李娟 劉艷峰 王瑩瑩 周勇

西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院

0 引言

空調(diào)室外計算參數(shù)的合理選取，是設備容量選取及建筑節(jié)能設計的基礎。我國現(xiàn)行民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范[1]中夏季空調(diào)室外計算干、濕球溫度分別統(tǒng)計，由于兩參數(shù)非同時刻對應，造成部分干熱地區(qū)空調(diào)設計負荷偏大和設備浪費[2-3]。

夏季空調(diào)室外設計參數(shù)的確定，相關學者已有諸多研究[4-6]，如參數(shù)最佳統(tǒng)計時間[7]和氣候變化對參數(shù)的影響[8]等。我國民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范[1]中夏季空調(diào)室外計算參數(shù)采用歷年平均不保證50 h 的干、濕球溫度，韓文軒[9]等人指出該方法對參數(shù)同時發(fā)生性考慮不足，設計狀態(tài)點錯位，導致設計負荷不準確。ASHREA[10]中空調(diào)室外設計參數(shù)是“以干球溫度為基礎耦合選取合同期濕球溫度”。ASHREA[10]以及黃翔[11]和辛軍哲[12]推薦的蒸發(fā)冷卻空調(diào)室外設計參數(shù)選取方法本質(zhì)均為“以濕球溫度為基礎耦合選取同期干球溫度”。相對而言，“以一個參數(shù)為基礎耦合選取另一個參數(shù)”的方法可減小參數(shù)不同時帶來的設計偏差。

本文利用理論分析、數(shù)理統(tǒng)計和模擬計算等研究方法，通過Energy Plus 對典型城市建筑的四種參數(shù)選取方法條件下的空調(diào)設計負荷及典型氣象年夏季逐時冷負荷分別進行計算，對比分析得到各區(qū)域適用的空調(diào)室外計算參數(shù)，進而利用適用參數(shù)對我國干、濕球溫度不同時刻的室外設計參數(shù)進行修正，為夏季空調(diào)室外計算參數(shù)的合理選取提供參考。

1 研究方法及基礎數(shù)據(jù)

1.1 空調(diào)室外計算參數(shù)選取方法

分析國內(nèi)外規(guī)范及相關學者建議的夏季空調(diào)室外計算參數(shù)選取方法，得到四個特點：干、濕球溫度分別統(tǒng)計，干球溫度為基礎耦合同期濕球溫度，濕球溫度為基礎耦合同期干球溫度，干濕球溫度之和與濕球溫度分別統(tǒng)計。根據(jù)我國室外參數(shù)不保證時長50 h，統(tǒng)一時間不保證率為0.57%（歷年平均不保證50 h，一年按8760 h 計，不保證率0.57%），表征室外近極端氣象條件風險水平[9]。經(jīng)整理，本文研究的四種空調(diào)室外計算參數(shù)選取方法具體如表1。

表1 夏季空調(diào)室外計算參數(shù)四種取值方法

1.2 典型城市選取

我國地域遼闊城市眾多，為合理簡化計算量，本文結合空氣容納水汽的能力和理論需用空調(diào)時長，分析我國干空氣能的分布情況，從中確定典型城市。

以中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[13]中270個氣象臺站中典型氣象年逐時參數(shù)為基礎，剔除干球溫度小于26 ℃及其對應的濕球溫度，以干球溫度不小于26 ℃的累計小時數(shù)表征需用空調(diào)時長。利用k-means 算法聚類[14]干球溫度與露點溫度之差和26 ℃與露點溫度之差，所得我國干空氣能[11]分布如圖1。Ⅴ區(qū)全年氣溫皆低于26 ℃，為空調(diào)非適用區(qū)，不作計算分析。Ⅵ區(qū)干空氣能資源豐富，但全年需用空調(diào)時長不足5 天，空調(diào)需求極低。各區(qū)域特點和其對應的典型城市如表2，烏魯木齊、吐魯番、北京、南京、拉薩五個城市為本文計算的具體城市。

圖1 我國干空氣能分布圖

表2 各區(qū)域及其典型城市

1.3 數(shù)據(jù)來源及處理

用于空調(diào)室外計算參數(shù)取值的原始數(shù)據(jù)來源于美國國家氣候數(shù)據(jù)中心，統(tǒng)計時間基準為30 年[1]（1987-2016 年）。原始氣象數(shù)據(jù)是每天八次定時所測，通過插值法[15]對其進行逐時化處理。

