住宅小區(qū)空調(diào)系統(tǒng)部分負荷分布的研究

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簡介： 住宅小區(qū)空調(diào)負荷的分布與公共建筑相差較大，提出了確定分布的 方法 。通過對小區(qū)的實地調(diào)查數(shù)據(jù)的 分析 ，確定了小區(qū)空調(diào)負荷的 影響 因素，確定了在不同氣候條件下不同時段使用率的分布。并根據(jù)溫頻法（BIN）原理 計算 了住宅空調(diào)的 理論 負荷，結(jié)合夏季氣候參數(shù)得出了小區(qū)負荷的具體分布。其分布具有離散性大、低負荷率的特征。

  關(guān)鍵字：住宅小區(qū) 部分負荷 溫頻法 公共建筑的空調(diào)負荷分布經(jīng)多年 研究 已積累了許多經(jīng)驗，對其分布的 規(guī)律 性已有了較為明確的認識。但是對于住宅小區(qū)這類建筑群的空調(diào)負荷分布的研究鮮見報道。由于住宅建筑的功能特點、使用特性與公共建筑相差甚遠，故兩者的負荷分布特性也不可相提并論。文獻 [1]通過調(diào)查與統(tǒng)計分析確定了在設(shè)計狀態(tài)下住宅小區(qū)的空調(diào)使用率的大小，但僅有此還不夠，住宅小區(qū)的負荷分布是系統(tǒng)分析比較方案決策、方案設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，在小區(qū)空調(diào)系統(tǒng)方案比較分析與設(shè)計時，還必須明確在整個空調(diào)季小區(qū)空調(diào)負荷的統(tǒng)計分布，這正是本文擬解決的 問題 。1、住宅小區(qū)空調(diào)負荷分布研究的基本問題與一般公共建筑空調(diào)負荷分布的顯著不同點是住宅空調(diào)使用的不確定性。對每個住戶而言，什么時候啟用空調(diào)，什么時候不用空調(diào)，將受到氣候、家庭結(jié)構(gòu)、工作性質(zhì)、個人習(xí)慣及 經(jīng)濟 條件等多種因素的影響。這樣多樣性的因素隨機性強，加大了使用率的離散性，導(dǎo)致負荷分布很不均勻。歸根到底，負荷分布的變化是由使用率的改變造成的。要分析負荷的分布，確定使用率的分布是前提。因此，本文主要解決二個基本問題，一是確定在不同因素條件下使用率的分布，二是根據(jù)使用率分布，結(jié)合氣候條件確定空調(diào)負荷的具體分布。這兩個問題的解決也是部分負荷分布研究的一般步驟。2、使用率分布的研究使用率的定義為：啟用空調(diào)的房間數(shù)量與建筑物的總房間數(shù)之比?？偡块g數(shù)不包括廚房、衛(wèi)生間等輔助用房，其中客廳按兩個房間計算。前已敘及，使用率是多因素綜合作用的結(jié)果。有些因素的確定性強，而有些因素的隨機性強，總體而言，把使用率看作為一個隨機事件較為合理，應(yīng)采用統(tǒng)計分析的方法研究。為確定使用率，需要對空調(diào)的使用情況進行統(tǒng)計調(diào)查。課題組認真開展了此項工作，調(diào)查的對象選取為南京市近年來建成并有較高入住率的2個小區(qū)。該小區(qū)位于南京市新建的城市居住區(qū)，屬于較為繁華的地區(qū)。小區(qū)按江蘇省節(jié)能建筑的標準設(shè)計，而且是建設(shè)部節(jié)能示范小區(qū)。調(diào)查采用問卷調(diào)查方式，在物業(yè)公司的支持下，于2002年8月5日至8月8日連續(xù)四天對兩個小區(qū)的住戶進行了電話調(diào)查。兩小區(qū)總戶數(shù)分別為482戶和800戶，實際住戶402戶和592戶，入住率分別為83%和74%。實際調(diào)查的戶數(shù)為372戶和541戶。調(diào)查表在設(shè)計時主要考慮了室外氣溫，不同的時段，家庭成員構(gòu)成及經(jīng)濟狀況的影響，其中經(jīng)濟狀況以戶主的職業(yè)代替。調(diào)查表分別按工作日和雙休日兩種情況分別統(tǒng)計。2.1 經(jīng)濟狀況因素的方差分析室外氣溫高低、不同的時段以及家庭人口結(jié)構(gòu)對使用率有顯著影響，呈現(xiàn)高度相關(guān)性是公認的事實。但經(jīng)濟狀況對使用率的影響有多大，難以定論。為明確這個因素的影響程度，需要對統(tǒng)計結(jié)果進行方差分析。為方便計，調(diào)查時以住戶職業(yè)來替代經(jīng)濟收入水平。將其分為三類。上等水平包括 企業(yè) 經(jīng)營者、記者、設(shè)計師、律師等。