空调间歇运行模式下室内热环境测试研究

■ 李海峰 LI Haifeng

0 引言

在上海地区的住宅中，依靠分体空调或多联机等分散式空调设备来解决全年采暖空调需求的住户占据大多数。清华大学等单位组织的调查研究显示，上海地区城镇居民中使用空气源热泵空调供暖的住户占到91%[1]，刘炜等在2011年对上海3个市区行政区的调查结果显示，采用空调供暖的家庭占比达到82.9%[2]。而根据上海市统计局的数据，截止2017年底，上海每百户城镇常住居民家庭空调拥有量达到210台，即平均每户拥有2.1台空调[3]。对于分散式空调设备，部分时间和部分空间的间歇运行是其重要的使用特征，也是区别于北方集中供暖的重要差异，对本地区的住宅室内热环境和相应的节能措施产生直接影响。

关于上海地区住宅建筑室内热环境，已有相关研究人员开展入户测试与评估，如郭偲悦等[4]、周翔等[5]针对冬季室内热环境开展调研和测试研究，史洁等[6]针对高层住宅夏季热环境开展调查研究，均是通过调研和典型户测试形成对住宅热环境水平的评价。综合文献资料结果，现有的测试研究多集中于热环境水平的评价，对细化的热环境特性，如部分时间的变化规律、部分空间使用的邻室温差变化、不同类型住户的热环境差异及其影响因素等缺少深入的量化分析研究。

本文通过选取三户不同类型的住宅建筑，进行连续的全年室内热环境测试，依托测试数据，对热环境的时间和空间变化特征、户间对比等内容开展量化分析，以期揭示住宅空调间歇运行时室内的热环境特性，为上海地区住宅节能设计和热环境改善提供基础性的研究支撑。

1 测试研究方案

为了解上海典型住宅室内热环境特征，选取三户不同住宅，通过长期连续记录室内的温度状态，来分析住户空调间歇使用的行为特征及对应的室内热环境变化特征，为住宅节能研究提供基础分析数据。

1.1测试对象的选择

测试对象的选择，区分不同建造年代，不同外围护结构保温状态，不同住户构成。最终选择三户测试对象（表1），涵盖三种不同的围护结构保温方式：外保温、内保温以及无保温；在住户构成上包括典型的青年+老人+小孩的多口之家，也包含青年夫妻的两口之家，以期涵盖不同的典型住户。三户均以分体空调作为供暖空调设备，其中2#和3#住户在冬季局部时段会采用电油汀进行局部采暖。

各户的户型如图1所示。

1.2 测试内容及工具

测试内容主要为房间温度，采用TESTO 174H型温湿度记录仪，放置于各户的客厅和卧室内，按照每30min1个数据来连续记录室内温度变化。整个测试过程在2014年10月～2016年4月间进行，涵盖了典型的夏季和冬季运行工况。

2 住宅室内热环境特性分析

基于测试记录数据，选取完整的夏季（6～8月）和冬季（12～2月）室内温度参数进行室内热环境的特征分析，就室内热环境水平、间歇使用特征、邻室温差以及户间对比分析进行阐述。

2.1 室内热环境水平

如果以夏季室温≤28℃，冬季室温≥16℃作为舒适评价基准，则各户的室内热环境水平呈现较大的差异。图2为不同住户主卧的室温舒适时间占比统计结果，可以看出，3#住宅夏季室温≤28℃的时间占比达到82.2%，冬季室温≥16℃的时间占比达到83.4%，总体上室内热环境水平良好；1#住宅则呈现出迥异的特征，其夏季室温≤28℃的时间占比为53.7%，而冬季室温≥16℃的时间仅为2.0%，室内热环境水平较差。

进一步分析各户的特点可以发现，3#住户有良好的外保温措施，住户内有老人和小孩，对热环境的需求较高，供暖空调设备开启时间较长，这些特点均与1#住户相反；而2#住户和3#住户虽然同样有外围护保温措施，但冬季热环境仍然较差，主要原因是2#住户是单身青年，在冬季经常使用电油汀进行局部采暖。因此，良好的围护结构热工性能对住宅热环境改善有明显的帮助，但不是决定性因素，住户的需求和行为习惯才是更重要的影响。

表1 测试对象

图1 测试对象户型图

图2 不同住户主卧热环境水平评价图

2.2 间歇使用特征

住宅空调的间歇运行模式，会在室内热环境上得到直观的体现。图3为1#住户在夏季某高温天24h内的室温变化，从中可以表征出典型的空调间歇使用特征。12:00～21:00期间，客厅和主卧的温度接近并随室外气温波动，保持在32℃以上的高位；客厅在21:00～次日0:00期间开启空调，客厅的室温从34.6℃降至26.8℃，次日0:00关闭空调后，客厅的室温逐步攀升；卧室则是在次日0:00～次日7:00间开启空调，卧室的室温从33.6℃降至25.6℃，次日7:00起床后卧室空调关闭，卧室的温度逐步上升，并趋近客厅的温度，构成24h的室温变化循环。

