办公建筑空调室内设计参数选取的研究

兰 芳，万建武

（广州大学土木工程学院，广东广州 510006）

引言

在经历20世纪80年代的世界性石油危机后，众多国家开始重视建筑节能。发达国家提出了新建建筑的节能要求，使在不影响合理的室内热舒适前提下减少建筑物的能源消耗［1］。公共建筑因其建筑特点，建筑能耗远高于住宅建筑，公共建筑种类繁多，其中办公建筑是非常重要的一种，一定程度上可以表征其他类型公共建筑［2］。尽管办公建筑单位面积能耗在公共建筑中并非最高，但由于其总建筑面积非常大，其建筑能耗是公共建筑各类型建筑能耗中的最大之一［3］。研究相同热舒适环境下不同室内设计参数组合对办公建筑空调能耗影响以及相同热舒适条件下定量地选取室内设计温、湿度的方法对建筑节能具有重要意义。

1 热舒适评价指标及办公建筑模型建立

为了能够定量的衡量室内环境的热舒适，本文采用PMV－PPD指标［4］并利用VB编程对PMVPPD进行计算。

利用能耗模拟软件VE，选取广州地区某一办公建筑建立建筑及空调模型。该办公楼共25层，地下0层，建筑总高度为89.5m，总建筑面积为33885m2。屋顶、外墙、外窗的传热系数分别为0.9、1.5、5.5kW/（m2·K）。

本办公建筑模型空调区域照明的照度标准值为300lx，折算照明功率密度设定为18 W/㎡，人均占有建筑面积设定为8m2人，办公设备功率密度设定为13 W/m2。空调模型的冷源 COP设置为5.1。冷水系统形式采用一次泵变流量系统，供、回水温度设置为7℃/12℃。冷水泵选用定转速水泵，水泵全效率为70%。冷却水系统采用一次泵定流量系统，供、回水温度设定为32℃/37℃，冷却水泵选用定转速水泵，水泵全效率为70%。冷却塔容量将由VE软件自动匹配。风系统采用风机盘管加新风系统，风机盘管风机为定转速风机，效率为60%，采用间歇运行模式，新风机组风机也采用定转速风机，效率为70%。

建筑空调运行期设定为4月15日～10月15日，日运行时间为07∶00～18∶00，一周运行5天，周末及节假日不开启空调系统。

2 室内设计参数与空调能耗的关系

2.1 室内设计温度对空调能耗的影响

为了探究室内设计温度对空调能耗的影响，相对湿度设定为60%不变，计算室内设计温度22～28℃的能耗。

图1为不同室内设计温度对应的单位建筑面积空调能耗。由图1可知，温度对能耗有着较大的影响。随着室内设计温度的提高，能耗下降，温度平均每升高1℃，空调能耗减少5.3%，建筑能耗减少2.0%。这是因为温度升高缩小了室内外温差和室内空气与新风的焓差，降低了维护结构冷负荷和新风冷负荷。由图1可知，空调能耗与温度为线性关系 （R2=0.999），拟合关系式为式 （1）。

图1 不同温度时单位面积的空调能耗Fig.1 Energy consumption per unit square meters of air conditioning in different temperatures

2.2 室内相对湿度对空调能耗的影响

为了探究室内设计相对湿度对空调能耗的影响，温度设定为25℃不变，改变室内设计相对湿度，计算相对湿度30%～70%的能耗。

图2 不同相对湿度时单位面积的空调能耗Fig.2 Energy consumption per unit square meters of air conditioning in different relative humidities

由图2可知，相对湿度对能耗有着较大的影响。能耗随室内设计相对湿度的升高而减小，相对湿度平均每上升10%，空调能耗减少5.8%，建筑能耗减少2.1%。因为相对湿度的升高使得室内空气与新风的焓差减小，降低了新风冷负荷，从而减少了能耗。由图2可知，相对湿度与能耗近似成线性关系 （R2=0.997），拟合的线性方程为式 （2）。

2.3 相同热舒适不同室内空气流速对空调能耗的影响

为了探究相同热舒适不同风速对能耗的影响，固定室内相对湿度为60%，对不同风速下PMV为0和0.5时的室内设计参数组合的能耗进行模拟计算。需要说明的是，此处不同室内空气流速的能耗并不是直接由空气流速的变化引起的能耗，而是在同一PMV值时，相对湿度不变的情况下，风速的变化会引起温度的变化，从而引起能耗的变化。PMV为0和0.5时不同室内空气流速对应的温度见表1。

