空調(diào)間歇運行模式下室內(nèi)熱環(huán)境測試研究

■ 李海峰 LI Haifeng

0 引言

在上海地區(qū)的住宅中，依靠分體空調(diào)或多聯(lián)機等分散式空調(diào)設(shè)備來解決全年采暖空調(diào)需求的住戶占據(jù)大多數(shù)。清華大學(xué)等單位組織的調(diào)查研究顯示，上海地區(qū)城鎮(zhèn)居民中使用空氣源熱泵空調(diào)供暖的住戶占到91%[1]，劉煒等在2011年對上海3個市區(qū)行政區(qū)的調(diào)查結(jié)果顯示，采用空調(diào)供暖的家庭占比達(dá)到82.9%[2]。而根據(jù)上海市統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)，截止2017年底，上海每百戶城鎮(zhèn)常住居民家庭空調(diào)擁有量達(dá)到210臺，即平均每戶擁有2.1臺空調(diào)[3]。對于分散式空調(diào)設(shè)備，部分時間和部分空間的間歇運行是其重要的使用特征，也是區(qū)別于北方集中供暖的重要差異，對本地區(qū)的住宅室內(nèi)熱環(huán)境和相應(yīng)的節(jié)能措施產(chǎn)生直接影響。

關(guān)于上海地區(qū)住宅建筑室內(nèi)熱環(huán)境，已有相關(guān)研究人員開展入戶測試與評估，如郭偲悅等[4]、周翔等[5]針對冬季室內(nèi)熱環(huán)境開展調(diào)研和測試研究，史潔等[6]針對高層住宅夏季熱環(huán)境開展調(diào)查研究，均是通過調(diào)研和典型戶測試形成對住宅熱環(huán)境水平的評價。綜合文獻(xiàn)資料結(jié)果，現(xiàn)有的測試研究多集中于熱環(huán)境水平的評價，對細(xì)化的熱環(huán)境特性，如部分時間的變化規(guī)律、部分空間使用的鄰室溫差變化、不同類型住戶的熱環(huán)境差異及其影響因素等缺少深入的量化分析研究。

本文通過選取三戶不同類型的住宅建筑，進(jìn)行連續(xù)的全年室內(nèi)熱環(huán)境測試，依托測試數(shù)據(jù)，對熱環(huán)境的時間和空間變化特征、戶間對比等內(nèi)容開展量化分析，以期揭示住宅空調(diào)間歇運行時室內(nèi)的熱環(huán)境特性，為上海地區(qū)住宅節(jié)能設(shè)計和熱環(huán)境改善提供基礎(chǔ)性的研究支撐。

1 測試研究方案

為了解上海典型住宅室內(nèi)熱環(huán)境特征，選取三戶不同住宅，通過長期連續(xù)記錄室內(nèi)的溫度狀態(tài)，來分析住戶空調(diào)間歇使用的行為特征及對應(yīng)的室內(nèi)熱環(huán)境變化特征，為住宅節(jié)能研究提供基礎(chǔ)分析數(shù)據(jù)。

1.1測試對象的選擇

測試對象的選擇，區(qū)分不同建造年代，不同外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫狀態(tài)，不同住戶構(gòu)成。最終選擇三戶測試對象（表1），涵蓋三種不同的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫方式：外保溫、內(nèi)保溫以及無保溫；在住戶構(gòu)成上包括典型的青年+老人+小孩的多口之家，也包含青年夫妻的兩口之家，以期涵蓋不同的典型住戶。三戶均以分體空調(diào)作為供暖空調(diào)設(shè)備，其中2#和3#住戶在冬季局部時段會采用電油汀進(jìn)行局部采暖。

各戶的戶型如圖1所示。

1.2 測試內(nèi)容及工具

測試內(nèi)容主要為房間溫度，采用TESTO 174H型溫濕度記錄儀，放置于各戶的客廳和臥室內(nèi)，按照每30min1個數(shù)據(jù)來連續(xù)記錄室內(nèi)溫度變化。整個測試過程在2014年10月～2016年4月間進(jìn)行，涵蓋了典型的夏季和冬季運行工況。

2 住宅室內(nèi)熱環(huán)境特性分析

基于測試記錄數(shù)據(jù)，選取完整的夏季（6～8月）和冬季（12～2月）室內(nèi)溫度參數(shù)進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境的特征分析，就室內(nèi)熱環(huán)境水平、間歇使用特征、鄰室溫差以及戶間對比分析進(jìn)行闡述。