中等水平包括公務(wù)員；下等水平包括教師，企業(yè)一般工作人員等。調(diào)查結(jié)果按上、中、下分為三類水平，每個水平下再分三組分別統(tǒng)計其使用率。選取時段為18：00-23：00及23：00-7：00兩個時段。23：00～7：00的統(tǒng)計使用率 表1 因素水平上中下使用率（％）0.530.550.550.580.560.520.520.530.52單因素方差分析的基本模型是：設(shè) Yji=μj+εij (1)εij～N（0，σ2）i=1.2,……nj （第j個水平的nj個樣本）j=1.2……R （R個水平，此處R=3）其中： Yji： 使用率的樣本值；μj：不同水平下使用率的均值；εij 使用率的隨機誤差，εij相互獨立。判斷這個因素的影響是否顯著即是要檢驗：Ho=μ1=μ2=……μR （R=3）對公式（1），當(dāng)Ho成立時：存在統(tǒng)計量F：若F＞F0.05則應(yīng)當(dāng)否定Ho。其中 為組間差。為組內(nèi)差。采用SAS統(tǒng)計分析軟件計算，得到以下結(jié)果：方差來源平方和自由度均方F值臨界值因素0.0039630.0001980.35F0.05=5.14誤差1.0378360.000567總和0.0041798F的分布自由度為（3.6），概率為0.05的F臨界值為5.14，由于0.35＜5.14，所以Ho被接受。即經(jīng)濟狀況不是顯著因素。對于進入新建小區(qū)的住戶，通常其經(jīng)濟狀況都比較好，盡管本文將其分為三類，但其總體經(jīng)濟狀況在 社會 各階層中仍屬中上水平。也表明隨著近年來居民收入的不斷提高，對空調(diào)運行費的承受能力上升，已不再憐惜使用時間，達到了按需使用的程度。2.2 家庭人口構(gòu)成的影響空調(diào)的使用顯然是與居住者在家中的生活時間直接關(guān)聯(lián)的。家庭的型式可分為單身、夫妻雙人、核心家庭（兩代人），多代家庭（三代及以上）四種類型。單身及雙人家庭在工作日白天基本在外，夜晚才回家。核心家庭和多代家庭一般白天都有人在家居住，因為核心家庭的子輩成員多是幼兒或?qū)W生，在夏季已放假在家，多代家庭中的父輩成員通常已退休在家。所以在白天，不同家庭的使用率不同。目前 ，隨著社會的 發(fā)展 ，大眾受 教育 程度的提高，家庭結(jié)構(gòu)正向小型化和核心化發(fā)展。所謂核心家庭指的是由夫妻和子女組成的家庭。表2提供了2001年上海市總體家庭構(gòu)成[2]和課題組調(diào)查的南京市兩個小區(qū)的家庭構(gòu)成情況。家庭結(jié)構(gòu)的構(gòu)成（％） 表2 家庭類型單身雙人核心多代上海（2001年）0.69.559.430.5小區(qū)（南京.2002）9215911對比上述兩組數(shù)據(jù)可以看出在新建小區(qū)中家庭小型化和核心化的趨勢更加明顯。這種趨勢加劇了空調(diào)同時使用率的下降。如在新建小區(qū)，僅從家庭構(gòu)成上已有30%的住戶在工作日是空巢，即使在酷熱天氣中，使用率也不會超過0.7。2.3 室外氣溫的 影響    圖1 居民用電最高負荷隨最高溫度變化曲線 圖1是2001年南京市12個居民用電監(jiān)控點（3050戶居民）用電負荷的統(tǒng)計曲線[3]，該曲線清晰地反映了用電量隨溫度增長的情形。 當(dāng)氣溫在26℃~31℃時，用電負荷隨氣溫的升高緩慢上升。溫度每升高1℃，用電量平均上升5.4%，氣溫在31℃以上時，用電量隨氣溫上升的速率加大，達到 12.2%/℃溫升，但是超過36℃后，負荷趨于飽和，由于居民生活用電相對穩(wěn)定，其增長部分主要源自于空調(diào)的使用。說明氣溫和空調(diào)使用率存在高度相關(guān)性。圖2表示了室外氣溫與室內(nèi)自由溫度的兩種分布情況。它是課題組所調(diào)查的小區(qū)在建筑節(jié)能驗收檢測時的測試結(jié)果。夏季室外氣溫的變化 規(guī)律 是：從6時起氣溫開始升高，在9：00或10：00達到日平均溫度，爾后氣溫繼續(xù)升高，在14：00或15：00達到最高，其后氣溫開始消退。但速度較慢。到18：00只比最高峰下降2-3℃左右。到21：00或22：00才降到平均溫度。在凌晨5：00降至最低溫度。若連日持續(xù)高溫，則下午時段高溫時段持續(xù)時間更長。溫度下降變慢。氣候的炎熱除與最高溫度有關(guān)外還與日較差有關(guān)。夏季最高溫度越高，則日較差越大，可達8～10℃。如果氣溫較低，最高氣溫32-34℃，則日較差小，為4～7℃。