对其他户以及其他时间节点的室温变化情况分析表明，客厅在入睡前短时开启空调，卧室在入睡后开启空调，是较为典型的空调开启运行模式。有所变化的在于，卧室空调是整夜开启，还是开启1～2h，与个人的生活习惯和环境状态有关。3户的监测数据表明，夏季卧室空调开启整夜的情况较普遍，冬季卧室空调在夜间只开启1～2h的情况则较普遍。

图3 1#住户夏季某高温天不同房间的室温变化图（工作日）

图4 不同住户空调运行期间邻室最大温差图

2.3 邻室温差

住宅空调间歇运行对室内热环境的另外一个影响是会产生邻室温差，进而对空调房间的负荷构成产生影响。不同住户在夏季和冬季的邻室温差最大值整理如图4所示。可以看出，夏季的邻室温差最大值在3.9～7.7℃范围内，冬季的邻室内温差最大值在3.1～6.5℃范围内。但邻室温差最大值在户间和季节间并不具备较为清晰的规律性，受住户行为习惯的影响较大，如在关闭空调后是否开启外窗通风，对室温变化和邻室温差有较大的影响。

图5为1#住户夏季某高温天的邻室温差变化，可以看出，客厅与卧室温差值是动态变化的。这种温差变化与空调开启时间并不完全同步，无论是开启还是关闭空调，室温都是逐步变化。以夏季卧室开启空调后的邻室温差来看，在前1h内，客厅温度仍然低于卧室温度，此时隔墙的传热对卧室的空调运行是正向作用。因此，对于内隔墙保温的节能效果探讨，应考虑到如下特性：①邻室温差是动态变化，并非一直保持在最大值，与空调开启时间长度有关；②在局部时间段内，隔墙的传热反而有利于降低空调负荷。因此，内隔墙保温并非绝对的节能，其节能效果应根据各空间空调开启时间进行权衡分析。

2.4 户间对比

图6为不同户的卧室在夏季同一日的室内温度对比，可以看出：1#住户室温的波动性远大于2#和3#住户，在非空调时段，1#住户的室温高出2#和3#住户3.4℃以上；在空调时段，1#住户则将室温调节至26℃以下，为3户中最低；而在空调停机后，1#室温又逐步攀升并超过2#和3#。这种特性的背后，一方面，是1#住户外围护无保温措施，受室外温度波动的影响更大；另一方面，是个体的冷需求也有差异，空调设置的温度和时间各户间有较大的差异。

图7为不同户的卧室在冬季同一日的室内温度对比，可以看出：①无论是空调时段还是非空调时段，3#住户的室内温度均高出1#和2#住户，其中3#住户卧室的24h平均温度高出4.3℃以上；②3#住户未开空调时，其室温达到16℃以上，已超出1#和2#住户开启空调后的温度，但在睡觉前仍开启空调，将室温调节至20℃以上，反映了个体热需求的差异性。

3 总结

（1）分散式空调是上海地区住宅普遍采用的供暖空调设备，具备部分时间、部分空间的间歇运行特征，这种间歇运行模式会反映在室内热环境上。对三户不同类型住户的室内温度长期监测显示，客厅在下班回家至入睡前短时开启空调，卧室在入睡时开启空调，是较为典型的空调开启运行模式，并导致客厅和卧室的温度出现交替变化。

（2）对三户不同类型住户的室内温度长期监测显示，住宅室内热环境在不同住户间差异较大。室内热环境的水平受多个因素影响，围护结构保温措施、户主的构成及其热需求、开窗等行为习惯均会对热环境产生影响。对比分析结果显示，良好的外围护保温措施对于维持室温稳定，减少室温波动有着明显效果，但在热环境的影响因素中，并不是决定性因素，住户的需求和行为习惯，包括空调设定的温度、开启的时间、开窗通风行为才是更重要的影响因素。

（3）在间歇运行模式下，户内各房间会出现邻室温差。三户的监测数据显示，夏季的邻室温差最大值在3.9～7.7℃范围内，冬季的邻室内温差最大值在3.1～6.5℃范围内。但邻室温差最大值在户间和季节间并不具备较为清晰的规律性，受住户行为习惯的影响较大，如在关闭空调后是否开启外窗通风等。同时，邻室温差是动态变化的，并非一直保持在最大值，与空调开启时间长度有关，在局部时间段内，隔墙的传热反而有利于降低空调负荷，因此，内隔墙保温的节能效果应根据各空间空调开启时间进行权衡分析。

图5 1#住户夏季某高温天的邻室温差变化图（客厅、主卧）

图6 不同住户卧室气温对比图（夏季典型日）

图7 不同住户卧室气温对比图（冬季典型日）