居住实态对居住建筑供暖空调负荷的影响

摘 要

摘要：家庭结构、生活习惯及经济水平的差异决定了居住实态的多样性。针对多种居住实态，选取重庆地区居住建筑，模拟计算了不同居住实态下冷热负荷特征。影响负荷的主要因素为舒适
摘要：家庭结构、生活习惯及经济水平的差异决定了居住实态的多样性。针对多种居住实态，选取重庆地区居住建筑，模拟计算了不同居住实态下冷热负荷特征。影响负荷的主要因素为舒适度、空调使用时间及内扰，舒适度影响最大，空调使用时间次之，内扰最小。
关键词：居住实态；供暖空调负荷；空调舒适度
Influence of Actual State of Residence on Heating and Air-conditioning Load in Residential Buildings
YU Li-xia，XIA0 Yi-min，FU 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
    当代中国家庭结构的多样性、生活习惯及经济水平的差异性决定了住宅存在多种居住实态[1]。不同居住实态常导致空调使用模式不同，即使用空调的时间、空间及舒适要求不同，由此产生的空调冷热负荷不同，需要匹配的空调技术、设备也将不同。只有适应不同居住实态的空调使用模式，才能创造出舒适的室内环境，实现最大限度的节能。本文在分析居民居住实态和空调使用模式的基础上，采用DeST-h软件模拟计算住户空调、供暖期的冷热负荷，分析不同居住实态的负荷特征及影响因素。
1 居住实态与空调使用模式
    居住实态是指住户的家庭日常生活实际状态，是居住者在室内空间环境生活行为方式的实际反映。空调使用模式是指居住者使用空调的时间、空间及舒适要求，由居住实态决定。与空调使用模式有关的居住实态要素包括家庭结构、生活习惯、经济水平。
    家庭结构是指住户家庭成员的构成，按照社会学观点，家庭结构有夫妻核心家庭、标准核心家庭、直系家庭及复合家庭等[2]。生活习惯是指家庭成员在室内各个空间停留时间、照明及设备开启情况、空调开启时间及空间。经济水平影响居住者对空调的舒适要求，包括空调开启温度、使用时间及连续性、空调的同时使用系数。
    把居住实态分类分析：纯从业家庭，单身或夫妻组成的上班族家庭，家庭成员1～2人；退休家庭，退休空巢老人家庭，生活极有规律，家庭成员1～2人；基本家庭，父母与未成年子女组成的家庭，家庭成员3～4人；复合家庭，父母与成年子女组成的家庭，家庭成员4人以上。
    为方便分析，把空调使用模式分为节约型、舒适型。区别在于：①空调开启温度不同。节约型根据容忍温度设定空调的开启，开启温度一般为夏季29℃、冬季15℃；舒适型根据舒适温度设定空调的开启，开启温度一般为夏季26℃、冬季18℃。②空调使用时间及连续性不同。节约型空调使用时间较短，在空调设定时间内间歇使用；舒适型空调使用时间较长，在空调设定时间内连续使用。③空调同时使用系数不同。节约型的空调同时使用系数＜1，即同时只开启有人房间的空调设备；舒适型则同时开启人员最大可能活动空间的空调设备，同时使用系数≤1。结合空调使用模式的居住实态划分见表1。
表1 结合空调使用模式的居住实态划分
空调使用模式
居住实态
空调使用模式
居住实态
节约型
纯从业家庭
舒适型
纯从业家庭
退休家庭
退休家庭
基本家庭
基本家庭
复合家庭
复合家庭
2 模拟计算条件
2.1 计算对象概况
    以重庆市为例进行研究。近年来，重庆城市住宅建设蓬勃发展，根据统计数据，实有居住建筑面积自2002年来每年以平均12%的速度增长；住宅竣工面积自2000年来每年以平均19%的速度增长；人均居住建筑面积大幅提高，2006年底城市居民平均每户居住建筑面积约81m2。计算对象住户建筑面积为91.62m2，层高为3m，户型为3室1厅。
2.2 DeST-h软件的参数设定
    DeST-h软件可以对人员、照明、设备的内扰及空调使用时间进行逐时作息设定，与居住实态较为一致，符合计算要求，因此本文选择DeST-h软件作为模拟计算工具。DeST-h软件的参数设定如下。
   ① 室内温湿度
   室内空调设计温度：夏季26℃，冬季18℃。室内相对湿度：30%～65%。
    ② 供暖、空调期及通风次数
