夏季空调室外计算参数的修正研究

李娟 刘艳峰 王莹莹 周勇

西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院

0 引言

空调室外计算参数的合理选取，是设备容量选取及建筑节能设计的基础。我国现行民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[1]中夏季空调室外计算干、湿球温度分别统计，由于两参数非同时刻对应，造成部分干热地区空调设计负荷偏大和设备浪费[2-3]。

夏季空调室外设计参数的确定，相关学者已有诸多研究[4-6]，如参数最佳统计时间[7]和气候变化对参数的影响[8]等。我国民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[1]中夏季空调室外计算参数采用历年平均不保证50 h 的干、湿球温度，韩文轩[9]等人指出该方法对参数同时发生性考虑不足，设计状态点错位，导致设计负荷不准确。ASHREA[10]中空调室外设计参数是“以干球温度为基础耦合选取合同期湿球温度”。ASHREA[10]以及黄翔[11]和辛军哲[12]推荐的蒸发冷却空调室外设计参数选取方法本质均为“以湿球温度为基础耦合选取同期干球温度”。相对而言，“以一个参数为基础耦合选取另一个参数”的方法可减小参数不同时带来的设计偏差。

本文利用理论分析、数理统计和模拟计算等研究方法，通过Energy Plus 对典型城市建筑的四种参数选取方法条件下的空调设计负荷及典型气象年夏季逐时冷负荷分别进行计算，对比分析得到各区域适用的空调室外计算参数，进而利用适用参数对我国干、湿球温度不同时刻的室外设计参数进行修正，为夏季空调室外计算参数的合理选取提供参考。

1 研究方法及基础数据

1.1 空调室外计算参数选取方法

分析国内外规范及相关学者建议的夏季空调室外计算参数选取方法，得到四个特点：干、湿球温度分别统计，干球温度为基础耦合同期湿球温度，湿球温度为基础耦合同期干球温度，干湿球温度之和与湿球温度分别统计。根据我国室外参数不保证时长50 h，统一时间不保证率为0.57%（历年平均不保证50 h，一年按8760 h 计，不保证率0.57%），表征室外近极端气象条件风险水平[9]。经整理，本文研究的四种空调室外计算参数选取方法具体如表1。

表1 夏季空调室外计算参数四种取值方法

1.2 典型城市选取

我国地域辽阔城市众多，为合理简化计算量，本文结合空气容纳水汽的能力和理论需用空调时长，分析我国干空气能的分布情况，从中确定典型城市。

以中国建筑热环境分析专用气象数据集[13]中270个气象台站中典型气象年逐时参数为基础，剔除干球温度小于26 ℃及其对应的湿球温度，以干球温度不小于26 ℃的累计小时数表征需用空调时长。利用k-means 算法聚类[14]干球温度与露点温度之差和26 ℃与露点温度之差，所得我国干空气能[11]分布如图1。Ⅴ区全年气温皆低于26 ℃，为空调非适用区，不作计算分析。Ⅵ区干空气能资源丰富，但全年需用空调时长不足5 天，空调需求极低。各区域特点和其对应的典型城市如表2，乌鲁木齐、吐鲁番、北京、南京、拉萨五个城市为本文计算的具体城市。

图1 我国干空气能分布图

表2 各区域及其典型城市

1.3 数据来源及处理

用于空调室外计算参数取值的原始数据来源于美国国家气候数据中心，统计时间基准为30 年[1]（1987-2016 年）。原始气象数据是每天八次定时所测，通过插值法[15]对其进行逐时化处理。

1.4 建筑空调冷负荷计算

室外计算参数直接影响空调设计负荷计算，故本文通过具体建筑空调负荷计算对参数进行研究。空调设计负荷需要一定富裕，裕量过高或欠缺都会导致相关设备容量选取不准确。本文对5 个典型城市建筑在四种参数选取方法条件下的空调设计负荷及典型气象年夏季逐时冷负荷分别进行计算，以典型气象年夏季最大逐时冷负荷为指标，根据设计负荷富裕量最小原则，从四种设计负荷中获得该地区适用的空调室外设计参数，进而对“干湿球温度分别统计”的参数做出修正。

2 计算参数及建筑模型

2.1 典型城市空调室外计算参数取值

每个典型城市对应的四组空调室外计算干、湿球温度如表3。利用空气的干湿球温度差表征干空气能大小[11]，大小顺序对应方法排列为：干球温度为基础耦合湿球温度>干湿球温度分别统计>干湿球温度之和与湿球温度分别统计>湿球温度为基础耦合干球温度（方法二>方法一>方法四>方法三）。

表3 四种参数选取方法所得空调室外计算干、湿球温度（℃）

2.2 建筑模型概况

确定建筑为一地上6 层办公楼，每层高3.6 m，总建筑面积4140 m2，体形系数0.22，北向窗墙比为0.33，南向窗墙比为0.38，东、西两朝向窗墙比均为0.04。根据公共建筑节能设计标准[16]，五个典型城市的建筑热工参数设置如表4，空调室内参数：干球温度26 ℃，相对湿度60%。图2 中，a、b 为办公楼平面图，c、d 为建筑几何模型。

表4 典型城市建筑热工参数

图2 办公楼平面图和建筑几何模型

3 夏季空调负荷计算

利用Energy Plus 分别计算典型城市办公楼的典型气象年夏季（5 月1 日-10 月31 日）空调逐时单位面积负荷及四种空调室外计算参数条件下的设计单位面积负荷。以典型气象年逐时最大冷负荷为指标，根据设计负荷富裕量最小原则，衡量四种设计负荷的适用性，进而获得相应的适用室外计算参数选取方法。

