辦公建筑空調室內計算參數分析

彭鵬

(天津大學建筑設計規劃研究總院，天津 300073)

辦公建筑空調室內計算參數分析

彭鵬

(天津大學建筑設計規劃研究總院，天津 300073)

為了獲得合理的室內計算參數以實現節約空調能耗的目的，本文以Fanger的熱舒適理論及PMV-PPD評價指標為依據并綜合考慮我國現階段國情，得出滿足熱舒適要求的舒適區，同時以天津地區的辦公建筑為例，采用建筑能耗模擬軟件DeST定量的分析了溫、濕度對空調能耗的影響規律。由于不同類型的建筑能耗差別很大，本文以辦公建筑為研究對象，分析建筑能耗特點并考慮室內熱舒適因素得出節能舒適區，從而為選擇室內計算參數提供參考依據。

溫度；濕度；熱舒適；建筑能耗

引言

據有關資料統計，公共建筑中，空調制冷采暖所消耗的能耗占到建筑能耗的50%～60%，按照以上比例推算，空調采暖能耗將占到總能耗的15%～20%。而且隨著經濟的發展，采暖地區的擴大，以及空調建筑的增加，空調采暖能耗的比例將越來越大。人的一生中80%以上的時間是在室內度過的，空調采暖系統的最終目的是保證空氣品質和維持室內合適的環境，即要控制合適的室內參數。隨著生活水平的不斷提高，人們往往追求更高的舒適度。目前，業主、設計人員往往在取用室內設計參數時選用過高的標準。室內參數不僅僅影響到人體的熱舒適，而且與空調系統的能耗息息相關。因此只有制定合理的室內設計參數，才能科學的計算冷熱負荷，選擇經濟合理的供冷供熱設備，達到建筑節能的目的。所以，室內設計參數的確定是采暖通風與空氣調節設計的首要前提[1-2]。

研究方法

為了獲得符合我國實際情況的室內設計參數值，本文以我國現行的《采暖通風與空氣調節設計規范》（GB50019-2003）[3]、《 公 共 建 筑 節 能 設 計 標 準 》（GB50189-2005）[4]等為主要依據，并參照國際標準ISO7730[5]，ASHRAE55[6]等，從室內熱舒適、建筑節能和實際調研三部分進行分析。

本文以天津地區的民用建筑為例，分析了室內計算參數對建筑采暖空調系統能耗的影響。在研究過程中，以熱舒適為前提，通過能耗模擬的方式得出不同室內參數下的能耗值。因為不同功能建筑的人員活動量、人員服裝熱阻、空調開啟時間等參數差異很大，所以各自的舒適區及能耗特點也各不相同，所以應該分類研究，本文針對辦公建筑，通過模擬軟件DeST計算建筑全年的空調能耗，并得出溫、濕度對建筑能耗的影響規律，綜合考慮熱舒適及能耗得出辦公建筑的節能舒適區。

研究對象

本文是以天津地區的建筑為例研究各類建筑的能耗，因此所選取的建筑模型必須能夠反映天津地區現有建筑的實際狀況。通過統計分析天津地區公共建筑的基本信息并結合《公共建筑節能設計標準》的要求確定了本文的建筑模型。

辦公建筑模型共有5層，層高3.6m，建筑面積為5000m2，空調系統形式采用風機盤管+新風系統，冷源選用30HXC高效型螺桿式冷水機組，熱源選用燃煤鍋爐。水系統采用定流量系統。

Fanger的熱舒適理論及PMV-PPD指標

1970年，Fanger提出了PMV指標，該指標是綜合傳熱理論和人體試驗得到的經驗數值得到的，該指標可以預測任何給定環境變量的組合所產生熱感覺。

PMV指標代表了同一環境下絕大多數人的感覺，但是人與人之間存在生理差別，因此PMV指標并不一定能夠代表所有個人的感覺。為此，Fanger又提出了預測不滿意百分比PPD（Predicted PercentDissatisfied）指標來表示人群對熱環境不滿意的百分數，并利用概率分析方法，給出PMV與PPD之間的定量關系：

