京津地區(qū)夏季著裝行為對(duì)辦公建筑空調(diào)能耗的影響

李莎　錢曉明 楊瑞梁

摘 要：

著裝行為通過影響室內(nèi)空氣參數(shù)的設(shè)定而影響建筑空調(diào)能耗。利用能耗模擬軟件DeST，計(jì)算出該地區(qū)典型著裝行為下實(shí)測(cè)運(yùn)行參數(shù)與期望參數(shù)對(duì)應(yīng)的建筑空調(diào)能耗比推薦標(biāo)準(zhǔn)下能耗分別降低了10.86%和13.16%。而基于典型著裝行為的實(shí)驗(yàn)熱學(xué)性能參數(shù)下，平均只降低4%，說明由著裝熱阻關(guān)聯(lián)的主觀溫度需要按地區(qū)著裝行為進(jìn)行修正。提出了控制建筑空調(diào)能耗的著裝行為調(diào)節(jié)模型，著裝行為節(jié)能率εc為負(fù)值時(shí)節(jié)能，為正值時(shí)不節(jié)能。京津地區(qū)辦公建筑節(jié)能率為0的臨界服裝熱阻為0.563 clo，空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行節(jié)能的前提是，著裝熱阻低于臨界值。著裝行為調(diào)節(jié)模型為地區(qū)著裝形式和著裝面料提供了量化標(biāo)準(zhǔn)，為精確控制建筑能耗提供了一種方法。

關(guān)鍵詞：

著裝行為；熱阻；能耗；節(jié)能率

中圖分類號(hào)：TU834.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：16744764（2016）04002706

著裝行為既影響舒適性，也通過影響室內(nèi)空氣參數(shù)的設(shè)定而影響能耗[12]。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)推薦的夏季空調(diào)房間設(shè)計(jì)溫度范圍是在標(biāo)準(zhǔn)服裝熱阻下感覺舒適，并特別說明：服裝熱阻與當(dāng)?shù)氐纳盍?xí)慣及氣候密切相關(guān) [37]。不同地區(qū)的氣候、生活習(xí)慣、服飾愛好等存在較大差異[89]，目前，很多織物的熱阻、濕阻低于傳統(tǒng)服裝[10]。另外，國(guó)外文獻(xiàn)中對(duì)服裝式樣的描述和中國(guó)也有一定的差別，針對(duì)服裝熱阻值缺乏比較準(zhǔn)確的描述[11]。因此，僅在某些標(biāo)準(zhǔn)服裝熱阻下進(jìn)行舒適性實(shí)驗(yàn)研究不夠全面，在中國(guó)各地區(qū)采用統(tǒng)一的舒適標(biāo)準(zhǔn)作為空調(diào)設(shè)計(jì)指標(biāo)也不利于能耗的精確控制。

因此，有必要研究各地氣候、服飾文化、經(jīng)濟(jì)等決定的著裝行為，并根據(jù)其著裝行為確定出典型服裝的熱濕性能參數(shù)，利用這些服裝熱學(xué)性能參數(shù)可以確定適合地區(qū)的舒適標(biāo)準(zhǔn)，從而獲得建筑節(jié)能的臨界服裝熱阻值。服裝熱阻值將提供量化標(biāo)準(zhǔn)來指導(dǎo)地區(qū)的著裝形式和著裝面料，而臨界服裝熱阻也可以成為服裝產(chǎn)品的一個(gè)強(qiáng)制性熱學(xué)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上建立的建筑空調(diào)能耗的著裝行為調(diào)節(jié)模型，將為精確控制建筑能耗提供一種方法。

京津地區(qū)各種商務(wù)綜合型辦公建筑面積增長(zhǎng)非常快，是建筑能耗的主體，其氣候?qū)儆诤涞貐^(qū)，空調(diào)度數(shù)大于90 ℃·d。辦公建筑中職員的著裝行為受到氣候、生活習(xí)慣、性別、年齡、職業(yè)、文化背景、經(jīng)歷、審美情趣等的影響。為了研究著裝行為對(duì)舒適和能耗的影響，在京津地區(qū)的中心城區(qū)選擇有集中空調(diào)的辦公建筑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試調(diào)查，內(nèi)容包括個(gè)人背景信息、著裝形式、著裝面料、室內(nèi)環(huán)境熱工參數(shù)、舒適感覺等。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中被調(diào)查者處于正常的工作狀態(tài)，能準(zhǔn)確反映人與環(huán)境的交互關(guān)系。

