住宅建筑采暖空调能耗模拟方法的研究
住宅建筑采暖空调能耗模拟方法的研究!
朱光俊" !!张晓亮# !!燕!达#
!"$重庆科技学院!冶金与材料工程学院"重庆!/%%%[%##$清华大学!建筑技术科学系" 北京!"%%%*/$
摘要#住宅建筑的采暖空调能耗受室内居住人员行为方式的影响!在调查研究基础上!确定了两种反映
室内居住人员行为方式的计算模式% 在两种不同计算模式下!利用建筑热环境模拟工具 Z5F(对上海
地区同一住宅建筑能耗进行模拟!并将模拟结果与调研结果进行比较!分析计算模式对上海地区住宅建
筑采暖空调能耗大小的影响!从而获得能正确反映上海地区住宅建筑采暖空调能耗大小的模拟计算方
法% 此方法可用于上海地区住宅建筑采暖空调的能耗分析与评价!并正确指导住宅建筑的节能设计%
关键词#住宅建筑’ 采暖空调’ 能耗’ 模拟计算
中图分类号#()"""$"’!!文献标识码#+!!文章编号#"%%, -.&#’$#%%,%%, -%%’[ -%/
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!!住宅建筑的采暖空调能耗除受建筑物如围护结构
热工性能,建筑体形系数,窗墙面积比等建筑参数和气
候因素的影响外"还受到室内居住人员行为方式的影
响+ 因此"要分析围护结构对住宅能耗的影响"首先需
要确定气象参数和室内居住人员的行为方式"即住宅
建筑能耗的计算模式+ 人的行为方式具有不确定性"
这给 住 宅 建 筑 采 暖 空 调 能 耗 的 研 究 带 来 很 大 困
难)""#* + 对于室内居住人员的行为方式"目前还没有
一个统一的规律来描述+ #%%& 年 . 月"作者与上海市
建筑科学研究院合作"在上海开展了一次针对室内人
员行为模式的调研"根据调研的结果和相关的研究"确
定了两种不同的计算模式"主要内容包括(
"$空调运行模式(主要是指空调温度设定及启停
时间#
#$通风模式(主要是指室内自然通风量及时间#
&$室内发热量模式(主要是指人员,灯光,设备的
发热量及作息+
在两种不同计算模式下"本文对上海地区同一住
宅建筑能耗进行模拟"从而分析计算模式对住宅建筑
采暖空调能耗大小的影响"以获得能正确反映上海地
第 #* 卷!第 , 期
#%%, 年 "# 月 !!!!!!!!! 重 庆 建 筑 大 学 学 报
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! 收稿日期(#%%, -%[ -#%
作者简介(朱光俊!"’,[ -$"女"重庆云阳人"副教授"硕士"主要从事节能与过程模拟研究+
区住宅建筑采暖空调能耗大小的模拟计算条件+
"!建筑模型
以上海地区某住宅为计算对象"该住宅共 * 层"一
层为商场"# 层以上为住宅"一层商场层高 &$, J"住宅
层高 #$* J+ 该住宅有两种户型(第一种"三室一厅一
厨一卫"建筑面积 *’$’’ J# #第二种"二室一厅一厨一
卫"建筑面积 ,’$*, J# + 其建筑围护结构参数如表 "+
该住宅层的平面图如图 "+
表 "!建筑围护结构参数
围护结构名称 围护结构材料 传热系数 b42J-# 2i-"
外墙 混凝土墙 \聚苯板外保温 "$[
屋面 加气混凝土保温屋面 %$[.
分户墙 混凝土空心砌块 #$.
楼板 钢筋混凝土 &$"
外窗 双层铝合金窗 &$.