    本文以文献[3]划分的供暖、空调期为依据，确定供暖、空调期的起止时间。供暖期：11月27日—3月11日，空调期：6月25日—9月17日。根据《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ 134—2001)，通风次数设定为1次/h。
   ③ 围护结构
   本文依据《居住建筑节能65%设计标准》(DBJ 50—71—2007)设定围护结构参数。屋面的传热系数为0.7W/(m2·K)，外墙的传热系数为0.9W/(m2·K)，外窗的传热系数为2.6W/(m2·K)。南向外窗有固定外遮阳，遮阳系数夏季为0.25，冬季为0.65。户门传热系数为3.0W/(m2·K)，户间墙和户间楼板传热系数为2.0W/(m2·K)。
    ④ 内扰
    内扰随房间功能及居民生活习惯不同而不同，影响因素包括人员、照明、设备等。人员因素包括人体散热量及散湿量。人体散湿量不仅指人体自身散湿量，还包括人为散湿量，即人员日常生活中洗脸、吃饭、喝水等形成的水分蒸发，出入盥洗室带出的水分等。人为散湿量形的计算式为：
    W=nw
式中W——人为散湿量，g/h
    n——房间内人数，人
    w——人均人为散湿量，g/(h·人)，人员24h在建筑物内生活时，人均人为散湿量可按30～40g/(h·人)计算[4]，这里取35g/(h·人)
    人体散热量、自身散湿量以室内温度27℃、极轻劳动下，成年男子散热量57W、自身散湿量115g/h为基准，成年女子和儿童的散热量、自身散湿量分别为成年男子的85%、75%[5]。
    照明散热量[6]：最大散热量取6W/m2，最小为0。设备散热量：最大散热量依房间功能不同而不同，客厅150W，主卧100W，次卧125W，厨房1350W；最小为0。照明、设备作息与人员作息一致。
3 计算结果分析
    不同居住实态下的供暖、空调负荷有较大不同。节约型居住实态负荷呈跳跃、非连续型曲线分布，逐时负荷变化较大；舒适型居住实态负荷呈波动性连续变化曲线分布，逐时负荷变化较小，负荷变化较为平稳。
3.1 负荷特征
   ① 峰值负荷
   峰值负荷表示供暖、空调期住户单位建筑面积逐时供暖、空调负荷的最大值，是住户匹配空调设备的决定性指标。不同居住实态的峰值负荷见表2。由表2可知，相同居住实态下，舒适型的峰值负荷低于节约型。
    对于空调模式的影响，由计算结果可知：a.舒适度提高会降低峰值负荷。在空调使用时间、内扰相同的条件下，舒适度提高，供暖峰值负荷降低16%～55%，空调峰值负荷降低13%～43%。b.空调使用时间对峰值负荷的影响也较大。在舒适度、内扰相同的条件下，空调使用时间延长，供暖峰值负荷降低9%～33%，空调峰值负荷降低14%～28%。C.内扰对峰值负荷也有影响。在舒适度、空调使用时间相同的条件下，内扰增加，供暖峰值负荷降低4%～17%，空调峰值负荷增加7%～18%。
表2 不同居住实态的峰值负荷    W/m2
居住实态
供暖峰值负荷
空调峰值负荷
节约型
舒适型
节约型
舒适型
纯从业家庭
133
111
175
153
退休家庭
121
74
149
110
基本家庭
127
92
186
147
复合家庭
107
48
152
86
    ② 累计负荷
    累计负荷是指住户单位建筑面积逐时冷热负荷在空调、供暖期的累计值，是预测住宅供暖空调能耗的重要指标。不同居住实态空调、供暖期累计负荷及累计耗电量见表3。为便于比较，累计负荷的单位采用kW·h/m2。由表3可知，相同居住实态下，舒适型的累计负荷、累计耗电量高于节约型。
    对于空调使用模式的影响，由计算结果可知：a.对于供暖期累计负荷，舒适度影响明确，空调使用时间及内扰影响都不确定。舒适度增加，供暖期累计负荷增加38%～77%。b.对于空调期累计负荷，舒适度、空调使用时间及内扰增加都会使空调期累计负荷增加，其中舒适度影响最大，空调使用时间与内扰基本相当。舒适度增加，空调期累计负荷增加99%～120%；空调使用时间延长，空调期累计负荷增加3%～29%；内扰增加，空调期累计负荷增加15%～21%。
表3 不同居住实态空调、供暖期累计负荷及累计耗电量  kW·h/m2
空调使用模式
居住实态
累计负荷
累计耗电量