1 DeST軟件模擬辦公建筑空調(diào)能耗

現(xiàn)場(chǎng)問卷調(diào)查共收集有效樣本532份，其中男性53%，女性47%。樣本的平均身高為168.6 cm，平均體重為63.9 kg。被調(diào)查人員的職業(yè)包括建筑設(shè)計(jì)師、教師、銀行職員等6類，居住年限均在3 a以上，對(duì)京津地區(qū)的文化背景、氣候等非常適應(yīng)[12]。調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析得出，京津地區(qū)夏季空調(diào)辦公建筑中的典型著裝形式為短袖+長(zhǎng)褲，典型著裝面料為純棉織物。在恒溫恒濕室通過出汗暖體假人實(shí)驗(yàn)[1314]測(cè)試得出典型著裝的平均熱阻為0.37 clo，平均濕阻為18.09 m2·Pa/W，該平均熱阻比標(biāo)準(zhǔn)服裝熱阻低0.13 clo[15]。針對(duì)增加舒適度的方式，非典型著裝樣本中主要是增減衣服，而典型著裝下首先考慮的是調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)。主觀調(diào)查獲得的典型著裝下的期望溫度為26.76 ℃，期望相對(duì)濕度為66.67%。而熱中性溫度為 26.14 ℃，中性相對(duì)濕度為 64.03% [16]。

北京和天津的室外氣象條件非常接近，研究以天津市的氣象條件為依據(jù)，以虛擬某典型辦公建筑為例，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中室內(nèi)溫濕度參數(shù)范圍，利用能耗模擬軟件DeST[1718]，研究不同室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)空調(diào)能耗的影響。該辦公樓為南北朝向的4層長(zhǎng)方形建筑，標(biāo)準(zhǔn)層面積800 m2，總建筑面積為3 200 m2，層高3.5 m。房間功能主要是辦公室、會(huì)議室、值班管理室等。普通辦公室面積為54 m2，大廳及會(huì)議室面積為144 m2。該辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)選用普通定風(fēng)量全空氣系統(tǒng)，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)信息和各種內(nèi)擾量，都是按照普通辦公建筑的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)定的。室外氣象參數(shù)是空調(diào)房間的外擾，模擬計(jì)算中采用的是調(diào)用Medpha產(chǎn)生的氣象數(shù)據(jù)。由著裝行為決定的室內(nèi)溫濕度參數(shù)的設(shè)計(jì)是影響空調(diào)系統(tǒng)能耗最直觀的因素。根據(jù)夏季長(zhǎng)期逗留區(qū)域空調(diào)室內(nèi)溫度范圍（推薦Ⅰ級(jí)為24～26 ℃，Ⅱ級(jí)為27～28 ℃[4]），以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試調(diào)查的室內(nèi)溫濕度統(tǒng)計(jì)結(jié)果，確定該模擬辦公建筑夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度系列取為23～28 ℃，間隔0.5 ℃；相對(duì)濕度取為50%～70%，間隔為5%。

1.1 空調(diào)系統(tǒng)能耗隨溫度變化的模擬

用DeST軟件對(duì)夏季（5—8月）進(jìn)行空調(diào)負(fù)荷和能耗的動(dòng)態(tài)模擬，計(jì)算不同的室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)下該建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗，經(jīng)過匯總分析，得到這4個(gè)月總的空調(diào)系統(tǒng)耗電量和室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)之間的數(shù)值關(guān)系。圖1為設(shè)定某相對(duì)濕度模擬的不同溫度下，空調(diào)系統(tǒng)能耗的變化曲線。