图 "!住宅层的平面图
#!计算模式
两种计算模式中"气象数据采用的均是由清华大
学建筑技术科学系开发的逐时气象数据生成软件
W5GBCA产生的全年逐时气象数据+ 其原理是基于中
国国家气象局对 "’& 个城市 #% 年的实测数据"通过随
机算法模拟计算生成包括全年 * .,% C 的逐时干球温
度,湿球温度,含湿量,水平面总辐射强度和水平面散
射辐射强度等的气象参数+
#$"!计算模式 "
依据.夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准/ 中
的规定确定的计算模式如下)&* (
"$内部热扰(室内照明"%$%"/ " R4C bJ# 2G#室
内人员,设备等"/$& 4bJ# +
#$温度设定("* c#, v+
&$通风模式(换气次数 " 次bC+
/$空调开启模式(全开+
[$空调额定能效比 #$&"采暖额定能效比 "$’+
,$厨房,卫生间和楼梯间均不空调+
#$#!计算模式 #
依据上海地区 ’, 户住户调查统计数据以及清华
大学简毅文博士的研究成果)/* "确定的计算模式为(
"$内部热扰(人员按主卧室,次卧室,客厅,厨房,
洗手间"分别给出其逐时人数#灯光,设备按卧室,客
厅,厨房,洗手间给出其逐时平米指标#
#$空调控制温度设定("* c#, v#
&$容忍温度!开启空调温度$设定(", c#’ v#
/$ 通风模式(换气次数 %$[ c"% 次bC ! 可变通
风$#
[$空调开启模式(客厅工作日 "*(%% -#/(%% 开"
周末 *(%% -#/(%% 开#卧室工作日 ##(%% -次日 .(%%
开"周末全开#
,$空调额定能效比 #$&"采暖额定能效比 "$’#
.$厨房,卫生间和楼梯间均不空调+
其中"容忍温度指需要启动空调时房间的温度"空
调控制温度指开启空调后房间的控制温度#可变通风
指当夏季外温较低时"通过增加通风量而非开启空调
来达到降温目的"这反映了居民根据外温情况"通过开
关窗自主调节自然通风量的行为+
&!调研结果分析
在调研中"要求调研对象提供逐月的电费数据"依
据返回的 ’, 份调研问卷"排除数据不详及单冷空调住
户"对 [, 户住户进行统计分析+ 考虑到上海地区的实
际情况"每户取 / 月份的电费为非采暖空调期的月基
础电费"[ 月,, 月,. 月,* 月,’ 月,"% 月的累计电费与
其总基础电费的差为夏季空调电费#"" 月,"# 月,"
月,# 月,& 月的累计电费与其总基础电费的差为冬季
采暖电费+ 不同建筑面积的夏季空调平均电费与冬季
采暖平均电费如表 #+ 在此基础上采用加权平均"计
算出夏季空调平均电费 #$*% 元bJ# " 冬季采暖平均电
费 #$"" 元bJ# +
表 #!平均电费
建筑面积bJ# 统计户数 夏季电费b元2J-# 冬季电费b元2J-#
o*% "% &$,./ &$,./
*% c"#% #/ #$[/, "$*&[
"#% c",% ", #$.&# "$[,/
p",% , #$[,’ #$%’[
/!计算结果及分析
/$"!模拟结果与调查结果比较
在两种计算模式下"采用建筑热环境模拟工具
Z5F(进行模拟计算"其计算结果与调研电耗的比较如
表 & 和图 #+
计算结果表明"根据计算模式 " 计算得出的空调
费较调研数据高 &#[]"采暖费较调研数据高 "’[]#
根据计算模式 # 得出的空调费较调研数据高 *$#]"
采暖费较调研数据低 "’$’]+ 在计算采暖费时"采暖
额定能效比均取 "$’+ 而调查结果显示"有 ##$’]的
,’!!!!!!!!!!!!!!!!!!!重 庆 建 筑 大 学 学 报!! !!!!!!!!!!!!!第 #* 卷
住户既用空调采暖"又用电暖气取暖"电暖器的能效比
小于 "$’"所以调研得来的采暖耗电量较计算值偏大+
表 &!模拟计算结果与调研电耗数据比较
建筑面积!.’$’ J# $ 计算模式 " 计算模式 # 调研数据
累计采暖耗电量 bR4C " "%, #’,
采暖费b元2J-# ,$#& "$,’ #$""
累计空调耗电量 bR42C # ""& [&*
空调费b元2J-# ""$’% &$%& #$*%
注(采暖费 n累计采暖耗电量 m%$/[ b建筑面积#空调费 n累计空调耗
电量 m%$/[ b建筑面积#%$/[ 元bR4C 为上海折合电价+ !##(%% c,(%%
