寒冷地区医院空调负荷影响因素*

吕 洁，王 龙，孙成才

(沈阳工业大学 建筑与土木工程学院，沈阳 110870)

我国公共建筑在经济形势的推动下发展迅猛，根据国内学者研究可知，建筑能耗占全国总能耗比例逐年上升，目前前者约占后者的30%左右[1].在所有的建筑类型中，由于医院建筑人员多、医疗设备多、用能时间长等原因，医院建筑相比办公、商场、宾馆和酒店等建筑的能源消耗强度要高很多[2].同时，医院建筑的高能耗也预示着医院建筑存在着巨大的节能潜力.医院建筑节能的关键点是要找到医院建筑的能耗分布特征，针对节能空间大、节能效果显著部分进行节能研究.在整个医疗建筑能耗中，空调系统的能耗约占建筑总能耗的40%，占建筑总能耗的比重较高[3].因此，如何有效地解决医院建筑空调系统能耗居高不下且逐渐增多问题已经成为建筑与能源应用领域的重要课题.

医院建筑作为一个复杂的建筑群，负荷影响因素较多且相互耦合，导致不同节能方案的效果存在较大差异，因此，找出关键影响因素并根据其制定对应的节能措施显得尤为重要.目前，国内外学者就建筑能耗的影响因素等课题均做出了相关研究.任刚等[4]通过EnergyPlus软件来模拟建筑不同围护结构对能耗的影响，发现太阳能围护结构相较于普通墙体的制冷能耗降低了48%；胡达明等[5]通过DOE-2软件研究不同建筑朝向对空调能耗的影响，结果表明，南北朝向相较于东西朝向可降低15%能耗；Ascione等[6]利用EnergyPlus和MATLAB，针对某参考医院建筑提出了最优节能改造方案，经比较发现该方案比改造前节能12.2%；Kim等[7]提出一种能满足室内热舒适性且有助于系统节能的控制算法，并通过TRNSYS仿真程序比较了传统控制算法与提出的控制算法的精确度.

综上所述，国内外学者针对影响因素的研究大多数是以动态能耗软件为主要工具.基于这一现状，本文通过DeST软件以沈阳地区某医院建筑建立基准模型，通过正交模拟试验，来研究不同影响因素对空调负荷的影响权重，寻找关键因素，进而提出相应合理的节能措施.

1 基准模型建立

1.1 模型概况

本文模型以沈阳某综合医院门诊楼为研究对象，楼内主要功能房间有：诊室、实验室、化验室以及图书馆等.建筑面积为5 302.97 m2，共六层，坐北朝南.一层层高为4 m，其余各层层高为3.5 m，采用框架结构.该门诊楼在DeST软件中建模如图1所示.

图1 医院门诊楼建筑模型Fig.1 Model for clinic building of hospital

1.2 室外气象参数

DeST软件建立了全国大部分地区的典型年的逐时气象数据集，使用该软件模拟时，直接调用气象参数即可，提高了模拟的效率.沈阳地区全年干球温度统计结果如图2所示.

图2 沈阳地区全年逐时干球温度Fig.2 Hourly dry-bulb temperature in Shenyang area

1.3 参数设置

围护结构参数根据实际工程所测的数据进行设置，参数如表1所示.

表1 围护结构参数Tab.1 Parameters for maintenance structures

室内热扰参数设定如表2所示，医疗设备参数如表3所示，热扰控制时间如图3所示.

图3 热扰控制时间Fig.3 Control time of thermal disturbance

表2 室内热扰参数Tab.2 Parameters for indoor thermal disturbance

设定室内夏季空调温度为24～26 ℃，湿度为55%～65%；冬季室内供暖温度为18～22 ℃，湿度为45%～55%.

自然通风设定如下：10月15日～4月1日，不开窗，全天保持0.5次/时的换气次数；6月1日～8月31日，19∶00至次日7∶00，窗户全开，其余时间不开窗，保持0.5次/时的换气次数.其中，检验室、手术室、药房等功能房间因其对洁净度的高要求不采用自然通风，夜间正常运行的急诊及病房区域因空调运行也不能进行自然通风.

1.4 模拟结果

综合全年逐时冷、热负荷计算结果如图4所示.其中，全年最大冷负荷值出现在8月3日，为697.14 kW；全年最大热负荷值出现在1月14日，为731.43 kW.

图4 门诊楼全年逐时负荷Fig.4 Hourly load of clinic building per year

2 负荷影响因素及模拟分析

2.1 负荷影响因素

空调系统负荷包括：围护结构传热负荷、窗玻璃透射负荷、人员散热负荷、照明灯具散热负荷、办公和医疗设备散热负荷以及新风负荷[8].以上负荷分别从建筑热工性能与房间热环境两大方面对房间负荷施加影响.根据该地区医院建筑特点，本文选择外墙类型、外窗类型、屋顶类型、窗墙面积比、室内人员密度、照明设备功率、新风指标7个影响因素作为空调负荷影响因素进行研究.

2.2 正交试验设计

正交试验设计和分析方法是目前最常用的优化试验设计确定影响程度的分析方法[9].因此，为了确定各影响因素的显著程度，采用正交试验法对影响因素进行研究.正交试验中欲考察对象称为影响因子，影响因子在考察范围内分为若干等级，称为水平，为了挑选出次数较少而具有代表性的组合条件，本文选择L8(27)的正交试验表(L为正交表符号；8为试验次数；2为每个影响因子有两个水平；7为有7个因子)，正交试验表如表4所示，各因子取值如表5～6所示.

