氣能分布圖

表2 各區(qū)域及其典型城市

1.3 數(shù)據(jù)來源及處理

用于空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)取值的原始數(shù)據(jù)來源于美國(guó)國(guó)家氣候數(shù)據(jù)中心，統(tǒng)計(jì)時(shí)間基準(zhǔn)為30 年[1]（1987-2016 年）。原始?xì)庀髷?shù)據(jù)是每天八次定時(shí)所測(cè)，通過插值法[15]對(duì)其進(jìn)行逐時(shí)化處理。

1.4 建筑空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算

室外計(jì)算參數(shù)直接影響空調(diào)設(shè)計(jì)負(fù)荷計(jì)算，故本文通過具體建筑空調(diào)負(fù)荷計(jì)算對(duì)參數(shù)進(jìn)行研究?？照{(diào)設(shè)計(jì)負(fù)荷需要一定富裕，裕量過高或欠缺都會(huì)導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備容量選取不準(zhǔn)確。本文對(duì)5 個(gè)典型城市建筑在四種參數(shù)選取方法條件下的空調(diào)設(shè)計(jì)負(fù)荷及典型氣象年夏季逐時(shí)冷負(fù)荷分別進(jìn)行計(jì)算，以典型氣象年夏季最大逐時(shí)冷負(fù)荷為指標(biāo)，根據(jù)設(shè)計(jì)負(fù)荷富裕量最小原則，從四種設(shè)計(jì)負(fù)荷中獲得該地區(qū)適用的空調(diào)室外設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)而對(duì)“干濕球溫度分別統(tǒng)計(jì)”的參數(shù)做出修正。

2 計(jì)算參數(shù)及建筑模型

2.1 典型城市空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)取值

每個(gè)典型城市對(duì)應(yīng)的四組空調(diào)室外計(jì)算干、濕球溫度如表3。利用空氣的干濕球溫度差表征干空氣能大小[11]，大小順序?qū)?yīng)方法排列為：干球溫度為基礎(chǔ)耦合濕球溫度>干濕球溫度分別統(tǒng)計(jì)>干濕球溫度之和與濕球溫度分別統(tǒng)計(jì)>濕球溫度為基礎(chǔ)耦合干球溫度（方法二>方法一>方法四>方法三）。

表3 四種參數(shù)選取方法所得空調(diào)室外計(jì)算干、濕球溫度（℃）

2.2 建筑模型概況

確定建筑為一地上6 層辦公樓，每層高3.6 m，總建筑面積4140 m2，體形系數(shù)0.22，北向窗墻比為0.33，南向窗墻比為0.38，東、西兩朝向窗墻比均為0.04。根據(jù)公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[16]，五個(gè)典型城市的建筑熱工參數(shù)設(shè)置如表4，空調(diào)室內(nèi)參數(shù)：干球溫度26 ℃，相對(duì)濕度60%。圖2 中，a、b 為辦公樓平面圖，c、d 為建筑幾何模型。

表4 典型城市建筑熱工參數(shù)

圖2 辦公樓平面圖和建筑幾何模型

3 夏季空調(diào)負(fù)荷計(jì)算

利用Energy Plus 分別計(jì)算典型城市辦公樓的典型氣象年夏季（5 月1 日-10 月31 日）空調(diào)逐時(shí)單位面積負(fù)荷及四種空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)條件下的設(shè)計(jì)單位面積負(fù)荷。以典型氣象年逐時(shí)最大冷負(fù)荷為指標(biāo)，根據(jù)設(shè)計(jì)負(fù)荷富裕量最小原則，衡量四種設(shè)計(jì)負(fù)荷的適用性，進(jìn)而獲得相應(yīng)的適用室外計(jì)算參數(shù)選取方法。