ASHRAE 55-2004中推薦-0.5＜PMV＜0.5為設計依據，對應的PPD≤10%，即90%以上的人感到滿意；ISO7730-2005中推薦-0.7＜PMV＜0.7。我國還是發展中國家，考慮到我國的經濟水平，《中等熱環境PMV和PPD指數的測定及熱舒適條件的規定》(GB/T18049-2000)及《采暖通風與空氣調節設計規范》（GB50019-2003）中推薦-1＜PMV＜1，對應的PPD≤27%。本文以-1＜PMV＜1作為舒適區的計算范圍[7-11]。

舒適區的計算

根據目前國內外的研究結果，影響室內熱舒適的因素主要有以下六個：人體的新陳代謝率、服裝熱阻、室內空氣流速（風速）、空氣溫度、平均輻射溫度、相對濕度（或含濕量）。本文主要考慮溫度及相對濕度對熱舒適的影響，因此需要對其他影響因素進行一些假設，假設條件主要依據ISO7730及ASHRAE，同時也綜合考慮我國的國情。假設結果見下表：

表一 舒適區計算假設條件[5-6]

根據上述理論及假設條件，可以計算出建筑舒適區。將PMV劃分為五個等級（-1、-0.5、0、0.5、1）, 對于每個舒適等級，在給定的濕度條件下，可以計算出其對應的舒適溫度。表3及表4為辦公建筑夏季工況及冬季工況下的舒適區。

表二 辦公建筑夏季空調舒適區

表三 辦公建筑冬季空調舒適區

由上表可知，在其他條件已定的情況下，影響熱舒適的主要因素是溫度，相對濕度對熱舒適的影響較小。

室內計算參數對空調能耗的影響

圖2及圖3是相對濕度30%～70%、PMV-1～1時，辦公建筑不同室內參數對應的夏季空調能耗及冬季空調能耗值。

從圖2中可知：對于采用風機盤管系統的小型辦公建筑，夏季空調能耗約為15～27kWh/（m2·a）。

對于同樣的熱舒適等級，能耗隨相對濕度的降低而降低，相對濕度每降低10%，能耗平均增加6%。對于同樣的相對濕度，能耗隨PMV的降低而顯著增大，在本文中將熱舒適分為五個等級，PMV每降低0.5（溫度降低1.7℃左右），能耗約增加8%。

從圖3中可知：對于采用風機盤管系統的辦公建筑，冬季空調能耗約為13～34kWh/（m2·a）。

在實際的調研中發現，大多數的冬季空調不加濕，造成室內濕度過低。當采用了高壓噴霧加濕器時，相對濕度每增加10%，總能耗約增加3%，其中變化的主要是加濕能耗，加濕能耗約增加17%。對于相同的相對濕度，能耗隨PMV的增大而顯著增大，PMV每升高0.5（溫度升高2.2℃左右），能耗約增加14%。

圖1 小型辦公建筑夏季空調室內計算參數與建筑能耗的關系圖

圖2 小型辦公建筑冬季空調室內計算參數與建筑能耗的關系圖

2007年6月1日國務院辦公廳下發了《關于嚴格執行公共建筑空調溫度控制標準通知》，規定空調設定溫度夏天不得低于26℃。但僅僅調整空調設定溫度來節能是不夠的，只有合理組合室內設計參數才能同時達到舒適且節能的目的。由于相對濕度對熱舒適影響不大，在國際標準中對相對濕度的要求并不嚴格。例如：在ISO773-2005中對相對濕度未做要求，而在ASHRAE55-2004中指出，含濕量應低于12g/Kg干空氣，或水蒸氣分壓力低于1.910Kpa。對熱舒適來說沒有濕度的下限，理論上來講，即使相對濕度達到0%，依然能夠滿足熱舒適的要求，因此ASHRAE55中沒有規定濕度的下限。但是一些非熱舒適的因素，會對濕度的范圍有一定的要求，例如：在ASHRAE手冊中提到：低的濕度會使皮膚和粘液表面干燥，導致鼻子喉嚨眼睛干燥，特別是露點低于零度的時候。高濕度的時候，單一的熱感覺已經不是熱舒適的可靠的表現者了，因為不舒適的出現是因為對濕度本身的感覺，濕度會增加衣服和皮膚之間的摩擦。為了防止這種因熱引起的不舒適，在冬季熱邊界的相對濕度不能超過60%[6]。另外在《中等熱環境中PMV和PPD指數的測定及熱舒適條件的規定》中指出：推薦相對濕度應維持在30%～70%限度的設置是為了減少潮濕或干燥對皮膚及眼睛的刺激、靜電、細菌生長和呼吸性疾病的危害。綜合國內外的標準及研究成果，推薦夏季相對濕度在40%～65%之間；冬季相對濕度在30%～60%之間[7]。相對濕度對熱舒適的影響很小，但對能耗的影響不容忽視。因此，在滿足人體健康的情況下，在夏季應盡可能的采用高一點的室內計算濕度，冬季應盡可能的采用低一點的室內計算濕度。