表1 不同室内空气流速对应的温度Table.1 Temperatures under different air velocities

图3 不同风速相同PMV时的空调能耗Fig.3 Air－conditioning energy consumption of different air velocity in the same PMV

由图3可知，室内空气流速对能耗也有着较大的影响，PMV为0时，空气流速从0.1m/s升高到0.8m/s时，空调能耗减少了6.91 kWh/（m2·a），减少近11.9%。能耗随着空气流速的增加而减小，这是因为在同一PMV值且相对湿度不变的情况下，增大空气流速可以提高室内设计温度，因而能够减小能耗。由图3可以看出，当空气流速在0.1～0.4m/s之间时，空气流速引起的能耗变化较大，随着空气流速的增加，空调能耗减少的量越来越少。以PMV=0为例，当空气流速从0.1m/s升为0.2m/s时，空调能耗减少了2.1 kWh/（m2·a），而当空气流速从0.7m/s升为0.8m/s时，空调能耗仅减少了0.3 kWh/（m2·a）。

虽然提高空气流速能够减少空调能耗，但室内空气流速并不是越大越好，采用传统气流组织时，如果空气流速过大会造成吹风感，影响人体舒适感，基于此考虑，许多标准中均规定了室内空气流速的上限，如《公共建筑节能设计标准》（GB50189－2005）中将这一上限值规定为0.3 m/s，不同标准的上限值存在一定差异。相同热舒适且相对湿度不变的情况下，增大空气流速可以提高室内设计温度，进而可以减小空调能耗，因此在空调的气流组织设计时，应使得工作区域空气流速达到标准中的上限，这样既保证了舒适性，又达到了节能的效果。

2.4 不同PMV时各参数组合的空调能耗分析

为了探究不同温湿度组合的能耗，计算空气流速分别为 0.1、0.2、0.3m/s，PMV值分为 －1、－0.5、0、0.5、1的温湿度组合，各PMV下的参数组合见表2、3、4，计算各温湿度组合的能耗情况，计算结果见图4、5、6。

表2 空气流速为0.1m/s时的温度、相对湿度组合Table.2 The temperature，relative humidity combination with air velocity of 0.1m/s

表3 空气流速为0.2m/s时的温度、相对湿度组合Table.3 The temperature，relative humidity combination when air velocity of 0.2m/s

表4 空气流速为0.3m/s时的温度、相对湿度组合Table.4 The temperature，relative humidity combination when air velocity of 0.3m/s

图4 不同PMV的空调能耗 （0.1m/s）Fig.4 Air conditioning energy consumption of different PMV（0.1m/s）

图5 不同PMV的空调能耗 （0.2m/s）Fig.5 Air conditioning energy consumption of different PMV（0.2m/s）

图4、5、6可知，即使在相同的热舒适下，不同的温湿度组合的能耗是不同的。以空气流速为0.2m/s、PMV=0为例，相对湿度、温度为30%、26℃的组合的空调能耗比相对湿度、温度为70%、25.1℃的组合高出10.8 kWh/（m2·a），高出约20.2%，可见相同热舒适不同温湿度组合的能耗相差很大。相同热舒适时相对湿度大、温度低的组合的空调能耗比相对湿度小、温度高的组合小，这是因为:温度对PMV值有着较大影响，相对湿度却对PMV的影响较小，在同一PMV下，相对湿度提高10%，温度只下降0.2℃左右，而由2.1及2.2节分析可知，温度和相对湿度均对空调能耗有着较大影响。由此可见，若是在相同热舒适下提高室内温度，非但不能节能，而且还会增加能耗，这是因为当提高室内温度时，为了保证热舒适相同，需要降低室内相对湿度，如空气流速为0.3m/s、PMV=0.5时，如果将室内空气温度从27℃提高到28℃，相对湿度需要减小44%，虽然提高室内温度减少了维护结构传热冷负荷和新风冷负荷，但降低室内相对湿度又会增加新风冷负荷，造成了“得不偿失”，总的空调能耗不降反升，增加了11.42 kWh/（m2·a）。单纯通过提高室内温度来达到节能的效果其实是以降低舒适性为代价的。