2.1 室內(nèi)熱環(huán)境水平

如果以夏季室溫≤28℃，冬季室溫≥16℃作為舒適評價基準(zhǔn)，則各戶的室內(nèi)熱環(huán)境水平呈現(xiàn)較大的差異。圖2為不同住戶主臥的室溫舒適時間占比統(tǒng)計結(jié)果，可以看出，3#住宅夏季室溫≤28℃的時間占比達(dá)到82.2%，冬季室溫≥16℃的時間占比達(dá)到83.4%，總體上室內(nèi)熱環(huán)境水平良好；1#住宅則呈現(xiàn)出迥異的特征，其夏季室溫≤28℃的時間占比為53.7%，而冬季室溫≥16℃的時間僅為2.0%，室內(nèi)熱環(huán)境水平較差。

進(jìn)一步分析各戶的特點可以發(fā)現(xiàn)，3#住戶有良好的外保溫措施，住戶內(nèi)有老人和小孩，對熱環(huán)境的需求較高，供暖空調(diào)設(shè)備開啟時間較長，這些特點均與1#住戶相反；而2#住戶和3#住戶雖然同樣有外圍護(hù)保溫措施，但冬季熱環(huán)境仍然較差，主要原因是2#住戶是單身青年，在冬季經(jīng)常使用電油汀進(jìn)行局部采暖。因此，良好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能對住宅熱環(huán)境改善有明顯的幫助，但不是決定性因素，住戶的需求和行為習(xí)慣才是更重要的影響。

表1 測試對象

圖1 測試對象戶型圖

圖2 不同住戶主臥熱環(huán)境水平評價圖

2.2 間歇使用特征

住宅空調(diào)的間歇運行模式，會在室內(nèi)熱環(huán)境上得到直觀的體現(xiàn)。圖3為1#住戶在夏季某高溫天24h內(nèi)的室溫變化，從中可以表征出典型的空調(diào)間歇使用特征。12:00～21:00期間，客廳和主臥的溫度接近并隨室外氣溫波動，保持在32℃以上的高位；客廳在21:00～次日0:00期間開啟空調(diào)，客廳的室溫從34.6℃降至26.8℃，次日0:00關(guān)閉空調(diào)后，客廳的室溫逐步攀升；臥室則是在次日0:00～次日7:00間開啟空調(diào)，臥室的室溫從33.6℃降至25.6℃，次日7:00起床后臥室空調(diào)關(guān)閉，臥室的溫度逐步上升，并趨近客廳的溫度，構(gòu)成24h的室溫變化循環(huán)。

對其他戶以及其他時間節(jié)點的室溫變化情況分析表明，客廳在入睡前短時開啟空調(diào)，臥室在入睡后開啟空調(diào)，是較為典型的空調(diào)開啟運行模式。有所變化的在于，臥室空調(diào)是整夜開啟，還是開啟1～2h，與個人的生活習(xí)慣和環(huán)境狀態(tài)有關(guān)。3戶的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，夏季臥室空調(diào)開啟整夜的情況較普遍，冬季臥室空調(diào)在夜間只開啟1～2h的情況則較普遍。

圖3 1#住戶夏季某高溫天不同房間的室溫變化圖（工作日）

圖4 不同住戶空調(diào)運行期間鄰室最大溫差圖

2.3 鄰室溫差

住宅空調(diào)間歇運行對室內(nèi)熱環(huán)境的另外一個影響是會產(chǎn)生鄰室溫差，進(jìn)而對空調(diào)房間的負(fù)荷構(gòu)成產(chǎn)生影響。不同住戶在夏季和冬季的鄰室溫差最大值整理如圖4所示?？梢钥闯?，夏季的鄰室溫差最大值在3.9～7.7℃范圍內(nèi)，冬季的鄰室內(nèi)溫差最大值在3.1～6.5℃范圍內(nèi)。但鄰室溫差最大值在戶間和季節(jié)間并不具備較為清晰的規(guī)律性，受住戶行為習(xí)慣的影響較大，如在關(guān)閉空調(diào)后是否開啟外窗通風(fēng)，對室溫變化和鄰室溫差有較大的影響。

