居住實態(tài)對居住建筑供暖空調負荷的影響

摘 要

摘要：家庭結構、生活習慣及經(jīng)濟水平的差異決定了居住實態(tài)的多樣性。針對多種居住實態(tài)，選取重慶地區(qū)居住建筑，模擬計算了不同居住實態(tài)下冷熱負荷特征。影響負荷的主要因素為舒適
摘要：家庭結構、生活習慣及經(jīng)濟水平的差異決定了居住實態(tài)的多樣性。針對多種居住實態(tài)，選取重慶地區(qū)居住建筑，模擬計算了不同居住實態(tài)下冷熱負荷特征。影響負荷的主要因素為舒適度、空調使用時間及內擾，舒適度影響最大，空調使用時間次之，內擾最小。
關鍵詞：居住實態(tài)；供暖空調負荷；空調舒適度
Influence of Actual State of Residence on Heating and Air-conditioning Load in Residential Buildings
YU Li-xia，XIA0 Yi-min，F(xiàn)U Xiang-zhao
Abstract：The diversities of actual state of residence depend on the difference in family structure，1ife habits and economic level. For many actual states of residence，residential buildings in Chongqing region are selected，and the cooling and heat load characteristics under different actual states of residence are simulated and calculated. The main factors influencing the load are comfort level，running time of air conditioner and indoor interference. Among them，the comfort level has the maximum impact on the load，the indoor interference has the minimum impact，and the running time of air conditioner is in between.
Key words：actual state of residence；heating and air-conditioning load；air-condition comfort level
    當代中國家庭結構的多樣性、生活習慣及經(jīng)濟水平的差異性決定了住宅存在多種居住實態(tài)[1]。不同居住實態(tài)常導致空調使用模式不同，即使用空調的時間、空間及舒適要求不同，由此產(chǎn)生的空調冷熱負荷不同，需要匹配的空調技術、設備也將不同。只有適應不同居住實態(tài)的空調使用模式，才能創(chuàng)造出舒適的室內環(huán)境，實現(xiàn)最大限度的節(jié)能。本文在分析居民居住實態(tài)和空調使用模式的基礎上，采用DeST-h軟件模擬計算住戶空調、供暖期的冷熱負荷，分析不同居住實態(tài)的負荷特征及影響因素。
1 居住實態(tài)與空調使用模式
    居住實態(tài)是指住戶的家庭日常生活實際狀態(tài)，是居住者在室內空間環(huán)境生活行為方式的實際反映?？照{使用模式是指居住者使用空調的時間、空間及舒適要求，由居住實態(tài)決定。與空調使用模式有關的居住實態(tài)要素包括家庭結構、生活習慣、經(jīng)濟水平。
    家庭結構是指住戶家庭成員的構成，按照社會學觀點，家庭結構有夫妻核心家庭、標準核心家庭、直系家庭及復合家庭等[2]。生活習慣是指家庭成員在室內各個空間停留時間、照明及設備開啟情況、空調開啟時間及空間。經(jīng)濟水平影響居住者對空調的舒適要求，包括空調開啟溫度、使用時間及連續(xù)性、空調的同時使用系數(shù)。
    把居住實態(tài)分類分析：純從業(yè)家庭，單身或夫妻組成的上班族家庭，家庭成員1～2人；退休家庭，退休空巢老人家庭，生活極有規(guī)律，家庭成員1～2人；基本家庭，父母與未成年子女組成的家庭，家庭成員3～4人；復合家庭，父母與成年子女組成的家庭，家庭成員4人以上。
    為方便分析，把空調使用模式分為節(jié)約型、舒適型。區(qū)別在于：①空調開啟溫度不同。節(jié)約型根據(jù)容忍溫度設定空調的開啟，開啟溫度一般為夏季29℃、冬季15℃；舒適型根據(jù)舒適溫度設定空調的開啟，開啟溫度一般為夏季26℃、冬季18℃。②空調使用時間及連續(xù)性不同。節(jié)約型空調使用時間較短，在空調設定時間內間歇使用；舒適型空調使用時間較長，在空調設定時間內連續(xù)使用。③空調同時使用系數(shù)不同。節(jié)約型的空調同時使用系數(shù)＜1，即同時只開啟有人房間的空調設備；舒適型則同時開啟人員最大可能活動空間的空調設備，同時使用系數(shù)≤1。結合空調使用模式的居住實態(tài)劃分見表1。