室內(nèi)熱環(huán)境的主要指標是室內(nèi)空氣溫度。 文獻 [4]認為，室溫18℃和28℃是舒適的下限和上限。12℃和30℃是熱環(huán)境衛(wèi)生學(xué)的下限和上限，也是住宅可居住的上限和下限。室溫在28℃-30℃時，約30%的人感到熱，但大多數(shù)人還能在室內(nèi)正常生活。30-34℃時，約84%的人感到熱，14.5%的人感到不能在室內(nèi)睡眠。超過34℃時，100%的人感到炎熱，室內(nèi)不具有基本居住條件。圖2同時還顯示當(dāng)室內(nèi)采用間歇 自然 通風(fēng)時，室內(nèi)的自由溫度分布。當(dāng)氣溫炎熱（室外空氣平均溫度twp＞30℃時）室溫全天均高于30℃，超過衛(wèi)生學(xué)上限，全天均需要空調(diào)，當(dāng)27℃≤twp≤30℃時（氣溫?zé)幔?，室溫從下午至夜間要高于30℃，亦需啟用空調(diào)。當(dāng)24℃≤twp≤26℃時（氣溫稍熱），采用連續(xù)自然通風(fēng)對降溫有利，室內(nèi)溫度與室外溫度的相位差小，通常只是在中午、下午短時間內(nèi)溫度稍高，需啟用空調(diào)，當(dāng)twp＜24℃時（氣溫適宜），在自然通風(fēng)作用下，通常不再啟用空調(diào)。 綜上所述，使用率只與室外氣溫和家庭結(jié)構(gòu)存在顯著的相關(guān)關(guān)系。這兩個重要因素支配下的使用率分布見圖3。3、使用率與負荷的轉(zhuǎn)換使用率與對應(yīng)時刻下住宅的 理論 負荷的乘積即為實際負荷。不同室外溫度下住宅的理論負荷 計算 采用BIN 方法 ［5］。設(shè)室內(nèi)溫度以26℃為基準，所有房間均連續(xù)使用空調(diào)，以夏季室外空調(diào)設(shè)計狀態(tài)下的計算負荷為標準負荷。負荷率即為實際負荷與標準負荷的百分比。《江蘇省民用建筑熱環(huán)境與節(jié)能設(shè)計標準》（DB32/478-2001）規(guī)定了按構(gòu)件法設(shè)計時夏熱冬冷地區(qū)的有關(guān)指標：體形系數(shù)≤0.32，南向窗墻比≤0.35，遮陽率為80%，屋面?zhèn)鳠嶙?ge;1.26m2.K/W，外墻傳熱阻≥0.73m2.K/W，外窗傳熱阻≥0.212m2.K/W。按此標準對10幢建筑的空調(diào)負荷進行計算，平均結(jié)果如下：不同室外氣溫下的空調(diào)負荷分布 表3 室外溫度（℃）36343230282624負荷率（％）10085～8872~7662～6555～5740～4430～34夏熱冬冷地區(qū)一般在六月中旬結(jié)束后出梅，很快就進入夏季，一般在六月下旬起氣溫開始迅速上升到30℃以上，且持續(xù)多日，居民需要啟用空調(diào)。在九月中旬結(jié)束后氣溫下降到28℃以下，不會再超過30℃，因此不再使用空調(diào)。實際的空調(diào)季可按6月20日至9月20日三個月計算。南京地區(qū)夏季不同氣溫天數(shù)的統(tǒng)計 表4 年份93年94年95年炎熱93729熱102821稍熱22914適宜4917261993年夏季7~8月平均氣溫只有26.1℃，最高氣溫也只有35.7℃，且只有6天。而1994年則屬 于酷暑年。最高溫度達38.4℃，且超過35℃的高溫日多達25天。1995年屬于比較有代表性的年份?？傮w來看，1975年至2000年夏季氣溫偏涼的年份顯著增加，是一個涼夏周期，從2001年起夏季氣溫超過35℃的天數(shù)明顯增多，日最高氣溫不斷攀升，2002年最高氣溫達到39℃，似乎進入了又一個炎夏周期，但尚不能定論。在負荷分布計算時，宜分炎夏年份和正常年份分別計算，見表5、表6.空調(diào)負荷分布（炎夏） 表5 負荷率（％）6050403020100時間頻度（％）0.110.050.160.220.080.20.18空調(diào)負荷分布（正常） 表6 負荷率（％）6050403020100時間頻度（％）0.080.040.120.200.060.210.29負荷率分布主要集中在0.3、0.4和0.1附近，且最大負荷率僅為0.6。4、結(jié)論4.1 住宅小區(qū)的空調(diào)負荷的基本特征為：低負荷率，負荷率0.3、0.4和0.1占有夏季的主要時間；離散性大，與公共建筑負荷呈正態(tài)分布不同，小區(qū)負荷集中在0.6、0.3、0.1幾個負荷點上；實際最大負荷為理論設(shè)計負荷的60％。4.2 采用集中式系統(tǒng)時，機組的配置應(yīng)與小區(qū)負荷的分布相對應(yīng)。