办公建筑空调室内计算参数分析

彭鹏

(天津大学建筑设计规划研究总院，天津 300073)

办公建筑空调室内计算参数分析

彭鹏

(天津大学建筑设计规划研究总院，天津 300073)

为了获得合理的室内计算参数以实现节约空调能耗的目的，本文以Fanger的热舒适理论及PMV-PPD评价指标为依据并综合考虑我国现阶段国情，得出满足热舒适要求的舒适区，同时以天津地区的办公建筑为例，采用建筑能耗模拟软件DeST定量的分析了温、湿度对空调能耗的影响规律。由于不同类型的建筑能耗差别很大，本文以办公建筑为研究对象，分析建筑能耗特点并考虑室内热舒适因素得出节能舒适区，从而为选择室内计算参数提供参考依据。

温度；湿度；热舒适；建筑能耗

引言

据有关资料统计，公共建筑中，空调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，空调采暖能耗将占到总能耗的15%～20%。而且随着经济的发展，采暖地区的扩大，以及空调建筑的增加，空调采暖能耗的比例将越来越大。人的一生中80%以上的时间是在室内度过的，空调采暖系统的最终目的是保证空气品质和维持室内合适的环境，即要控制合适的室内参数。随着生活水平的不断提高，人们往往追求更高的舒适度。目前，业主、设计人员往往在取用室内设计参数时选用过高的标准。室内参数不仅仅影响到人体的热舒适，而且与空调系统的能耗息息相关。因此只有制定合理的室内设计参数，才能科学的计算冷热负荷，选择经济合理的供冷供热设备，达到建筑节能的目的。所以，室内设计参数的确定是采暖通风与空气调节设计的首要前提[1-2]。

研究方法

为了获得符合我国实际情况的室内设计参数值，本文以我国现行的《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）[3]、《 公 共 建 筑 节 能 设 计 标 准 》（GB50189-2005）[4]等为主要依据，并参照国际标准ISO7730[5]，ASHRAE55[6]等，从室内热舒适、建筑节能和实际调研三部分进行分析。

本文以天津地区的民用建筑为例，分析了室内计算参数对建筑采暖空调系统能耗的影响。在研究过程中，以热舒适为前提，通过能耗模拟的方式得出不同室内参数下的能耗值。因为不同功能建筑的人员活动量、人员服装热阻、空调开启时间等参数差异很大，所以各自的舒适区及能耗特点也各不相同，所以应该分类研究，本文针对办公建筑，通过模拟软件DeST计算建筑全年的空调能耗，并得出温、湿度对建筑能耗的影响规律，综合考虑热舒适及能耗得出办公建筑的节能舒适区。

研究对象

本文是以天津地区的建筑为例研究各类建筑的能耗，因此所选取的建筑模型必须能够反映天津地区现有建筑的实际状况。通过统计分析天津地区公共建筑的基本信息并结合《公共建筑节能设计标准》的要求确定了本文的建筑模型。

办公建筑模型共有5层，层高3.6m，建筑面积为5000m2，空调系统形式采用风机盘管+新风系统，冷源选用30HXC高效型螺杆式冷水机组，热源选用燃煤锅炉。水系统采用定流量系统。

Fanger的热舒适理论及PMV-PPD指标

1970年，Fanger提出了PMV指标，该指标是综合传热理论和人体试验得到的经验数值得到的，该指标可以预测任何给定环境变量的组合所产生热感觉。

PMV指标代表了同一环境下绝大多数人的感觉，但是人与人之间存在生理差别，因此PMV指标并不一定能够代表所有个人的感觉。为此，Fanger又提出了预测不满意百分比PPD（Predicted PercentDissatisfied）指标来表示人群对热环境不满意的百分数，并利用概率分析方法，给出PMV与PPD之间的定量关系：

ASHRAE 55-2004中推荐-0.5＜PMV＜0.5为设计依据，对应的PPD≤10%，即90%以上的人感到满意；ISO7730-2005中推荐-0.7＜PMV＜0.7。我国还是发展中国家，考虑到我国的经济水平，《中等热环境PMV和PPD指数的测定及热舒适条件的规定》(GB/T18049-2000)及《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）中推荐-1＜PMV＜1，对应的PPD≤27%。本文以-1＜PMV＜1作为舒适区的计算范围[7-11]。