1.4 建筑空調(diào)冷負荷計算

室外計算參數(shù)直接影響空調(diào)設計負荷計算，故本文通過具體建筑空調(diào)負荷計算對參數(shù)進行研究?？照{(diào)設計負荷需要一定富裕，裕量過高或欠缺都會導致相關設備容量選取不準確。本文對5 個典型城市建筑在四種參數(shù)選取方法條件下的空調(diào)設計負荷及典型氣象年夏季逐時冷負荷分別進行計算，以典型氣象年夏季最大逐時冷負荷為指標，根據(jù)設計負荷富裕量最小原則，從四種設計負荷中獲得該地區(qū)適用的空調(diào)室外設計參數(shù)，進而對“干濕球溫度分別統(tǒng)計”的參數(shù)做出修正。

2 計算參數(shù)及建筑模型

2.1 典型城市空調(diào)室外計算參數(shù)取值

每個典型城市對應的四組空調(diào)室外計算干、濕球溫度如表3。利用空氣的干濕球溫度差表征干空氣能大小[11]，大小順序?qū)椒ㄅ帕袨椋焊汕驕囟葹榛A耦合濕球溫度>干濕球溫度分別統(tǒng)計>干濕球溫度之和與濕球溫度分別統(tǒng)計>濕球溫度為基礎耦合干球溫度（方法二>方法一>方法四>方法三）。

表3 四種參數(shù)選取方法所得空調(diào)室外計算干、濕球溫度（℃）

2.2 建筑模型概況

確定建筑為一地上6 層辦公樓，每層高3.6 m，總建筑面積4140 m2，體形系數(shù)0.22，北向窗墻比為0.33，南向窗墻比為0.38，東、西兩朝向窗墻比均為0.04。根據(jù)公共建筑節(jié)能設計標準[16]，五個典型城市的建筑熱工參數(shù)設置如表4，空調(diào)室內(nèi)參數(shù)：干球溫度26 ℃，相對濕度60%。圖2 中，a、b 為辦公樓平面圖，c、d 為建筑幾何模型。

表4 典型城市建筑熱工參數(shù)

圖2 辦公樓平面圖和建筑幾何模型

3 夏季空調(diào)負荷計算

利用Energy Plus 分別計算典型城市辦公樓的典型氣象年夏季（5 月1 日-10 月31 日）空調(diào)逐時單位面積負荷及四種空調(diào)室外計算參數(shù)條件下的設計單位面積負荷。以典型氣象年逐時最大冷負荷為指標，根據(jù)設計負荷富裕量最小原則，衡量四種設計負荷的適用性，進而獲得相應的適用室外計算參數(shù)選取方法。

3.1 Ⅰ區(qū)典型城市夏季空調(diào)負荷計算

烏魯木齊辦公建筑空調(diào)負荷計算結果如圖3，圖3（a）為典型氣象年夏季空調(diào)逐時單位面積冷負荷分布情況，最大逐時單位面積負荷即指標為53.1 W/m2。圖3（b）為四種室外計算參數(shù)條件下的夏季設計日空調(diào)逐時單位面積冷負荷，最大負荷即設計負荷出現(xiàn)在16 h，四個設計單位面積負荷按大小排序?qū)姆椒椋悍椒ㄒ?方法四>方法三>方法二。圖3（c）為對比四個設計單位面積負荷和指標單位面積負荷，方法二對應的設計負荷與指標負荷相比富裕量最小，即適用設計單位面積負荷為66.2 W/m2。Ⅰ區(qū)適用的夏季空調(diào)室外計算參數(shù)選取方法為方法二，即干球溫度為基準耦合同期濕球溫度法。

圖3 烏魯木齊辦公樓空調(diào)負荷計算

3.2 Ⅱ區(qū)典型城市夏季空調(diào)負荷計算

吐魯番辦公建筑空調(diào)負荷計算結果如圖4，圖4（a）中最大逐時單位面積負荷即指標為71.0 W/m2。圖4（b）中最大負荷即設計負荷出現(xiàn)在15 h。圖4（c）中適用的設計單位面積負荷為84.6 W/m2。Ⅱ區(qū)適用的夏季空調(diào)室外計算參數(shù)選取方法為方法二，即干球溫度為基準耦合同期濕球溫度法。

圖4 吐魯番辦公樓空調(diào)負荷計算

3.3 Ⅲ區(qū)典型城市夏季空調(diào)負荷計算

北京辦公建筑空調(diào)負荷計算結果如圖5，圖5（a）中最大逐時單位面積負荷即指標為82.1 W/m2。圖5（b）中最大負荷即設計負荷出現(xiàn)在14 h。圖5（c）中適用的設計單位面積負荷為85.2 W/m2。Ⅲ區(qū)適用的夏季空調(diào)室外計算參數(shù)選取方法為方法三，即濕球溫度為基準耦合同期干球溫度法。

