长江三角洲地区高层住宅建筑空调负荷
变化特性调研与分析
王国建，陈超，吴金顺，周平
(北京工业大学 建筑工程学院，北京，100124)
摘要：对2009年6月-2011年2月江苏地区某高层住宅建筑小区地源热泵系统的实时运行数据进行跟踪调查，分析该住宅建筑空调系统连续运行条件下空调负荷的全年变化特性：夏季和冬季空调总负荷最大值分别为34~37 W/m2和36~39 W/m2；人均新风量为45 m3/(h·人)条件下的新风最大负荷分别约为25和24 W/m2；夏季和冬季累计空调总负荷比值为0.47:0.53。认为这2年实测数据的研究结果可为长江三角洲地区类似住宅建筑空调系统的优化设计与节能运行控制提供基础数据参考。
关键词：长江三角洲地区；高层住宅建筑；空调负荷特性；设计基础数据
中图分类号：TU83 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)S1-140-06
Investigation of variation characteristics of air conditioning load of high-rise residential buildings in Yangtze River Delta region
WANG Guo-jian, CHEN Chao, WU Jin-shun, ZHOU Ping
(College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)
Abstract: Investigation and analysis of operation data from Jun. 2009 to Feb. 2011 of the air conditioning system about a high-rise residential district located in Yangtze River region was conducted. The results show the change characteristics of annual air conditioning load of residential building: the maximum air conditioning load is 34-37 W/m2 in summer and 37-39 W/m2 in winter, among which fresh air load is about 25 W/m2 in summer, 24 W/m2 in winter if the per capita fresh air is 45 m3/h; the ratios of accumulative load in summer and winter throughout the year are about 47% and 53%, respectively. The investigation result can provide the basic reference data for optimization design of air conditioning system and energy saving operation control of the similar residential buildings in Yangtze River Delta region.
Key words: Yangtze River Delta region; high-rise residential buildings; air-conditioning load characteristics; design basis data
“十一五”时期，我国在新建建筑执行节能设计标准、既有建筑节能改造、公共建筑节能运行监管以及绿色建筑示范等方面开展了大量卓有成效的工作，为“十二五”建筑节能工作的不断推进奠定了重要基础。建筑空调系统的节能设计与节能运行在建筑节能中地位日趋显著。空调负荷的计算方法已有研究，1946年Mackey和Wight提出用当量温差法(ETD)计算通过围护结构的负荷计算方法；20世纪50年代初，研究者提出谐波分解法。这2种方法的共同缺点是对得热量和冷负荷不加区分，空调冷负荷计算量往往偏大[1]。依据工程控制论的扰量和离散化处理思想，Mitalas等于1976年提出反应系数法[2-4]，1971年又用Z传递函数改进反应系数法[5-6]，并提出适合于人工计算的冷负荷系数法并被1972年ASHRAE基础手册采用。1997年Spitler等提出辐射时间序列法(RTS)[7-9] ,该方法是对前述的当量温差法、传递函数法、冷负荷系数法的有效发展，适于计算机计算。随着经济快速发展带来的建筑物和人居生活方式的转变，传统理论计算方法也亟需更新。合理可靠的负荷指标确定，应是建立在对建筑能耗实测分析基础之上的。目前，国内设计院沿用的重要设计参数大多偏陈旧，数据更新较 慢[10-12]，所设计项目多只在设计图纸层面进行节能审查，而对项目真正实施后的实际运行情况，能耗情况了解甚少[13]。实际中，项目后期的运行状况调查和运行数据反馈对于节能设计标准的科学合理执行、以及提高节能建筑设计水平，是非常重要和不可或缺 的[14-15]。本研究基于上述观点，对位于长江三角洲地区某高层住宅建筑小区连续2年的空调系统实时运行数据进行调查与分析，初步掌握该类高层住宅建筑小区空调负荷变化特性，在一定程度上反映该类地区按节能建筑标准建设的高层住宅建筑的能耗状况。