表1 結合空調使用模式的居住實態(tài)劃分
空調使用模式
居住實態(tài)
空調使用模式
居住實態(tài)
節(jié)約型
純從業(yè)家庭
舒適型
純從業(yè)家庭
退休家庭
退休家庭
基本家庭
基本家庭
復合家庭
復合家庭
2 模擬計算條件
2.1 計算對象概況
    以重慶市為例進行研究。近年來，重慶城市住宅建設蓬勃發(fā)展，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，實有居住建筑面積自2002年來每年以平均12%的速度增長；住宅竣工面積自2000年來每年以平均19%的速度增長；人均居住建筑面積大幅提高，2006年底城市居民平均每戶居住建筑面積約81m2。計算對象住戶建筑面積為91.62m2，層高為3m，戶型為3室1廳。
2.2 DeST-h軟件的參數(shù)設定
    DeST-h軟件可以對人員、照明、設備的內擾及空調使用時間進行逐時作息設定，與居住實態(tài)較為一致，符合計算要求，因此本文選擇DeST-h軟件作為模擬計算工具。DeST-h軟件的參數(shù)設定如下。
   ① 室內溫濕度
   室內空調設計溫度：夏季26℃，冬季18℃。室內相對濕度：30%～65%。
    ② 供暖、空調期及通風次數(shù)
    本文以文獻[3]劃分的供暖、空調期為依據(jù)，確定供暖、空調期的起止時間。供暖期：11月27日—3月11日，空調期：6月25日—9月17日。根據(jù)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》(JGJ 134—2001)，通風次數(shù)設定為1次/h。
   ③ 圍護結構
   本文依據(jù)《居住建筑節(jié)能65%設計標準》(DBJ 50—71—2007)設定圍護結構參數(shù)。屋面的傳熱系數(shù)為0.7W/(m2·K)，外墻的傳熱系數(shù)為0.9W/(m2·K)，外窗的傳熱系數(shù)為2.6W/(m2·K)。南向外窗有固定外遮陽，遮陽系數(shù)夏季為0.25，冬季為0.65。戶門傳熱系數(shù)為3.0W/(m2·K)，戶間墻和戶間樓板傳熱系數(shù)為2.0W/(m2·K)。
    ④ 內擾
    內擾隨房間功能及居民生活習慣不同而不同，影響因素包括人員、照明、設備等。人員因素包括人體散熱量及散濕量。人體散濕量不僅指人體自身散濕量，還包括人為散濕量，即人員日常生活中洗臉、吃飯、喝水等形成的水分蒸發(fā)，出入盥洗室?guī)С龅乃值?。人為散濕量形的計算式為?/span>
    W=nw
式中W——人為散濕量，g/h
    n——房間內人數(shù)，人
    w——人均人為散濕量，g/(h·人)，人員24h在建筑物內生活時，人均人為散濕量可按30～40g/(h·人)計算[4]，這里取35g/(h·人)
    人體散熱量、自身散濕量以室內溫度27℃、極輕勞動下，成年男子散熱量57W、自身散濕量115g/h為基準，成年女子和兒童的散熱量、自身散濕量分別為成年男子的85%、75%[5]。
    照明散熱量[6]：最大散熱量取6W/m2，最小為0。設備散熱量：最大散熱量依房間功能不同而不同，客廳150W，主臥100W，次臥125W，廚房1350W；最小為0。照明、設備作息與人員作息一致。
3 計算結果分析
    不同居住實態(tài)下的供暖、空調負荷有較大不同。節(jié)約型居住實態(tài)負荷呈跳躍、非連續(xù)型曲線分布，逐時負荷變化較大；舒適型居住實態(tài)負荷呈波動性連續(xù)變化曲線分布，逐時負荷變化較小，負荷變化較為平穩(wěn)。
3.1 負荷特征
   ① 峰值負荷
   峰值負荷表示供暖、空調期住戶單位建筑面積逐時供暖、空調負荷的最大值，是住戶匹配空調設備的決定性指標。不同居住實態(tài)的峰值負荷見表2。由表2可知，相同居住實態(tài)下，舒適型的峰值負荷低于節(jié)約型。
    對于空調模式的影響，由計算結果可知：a.舒適度提高會降低峰值負荷。在空調使用時間、內擾相同的條件下，舒適度提高，供暖峰值負荷降低16%～55%，空調峰值負荷降低13%～43%。b.空調使用時間對峰值負荷的影響也較大。在舒適度、內擾相同的條件下，空調使用時間延長，供暖峰值負荷降低9%～33%，空調峰值負荷降低14%～28%。C.內擾對峰值負荷也有影響。在舒適度、空調使用時間相同的條件下，內擾增加，供暖峰值負荷降低4%～17%，空調峰值負荷增加7%～18%。
表2 不同居住實態(tài)的峰值負荷    W/m2
居住實態(tài)
供暖峰值負荷
空調峰值負荷
節(jié)約型
舒適型
節(jié)約型
舒適型
純從業(yè)家庭
133
111
175
153
退休家庭
121
74
149
110
基本家庭
127
92
186
147
復合家庭
107
48
152
86
    ② 累計負荷
