居住實(shí)態(tài)對(duì)居住建筑供暖空調(diào)負(fù)荷的影響

摘 要

摘要：家庭結(jié)構(gòu)、生活習(xí)慣及經(jīng)濟(jì)水平的差異決定了居住實(shí)態(tài)的多樣性。針對(duì)多種居住實(shí)態(tài)，選取重慶地區(qū)居住建筑，模擬計(jì)算了不同居住實(shí)態(tài)下冷熱負(fù)荷特征。影響負(fù)荷的主要因素為舒適
摘要：家庭結(jié)構(gòu)、生活習(xí)慣及經(jīng)濟(jì)水平的差異決定了居住實(shí)態(tài)的多樣性。針對(duì)多種居住實(shí)態(tài)，選取重慶地區(qū)居住建筑，模擬計(jì)算了不同居住實(shí)態(tài)下冷熱負(fù)荷特征。影響負(fù)荷的主要因素為舒適度、空調(diào)使用時(shí)間及內(nèi)擾，舒適度影響最大，空調(diào)使用時(shí)間次之，內(nèi)擾最小。
關(guān)鍵詞：居住實(shí)態(tài)；供暖空調(diào)負(fù)荷；空調(diào)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(dāng)代中國(guó)家庭結(jié)構(gòu)的多樣性、生活習(xí)慣及經(jīng)濟(jì)水平的差異性決定了住宅存在多種居住實(shí)態(tài)[1]。不同居住實(shí)態(tài)常導(dǎo)致空調(diào)使用模式不同，即使用空調(diào)的時(shí)間、空間及舒適要求不同，由此產(chǎn)生的空調(diào)冷熱負(fù)荷不同，需要匹配的空調(diào)技術(shù)、設(shè)備也將不同。只有適應(yīng)不同居住實(shí)態(tài)的空調(diào)使用模式，才能創(chuàng)造出舒適的室內(nèi)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能。本文在分析居民居住實(shí)態(tài)和空調(diào)使用模式的基礎(chǔ)上，采用DeST-h軟件模擬計(jì)算住戶空調(diào)、供暖期的冷熱負(fù)荷，分析不同居住實(shí)態(tài)的負(fù)荷特征及影響因素。
1 居住實(shí)態(tài)與空調(diào)使用模式
    居住實(shí)態(tài)是指住戶的家庭日常生活實(shí)際狀態(tài)，是居住者在室內(nèi)空間環(huán)境生活行為方式的實(shí)際反映?？照{(diào)使用模式是指居住者使用空調(diào)的時(shí)間、空間及舒適要求，由居住實(shí)態(tài)決定。與空調(diào)使用模式有關(guān)的居住實(shí)態(tài)要素包括家庭結(jié)構(gòu)、生活習(xí)慣、經(jīng)濟(jì)水平。
    家庭結(jié)構(gòu)是指住戶家庭成員的構(gòu)成，按照社會(huì)學(xué)觀點(diǎn)，家庭結(jié)構(gòu)有夫妻核心家庭、標(biāo)準(zhǔn)核心家庭、直系家庭及復(fù)合家庭等[2]。生活習(xí)慣是指家庭成員在室內(nèi)各個(gè)空間停留時(shí)間、照明及設(shè)備開啟情況、空調(diào)開啟時(shí)間及空間。經(jīng)濟(jì)水平影響居住者對(duì)空調(diào)的舒適要求，包括空調(diào)開啟溫度、使用時(shí)間及連續(xù)性、空調(diào)的同時(shí)使用系數(shù)。
    把居住實(shí)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(fù)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(diào)使用模式分為節(jié)約型、舒適型。區(qū)別在于：①空調(diào)開啟溫度不同。節(jié)約型根據(jù)容忍溫度設(shè)定空調(diào)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(shè)定空調(diào)的開啟，開啟溫度一般為夏季26℃、冬季18℃。②空調(diào)使用時(shí)間及連續(xù)性不同。節(jié)約型空調(diào)使用時(shí)間較短，在空調(diào)設(shè)定時(shí)間內(nèi)間歇使用；舒適型空調(diào)使用時(shí)間較長(zhǎng)，在空調(diào)設(shè)定時(shí)間內(nèi)連續(xù)使用。③空調(diào)同時(shí)使用系數(shù)不同。節(jié)約型的空調(diào)同時(shí)使用系數(shù)＜1，即同時(shí)只開啟有人房間的空調(diào)設(shè)備；舒適型則同時(shí)開啟人員最大可能活動(dòng)空間的空調(diào)設(shè)備，同時(shí)使用系數(shù)≤1。結(jié)合空調(diào)使用模式的居住實(shí)態(tài)劃分見表1。