1 调研对象概况
1.1 建筑概况
调研建筑小区总建筑面积约70 000 m2，入住人数约2 000人，建筑围护结构主要热工性能参数如表1所示。住宅小区采用集中空调方式；空调期室内温、湿度控制参数分别为在23~24 ℃和50%~55%；人均新风量约为45 m3/h；空调系统24 h连续运行，供冷、暖期分别为5-9月和11-次年4月。
表1 围护结构组成及热工性能
Table 1 Basic thermal performance of building envelope
1.2 室外气象特点
室外气象参数测试时间为2009年6月-2011年2月。图1为2009年6月-2011年2月室外气象实测数据。由图1可见：该地区夏季室外相对湿度φx>80%的天气占67%，干球温度tx>30 ℃的频率约为21%(见表2)，夏季高温高湿为主要特征；冬季室外相对湿度φd>80%的天气高达38%，干球温度主要集中在td=0~10 ℃(见表3)，湿冷气候为主要特征。
图1 2009年6月-2011年2月调查地区室外温度、相对湿度变化图
Fig.1 Outdoor weather characteristics of survey region
表2 夏季室外气象统计
Table 2 Summer outdoor weather statistics
表3 冬季室外气象统计
Table 3 Winter outdoor weather statistics
2 调查结果分析
2.1 空调总负荷变化特性
图2为调查小区调查期间空调总负荷(室内空调负荷+新风负荷)逐时变化图。由图2可见，2009年夏季小时最大空调总负荷34 W/m2，出现在8月下旬；2010年夏季小时最大空调总负荷为37 W/m2，出现在8月中旬。2009年冬季小时最大空调总负荷为39 W/m2，出现在12月下旬；2010年冬季小时最大空调总负荷为37 W/m2，出现在1月上旬。
图2 空调总负荷逐时变化
Fig.2 Hourly variation characteristics of air conditioning load
图3为月平均空调总负荷与最大空调总负荷比例分布。通过2年调研数据分析可见，供冷期(5~10月)：7和8月份月平均空调总负荷与最大空调总负荷的比值0.64~0.72；6和9月份月平均负荷的比值为0.34~0.51；5月份月平均负荷的比值为0.19；10月份比值仅为0.01。供暖期(11月~次年4月)：12，1和2月的月平均空调总负荷与冬季最大空调总负荷的比值0.55~0.6；11和3月月平均负荷比值为0.3~0.4；4月份月平均负荷比值不到0.01。图4分别为夏、冬季空调冷、热累计负荷比例结果。夏季、冬季累计空调总负荷的比值为0.47:0.53，因此，冬季空调供暖热负荷略高于夏季冷负荷。
图3 月平均空调总负荷与最大空调总负荷比例分布
Fig.3 Ratio of month average load and peak load
图4 冬、夏季空调累计空调负荷全年空调总负荷之比
Fig.4 Air-conditioning cooling and heating cumulative load proportion
2.2 室内空调负荷变化特性
图5为室内空调负荷(室内显热负荷+室内潜热负荷)逐时变化规律。由图5可见，夏季室内最大空调负荷为19~21 W/m2，其中显热负荷为17~19 W/m2，占室内负荷比例约90%，室内潜热负荷仅为1.6 W/m2，所占比例为10%。冬季室内最大空调负荷为18~19 W/m2，其中显热负荷为17~18W/m2，占室内空调负荷比例约93%，室内潜热负荷仅为1.2 W/m2，所占比例仅为7%。
图5 室内空调负荷逐时变化
Fig.5 Hourly variation characteristics of indoor load
图6为冬、夏季累计室内空调负荷与全年室内空调负荷之比。由图6可见，夏、冬季室内空调冷、热负荷所占比例分别为67%和33%。
图6 冬、夏季累计室内空调负荷之比
Fig.6 Annual indoor cooling and heating cumulative load proportion
2.3 新风负荷变化特性
2.3.1 新风负荷逐时变化特性