为 %$& 元 bR4C"其余时间为 %$," 元 bR4C$
图 #!采暖,空调费比较
两种计算模式的模拟结果与 [, 户住户的实际电
费比较如图 & 所示+ 由图看出"计算模式 " 的结果偏
离实际太远"而计算模式 # 的结果处于各户数据的中
间+
A$采暖费
V$空调费
图 &!模拟结果与各户实际电费比较
从计算结果来看"计算模式 # 的计算值较计算模
式 " 的计算值与调研数据更接近+
/$#!计算模式对外窗保温性能评价的影响
在两种不同计算模式下"用前述建筑模型"分别计
算了普通单玻窗和双层铝合金窗的全年采暖空调耗电
量"计算结果如图 / 和图 [ 所示+ 普通单玻窗的传热
系数 [$. 4bJ# 2i"双层铝合金窗的传热系数 &$. 4b
J# 2i+
从图可以看出"在计算模式 " 中"外窗保温性能对
住宅全年采暖耗电量和全年空调耗电量大小的影响规
律是相反的+ 外窗保温性能增强"采暖耗电量降低"空
图 /!采暖空调耗电量比较!计算模式 "$
图 [!采暖空调耗电量比较!计算模式 #$
调耗电量增加+ 而在计算模式 # 中"外窗保温性能对
住宅全年采暖耗电量和全年空调耗电量大小的影响规
律是相同的+ 外窗保温性能增强"采暖耗电量明显降
低"空调耗电量也降低+ 因此"对于处于夏热冬冷地区
的上海"外窗保温性能的增强是否有利于降低空调能
耗"在不同的计算模式下可能会得出相反的结论+
/$&!两种计算模式的比较
由模拟结果可以看出"在住宅能耗的计算和外窗
保温性能的评价中"采取两种计算模式进行模拟会产
生差异很大甚至截然相反的结论"因此需要加以认真
的分析比较+
两种计算模式的主要不同点在于对室内居住人员
行为方式的描述上"如表 / 所示+
表 /!两种计算模式的比较
室内居住人员行为方式 计算模式 " 计算模式 #
空调运行模式
温度设定 bv "* c#, "* c#,
开启温度bv "* c#, ", c#’
运行方式 连续 间歇
通风模式 固定 " 次 bC 可变 %$[ c"% 次 bC
室内发热量模式 固定不变 逐时变化
!!从调查结果看"有 *’$,]的住户将夏季空调控制
温度设定在 #/ c#* v范围内"有 ,*$[]的住户将冬
季空调控制温度设定在 ", c#% v范围内#有 ,’$.]
的住户当夏季感到很热时才开启空调"有 *%$[]的住
户当冬季感到很冷时才开启供暖设备"很少有住户在
"* c#, v范围内开启空调或供暖设备的#况且人们习
惯于人在时开空调"人走时关空调"其空调运行不可能
.’第 , 期!!!!!!!!!!朱光俊!等*住宅建筑采暖空调能耗模拟方法的研究!!!!!!!!!!!!!
是连续式的"而是间歇式的+ 对于处于夏热冬冷地区
的上海"夏季夜间有开窗通风的习惯!有 .#$[]的住
户有此习惯$"只有空调开启时才关窗+ 所以"其通风
量大小也应是变化的+ 再者"房间的功能不同"其人
员,设备,灯光的发热量及作息会有很大差别"按各功
能房间分别给出其逐时值也是有必要的+
对于增强外窗的保温性能"两种计算模式给出不
同的评价"主要是由于通风模式的影响"在计算模式 #
中"当外温较高时"好的外窗保温性能可以隔热"当夏
季夜间外温较低时"可以通过增加通风量来散掉室内
发热量"因此双层窗要好于单层窗#而在计算模式 "
中"当外温高时"双层窗可以更好地隔热"但外温低时"
由于通风量不变"反而不利于室内向室外散热"这就造
成了双层窗反而不利于降低夏季制冷耗电量+
从居民的生活习惯来看"计算模式 # 显然更为合
理"在对外窗的评价上"根据计算模式 # 得出的结果也
更为符合定性的分析"因此"在计算上海地区住宅能耗
时"应该采用计算模式 #+
[!结论
研究结果表明"计算模式的不同对住宅建筑采暖
空调能耗的模拟结果影响非常大"甚至会得到相反的
结论"确定能够反映真实情况的计算模式对住宅建筑
采暖空调能耗大小的评价是至关重要的+ 本文依据上
海地区住宅建筑热状况的调查结果确定的计算模式能
较为真实地描述室内居住人员的行为方式"用此计算
模式进行模拟计算更能正确反映上海地区住宅建筑采
暖空调能耗的大小"可用于上海地区住宅建筑采暖空
调的能耗分析与评价"并正确指导住宅建筑的节能设
计+
参考文献#
)"*!李峥嵘"钱必华$住宅建筑能耗的特点及其评价指标的确
定081$节能技术"#%%"!"$("% -"#$
)#*!朱光俊"张晓亮"燕达$空调运行模式对住宅建筑采暖空
调能耗的影响081$重庆建筑大学学报"#%%,"