舒适区的计算

根据目前国内外的研究结果，影响室内热舒适的因素主要有以下六个：人体的新陈代谢率、服装热阻、室内空气流速（风速）、空气温度、平均辐射温度、相对湿度（或含湿量）。本文主要考虑温度及相对湿度对热舒适的影响，因此需要对其他影响因素进行一些假设，假设条件主要依据ISO7730及ASHRAE，同时也综合考虑我国的国情。假设结果见下表：

表一 舒适区计算假设条件[5-6]

根据上述理论及假设条件，可以计算出建筑舒适区。将PMV划分为五个等级（-1、-0.5、0、0.5、1）, 对于每个舒适等级，在给定的湿度条件下，可以计算出其对应的舒适温度。表3及表4为办公建筑夏季工况及冬季工况下的舒适区。

表二 办公建筑夏季空调舒适区

表三 办公建筑冬季空调舒适区

由上表可知，在其他条件已定的情况下，影响热舒适的主要因素是温度，相对湿度对热舒适的影响较小。

室内计算参数对空调能耗的影响

图2及图3是相对湿度30%～70%、PMV-1～1时，办公建筑不同室内参数对应的夏季空调能耗及冬季空调能耗值。

从图2中可知：对于采用风机盘管系统的小型办公建筑，夏季空调能耗约为15～27kWh/（m2·a）。

对于同样的热舒适等级，能耗随相对湿度的降低而降低，相对湿度每降低10%，能耗平均增加6%。对于同样的相对湿度，能耗随PMV的降低而显著增大，在本文中将热舒适分为五个等级，PMV每降低0.5（温度降低1.7℃左右），能耗约增加8%。

从图3中可知：对于采用风机盘管系统的办公建筑，冬季空调能耗约为13～34kWh/（m2·a）。

在实际的调研中发现，大多数的冬季空调不加湿，造成室内湿度过低。当采用了高压喷雾加湿器时，相对湿度每增加10%，总能耗约增加3%，其中变化的主要是加湿能耗，加湿能耗约增加17%。对于相同的相对湿度，能耗随PMV的增大而显著增大，PMV每升高0.5（温度升高2.2℃左右），能耗约增加14%。

图1 小型办公建筑夏季空调室内计算参数与建筑能耗的关系图

图2 小型办公建筑冬季空调室内计算参数与建筑能耗的关系图

2007年6月1日国务院办公厅下发了《关于严格执行公共建筑空调温度控制标准通知》，规定空调设定温度夏天不得低于26℃。但仅仅调整空调设定温度来节能是不够的，只有合理组合室内设计参数才能同时达到舒适且节能的目的。由于相对湿度对热舒适影响不大，在国际标准中对相对湿度的要求并不严格。例如：在ISO773-2005中对相对湿度未做要求，而在ASHRAE55-2004中指出，含湿量应低于12g/Kg干空气，或水蒸气分压力低于1.910Kpa。对热舒适来说没有湿度的下限，理论上来讲，即使相对湿度达到0%，依然能够满足热舒适的要求，因此ASHRAE55中没有规定湿度的下限。但是一些非热舒适的因素，会对湿度的范围有一定的要求，例如：在ASHRAE手册中提到：低的湿度会使皮肤和粘液表面干燥，导致鼻子喉咙眼睛干燥，特别是露点低于零度的时候。高湿度的时候，单一的热感觉已经不是热舒适的可靠的表现者了，因为不舒适的出现是因为对湿度本身的感觉，湿度会增加衣服和皮肤之间的摩擦。为了防止这种因热引起的不舒适，在冬季热边界的相对湿度不能超过60%[6]。另外在《中等热环境中PMV和PPD指数的测定及热舒适条件的规定》中指出：推荐相对湿度应维持在30%～70%限度的设置是为了减少潮湿或干燥对皮肤及眼睛的刺激、静电、细菌生长和呼吸性疾病的危害。综合国内外的标准及研究成果，推荐夏季相对湿度在40%～65%之间；冬季相对湿度在30%～60%之间[7]。相对湿度对热舒适的影响很小，但对能耗的影响不容忽视。因此，在满足人体健康的情况下，在夏季应尽可能的采用高一点的室内计算湿度，冬季应尽可能的采用低一点的室内计算湿度。