圖5 北京辦公樓空調(diào)負荷計算

3.4 Ⅳ區(qū)典型城市夏季空調(diào)負荷計算

南京辦公建筑空調(diào)負荷計算結果如圖6，圖6（a）中最大逐時單位面積負荷即指標為84.9 W/m2。圖6（b）中最大負荷即設計負荷出現(xiàn)在14 h。圖6（c）中適用的設計單位面積負荷為90.4 W/m2。Ⅳ最適用的夏季空調(diào)室外計算參數(shù)選取方法為方法三，即濕球溫度為基準耦合同期干球溫度法。

圖6 南京辦公樓空調(diào)負荷計算

3.5 Ⅵ區(qū)典型城市夏季空調(diào)負荷計算

拉薩辦公建筑空調(diào)負荷計算結果如圖7，圖7（a）中最大逐時單位面積負荷即指標為42.0 W/m2。圖7（b）中最大負荷即設計負荷出現(xiàn)在16 h。圖7（c）中適用的設計單位面積負荷為45.9 W/m2。Ⅵ區(qū)適用的夏季空調(diào)室外計算參數(shù)選取方法為方法二，即干球溫度為基準耦合同期濕球溫度法。

根據(jù)圖3～7，五個典型城市空調(diào)負荷計算結果匯總于表5～6。每個典型城市利用四種方法取得四組空調(diào)室外計算干、濕球溫度，四組參數(shù)分別生成空調(diào)設計日參數(shù)，設計冷負荷大小對應的參數(shù)選取方法排序皆為：方法一>方法四>方法三>方法二。Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ區(qū)干空氣能資源較豐富，適用方法二即干球溫度為基準耦合同期濕球溫度。Ⅲ、Ⅳ區(qū)干空氣能資源較少，適用方法三即濕球溫度為基準耦合同期干球溫度。

圖7 拉薩辦公樓空調(diào)負荷計算

表5 典型城市空調(diào)冷負荷計算結果匯總（一）

表6 典型城市空調(diào)冷負荷計算結果匯總（二）

4 空調(diào)室外計算參數(shù)修正

根據(jù)以上典型城市的適用空調(diào)設計參數(shù)對我國“干、濕球溫度分別統(tǒng)計”方法（方法一）選取的參數(shù)進行修正。以烏魯木齊為例，利用方法二所得的計算干球溫度除以方法一的計算干球溫度得到計算干球溫度修正系數(shù)，利用方法二所得的計算濕球溫度除以方法一的計算濕球溫度得到計算濕球溫度修正系數(shù)。各區(qū)域空調(diào)室外計算參數(shù)修正系數(shù)如表7。

表7 夏季空調(diào)室外計算干、濕球溫度修正系數(shù)

5 結論

本文對比分析“干、濕球溫度分別統(tǒng)計，干球溫度為基礎耦合同期濕球溫度，濕球溫度為基礎耦合同期干球溫度，干濕球溫度之和與濕球溫度分別統(tǒng)計”四種夏季空調(diào)室外設計參數(shù)選取方法，得到不同氣候條件地區(qū)空調(diào)夏季室外計算參數(shù)適用的參數(shù)選取方式，并以適用參數(shù)對我國“干、濕球溫度分別統(tǒng)計”的參數(shù)進行修正，給出相應的修正系數(shù)，為空調(diào)室外設計參數(shù)合理選取提供參考。

1）對比不同參數(shù)選取方法條件下的夏季空調(diào)室外設計干球溫度和計算濕球溫度，發(fā)現(xiàn)室外計算濕球溫度的變化對空調(diào)設計負荷的影響較大。

2）空調(diào)設計負荷需一定的富裕，但干濕球溫度分別統(tǒng)計取值的參數(shù)普遍偏大，可能會造成富裕過大導致設備浪費。“以一個溫度為基礎耦合選取另一個溫度”的設計參數(shù)計算的設計負荷裕量較為適宜。

3）干空氣能資源較豐富地區(qū)適用的參數(shù)選取方法為“干球溫度為基準耦合同期濕球溫度”，如我國西北地區(qū)。干空氣資源較貧乏地區(qū)適用的參數(shù)選取方法為“濕球溫度為基準耦合同期干球溫度”，如我國東南地區(qū)。

4）利用各區(qū)域適用設計參數(shù)，對我國“干、濕球溫度分別統(tǒng)計”方法所取的參數(shù)進行修正，給出了五個適用區(qū)域的空調(diào)室外計算干球溫度和計算濕球溫度修正系數(shù)：Ⅰ區(qū)1/0.92；Ⅱ區(qū)1/0.75；Ⅲ區(qū)0.92/1；Ⅳ區(qū)0.94/1；Ⅵ區(qū)1/0.67。