表1 結(jié)合空調(diào)使用模式的居住實(shí)態(tài)劃分
空調(diào)使用模式
居住實(shí)態(tài)
空調(diào)使用模式
居住實(shí)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(fù)合家庭
復(fù)合家庭
2 模擬計(jì)算條件
2.1 計(jì)算對(duì)象概況
    以重慶市為例進(jìn)行研究。近年來(lái)，重慶城市住宅建設(shè)蓬勃發(fā)展，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，實(shí)有居住建筑面積自2002年來(lái)每年以平均12%的速度增長(zhǎng)；住宅竣工面積自2000年來(lái)每年以平均19%的速度增長(zhǎng)；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(jì)算對(duì)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(shè)定
    DeST-h軟件可以對(duì)人員、照明、設(shè)備的內(nèi)擾及空調(diào)使用時(shí)間進(jìn)行逐時(shí)作息設(shè)定，與居住實(shí)態(tài)較為一致，符合計(jì)算要求，因此本文選擇DeST-h軟件作為模擬計(jì)算工具。DeST-h軟件的參數(shù)設(shè)定如下。
   ① 室內(nèi)溫濕度
   室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)溫度：夏季26℃，冬季18℃。室內(nèi)相對(duì)濕度：30%～65%。
    ② 供暖、空調(diào)期及通風(fēng)次數(shù)
    本文以文獻(xiàn)[3]劃分的供暖、空調(diào)期為依據(jù)，確定供暖、空調(diào)期的起止時(shí)間。供暖期：11月27日—3月11日，空調(diào)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 134—2001)，通風(fēng)次數(shù)設(shè)定為1次/h。
   ③ 圍護(hù)結(jié)構(gòu)
   本文依據(jù)《居住建筑節(jié)能65%設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(DBJ 50—71—2007)設(shè)定圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(yáng)，遮陽(yáng)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(nèi)擾
    內(nèi)擾隨房間功能及居民生活習(xí)慣不同而不同，影響因素包括人員、照明、設(shè)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?jì)算式為：
    W=nw
式中W——人為散濕量，g/h
    n——房間內(nèi)人數(shù)，人
    w——人均人為散濕量，g/(h·人)，人員24h在建筑物內(nèi)生活時(shí)，人均人為散濕量可按30～40g/(h·人)計(jì)算[4]，這里取35g/(h·人)
    人體散熱量、自身散濕量以室內(nèi)溫度27℃、極輕勞動(dòng)下，成年男子散熱量57W、自身散濕量115g/h為基準(zhǔn)，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(shè)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(shè)備作息與人員作息一致。
3 計(jì)算結(jié)果分析
    不同居住實(shí)態(tài)下的供暖、空調(diào)負(fù)荷有較大不同。節(jié)約型居住實(shí)態(tài)負(fù)荷呈跳躍、非連續(xù)型曲線分布，逐時(shí)負(fù)荷變化較大；舒適型居住實(shí)態(tài)負(fù)荷呈波動(dòng)性連續(xù)變化曲線分布，逐時(shí)負(fù)荷變化較小，負(fù)荷變化較為平穩(wěn)。
3.1 負(fù)荷特征
   ① 峰值負(fù)荷
