室内设计参数对住宅建筑空调负荷的影响分析

许抗吾，魏俊辉，孙林娜，鲍 超，刘启明

(北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038)

建筑能耗一直是全社会能源消耗的大户，据统计，2018年我国建筑建造和运行用能占全社会总能耗的37%[1]。在建筑运行能耗中，供暖空调能耗比重最大，一般能占到建筑总能耗的40%～50%[2]。

长久以来，在建筑节能领域人们常常致力于建筑围护结构热工性能的改善及供热制冷系统能效的提升[3-5]。目前有学者针对住宅建筑的能耗模拟进行过一些研究，段良飞等[6]采用eQUEST模拟软件对石家庄市某住宅建筑不同外围护结构条件下的冷热负荷情况进行模拟，分析外墙、外窗、遮阳和屋面等因素对能耗的影响；张泽超等[7]利用YBPA2019软件进行青岛市某节能住宅楼的模拟分析，对比了分别采用两种空调方案的住宅能耗情况；孟文强等[8]采用DeST-h软件，模拟山东半岛沿海地区不同类型的外窗、屋顶保温构造的住宅建筑能耗，考虑了提高空调的能效比、可再生能源的节能效果，并提出了住宅建筑节能的建议。

然而，建筑的室内设计参数以及使用者的行为对建筑能耗的影响是不可忽视的，甚至对建筑负荷大小起着关键性的作用。本文针对北京市某住宅建筑，采用DeST-h能耗模拟软件，研究不同的室内设计参数对该建筑空调负荷的影响，并分析住宅建筑运行节能的思路。

1 模型建立

1.1 建筑概况

以北京市某多层住宅建筑为模拟研究对象，该建筑为正南朝向，层高为3 m，共6层，总建筑面积1 033 m2。夏季采用多联机空调系统进行制冷，冬季采用地板采暖系统进行供暖，总供能面积为896 m2。夏季制冷起止时间：6月1日～8月31日；冬季供暖起止时间：11月15日～次年3月15日[9]。

建筑平面图与能耗模拟模型分别如图1，图2所示。

1.2 围护结构参数

该住宅建筑的围护结构参数严格按照JGJ 26—2018严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准[10]设置，具体参数见表1。

表1 围护结构参数

1.3 室内设计参数

住宅建筑的室内设计参数包括空调室内设计温湿度、人员、照明功率、设备功率、通风换气次数等。该住宅建筑户型中有起居室、主卧、次卧、厨房、卫生间等房间类型，相关室内设计参数见表2。

表2 室内设计参数

除了基本的室内设计参数，模拟建筑逐时负荷需要设置详细的室内热扰作息，包括人员在室率、照明使用率和设备使用率，如表3所示。

2 模拟结果分析

住宅建筑基础模型的全年逐时负荷如图3所示。

负荷模拟结果统计如表4所示，该住宅建筑的冷负荷峰值为77.01 kW，热负荷峰值为23.84 kW。由于建筑位于寒冷地区，供暖时间较制冷时间长，全年累计热负荷与冷负荷相当。根据相关标准，北京地区此类住宅建筑单位面积采暖耗热量指标限值为30.56 kW·h/(m2·a)，空调制冷量指标限值为21 kW·h/(m2·a)(综合COP=3)[11]，可见基础模型的设定满足设计要求。

表3 室内热扰作息时间表

表4 基础模型模拟结果统计值

2.1 室内设计温度

室内设计温度是决定空调系统负荷的最主要的参数之一。对于舒适性空调，供冷工况下的室内设计温度为26 ℃～28 ℃，供热工况下的室内设计温度为18 ℃～22 ℃[12]。根据设计要求，分析不同室内设计温度对冷热负荷的影响。

2.1.1 制冷设计温度

制冷设计温度调整为24 ℃～28 ℃，模拟得到的结果如图4所示。随着制冷设计温度的升高，室内外温差减小，冷负荷的峰值与累计值整体呈现出降低的趋势。冷负荷在制冷设计温度为28 ℃时达到最小值，峰值为72.09 kW，累计值为12 207.21 kW·h。与制冷设计温度26 ℃相比，冷负荷峰值与累计值分别降低了6.49%和19.35%。

2.1.2 供暖设计温度

由于本项目住宅建筑采用地板采暖系统，辐射供暖室内设计温度宜降低2 ℃，因此供暖设计温度为16 ℃～20 ℃。不同设计工况下的热负荷如图5所示。显然，随着供暖设计温度的降低，热负荷是不断降低的。热负荷在供暖设计温度为16 ℃时达到最小值，峰值22.41 kW，累计值为10 439.58 kW·h。与供暖设计温度18 ℃相比，热负荷峰值与累计值分别降低了15.78%和34.01%。

改变室内的设计温度对住宅建筑空调冷热负荷的影响较为显著，提高制冷设计温度或者降低供暖设计温度，能够有效降低冷热负荷。

2.2 室内设计湿度

除了温度，空气相对湿度也是空调供暖系统的重要设计参数。舒适性空调在热舒适度Ⅱ级规定：供冷工况下室内相对湿度应不大于70%，供热工况下无要求。分别调整室内设计湿度的上下限，分析相对湿度对负荷的影响。