不同相對(duì)濕度下空調(diào)系統(tǒng)能耗隨溫度的變化規(guī)律基本保持一致。趨勢(shì)線的R平方值非常接近1，擬合程度很高，趨勢(shì)線的可靠性高。只有在相對(duì)濕度50%時(shí)，如果室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度低于24 ℃，其能耗才發(fā)生較大的變化。同時(shí)，相對(duì)濕度50%和70%時(shí)，擬合線的斜率相對(duì)較大，意味著相對(duì)低濕和高濕條件下，溫度的微小變化會(huì)帶來較大的能耗變化。通過對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，不同相對(duì)濕度下，以23 ℃作為基準(zhǔn)點(diǎn)，溫度每增加0.5 ℃，相對(duì)前一個(gè)設(shè)計(jì)溫度，其能耗降低率的范圍為1.51%～11.32%，平均值為2.91%。即室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度每增加0.5℃，空調(diào)系統(tǒng)平均能耗降低率為2.91%。

1.2 空調(diào)系統(tǒng)能耗隨相對(duì)濕度變化的模擬

設(shè)定某溫度模擬的不同相對(duì)濕度下，空調(diào)系統(tǒng)能耗的變化曲線如圖2所示，是一系列分布比較緊密的趨勢(shì)變化線，不同溫度下，空調(diào)系統(tǒng)能耗隨相對(duì)濕度的變化基本保持一致，趨勢(shì)線的R平方值也接近1，而且溫度越高越接近。室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度低于24 ℃，相對(duì)濕度低于55%時(shí)，趨勢(shì)線的斜率較大，意味著低溫低濕的參數(shù)條件，消耗能耗的變化率較大。通過對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，不同溫度條件下，以50%作為基準(zhǔn)，相對(duì)濕度每增加5%，能耗降低率的范圍為2.17%～21.4%，能耗降低的平均值為639%，即室內(nèi)設(shè)計(jì)相對(duì)濕度每增加5%，空調(diào)系統(tǒng)平均能耗降低率為6.39%。

2 基于實(shí)測(cè)典型著裝行為下與期望下

對(duì)應(yīng)的建筑空調(diào)能耗

根據(jù)典型著裝行為下樣本的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境測(cè)試參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，得到典型著裝行為下實(shí)測(cè)溫度和相對(duì)濕度的平均值，并依據(jù)該環(huán)境下的期望溫度和期望相對(duì)濕度值[9，12]，根據(jù)模擬結(jié)果得出對(duì)應(yīng)的空調(diào)模擬能耗，取規(guī)范中室內(nèi)參數(shù)舒適度Ⅰ級(jí)的中間值（25 ℃，60%）下的能耗，作為比較基準(zhǔn)[4]，計(jì)算出相對(duì)的節(jié)能率，如表1所示。

表1顯示，相對(duì)于公共建筑夏季Ⅰ級(jí)舒適度常用的推薦參數(shù)，典型著裝下的實(shí)測(cè)平均環(huán)境參數(shù)和期望參數(shù)對(duì)應(yīng)的能耗分別降低了10.86%和1316%，節(jié)能率超過10%，說明設(shè)計(jì)推薦參數(shù)可以根據(jù)地區(qū)典型著裝行為進(jìn)一步細(xì)化和完善。

3 基于實(shí)驗(yàn)典型著裝行為熱學(xué)性能參

數(shù)下對(duì)應(yīng)的建筑空調(diào)能耗

對(duì)該地區(qū)典型著裝的熱學(xué)性能測(cè)試以及主觀溫度和相對(duì)濕度的計(jì)算，獲得空調(diào)環(huán)境中典型著裝的濕阻對(duì)舒適性影響不大，主要是其熱阻起著主導(dǎo)作用，服裝熱阻的測(cè)試符合標(biāo)準(zhǔn)要求[15]。因此，統(tǒng)一以相對(duì)濕度60%作為比較值，典型著裝熱阻值對(duì)應(yīng)的主觀溫度如表2[12]，利用能耗軟件得到主觀溫度下對(duì)應(yīng)的空調(diào)模擬能耗計(jì)算值，如表2所示。

表2顯示，相對(duì)于規(guī)范中推薦Ⅰ級(jí)舒適度推薦參數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)服裝下和典型著裝下主觀溫度對(duì)應(yīng)的能耗都有降低，尤以典型著裝下的節(jié)能更明顯，節(jié)能率最小為1.9%，最大為5.75%，平均為4%，但低于表1中現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)典型著裝下的節(jié)能率。主要原因是其對(duì)應(yīng)的主觀溫度偏低，說明由著裝熱阻關(guān)聯(lián)的主觀溫度需要按地區(qū)進(jìn)行修正。室內(nèi)參數(shù)計(jì)算的節(jié)能率符合文獻(xiàn)的范圍[19]，但以往文獻(xiàn)中沒有將節(jié)能關(guān)聯(lián)到具體的著裝熱學(xué)性能參數(shù)。