   峰值負(fù)荷表示供暖、空調(diào)期住戶單位建筑面積逐時(shí)供暖、空調(diào)負(fù)荷的最大值，是住戶匹配空調(diào)設(shè)備的決定性指標(biāo)。不同居住實(shí)態(tài)的峰值負(fù)荷見表2。由表2可知，相同居住實(shí)態(tài)下，舒適型的峰值負(fù)荷低于節(jié)約型。
    對(duì)于空調(diào)模式的影響，由計(jì)算結(jié)果可知：a.舒適度提高會(huì)降低峰值負(fù)荷。在空調(diào)使用時(shí)間、內(nèi)擾相同的條件下，舒適度提高，供暖峰值負(fù)荷降低16%～55%，空調(diào)峰值負(fù)荷降低13%～43%。b.空調(diào)使用時(shí)間對(duì)峰值負(fù)荷的影響也較大。在舒適度、內(nèi)擾相同的條件下，空調(diào)使用時(shí)間延長(zhǎng)，供暖峰值負(fù)荷降低9%～33%，空調(diào)峰值負(fù)荷降低14%～28%。C.內(nèi)擾對(duì)峰值負(fù)荷也有影響。在舒適度、空調(diào)使用時(shí)間相同的條件下，內(nèi)擾增加，供暖峰值負(fù)荷降低4%～17%，空調(diào)峰值負(fù)荷增加7%～18%。
表2 不同居住實(shí)態(tài)的峰值負(fù)荷    W/m2
居住實(shí)態(tài)
供暖峰值負(fù)荷
空調(diào)峰值負(fù)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(fù)合家庭
107
48
152
86
    ② 累計(jì)負(fù)荷
    累計(jì)負(fù)荷是指住戶單位建筑面積逐時(shí)冷熱負(fù)荷在空調(diào)、供暖期的累計(jì)值，是預(yù)測(cè)住宅供暖空調(diào)能耗的重要指標(biāo)。不同居住實(shí)態(tài)空調(diào)、供暖期累計(jì)負(fù)荷及累計(jì)耗電量見表3。為便于比較，累計(jì)負(fù)荷的單位采用kW·h/m2。由表3可知，相同居住實(shí)態(tài)下，舒適型的累計(jì)負(fù)荷、累計(jì)耗電量高于節(jié)約型。
    對(duì)于空調(diào)使用模式的影響，由計(jì)算結(jié)果可知：a.對(duì)于供暖期累計(jì)負(fù)荷，舒適度影響明確，空調(diào)使用時(shí)間及內(nèi)擾影響都不確定。舒適度增加，供暖期累計(jì)負(fù)荷增加38%～77%。b.對(duì)于空調(diào)期累計(jì)負(fù)荷，舒適度、空調(diào)使用時(shí)間及內(nèi)擾增加都會(huì)使空調(diào)期累計(jì)負(fù)荷增加，其中舒適度影響最大，空調(diào)使用時(shí)間與內(nèi)擾基本相當(dāng)。舒適度增加，空調(diào)期累計(jì)負(fù)荷增加99%～120%；空調(diào)使用時(shí)間延長(zhǎng)，空調(diào)期累計(jì)負(fù)荷增加3%～29%；內(nèi)擾增加，空調(diào)期累計(jì)負(fù)荷增加15%～21%。
表3 不同居住實(shí)態(tài)空調(diào)、供暖期累計(jì)負(fù)荷及累計(jì)耗電量  kW·h/m2
空調(diào)使用模式
居住實(shí)態(tài)
累計(jì)負(fù)荷
累計(jì)耗電量
供暖期
空調(diào)期
供暖期
空調(diào)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(fù)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(fù)合家庭
16.9
58.8
5.6
19.6
    ③ 平均啟動(dòng)負(fù)荷與平均運(yùn)行負(fù)荷
    平均啟動(dòng)負(fù)荷是指住戶開啟空調(diào)設(shè)備后室內(nèi)溫濕度達(dá)到設(shè)定參數(shù)時(shí)空調(diào)、供暖期累計(jì)負(fù)荷的單位時(shí)間、單位建筑面積的平均值。平均運(yùn)行負(fù)荷是指除去啟動(dòng)負(fù)荷后的平均值。平均啟動(dòng)負(fù)荷與平均運(yùn)行負(fù)荷用來(lái)評(píng)價(jià)住戶供暖、空調(diào)負(fù)荷的波動(dòng)特征。不同居住實(shí)態(tài)供暖、空調(diào)期平均啟動(dòng)負(fù)荷、平均運(yùn)行負(fù)荷見表4。由表4可知，相同居住實(shí)態(tài)下，舒適型的平均啟動(dòng)負(fù)荷低于節(jié)約型；舒適型的平均運(yùn)行負(fù)荷高于節(jié)約型。
表4 不同居住實(shí)態(tài)供暖、空調(diào)期平均啟動(dòng)負(fù)荷、平均運(yùn)行負(fù)荷    W/m2
