室內設計參數對住宅建筑空調負荷的影響分析

許抗吾，魏俊輝，孫林娜，鮑 超，劉啟明

(北京市勘察設計研究院有限公司，北京 100038)

建筑能耗一直是全社會能源消耗的大戶，據統計，2018年我國建筑建造和運行用能占全社會總能耗的37%[1]。在建筑運行能耗中，供暖空調能耗比重最大，一般能占到建筑總能耗的40%～50%[2]。

長久以來，在建筑節能領域人們常常致力于建筑圍護結構熱工性能的改善及供熱制冷系統能效的提升[3-5]。目前有學者針對住宅建筑的能耗模擬進行過一些研究，段良飛等[6]采用eQUEST模擬軟件對石家莊市某住宅建筑不同外圍護結構條件下的冷熱負荷情況進行模擬，分析外墻、外窗、遮陽和屋面等因素對能耗的影響；張澤超等[7]利用YBPA2019軟件進行青島市某節能住宅樓的模擬分析，對比了分別采用兩種空調方案的住宅能耗情況；孟文強等[8]采用DeST-h軟件，模擬山東半島沿海地區不同類型的外窗、屋頂保溫構造的住宅建筑能耗，考慮了提高空調的能效比、可再生能源的節能效果，并提出了住宅建筑節能的建議。

然而，建筑的室內設計參數以及使用者的行為對建筑能耗的影響是不可忽視的，甚至對建筑負荷大小起著關鍵性的作用。本文針對北京市某住宅建筑，采用DeST-h能耗模擬軟件，研究不同的室內設計參數對該建筑空調負荷的影響，并分析住宅建筑運行節能的思路。

1 模型建立

1.1 建筑概況

以北京市某多層住宅建筑為模擬研究對象，該建筑為正南朝向，層高為3 m，共6層，總建筑面積1 033 m2。夏季采用多聯機空調系統進行制冷，冬季采用地板采暖系統進行供暖，總供能面積為896 m2。夏季制冷起止時間：6月1日～8月31日；冬季供暖起止時間：11月15日～次年3月15日[9]。

建筑平面圖與能耗模擬模型分別如圖1，圖2所示。

1.2 圍護結構參數

該住宅建筑的圍護結構參數嚴格按照JGJ 26—2018嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準[10]設置，具體參數見表1。

表1 圍護結構參數

1.3 室內設計參數

住宅建筑的室內設計參數包括空調室內設計溫濕度、人員、照明功率、設備功率、通風換氣次數等。該住宅建筑戶型中有起居室、主臥、次臥、廚房、衛生間等房間類型，相關室內設計參數見表2。

表2 室內設計參數

除了基本的室內設計參數，模擬建筑逐時負荷需要設置詳細的室內熱擾作息，包括人員在室率、照明使用率和設備使用率，如表3所示。

2 模擬結果分析

住宅建筑基礎模型的全年逐時負荷如圖3所示。

負荷模擬結果統計如表4所示，該住宅建筑的冷負荷峰值為77.01 kW，熱負荷峰值為23.84 kW。由于建筑位于寒冷地區，供暖時間較制冷時間長，全年累計熱負荷與冷負荷相當。根據相關標準，北京地區此類住宅建筑單位面積采暖耗熱量指標限值為30.56 kW·h/(m2·a)，空調制冷量指標限值為21 kW·h/(m2·a)(綜合COP=3)[11]，可見基礎模型的設定滿足設計要求。

表3 室內熱擾作息時間表

表4 基礎模型模擬結果統計值

2.1 室內設計溫度

室內設計溫度是決定空調系統負荷的最主要的參數之一。對于舒適性空調，供冷工況下的室內設計溫度為26 ℃～28 ℃，供熱工況下的室內設計溫度為18 ℃～22 ℃[12]。根據設計要求，分析不同室內設計溫度對冷熱負荷的影響。

2.1.1 制冷設計溫度

制冷設計溫度調整為24 ℃～28 ℃，模擬得到的結果如圖4所示。隨著制冷設計溫度的升高，室內外溫差減小，冷負荷的峰值與累計值整體呈現出降低的趨勢。冷負荷在制冷設計溫度為28 ℃時達到最小值，峰值為72.09 kW，累計值為12 207.21 kW·h。與制冷設計溫度26 ℃相比，冷負荷峰值與累計值分別降低了6.49%和19.35%。

2.1.2 供暖設計溫度

由于本項目住宅建筑采用地板采暖系統，輻射供暖室內設計溫度宜降低2 ℃，因此供暖設計溫度為16 ℃～20 ℃。不同設計工況下的熱負荷如圖5所示。顯然，隨著供暖設計溫度的降低，熱負荷是不斷降低的。熱負荷在供暖設計溫度為16 ℃時達到最小值，峰值22.41 kW，累計值為10 439.58 kW·h。與供暖設計溫度18 ℃相比，熱負荷峰值與累計值分別降低了15.78%和34.01%。

改變室內的設計溫度對住宅建筑空調冷熱負荷的影響較為顯著，提高制冷設計溫度或者降低供暖設計溫度，能夠有效降低冷熱負荷。

2.2 室內設計濕度

除了溫度，空氣相對濕度也是空調供暖系統的重要設計參數。舒適性空調在熱舒適度Ⅱ級規定：供冷工況下室內相對濕度應不大于70%，供熱工況下無要求。分別調整室內設計濕度的上下限，分析相對濕度對負荷的影響。