表4 正交试验安排L8(27)Tab.4 Orthogonal test arrangement L8(27)

表5 正交因子值Tab.5 Orthogonal factor values

表6 外窗类型参数Tab.6 Parameters for external window types

水平1代表门诊楼的实际参数水平，由于沈阳属于严寒地区，所以水平2采用《公共建筑节能设计标准》(GB50189-2015)中规定的参数限值.其中设备功率指的是照明设备，由于医院医疗设备使用频繁，非使用时亦处于待机备用状态，无法对基准模型进行准确赋值，所以本文不予考虑.

3 模拟结果分析

根据正交表L8(27)安排，利用DeST软件对门诊楼进行了8组正交试验模拟计算，具体结果因篇幅原因不进行赘述.表7为全年总负荷模拟试验极差结果.

表7 试验极差分析Tab.7 Test range analysis

根据极差分析结果可知，窗墙面积比因子的极差最大，达到799.28，为最大影响因素；屋顶因子的极差最小，仅为60.3，属于最小影响因素.医院门诊楼空调负荷影响因子的影响程度的顺序如下：D>B>E>G>F>A>C，即窗墙面积比大于外窗类型大于人员密度大于新风指标大于照明设备功率大于外墙传热系数大于屋顶传热系数，其中，窗墙面积比与外窗类型属于显著影响因素.

4 显著影响因素分析及改善措施

通过以上模拟分析可得门诊楼空调负荷影响因素中窗墙面积比为最关键的影响因素，其次是窗户的类型.这是由于我国严寒地区冬季气温过低，采暖期相对较长，加之外窗在建筑围护结构中是最大的热桥，是热量损失较大部分之一[10].因此，在建筑节能方案中，减少外窗的能耗损失是节能重点，外窗的得热和失热形式主要包括：太阳得热、热交换以及玻璃窗的透射特性，其对应的评价参数为外窗综合传热系数K、太阳得热系数SHGC和遮阳系数Sc.

4.1 各朝向窗墙比对空调负荷的影响

由于窗墙比是围护结构中热量损失最大的部分，其对空调总负荷的影响显著.同时在节能设计上需要注意，窗墙比同时会直接影响室内采光、透过窗户的辐射得热以及房间的通风效果.本文通过模拟不同朝向不同窗墙比对空调负荷的影响并进行分析，得到全年累计空调负荷与各朝向窗墙比变化的关系如图5所示.由图5可知，全年累计负荷随各朝向窗墙比的增大均呈增大趋势，其中由于北朝向窗墙比带来的影响导致空调负荷增大幅度最大，其次是西朝向.这主要是由于严寒地区的医院建筑供暖期比供冷期长，沈阳地区冬季气温低，东南朝向的外窗太阳辐射得热可以部分抵消由于窗墙比增大所增加的热负荷，北朝向与西朝向的外窗太阳辐射得热则十分有限.因此，在围护结构的热工设计中要充分考虑利用太阳辐射的影响，特别是南向与东向窗户的太阳辐射得热.在《公共建筑节能设计标准》(GB50189-2015)规定的参数限值范围内，适当增大南向与东向的窗墙比、减少西向与北向窗墙比对节约采暖能耗，提高热舒适程度有重大意义.

图5 门诊楼各窗墙比下空调负荷变化图Fig.5 Change of air conditioning load of clinic building under different window-to-wall ratios

4.2 常见窗型对空调负荷的影响

外窗分为两个组成部分：窗框系统与玻璃系统.其中，窗框系统占整窗面积不足20%，玻璃系统占整窗面积的80%以上，决定着整窗的热工性能.为避免窗框在室内表面出现结露结冰现象，寒冷地区窗框形式常用多腔体的PVC塑钢窗及铝塑的复合窗，因此本文主要研究外窗中的玻璃系统.为了探讨影响外窗空调能耗的重要因素，本文对不同玻璃类型下的空调负荷进行模拟，模拟结果如表8所示.

表8 不同玻璃的参数值Tab.8 Parameter values of different glass

由表8可以看出，外窗的传热系数与空调负荷呈正相关.从真空镀膜复合中空玻璃与low-e膜中空玻璃的比较可以看出，两者的太阳得热系数SHGC相差无几，但是全年负荷差距很大，说明太阳得热系数SHGC不是影响空调负荷的关键参数.同时可以发现空调负荷随着遮阳系数Sc的增大也呈增长趋势，为了进一步验证Sc与空调负荷的关系，本文对遮阳系数与空调负荷进行回归分析，回归曲线与回归方程如图6所示.

图6 遮阳系数与空调负荷的拟合曲线Fig.6 Fitting curve between shading coefficient and air conditioning load

通过图6可以看出，影响外窗空调能耗的关键性因素是玻璃的遮阳系数Sc，因此，在外窗气密等级相同的条件下，遮阳系数Sc是设计与选择外窗类型的关键指标.

5 结 论

本文通过DeST能耗模拟结合正交试验对寒冷地区医院空调负荷的影响因素进行分析，得出以下结论：

1)通过正交试验得出窗墙比极差值为799.28，外窗传热系数极差值为461.88，因此在沈阳地区医院空调负荷的影响因素中，窗墙比与窗户类型是显著影响因素.

2)不论朝向如何，窗墙比与全年空调负荷均呈正比关系.因此，在保证房间采光和室内自然通风的情况下减少窗墙比是建筑节能的重要手段.

3)影响窗户热工性能的重要因素是玻璃的遮阳系数Sc，选取合适的遮阳系数是节能的关键.