3.1 Ⅰ区典型城市夏季空调负荷计算

乌鲁木齐办公建筑空调负荷计算结果如图3，图3（a）为典型气象年夏季空调逐时单位面积冷负荷分布情况，最大逐时单位面积负荷即指标为53.1 W/m2。图3（b）为四种室外计算参数条件下的夏季设计日空调逐时单位面积冷负荷，最大负荷即设计负荷出现在16 h，四个设计单位面积负荷按大小排序对应的方法为：方法一>方法四>方法三>方法二。图3（c）为对比四个设计单位面积负荷和指标单位面积负荷，方法二对应的设计负荷与指标负荷相比富裕量最小，即适用设计单位面积负荷为66.2 W/m2。Ⅰ区适用的夏季空调室外计算参数选取方法为方法二，即干球温度为基准耦合同期湿球温度法。

图3 乌鲁木齐办公楼空调负荷计算

3.2 Ⅱ区典型城市夏季空调负荷计算

吐鲁番办公建筑空调负荷计算结果如图4，图4（a）中最大逐时单位面积负荷即指标为71.0 W/m2。图4（b）中最大负荷即设计负荷出现在15 h。图4（c）中适用的设计单位面积负荷为84.6 W/m2。Ⅱ区适用的夏季空调室外计算参数选取方法为方法二，即干球温度为基准耦合同期湿球温度法。

图4 吐鲁番办公楼空调负荷计算

3.3 Ⅲ区典型城市夏季空调负荷计算

北京办公建筑空调负荷计算结果如图5，图5（a）中最大逐时单位面积负荷即指标为82.1 W/m2。图5（b）中最大负荷即设计负荷出现在14 h。图5（c）中适用的设计单位面积负荷为85.2 W/m2。Ⅲ区适用的夏季空调室外计算参数选取方法为方法三，即湿球温度为基准耦合同期干球温度法。

图5 北京办公楼空调负荷计算

3.4 Ⅳ区典型城市夏季空调负荷计算

南京办公建筑空调负荷计算结果如图6，图6（a）中最大逐时单位面积负荷即指标为84.9 W/m2。图6（b）中最大负荷即设计负荷出现在14 h。图6（c）中适用的设计单位面积负荷为90.4 W/m2。Ⅳ最适用的夏季空调室外计算参数选取方法为方法三，即湿球温度为基准耦合同期干球温度法。

图6 南京办公楼空调负荷计算

3.5 Ⅵ区典型城市夏季空调负荷计算

拉萨办公建筑空调负荷计算结果如图7，图7（a）中最大逐时单位面积负荷即指标为42.0 W/m2。图7（b）中最大负荷即设计负荷出现在16 h。图7（c）中适用的设计单位面积负荷为45.9 W/m2。Ⅵ区适用的夏季空调室外计算参数选取方法为方法二，即干球温度为基准耦合同期湿球温度法。

根据图3～7，五个典型城市空调负荷计算结果汇总于表5～6。每个典型城市利用四种方法取得四组空调室外计算干、湿球温度，四组参数分别生成空调设计日参数，设计冷负荷大小对应的参数选取方法排序皆为：方法一>方法四>方法三>方法二。Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ区干空气能资源较丰富，适用方法二即干球温度为基准耦合同期湿球温度。Ⅲ、Ⅳ区干空气能资源较少，适用方法三即湿球温度为基准耦合同期干球温度。

图7 拉萨办公楼空调负荷计算

表5 典型城市空调冷负荷计算结果汇总（一）

表6 典型城市空调冷负荷计算结果汇总（二）

4 空调室外计算参数修正

根据以上典型城市的适用空调设计参数对我国“干、湿球温度分别统计”方法（方法一）选取的参数进行修正。以乌鲁木齐为例，利用方法二所得的计算干球温度除以方法一的计算干球温度得到计算干球温度修正系数，利用方法二所得的计算湿球温度除以方法一的计算湿球温度得到计算湿球温度修正系数。各区域空调室外计算参数修正系数如表7。

表7 夏季空调室外计算干、湿球温度修正系数

5 结论

本文对比分析“干、湿球温度分别统计，干球温度为基础耦合同期湿球温度，湿球温度为基础耦合同期干球温度，干湿球温度之和与湿球温度分别统计”四种夏季空调室外设计参数选取方法，得到不同气候条件地区空调夏季室外计算参数适用的参数选取方式，并以适用参数对我国“干、湿球温度分别统计”的参数进行修正，给出相应的修正系数，为空调室外设计参数合理选取提供参考。

1）对比不同参数选取方法条件下的夏季空调室外设计干球温度和计算湿球温度，发现室外计算湿球温度的变化对空调设计负荷的影响较大。

2）空调设计负荷需一定的富裕，但干湿球温度分别统计取值的参数普遍偏大，可能会造成富裕过大导致设备浪费。“以一个温度为基础耦合选取另一个温度”的设计参数计算的设计负荷裕量较为适宜。

3）干空气能资源较丰富地区适用的参数选取方法为“干球温度为基准耦合同期湿球温度”，如我国西北地区。干空气资源较贫乏地区适用的参数选取方法为“湿球温度为基准耦合同期干球温度”，如我国东南地区。

4）利用各区域适用设计参数，对我国“干、湿球温度分别统计”方法所取的参数进行修正，给出了五个适用区域的空调室外计算干球温度和计算湿球温度修正系数：Ⅰ区1/0.92；Ⅱ区1/0.75；Ⅲ区0.92/1；Ⅳ区0.94/1；Ⅵ区1/0.67。