供暖期
空调期
供暖期
空调期
节约型
纯从业家庭
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
复合家庭
9.6
28.2
3.2
9.4
舒适型
纯从业家庭
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
复合家庭
16.9
58.8
5.6
19.6
    ③ 平均启动负荷与平均运行负荷
    平均启动负荷是指住户开启空调设备后室内温湿度达到设定参数时空调、供暖期累计负荷的单位时间、单位建筑面积的平均值。平均运行负荷是指除去启动负荷后的平均值。平均启动负荷与平均运行负荷用来评价住户供暖、空调负荷的波动特征。不同居住实态供暖、空调期平均启动负荷、平均运行负荷见表4。由表4可知，相同居住实态下，舒适型的平均启动负荷低于节约型；舒适型的平均运行负荷高于节约型。
表4 不同居住实态供暖、空调期平均启动负荷、平均运行负荷    W/m2
空调使用模式
居住实态
平均启动负荷
平均运行负荷
供暖期
空调期
供暖期
空调期
节约型
纯从业家庭
84
122
3
23
退休家庭
48
81
2
12
基本家庭
81
127
2
29
复合家庭
42
71
1
24
舒适型
纯从业家庭
69
95
20
58
退休家庭
39
63
19
49
基本家庭
61
102
17
63
复合家庭
40
56
7
46
    对于空调使用模式的影响，由计算结果可知：a.舒适度是影响平均启动负荷、平均运行负荷的主要因素。舒适型居住实态的平均启动负荷要低于节约型，供暖期平均低16%，空调期平均低21%。但舒适型居住实态的平均运行负荷则远高于节约型，供暖期平均高7.8倍，空调期平均高1.7倍。这说明舒适型居住实态逐时负荷波动小于节约型。b.空调使用时间的影响也较大。空调使用时间较短的纯从业家庭与基本家庭平均启动负荷、平均运行负荷要高于运行时间较长的退休家庭、复合家庭。
3.2 负荷特征对空调技术与设备匹配的影响
   ① 峰值负荷
   峰值负荷的影响主要体现在空调技术的选择与空调设备的匹配上。空调技术的选择，同样居住实态，采用家用普通空调器与家用集中式空调设备的峰值负荷不同，采用集中式空调设备的峰值负荷低于普通空调器。空调设备的匹配，不同居住实态，峰值负荷不同，匹配的空调设备容量则不同。纯从业家庭、基本家庭的峰值负荷较高，退休家庭、复合家庭的峰值负荷较低。
   ② 累计负荷
   累计负荷用于预测不同居住实态住户全年供暖、空调能耗。不同居住实态，供暖、空调期的耗电量差别较大。按居住实态预测住宅供暖、空调能耗，更为科学。
    ③ 平均启动负荷与平均运行负荷
    平均启动负荷与平均运行负荷用于指导空调技术的节能运行。节约型居住实态宜选择对负荷响应快的空调技术，舒适型居住实态则宜选择运行稳定性好的空调技术。纯从业家庭、基本家庭宜选择对负荷响应快、短时间内能提供较大负荷密度的空调技术，退休家庭、复合家庭的要求则相对较低。
4 结论
    ① 由家庭结构、生活习惯及经济水平构成的居住实态会影响住宅供暖、空调负荷，影响的负荷特征有峰值负荷、累计负荷及平均启动负荷、平均运行负荷。
    ② 影响供暖、空调负荷的主要因素有舒适度、空调使用时间及内扰。其中舒适度对负荷的影响最大，空调使用时间的影响次之，内扰影响最小。因此，为居住建筑选择适宜的空调技术、匹配合理的空调设备及更为科学地预测居住建筑供暖空调能耗，划分居住实态是必要和基础的工作。
参考文献：
[1] 付祥钊，杨李宁，马晓雯，等.夏热冬冷地区居住建筑空调能耗预测[J].暖通空调，2007，(11)：1-5.
[2] 王跃生.当代中国家庭结构变动分析[J].中国社会科学，2006，(1)：96-108.
[3] 付祥钊，肖益民.建筑节能原理与技术[M].重庆：重庆大学出版社，2008.
[4] 张立志.除湿技术[M].北京：化学工业出版社，2005.
[5] 赵荣义，范存养，薛殿华，等.空气调节(第3版)[M].北京：中国建筑工业出版社，1994.
[6] GB 50034—2004，建筑照明设计标准[S].
 
(本文作者：余丽霞 肖益民 付祥钊 重庆大学 城市建设与环境工程学院 重庆 400045)