3.1 Ⅰ區(qū)典型城市夏季空調(diào)負(fù)荷計(jì)算

烏魯木齊辦公建筑空調(diào)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如圖3，圖3（a）為典型氣象年夏季空調(diào)逐時(shí)單位面積冷負(fù)荷分布情況，最大逐時(shí)單位面積負(fù)荷即指標(biāo)為53.1 W/m2。圖3（b）為四種室外計(jì)算參數(shù)條件下的夏季設(shè)計(jì)日空調(diào)逐時(shí)單位面積冷負(fù)荷，最大負(fù)荷即設(shè)計(jì)負(fù)荷出現(xiàn)在16 h，四個(gè)設(shè)計(jì)單位面積負(fù)荷按大小排序?qū)?yīng)的方法為：方法一>方法四>方法三>方法二。圖3（c）為對(duì)比四個(gè)設(shè)計(jì)單位面積負(fù)荷和指標(biāo)單位面積負(fù)荷，方法二對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)負(fù)荷與指標(biāo)負(fù)荷相比富裕量最小，即適用設(shè)計(jì)單位面積負(fù)荷為66.2 W/m2。Ⅰ區(qū)適用的夏季空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)選取方法為方法二，即干球溫度為基準(zhǔn)耦合同期濕球溫度法。

圖3 烏魯木齊辦公樓空調(diào)負(fù)荷計(jì)算

3.2 Ⅱ區(qū)典型城市夏季空調(diào)負(fù)荷計(jì)算

吐魯番辦公建筑空調(diào)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如圖4，圖4（a）中最大逐時(shí)單位面積負(fù)荷即指標(biāo)為71.0 W/m2。圖4（b）中最大負(fù)荷即設(shè)計(jì)負(fù)荷出現(xiàn)在15 h。圖4（c）中適用的設(shè)計(jì)單位面積負(fù)荷為84.6 W/m2。Ⅱ區(qū)適用的夏季空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)選取方法為方法二，即干球溫度為基準(zhǔn)耦合同期濕球溫度法。

圖4 吐魯番辦公樓空調(diào)負(fù)荷計(jì)算

3.3 Ⅲ區(qū)典型城市夏季空調(diào)負(fù)荷計(jì)算

北京辦公建筑空調(diào)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如圖5，圖5（a）中最大逐時(shí)單位面積負(fù)荷即指標(biāo)為82.1 W/m2。圖5（b）中最大負(fù)荷即設(shè)計(jì)負(fù)荷出現(xiàn)在14 h。圖5（c）中適用的設(shè)計(jì)單位面積負(fù)荷為85.2 W/m2。Ⅲ區(qū)適用的夏季空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)選取方法為方法三，即濕球溫度為基準(zhǔn)耦合同期干球溫度法。

圖5 北京辦公樓空調(diào)負(fù)荷計(jì)算

3.4 Ⅳ區(qū)典型城市夏季空調(diào)負(fù)荷計(jì)算

南京辦公建筑空調(diào)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如圖6，圖6（a）中最大逐時(shí)單位面積負(fù)荷即指標(biāo)為84.9 W/m2。圖6（b）中最大負(fù)荷即設(shè)計(jì)負(fù)荷出現(xiàn)在14 h。圖6（c）中適用的設(shè)計(jì)單位面積負(fù)荷為90.4 W/m2。Ⅳ最適用的夏季空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)選取方法為方法三，即濕球溫度為基準(zhǔn)耦合同期干球溫度法。

圖6 南京辦公樓空調(diào)負(fù)荷計(jì)算

3.5 Ⅵ區(qū)典型城市夏季空調(diào)負(fù)荷計(jì)算

拉薩辦公建筑空調(diào)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如圖7，圖7（a）中最大逐時(shí)單位面積負(fù)荷即指標(biāo)為42.0 W/m2。圖7（b）中最大負(fù)荷即設(shè)計(jì)負(fù)荷出現(xiàn)在16 h。圖7（c）中適用的設(shè)計(jì)單位面積負(fù)荷為45.9 W/m2。Ⅵ區(qū)適用的夏季空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)選取方法為方法二，即干球溫度為基準(zhǔn)耦合同期濕球溫度法。