图6 不同PMV的空调能耗 （0.3m/s）Fig.6 Air conditioning energy consumption of different PMV（0.3m/s）

由图4、5、6可以看出，不同PMV值的空调能耗有着较大差异。以空气流速为0.2m/s、相对湿度为50%为例，当PMV=1时空调能耗为49.2 kWh/（m2·a），当 PMV=－1时空调能耗为67.11 kWh/（m2·a），增加了17.91 kWh/（m2·a），PMV平均每下降0.5，空调能耗增加9.1%。而绝对值相等的PMV值对应的不满意率即PPD是相同的，如PMV为－0.5和PMV为0.5的不满意率均为10%。所以在进行室内设计参数选择时，基于节能考虑，应选取PMV大于等于0的参数，例如需要使得室内不满意率控制在10%时，应选择PMV为0.5而不是－0.5的参数组合，因为两者的不满意率相同，但选择PMV为0.5的参数组合能大幅减小空调能耗，而根据上述分析可知应选取PMV为0.5的各参数组合中相对湿度大、温度低的组合。

根据空气流速为0.3m/s时不同室内设计温度、相对湿度的空调能耗，对不同PMV时空调能耗与温度、相对湿度的关系进行回归分析，下面式（3～5）分别给出了PMV为－0.5、0和0.5条件下空调能耗与温度、相对湿度的关系关系。

3 室内设计参数的选取

由上述分析可知，室内设计温度、相对湿度与空气流速均对空调能耗有着较大的影响，而在同一热舒适且相对湿度不变的情况下，增大空气流速可以提高室内设计温度，因而也能够减小能耗，相同热舒适时相对湿度大、温度低的组合的空调能耗比相对湿度小、温度高的组合小。根据上述分析，可以得出室内设计温度、相对湿度、空气流速的选取方法:

1）、确定室内空气流速，采用传统气流组织的空调系统选取标准中空气流速范围值的上限;

2）、确定热舒适等级，根据所设计的办公建筑的类型所要达到的室内不满意率PPD，得出所需选择的室内设计参数组合需要达到的 PMV值，PMV应选择正值;

3）、确定相对湿度，相对湿度应选择所参考标准中的上限值;

4）、确定温度，由2）、3）中确定的PMV值及相对湿度值计算得出温度值。

本文将室内舒适等级分成4个等级，对于采用传统的气流组织的办公建筑，每个等级按照上述方法选取的各参数值见表5，设计人员可以根据室内环境需要控制的不满意率选取相应的推荐参数。

表5 不同舒适性等级室内设计参数推荐值Table.5 The recommended indoor design parameter of Different comfort level

表5中未把PMV=0时分成一个等级，为了解释这一原因，计算空气流速为0.3m/s时PMV=0与PMV=0.25的各温湿度组合空调能耗。

PMV为0时对应的预测不满意率PPD为5%，仅比PMV为0.25时的预测不满意率PPD低1%，而为了这减小1%的不满意率，由图7可知，需要增加空调能耗，增幅平均约3.7%左右，本文认为不值得为了提高1%的满意率而增加3.7%的空调能耗，所以未将其列为一个等级。

4 结论

图7 PMV=0与PMV=0.25的空调能耗对比Fig.7 Air conditioning energy consumption compared to PMV=0 and PMV=0.25

本文以广州地区某办公建筑为例，以PMVPPD指标衡量室内热舒适，对不同室内空调设计参数对空调能耗的影响进行了研究，研究结果表明:空调能耗随室内设计温度升高而减小，温度平均每升高1℃，空调能耗减少5.3%;空调能耗随室内设计相对湿度升高而减小，相对湿度平均每上升10%，空调能耗减少5.8%;在同一PMV下，相对湿度提高10%，温度只下降0.2℃左右，因而相同热舒适时相对湿度大、温度低的组合的空调能耗比相对湿度小、温度高的组合小;相同热舒适且相对湿度不变的情况下，增大空气流速可以提高室内设计温度，因而能够减小能耗，而且随着空气流速的增加，空调能耗减少的量越来越少。根据室内设计参数与热舒适及能耗的关系总结了室内设计参数的选取方法，将室内舒适性分成了4个等级，得出4个不同等级的室内设计参数推荐值，列于表5中，供设计人员参考。

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