    累計負荷是指住戶單位建筑面積逐時冷熱負荷在空調、供暖期的累計值，是預測住宅供暖空調能耗的重要指標。不同居住實態(tài)空調、供暖期累計負荷及累計耗電量見表3。為便于比較，累計負荷的單位采用kW·h/m2。由表3可知，相同居住實態(tài)下，舒適型的累計負荷、累計耗電量高于節(jié)約型。
    對于空調使用模式的影響，由計算結果可知：a.對于供暖期累計負荷，舒適度影響明確，空調使用時間及內擾影響都不確定。舒適度增加，供暖期累計負荷增加38%～77%。b.對于空調期累計負荷，舒適度、空調使用時間及內擾增加都會使空調期累計負荷增加，其中舒適度影響最大，空調使用時間與內擾基本相當。舒適度增加，空調期累計負荷增加99%～120%；空調使用時間延長，空調期累計負荷增加3%～29%；內擾增加，空調期累計負荷增加15%～21%。
表3 不同居住實態(tài)空調、供暖期累計負荷及累計耗電量  kW·h/m2
空調使用模式
居住實態(tài)
累計負荷
累計耗電量
供暖期
空調期
供暖期
空調期
節(jié)約型
純從業(yè)家庭
16.5
19.0
5.5
6.3
退休家庭
19.4
19.7
6.5
6.6
基本家庭
16.7
23.1
5.6
7.7
復合家庭
9.6
28.2
3.2
9.4
舒適型
純從業(yè)家庭
22.8
38.4
7.6
12.8
退休家庭
27.2
44.0
9.1
14.7
基本家庭
23.0
46.0
7.7
15.3
復合家庭
16.9
58.8
5.6
19.6
    ③ 平均啟動負荷與平均運行負荷
    平均啟動負荷是指住戶開啟空調設備后室內溫濕度達到設定參數(shù)時空調、供暖期累計負荷的單位時間、單位建筑面積的平均值。平均運行負荷是指除去啟動負荷后的平均值。平均啟動負荷與平均運行負荷用來評價住戶供暖、空調負荷的波動特征。不同居住實態(tài)供暖、空調期平均啟動負荷、平均運行負荷見表4。由表4可知，相同居住實態(tài)下，舒適型的平均啟動負荷低于節(jié)約型；舒適型的平均運行負荷高于節(jié)約型。
表4 不同居住實態(tài)供暖、空調期平均啟動負荷、平均運行負荷    W/m2
空調使用模式
居住實態(tài)
平均啟動負荷
平均運行負荷
供暖期
空調期
供暖期
空調期
節(jié)約型
純從業(yè)家庭
84
122
3
23
退休家庭
48
81
2
12
基本家庭
81
127
2
29
復合家庭
42
71
1
24
舒適型
純從業(yè)家庭
69
95
20
58
退休家庭
39
63
19
49
基本家庭
61
102
17
63
復合家庭
40
56
7
46
    對于空調使用模式的影響，由計算結果可知：a.舒適度是影響平均啟動負荷、平均運行負荷的主要因素。舒適型居住實態(tài)的平均啟動負荷要低于節(jié)約型，供暖期平均低16%，空調期平均低21%。但舒適型居住實態(tài)的平均運行負荷則遠高于節(jié)約型，供暖期平均高7.8倍，空調期平均高1.7倍。這說明舒適型居住實態(tài)逐時負荷波動小于節(jié)約型。b.空調使用時間的影響也較大?？照{使用時間較短的純從業(yè)家庭與基本家庭平均啟動負荷、平均運行負荷要高于運行時間較長的退休家庭、復合家庭。
3.2 負荷特征對空調技術與設備匹配的影響
   ① 峰值負荷
   峰值負荷的影響主要體現(xiàn)在空調技術的選擇與空調設備的匹配上?？照{技術的選擇，同樣居住實態(tài)，采用家用普通空調器與家用集中式空調設備的峰值負荷不同，采用集中式空調設備的峰值負荷低于普通空調器?？照{設備的匹配，不同居住實態(tài)，峰值負荷不同，匹配的空調設備容量則不同。純從業(yè)家庭、基本家庭的峰值負荷較高，退休家庭、復合家庭的峰值負荷較低。
   ② 累計負荷
   累計負荷用于預測不同居住實態(tài)住戶全年供暖、空調能耗。不同居住實態(tài)，供暖、空調期的耗電量差別較大。按居住實態(tài)預測住宅供暖、空調能耗，更為科學。
    ③ 平均啟動負荷與平均運行負荷
    平均啟動負荷與平均運行負荷用于指導空調技術的節(jié)能運行。節(jié)約型居住實態(tài)宜選擇對負荷響應快的空調技術，舒適型居住實態(tài)則宜選擇運行穩(wěn)定性好的空調技術。純從業(yè)家庭、基本家庭宜選擇對負荷響應快、短時間內能提供較大負荷密度的空調技術，退休家庭、復合家庭的要求則相對較低。
4 結論
    ① 由家庭結構、生活習慣及經(jīng)濟水平構成的居住實態(tài)會影響住宅供暖、空調負荷，影響的負荷特征有峰值負荷、累計負荷及平均啟動負荷、平均運行負荷。
    ② 影響供暖、空調負荷的主要因素有舒適度、空調使用時間及內擾。其中舒適度對負荷的影響最大，空調使用時間的影響次之，內擾影響最小。因此，為居住建筑選擇適宜的空調技術、匹配合理的空調設備及更為科學地預測居住建筑供暖空調能耗，劃分居住實態(tài)是必要和基礎的工作。
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[6] GB 50034—2004，建筑照明設計標準[S].
 
(本文作者：余麗霞 肖益民 付祥釗 重慶大學 城市建設與環(huán)境工程學院 重慶 400045)