2.2.1 相對濕度上限

相對濕度下限為20%，上限分別為80%,70%和60%，負荷模擬計算結果如圖6所示。

由于空氣相對濕度在夏季通常較高，冬季偏低，因此降低相對濕度上限只影響空調的冷負荷。常規的空調器采用表面式換熱器對空氣進行熱濕處理，當相對濕度上限降低時，需要進一步降低表面式換熱器中冷媒的溫度來達到除濕的目的，因此冷負荷隨著相對濕度上限的降低而升高。室內相對濕度上限降低10%，冷負荷峰值增加約7.4 kW，冷負荷累計值增加約1 500 kW·h。

2.2.2 相對濕度下限

相對濕度上限為80%，調整下限為20%,30%和40%，對建筑負荷進行模擬。

相對濕度下限提高時，在冬季供熱工況下需要對室內空氣進行加濕。而表面式換熱器無法對空氣進行加濕處理，只能使用另外的加濕設備，因此相對濕度下限對熱負荷沒有影響，如圖7所示。

負荷模擬結果表明，室內相對濕度上限對空調冷負荷有較大的影響，相對濕度下限一般不影響空調的冷熱負荷。

2.3 室內熱擾

人員、照明、設備等室內熱擾是空調負荷的組成部分。通過控制變量的方法，模擬分析不同人員、照明功率和設備功率情況下建筑的冷熱負荷變化，室內熱擾組合模式見表5。

表5 室內熱擾組合模式

室內熱擾對建筑負荷的影響如圖8所示。增加人員、照明、設備散熱量，一方面建筑的冷負荷有所升高，另一方面散熱量能夠抵消一部分熱負荷，從而熱負荷略有降低。

單戶人員每增加1人，累計冷負荷增加約7%，累計熱負荷減少約8.6%；照明功率密度每升高1 W/m2，累計冷負荷增加約2%，累計熱負荷減少約1.8%；設備功率密度每升高1 W/m2，累計冷負荷增加約4.2%，累計熱負荷減少約3.3%。可見，人員熱擾對熱負荷的影響大于冷負荷，而照明與設備熱擾對冷負荷的影響更加顯著。整體來看，人員數量影響相對較大，設備功率密度其次，照明功率密度影響最小。

2.4 建筑通風

建筑的自然通風對空調的冷熱負荷起著非常關鍵的作用。一般來說，夏季在室外氣溫適宜時增加室外通風可以有效帶走室內的余熱和余濕，從而降低空調制冷能耗。

在DeST-h軟件的室外通風設置中有“逐時通風”和“通風范圍”兩種模式。其中“逐時通風”是按照用戶設定的逐時通風次數進行計算，而“通風范圍”反映了住戶利用開關窗通風調節室內溫度的行為，即室外溫度適宜(介于室內設定溫度范圍)時，開窗通風(此時按最大通風量計算)；當溫度不適宜時，關閉窗戶(此時按最小通風量計算)。

考慮到住宅建筑的使用特點，基礎模型采用“通風范圍”的通風模式，其中最小與最大通風換氣次數均為0.5次/h，即在不開窗通風的情況下，模擬建筑的全年冷熱負荷。通過改變最大通風量，當最大通風換氣次數分別為1次/h,2次/h,3次/h,4次/h和5次/h，模擬建筑全年負荷變化，分析開窗通風對該建筑冷熱負荷的影響(見圖9)。

如圖9所示，通風換氣次數對熱負荷幾乎沒有影響，這是因為模型采用“通風范圍”的室外通風模式，而冬季絕大部分時間的室外氣溫低于室內的設計溫度，并不會選擇開窗通風，所以熱負荷受最大通風換熱次數的影響很小；對于冷負荷，隨著最大通風換氣次數的增加，冷負荷累計值不斷減少。顯然，在夏季室外氣溫低于室內氣溫時選擇開窗通風，有利于去除室內余熱、余濕，從而減少空調開啟的時間，降低空調冷負荷；并且通風換氣量越大，對于降低空調能耗越有利。

3 結論

基于DeST-h搭建的住宅建筑能耗模擬基礎模型，本文模擬分析了室內設計溫濕度、室內熱擾參數以及建筑通風對建筑能耗的影響。主要結論如下：

1)室內設計溫度對住宅建筑的空調能耗影響較大，提高制冷設計溫度或者降低供暖設計溫度有利于減少供暖空調的冷熱負荷，降低能耗。

2)室內設計相對濕度主要影響住宅建筑的空調冷負荷，若對夏季除濕要求較高，必然會相應增加空調能耗。

3)人員、照明、設備等室內熱擾對住宅建筑冷熱負荷的影響相對較小，增加人員、照明功率密度或設備功率密度會增加冷負荷、減少熱負荷。

4)建筑的通風，尤其是室外通風對空調的冷熱負荷起著非常關鍵的作用。在冬季由于室外氣溫較低，應盡量減少室外通風；而夏季增強室外通風，冷負荷累計值大幅降低。

綜上所述，室內設計溫度、建筑通風對住宅建筑冷熱負荷的影響較大。因此，從建筑運行節能的角度來看，適當升高夏季空調室內設計溫度或者降低冬季供暖室內設計溫度，并且在室外溫濕度適宜時開窗通風是降低住宅建筑供暖空調系統運行能耗的有效手段。