4 引入著裝行為節(jié)能率εc的空調(diào)能耗調(diào)節(jié)模型

常規(guī)建筑空調(diào)能耗模型，一般只考慮建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能和建筑空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行兩方面的影響。通過前面分析，可以得出，職員在辦公建筑中的著裝行為和室內(nèi)熱濕參數(shù)會(huì)相互反饋影響，從而通過短期影響建筑空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行和長(zhǎng)期影響建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)來影響建筑空調(diào)能耗。把逐時(shí)變化的地區(qū)室外氣象參數(shù)作為影響建筑能耗的主要干擾因素，考慮增加人的著裝行為調(diào)節(jié)對(duì)建筑空調(diào)能耗的影響，引用控制論中的方塊圖繪制成圖3。

著裝行為對(duì)空調(diào)系統(tǒng)能耗的反饋可能是正值，也可能是負(fù)值。當(dāng)著裝行為節(jié)能率εc為正值時(shí)，則實(shí)際能耗高于標(biāo)準(zhǔn)能耗，系統(tǒng)不節(jié)能；為負(fù)值時(shí)，則節(jié)能。εc主要由著裝熱阻決定，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的坐姿下，典型著裝的熱阻和表2中對(duì)應(yīng)的主觀溫度值以及能耗軟件模擬計(jì)算的節(jié)能率，可以獲得節(jié)能率和著裝熱阻之間的關(guān)系，如圖4，并且得到擬合線性公式（2）。

圖4表明，著裝行為節(jié)能率εc一般為負(fù)值，隨著著裝熱阻值的減小，實(shí)際能耗越來越低于標(biāo)準(zhǔn)能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。而隨著熱阻值的增大，節(jié)能率εc逐漸接近0，甚至為正值，不節(jié)能。該地區(qū)的調(diào)查中，典型著裝由于熱阻低于熱舒適規(guī)范中標(biāo)準(zhǔn)服裝熱阻，節(jié)能率都是負(fù)值，對(duì)應(yīng)的空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。而其中的金融類辦公建筑著裝以長(zhǎng)袖或短袖加坎肩為主，其著裝熱阻高于典型著裝熱阻，節(jié)能率很低，甚至不節(jié)能。由式（2）獲得研究中節(jié)能率為0的臨界著裝熱阻為0.563 clo。津京地區(qū)辦公建筑實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能的著裝熱阻必須低于此臨界值，為該地區(qū)辦公建筑內(nèi)職員的著裝形式和著裝面料提供了量化標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié) 論

1）采用DeST能耗模擬軟件獲得京津地區(qū)辦公建筑夏季空調(diào)室內(nèi)溫濕度參數(shù)和能耗的關(guān)系：溫度每上升0.5℃，其空調(diào)系統(tǒng)能耗平均降低2.91%。相對(duì)濕度每上升5%，其空調(diào)系統(tǒng)能耗平均降低6.39%。

2）基于典型著裝行為下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)運(yùn)行參數(shù)與期望參數(shù)對(duì)應(yīng)的建筑空調(diào)能耗比Ⅰ級(jí)舒適度推薦設(shè)計(jì)參數(shù)下，能耗分別降低了10.86%和13.16%。

3）基于典型著裝行為的實(shí)驗(yàn)熱學(xué)性能參數(shù)下，對(duì)應(yīng)的建筑空調(diào)能耗相對(duì)于公共建筑的推薦標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能率，平均降低4%，說明由著裝熱阻關(guān)聯(lián)的主觀溫度需要按地區(qū)進(jìn)行修正。

4）提出了建筑空調(diào)能耗的著裝行為調(diào)節(jié)模型，服裝熱阻值越低，節(jié)能越顯著。津京地區(qū)辦公建筑節(jié)能率為0的臨界著裝熱阻為0.563 clo，實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能的著裝熱阻必須低于此臨界值。

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（編輯 王秀玲）