2.2.1 相对湿度上限

相对湿度下限为20%，上限分别为80%,70%和60%，负荷模拟计算结果如图6所示。

由于空气相对湿度在夏季通常较高，冬季偏低，因此降低相对湿度上限只影响空调的冷负荷。常规的空调器采用表面式换热器对空气进行热湿处理，当相对湿度上限降低时，需要进一步降低表面式换热器中冷媒的温度来达到除湿的目的，因此冷负荷随着相对湿度上限的降低而升高。室内相对湿度上限降低10%，冷负荷峰值增加约7.4 kW，冷负荷累计值增加约1 500 kW·h。

2.2.2 相对湿度下限

相对湿度上限为80%，调整下限为20%,30%和40%，对建筑负荷进行模拟。

相对湿度下限提高时，在冬季供热工况下需要对室内空气进行加湿。而表面式换热器无法对空气进行加湿处理，只能使用另外的加湿设备，因此相对湿度下限对热负荷没有影响，如图7所示。

负荷模拟结果表明，室内相对湿度上限对空调冷负荷有较大的影响，相对湿度下限一般不影响空调的冷热负荷。

2.3 室内热扰

人员、照明、设备等室内热扰是空调负荷的组成部分。通过控制变量的方法，模拟分析不同人员、照明功率和设备功率情况下建筑的冷热负荷变化，室内热扰组合模式见表5。

表5 室内热扰组合模式

室内热扰对建筑负荷的影响如图8所示。增加人员、照明、设备散热量，一方面建筑的冷负荷有所升高，另一方面散热量能够抵消一部分热负荷，从而热负荷略有降低。

单户人员每增加1人，累计冷负荷增加约7%，累计热负荷减少约8.6%；照明功率密度每升高1 W/m2，累计冷负荷增加约2%，累计热负荷减少约1.8%；设备功率密度每升高1 W/m2，累计冷负荷增加约4.2%，累计热负荷减少约3.3%。可见，人员热扰对热负荷的影响大于冷负荷，而照明与设备热扰对冷负荷的影响更加显著。整体来看，人员数量影响相对较大，设备功率密度其次，照明功率密度影响最小。

2.4 建筑通风

建筑的自然通风对空调的冷热负荷起着非常关键的作用。一般来说，夏季在室外气温适宜时增加室外通风可以有效带走室内的余热和余湿，从而降低空调制冷能耗。

在DeST-h软件的室外通风设置中有“逐时通风”和“通风范围”两种模式。其中“逐时通风”是按照用户设定的逐时通风次数进行计算，而“通风范围”反映了住户利用开关窗通风调节室内温度的行为，即室外温度适宜(介于室内设定温度范围)时，开窗通风(此时按最大通风量计算)；当温度不适宜时，关闭窗户(此时按最小通风量计算)。

考虑到住宅建筑的使用特点，基础模型采用“通风范围”的通风模式，其中最小与最大通风换气次数均为0.5次/h，即在不开窗通风的情况下，模拟建筑的全年冷热负荷。通过改变最大通风量，当最大通风换气次数分别为1次/h,2次/h,3次/h,4次/h和5次/h，模拟建筑全年负荷变化，分析开窗通风对该建筑冷热负荷的影响(见图9)。

如图9所示，通风换气次数对热负荷几乎没有影响，这是因为模型采用“通风范围”的室外通风模式，而冬季绝大部分时间的室外气温低于室内的设计温度，并不会选择开窗通风，所以热负荷受最大通风换热次数的影响很小；对于冷负荷，随着最大通风换气次数的增加，冷负荷累计值不断减少。显然，在夏季室外气温低于室内气温时选择开窗通风，有利于去除室内余热、余湿，从而减少空调开启的时间，降低空调冷负荷；并且通风换气量越大，对于降低空调能耗越有利。

3 结论

基于DeST-h搭建的住宅建筑能耗模拟基础模型，本文模拟分析了室内设计温湿度、室内热扰参数以及建筑通风对建筑能耗的影响。主要结论如下：

1)室内设计温度对住宅建筑的空调能耗影响较大，提高制冷设计温度或者降低供暖设计温度有利于减少供暖空调的冷热负荷，降低能耗。

2)室内设计相对湿度主要影响住宅建筑的空调冷负荷，若对夏季除湿要求较高，必然会相应增加空调能耗。

3)人员、照明、设备等室内热扰对住宅建筑冷热负荷的影响相对较小，增加人员、照明功率密度或设备功率密度会增加冷负荷、减少热负荷。

4)建筑的通风，尤其是室外通风对空调的冷热负荷起着非常关键的作用。在冬季由于室外气温较低，应尽量减少室外通风；而夏季增强室外通风，冷负荷累计值大幅降低。

综上所述，室内设计温度、建筑通风对住宅建筑冷热负荷的影响较大。因此，从建筑运行节能的角度来看，适当升高夏季空调室内设计温度或者降低冬季供暖室内设计温度，并且在室外温湿度适宜时开窗通风是降低住宅建筑供暖空调系统运行能耗的有效手段。