PMV是热舒适的量化指标，影响PMV的主要因素是温度，由此可见，适当提高夏季空调设定温度、降低冬季空调温度对降低建筑能耗有极其重要的意义。

节能舒适区的建立

为了综合考虑热舒适及能耗，本文采用先计算舒适区内各工况点的能耗，然后去掉高能耗区的方法。温度对热舒适及夏季空调及冬季空调的能耗都有很大影响，在本文中热舒适的量化指标为PMV。下面以夏季空调为例介绍PMV与能耗的结合方式。

首先，根据各工况点的能耗，如图1、图2所示，根据得出的能耗值，可以做出不同相对湿度时，PMV与能耗的关系图，并拟合出能耗与PMV的关系曲线。其次，根据能耗值大小将-1

表4 能耗分区图

根据分区结果，可以确定各能耗区PMV的边界。高能耗区的的特点是既不舒适也不节能，应当去掉；中能耗区的特点是热舒适等级最高，较节能；低能耗区的特点是节能，但热舒适等级较低。用同样的方法可以计算其他类型建筑夏季空调及冬季空调的节能舒适区。

室内参数与热舒适及能耗都有很大关系，用定量的方法将热舒适及能耗结合起来的优点主要有以下几点：

以热舒适区为计算前提，保证选取的室内计算参数全部满足热舒适要求。

将高能耗区去掉，避免选择高能耗的计算参数。

根据建筑等级分级，根据不同的热舒适要求，有针对性的选择不同级别的计算参数。

考虑了建筑能耗随PMV的变化趋势，当建筑能耗随PMV变化较快时，则选取较窄的热舒适范围，当能耗随PMV变化较慢时，则取较宽的热舒适范围。

通过此方法，可以计算出办公建筑的节能舒适范围，如表5、表6所示：

表5

表6

三、结语

合理选择室内计算参数对降低空调能耗由很大的意义，应大力推广，要根据建筑类型选择合适的室内计算参数。通过本文的分析，可以得出以下结论：

根据Fanger热舒适理论，相对湿度对热舒适影响很小，但对能耗的影响不容忽视，对于夏季空调，相对湿度应控制在40～65%之间，并尽量取较高的相对湿度，对于冬季空调，相对湿度应控制在30～60%之间，并尽量取较低的相对湿度。

温度是影响热舒适的主要因素，同时对空调能耗有很大影响。在选择室内计算温度时要综合考虑热舒适及能耗，根据建筑等级及建筑类型，合理选择室内计算温度。高级办公建筑温度应取22.9～25.5℃，普通建筑温度应取24.9～28.5℃。

[1]江亿．公共建筑节能[M]．北京：中国建筑工业出版社，2007．

[2]司小雷．我国的建筑能耗现状及解决对策[J]．建筑节能，2008，36(2):71-73．

[3]中华人民共和国建设部．GB 50019-2003 采暖通风与空气调节设计规范[S]．北京：中国标准出版社，2005．

[4]中华人民共和国建设部．GB 50189-2005 公共建筑节能设计标准[S]．北京：中国标准出版社，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]中华人民共和国建设部．GB/T18049-2000 中等热环境PMV和PPD指数的测定及热舒适条件的规定[S]．北京：中国标准出版社，2000．

[8]王昭俊，张志强，廉乐．热舒适评价指标及冬季室内计算温度探讨[J]．暖通空调，2002，(02):26-28．

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[10]刘晶．室内热湿环境对人体生理及热舒适影响的实验研究[D]．重庆:重庆大学城市建设与环境工程学院，2007．

[11]牛润萍，陈其针，张培红．热舒适的研究现状与展望[J]．人类工效学，2004，10(1)，38-40．