PMV是熱舒適的量化指標，影響PMV的主要因素是溫度，由此可見，適當提高夏季空調設定溫度、降低冬季空調溫度對降低建筑能耗有極其重要的意義。

節能舒適區的建立

為了綜合考慮熱舒適及能耗，本文采用先計算舒適區內各工況點的能耗，然后去掉高能耗區的方法。溫度對熱舒適及夏季空調及冬季空調的能耗都有很大影響，在本文中熱舒適的量化指標為PMV。下面以夏季空調為例介紹PMV與能耗的結合方式。

首先，根據各工況點的能耗，如圖1、圖2所示，根據得出的能耗值，可以做出不同相對濕度時，PMV與能耗的關系圖，并擬合出能耗與PMV的關系曲線。其次，根據能耗值大小將-1

表4 能耗分區圖

根據分區結果，可以確定各能耗區PMV的邊界。高能耗區的的特點是既不舒適也不節能，應當去掉；中能耗區的特點是熱舒適等級最高，較節能；低能耗區的特點是節能，但熱舒適等級較低。用同樣的方法可以計算其他類型建筑夏季空調及冬季空調的節能舒適區。

室內參數與熱舒適及能耗都有很大關系，用定量的方法將熱舒適及能耗結合起來的優點主要有以下幾點：

以熱舒適區為計算前提，保證選取的室內計算參數全部滿足熱舒適要求。

將高能耗區去掉，避免選擇高能耗的計算參數。

根據建筑等級分級，根據不同的熱舒適要求，有針對性的選擇不同級別的計算參數。

考慮了建筑能耗隨PMV的變化趨勢，當建筑能耗隨PMV變化較快時，則選取較窄的熱舒適范圍，當能耗隨PMV變化較慢時，則取較寬的熱舒適范圍。

通過此方法，可以計算出辦公建筑的節能舒適范圍，如表5、表6所示：

表5

表6

三、結語

合理選擇室內計算參數對降低空調能耗由很大的意義，應大力推廣，要根據建筑類型選擇合適的室內計算參數。通過本文的分析，可以得出以下結論：

根據Fanger熱舒適理論，相對濕度對熱舒適影響很小，但對能耗的影響不容忽視，對于夏季空調，相對濕度應控制在40～65%之間，并盡量取較高的相對濕度，對于冬季空調，相對濕度應控制在30～60%之間，并盡量取較低的相對濕度。

溫度是影響熱舒適的主要因素，同時對空調能耗有很大影響。在選擇室內計算溫度時要綜合考慮熱舒適及能耗，根據建筑等級及建筑類型，合理選擇室內計算溫度。高級辦公建筑溫度應取22.9～25.5℃，普通建筑溫度應取24.9～28.5℃。

[1]江億．公共建筑節能[M]．北京：中國建筑工業出版社，2007．

[2]司小雷．我國的建筑能耗現狀及解決對策[J]．建筑節能，2008，36(2):71-73．

[3]中華人民共和國建設部．GB 50019-2003 采暖通風與空氣調節設計規范[S]．北京：中國標準出版社，2005．

[4]中華人民共和國建設部．GB 50189-2005 公共建筑節能設計標準[S]．北京：中國標準出版社，2005．

[5]ISO 7730．Ergonomics of the thermalenvironment-Analytical determination and interpretation of thermalusing calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria[S]．Brussels Belgium:InternationalStandard Organization,2005．

[6]ASHRAE Standard 55．Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy [S]． Atlanta:ASHRAE Standards Committee,2004．

[7]中華人民共和國建設部．GB/T18049-2000 中等熱環境PMV和PPD指數的測定及熱舒適條件的規定[S]．北京：中國標準出版社，2000．

[8]王昭俊，張志強，廉樂．熱舒適評價指標及冬季室內計算溫度探討[J]．暖通空調，2002，(02):26-28．

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