空調(diào)使用模式
居住實(shí)態(tài)
平均啟動(dòng)負(fù)荷
平均運(yùn)行負(fù)荷
供暖期
空調(diào)期
供暖期
空調(diào)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(fù)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(fù)合家庭
40
56
7
46
    對(duì)于空調(diào)使用模式的影響，由計(jì)算結(jié)果可知：a.舒適度是影響平均啟動(dòng)負(fù)荷、平均運(yùn)行負(fù)荷的主要因素。舒適型居住實(shí)態(tài)的平均啟動(dòng)負(fù)荷要低于節(jié)約型，供暖期平均低16%，空調(diào)期平均低21%。但舒適型居住實(shí)態(tài)的平均運(yùn)行負(fù)荷則遠(yuǎn)高于節(jié)約型，供暖期平均高7.8倍，空調(diào)期平均高1.7倍。這說(shuō)明舒適型居住實(shí)態(tài)逐時(shí)負(fù)荷波動(dòng)小于節(jié)約型。b.空調(diào)使用時(shí)間的影響也較大?？照{(diào)使用時(shí)間較短的純從業(yè)家庭與基本家庭平均啟動(dòng)負(fù)荷、平均運(yùn)行負(fù)荷要高于運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的退休家庭、復(fù)合家庭。
3.2 負(fù)荷特征對(duì)空調(diào)技術(shù)與設(shè)備匹配的影響
   ① 峰值負(fù)荷
   峰值負(fù)荷的影響主要體現(xiàn)在空調(diào)技術(shù)的選擇與空調(diào)設(shè)備的匹配上?？照{(diào)技術(shù)的選擇，同樣居住實(shí)態(tài)，采用家用普通空調(diào)器與家用集中式空調(diào)設(shè)備的峰值負(fù)荷不同，采用集中式空調(diào)設(shè)備的峰值負(fù)荷低于普通空調(diào)器。空調(diào)設(shè)備的匹配，不同居住實(shí)態(tài)，峰值負(fù)荷不同，匹配的空調(diào)設(shè)備容量則不同。純從業(yè)家庭、基本家庭的峰值負(fù)荷較高，退休家庭、復(fù)合家庭的峰值負(fù)荷較低。
   ② 累計(jì)負(fù)荷
   累計(jì)負(fù)荷用于預(yù)測(cè)不同居住實(shí)態(tài)住戶全年供暖、空調(diào)能耗。不同居住實(shí)態(tài)，供暖、空調(diào)期的耗電量差別較大。按居住實(shí)態(tài)預(yù)測(cè)住宅供暖、空調(diào)能耗，更為科學(xué)。
    ③ 平均啟動(dòng)負(fù)荷與平均運(yùn)行負(fù)荷
    平均啟動(dòng)負(fù)荷與平均運(yùn)行負(fù)荷用于指導(dǎo)空調(diào)技術(shù)的節(jié)能運(yùn)行。節(jié)約型居住實(shí)態(tài)宜選擇對(duì)負(fù)荷響應(yīng)快的空調(diào)技術(shù)，舒適型居住實(shí)態(tài)則宜選擇運(yùn)行穩(wěn)定性好的空調(diào)技術(shù)。純從業(yè)家庭、基本家庭宜選擇對(duì)負(fù)荷響應(yīng)快、短時(shí)間內(nèi)能提供較大負(fù)荷密度的空調(diào)技術(shù)，退休家庭、復(fù)合家庭的要求則相對(duì)較低。
4 結(jié)論
    ① 由家庭結(jié)構(gòu)、生活習(xí)慣及經(jīng)濟(jì)水平構(gòu)成的居住實(shí)態(tài)會(huì)影響住宅供暖、空調(diào)負(fù)荷，影響的負(fù)荷特征有峰值負(fù)荷、累計(jì)負(fù)荷及平均啟動(dòng)負(fù)荷、平均運(yùn)行負(fù)荷。
    ② 影響供暖、空調(diào)負(fù)荷的主要因素有舒適度、空調(diào)使用時(shí)間及內(nèi)擾。其中舒適度對(duì)負(fù)荷的影響最大，空調(diào)使用時(shí)間的影響次之，內(nèi)擾影響最小。因此，為居住建筑選擇適宜的空調(diào)技術(shù)、匹配合理的空調(diào)設(shè)備及更為科學(xué)地預(yù)測(cè)居住建筑供暖空調(diào)能耗，劃分居住實(shí)態(tài)是必要和基礎(chǔ)的工作。
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(本文作者：余麗霞 肖益民 付祥釗 重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院 重慶 400045)