根據(jù)圖3～7，五個(gè)典型城市空調(diào)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果匯總于表5～6。每個(gè)典型城市利用四種方法取得四組空調(diào)室外計(jì)算干、濕球溫度，四組參數(shù)分別生成空調(diào)設(shè)計(jì)日參數(shù)，設(shè)計(jì)冷負(fù)荷大小對(duì)應(yīng)的參數(shù)選取方法排序皆為：方法一>方法四>方法三>方法二。Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ區(qū)干空氣能資源較豐富，適用方法二即干球溫度為基準(zhǔn)耦合同期濕球溫度。Ⅲ、Ⅳ區(qū)干空氣能資源較少，適用方法三即濕球溫度為基準(zhǔn)耦合同期干球溫度。

圖7 拉薩辦公樓空調(diào)負(fù)荷計(jì)算

表5 典型城市空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果匯總（一）

表6 典型城市空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果匯總（二）

4 空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)修正

根據(jù)以上典型城市的適用空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)我國(guó)“干、濕球溫度分別統(tǒng)計(jì)”方法（方法一）選取的參數(shù)進(jìn)行修正。以烏魯木齊為例，利用方法二所得的計(jì)算干球溫度除以方法一的計(jì)算干球溫度得到計(jì)算干球溫度修正系數(shù)，利用方法二所得的計(jì)算濕球溫度除以方法一的計(jì)算濕球溫度得到計(jì)算濕球溫度修正系數(shù)。各區(qū)域空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)修正系數(shù)如表7。

表7 夏季空調(diào)室外計(jì)算干、濕球溫度修正系數(shù)

5 結(jié)論

本文對(duì)比分析“干、濕球溫度分別統(tǒng)計(jì)，干球溫度為基礎(chǔ)耦合同期濕球溫度，濕球溫度為基礎(chǔ)耦合同期干球溫度，干濕球溫度之和與濕球溫度分別統(tǒng)計(jì)”四種夏季空調(diào)室外設(shè)計(jì)參數(shù)選取方法，得到不同氣候條件地區(qū)空調(diào)夏季室外計(jì)算參數(shù)適用的參數(shù)選取方式，并以適用參數(shù)對(duì)我國(guó)“干、濕球溫度分別統(tǒng)計(jì)”的參數(shù)進(jìn)行修正，給出相應(yīng)的修正系數(shù)，為空調(diào)室外設(shè)計(jì)參數(shù)合理選取提供參考。

1）對(duì)比不同參數(shù)選取方法條件下的夏季空調(diào)室外設(shè)計(jì)干球溫度和計(jì)算濕球溫度，發(fā)現(xiàn)室外計(jì)算濕球溫度的變化對(duì)空調(diào)設(shè)計(jì)負(fù)荷的影響較大。

2）空調(diào)設(shè)計(jì)負(fù)荷需一定的富裕，但干濕球溫度分別統(tǒng)計(jì)取值的參數(shù)普遍偏大，可能會(huì)造成富裕過大導(dǎo)致設(shè)備浪費(fèi)?！耙砸粋€(gè)溫度為基礎(chǔ)耦合選取另一個(gè)溫度”的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算的設(shè)計(jì)負(fù)荷裕量較為適宜。

3）干空氣能資源較豐富地區(qū)適用的參數(shù)選取方法為“干球溫度為基準(zhǔn)耦合同期濕球溫度”，如我國(guó)西北地區(qū)。干空氣資源較貧乏地區(qū)適用的參數(shù)選取方法為“濕球溫度為基準(zhǔn)耦合同期干球溫度”，如我國(guó)東南地區(qū)。

4）利用各區(qū)域適用設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)我國(guó)“干、濕球溫度分別統(tǒng)計(jì)”方法所取的參數(shù)進(jìn)行修正，給出了五個(gè)適用區(qū)域的空調(diào)室外計(jì)算干球溫度和計(jì)算濕球溫度修正系數(shù)：Ⅰ區(qū)1/0.92；Ⅱ區(qū)1/0.75；Ⅲ區(qū)0.92/1；Ⅳ區(qū)0.94/1；Ⅵ區(qū)1/0.67。