图7为新风负荷(新风显热负荷+新风潜热负荷)逐时变化规律。由图7可见，夏季新风最大负荷约为25 W/m2，其中潜热负荷约为19~20 W/m2，所占比例约80%，显热负荷为5~6 W/m2；冬季新风最大负荷约为24 W/m2，其中新风潜热负荷约为10 W/m2，占新风负荷比例约42%，显热负荷约为14 W/m2。图8为冬、夏季累计新风空调负荷比例。由图8可见，夏、冬新风空调冷、热负荷之比分别为0.34和0.66。由于冬季室内外焓差比夏季的高，导致冬季累计新风负荷是夏季的2倍，而冬季新风负荷所占比例也直接影响空调总负荷的比例。
图7基于室外气象参数影响的新风负荷逐时变化
Fig.7 Hourly variation characteristics of fresh air load
图8 冬、夏季累计新风负荷比例
Fig.8 Annual fresh air cooling and heating cumulative load proportion
2.3.2 新风负荷与空调总负荷的比例关系
图9为新风负荷对空调总负荷的影响规律。从中可以看出，夏季6、7、8月新风逐时负荷所占空调总负荷比例为45%~55%，供冷过渡季节9~10月室内负荷很小，新风负荷所占比例较高。冬季12，1和2月新风逐时负荷所占空调总负荷比例高达65%~80%，供暖过渡季节3~4月新风负荷所占比例在80%以上。
图9 新风负荷与空调总负荷的关系
Fig.9 Relationship between fresh air load and indoor load
图10为冬季和夏季累计新风负荷、累计室内负荷与全年空调总负荷之比。夏、冬季累计新风负荷在空调总负荷中的比例分别为46%和77%。调研建筑全年新风负荷在空调总负荷中所占比例偏高，原因在于：一是人均新风量设计偏大；二是室内温度设计标准偏高，全年室内空调温度基本都维持在23~24 ℃；三是新风系统运行控制策略没有充分考虑室外气象条件变化的影响，新风除了承担室内全部潜热负荷，同时还承担了较多的室内显热负荷(如图11所示)。
图10 冬、夏季累计新风负荷与室内空调负荷之比
Fig.10 Proportion of fresh air load and indoor load
图11 新风承担室内显热负荷情况
Fig.11 Fresh air commitment to indoor sensible heat load
2.3.3室 内环境与新风量
针对新风负荷所占比例过大的问题，比较分析不同室内温湿度环境条件下，新风仅承担室内潜热负荷条件下的人均新风量变化以及新风负荷、空调负荷的相应变化情况(如图12和13所示)。由图12可见，当室内相对湿度为60%、室内温度为25 ℃时所需的新风量，仅为室内相对湿度为60%、室内温度为23 ℃时的50%；此时前者的新风负荷仅为后者的41%，相应空调负荷仅为后者的62%。可知合理的确定室内温、湿度设计标准以及新风量标准，对于空调系统的低碳节能运行，将具有非常重要的意义。
图12 室内温度变化对新风量的影响
Fig.12 Impact of indoor temperature on fresh air volume
图13 室内温度变化对空调负荷的影响
Fig.13 Impact of indoor temperature on air-conditioning load
3 结论
(1) 空调总负荷夏季最大值为34~37 W/m2，一般出现在8月中下旬；冬季最大值为36~39 W/m2，出现在每年12月底和1月初。夏季和冬季累计空调总负荷比值为0.47和0.53。
(2) 夏季室内最大空调负荷为19~21 W/m2，其中显热负荷为17~19 W/m2，占室内空调负荷比例约90%，室内潜热负荷仅为1.6 W/m2，所占比例为10%；冬季室内最大负荷为18~19 W/m2，其中显热负荷为17~18 W/m2，占室内空调负荷比例约93%，室内潜热负荷约为1.2 W/m2，所占比例仅为7%。
(3) 人均新风量为45 m3/(h·人)时，夏季新风最大负荷约为25 W/m2，其中潜热负荷约为19~20 W/m2(占80%)，显热负荷为5~6 W/m2；冬季新风最大负荷约为24 W/m2，其中新风潜热负荷约为10 W/m2(占42%)，显热负荷约为14 W/m2。
(4) 室内温/湿度控制标准如果由23 ℃/60%改变为25 ℃/60%，新风量可减少50%，新风负荷可减少41%，相应的空调总负荷可减少62%。
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(编辑 邓履翔)
收稿日期：2012-01-15；修回日期：2012-02-15
通信作者：陈超(1958-)，女，湖南长沙人，博士，教授，博士生导师，从事相变蓄热技术与可再生能源技术在建筑节能技术中的应用研究；电话：13601050837；E-mail: chenchao50@126.com