圖5為1#住戶夏季某高溫天的鄰室溫差變化，可以看出，客廳與臥室溫差值是動態(tài)變化的。這種溫差變化與空調(diào)開啟時間并不完全同步，無論是開啟還是關(guān)閉空調(diào)，室溫都是逐步變化。以夏季臥室開啟空調(diào)后的鄰室溫差來看，在前1h內(nèi)，客廳溫度仍然低于臥室溫度，此時隔墻的傳熱對臥室的空調(diào)運行是正向作用。因此，對于內(nèi)隔墻保溫的節(jié)能效果探討，應(yīng)考慮到如下特性：①鄰室溫差是動態(tài)變化，并非一直保持在最大值，與空調(diào)開啟時間長度有關(guān)；②在局部時間段內(nèi)，隔墻的傳熱反而有利于降低空調(diào)負(fù)荷。因此，內(nèi)隔墻保溫并非絕對的節(jié)能，其節(jié)能效果應(yīng)根據(jù)各空間空調(diào)開啟時間進(jìn)行權(quán)衡分析。

2.4 戶間對比

圖6為不同戶的臥室在夏季同一日的室內(nèi)溫度對比，可以看出：1#住戶室溫的波動性遠(yuǎn)大于2#和3#住戶，在非空調(diào)時段，1#住戶的室溫高出2#和3#住戶3.4℃以上；在空調(diào)時段，1#住戶則將室溫調(diào)節(jié)至26℃以下，為3戶中最低；而在空調(diào)停機后，1#室溫又逐步攀升并超過2#和3#。這種特性的背后，一方面，是1#住戶外圍護(hù)無保溫措施，受室外溫度波動的影響更大；另一方面，是個體的冷需求也有差異，空調(diào)設(shè)置的溫度和時間各戶間有較大的差異。

圖7為不同戶的臥室在冬季同一日的室內(nèi)溫度對比，可以看出：①無論是空調(diào)時段還是非空調(diào)時段，3#住戶的室內(nèi)溫度均高出1#和2#住戶，其中3#住戶臥室的24h平均溫度高出4.3℃以上；②3#住戶未開空調(diào)時，其室溫達(dá)到16℃以上，已超出1#和2#住戶開啟空調(diào)后的溫度，但在睡覺前仍開啟空調(diào)，將室溫調(diào)節(jié)至20℃以上，反映了個體熱需求的差異性。

3 總結(jié)

（1）分散式空調(diào)是上海地區(qū)住宅普遍采用的供暖空調(diào)設(shè)備，具備部分時間、部分空間的間歇運行特征，這種間歇運行模式會反映在室內(nèi)熱環(huán)境上。對三戶不同類型住戶的室內(nèi)溫度長期監(jiān)測顯示，客廳在下班回家至入睡前短時開啟空調(diào)，臥室在入睡時開啟空調(diào)，是較為典型的空調(diào)開啟運行模式，并導(dǎo)致客廳和臥室的溫度出現(xiàn)交替變化。

（2）對三戶不同類型住戶的室內(nèi)溫度長期監(jiān)測顯示，住宅室內(nèi)熱環(huán)境在不同住戶間差異較大。室內(nèi)熱環(huán)境的水平受多個因素影響，圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫措施、戶主的構(gòu)成及其熱需求、開窗等行為習(xí)慣均會對熱環(huán)境產(chǎn)生影響。對比分析結(jié)果顯示，良好的外圍護(hù)保溫措施對于維持室溫穩(wěn)定，減少室溫波動有著明顯效果，但在熱環(huán)境的影響因素中，并不是決定性因素，住戶的需求和行為習(xí)慣，包括空調(diào)設(shè)定的溫度、開啟的時間、開窗通風(fēng)行為才是更重要的影響因素。

（3）在間歇運行模式下，戶內(nèi)各房間會出現(xiàn)鄰室溫差。三戶的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，夏季的鄰室溫差最大值在3.9～7.7℃范圍內(nèi)，冬季的鄰室內(nèi)溫差最大值在3.1～6.5℃范圍內(nèi)。但鄰室溫差最大值在戶間和季節(jié)間并不具備較為清晰的規(guī)律性，受住戶行為習(xí)慣的影響較大，如在關(guān)閉空調(diào)后是否開啟外窗通風(fēng)等。同時，鄰室溫差是動態(tài)變化的，并非一直保持在最大值，與空調(diào)開啟時間長度有關(guān)，在局部時間段內(nèi)，隔墻的傳熱反而有利于降低空調(diào)負(fù)荷，因此，內(nèi)隔墻保溫的節(jié)能效果應(yīng)根據(jù)各空間空調(diào)開啟時間進(jìn)行權(quán)衡分析。

圖5 1#住戶夏季某高溫天的鄰室溫差變化圖（客廳、主臥）

圖6 不同住戶臥室氣溫對比圖（夏季典型日）

圖7 不同住戶臥室氣溫對比圖（冬季典型日）