四川大學建筑與環境學院        郭舒睿   楊涵宇   龍恩深

摘   要：空調與供暖能耗是建筑能耗的重要組成部分，而室內設定溫度高低直接影響了空調/供暖能耗的大小。本文以位于中國不同氣候區的15個典型代表城市：哈爾濱、烏魯木齊、長春、蘭州、北京、西安、濟南、合肥、上海、武漢、杭州、成都、重慶、廈門、廣州為研究背景，以某典型居住建筑為研究對象，采用特征溫度（CTM）法，分析其當空調設定溫度從26℃升高1℃、供暖設定溫度從18℃降低1℃時，各城市耗冷/熱量、節能量以及節能率的對比。結論可為居住者行為節能和標準制定者提供參考。

關鍵詞：空調與供暖能耗；設定溫度；特征溫度法；節能率

基金項目： 國家重點研發計劃（2016YFC0700400）；國家自然科學基金（51778382）。

       1   背景

       節能減排一直是全球性的熱點問題。2010年，全球的住宅和商業建筑舒適性空調能源消耗占建筑總能耗的30%至40%；而我國2015年全國建筑能耗占全國能源消費總量的20%；到2016年，供暖通風和空調系統消耗的能源約占建筑能耗的43%^[1]。由此可見，隨著社會的發展，空調與供暖將顯得尤為重要。

       針對空調/供暖設定溫度，國務院2006年夏季出臺的《關于加強節能工作的決定》以及2007 年下發的《關于嚴格執行公共建筑空調溫度控制標準的通知》規定：室內空氣相對濕度低于70%情況下，公共建筑內夏季室內空調溫度設置不得低于26℃，冬季室內空調溫度設置不得高于20℃^[3]。馬慶^[4]等發現夏季在維持室內濕度不變的情況下，室內溫度設定值與設備能耗成反比，即室內溫度設定值越高，能耗越小。于曉諭^[5]等通過EnergyPlus軟件模擬，發現隨著設定溫度的升高，夏季空調能耗逐漸降低，每升高1℃，能耗降低大約4%，夏季空調溫度設定在27℃較為適宜；冬季隨著室內溫度要求的升高，供暖能耗逐漸上升，每升高1℃，多消耗能量大約13%，冬季供暖溫度保持在18℃比較適宜。秦蓉^[6]等發現隨著空調設定溫度的提高，各類型辦公建筑的全年累計冷負荷都大幅度降低，其中中型辦公建筑和小型辦公建筑的降幅都接近50%，大型辦公建筑的降幅稍小，約為20%。馮勁梅^[7]等利用DeST軟件模擬，發現夏季室內設定溫度由25℃升高到27℃節省的空調冷負荷是由23℃升高到25℃的節省的空調冷負荷的60%，雖然同樣是升高2℃的溫差，節省的空調冷負荷相差卻很大。因此，在滿足人體熱舒適的條件下，采用25℃的室內設定溫度既滿足了人體熱舒適的要求，同時也更加節能。L·Lan[9]等利用軟件模擬了上海一間南向臥室的夜間冷負荷，設定溫度從26℃調整為從26℃逐漸上升至28℃和從28℃逐漸下降至26℃，冷負荷分別下降27.8%和34.3%。

       國內外現有文獻主要針對單個城市對空調設定溫度與建筑能耗之間的關系進行了研究分析，少有同時針對不同氣候區多個城市供暖設定溫度的節能效果分析，研究結果難以橫向比較。因此，本文采用特征溫度法（CTM）相同居住建筑在全國不同氣候區15個代表城市的空調/供暖設定溫度分別升、降1℃的節能效果，對全年耗冷/熱量、節能量和節能率進行分析，揭示設定溫度與建筑節能之間的內在聯系。

       2   研究條件

       本文研究對象為一幢5層居住建筑，建筑面積為193.86×5m²，圍護結構總面積為1089.62m²，建筑體積為2352.26m³，體形系數為0.4632。南北外墻未開外窗，東西外墻的窗墻面積比分別為0.26、0.19。建筑平面、立面如圖1、2。外墻傳熱系數為0.58W/m²·K，外窗傳熱系數為2.91W/m²·K，屋頂傳熱系數為0.33W/m²·K，地面傳熱系數為1.02W/m²·K。圖1、圖2分別為該典型建筑平面圖、立面圖。

圖1   建筑平面圖	圖2   建筑立面圖

       本文假設該建筑分別修建于中國不同氣候區的哈爾濱、烏魯木齊、長春、蘭州、北京、西安、濟南、合肥、上海、武漢、杭州、成都、重慶、廈門、廣州等15個代表城市，其主要氣候參數如表1所示。假設夏季空調設定溫度從26℃升高至27℃，冬季供暖設定溫度從18℃降低至17℃，為了排除其他無關因素的干擾，模擬時忽略人員、設備、照明等內熱源影響，換氣次數取為0.5/h。

表1   十五城市的主要氣候參數

       特征溫度法（簡稱CTM）是基于建筑能耗基因理論^[9]的用于建筑空調采暖負荷、能耗的動態模擬方法，可揭示房間（建筑）冷（熱）負荷或能耗與其它各種因素的相互關系。本文則基于特征溫度法（CTM），通過改變空調/供暖設定溫度的參數對建筑全年冷熱耗量、節能量和節能率進行模擬并作出對比分析。

3   節能量對比

       當建筑研究對象和其它設定條件完全相同時，利用不同城市氣象數據庫，可以分別模擬出空調/供暖設定溫度分別升/降1℃前后的全年逐時負荷；進而可得到任意時刻空調/供暖的負荷減小量；分析全年冷/熱耗量減少值，以原設定溫度時的冷/熱耗量作對比，則可得到空調/采暖設定溫度升/降1℃時，不同背景城市的節能率。

       3.1   空調設定溫度升高1℃節能量

       圖3為空調設定溫度升高1℃前后耗冷量對比，圖4為全年空調節能量。由圖3可知，當設定溫度為26℃時，全年耗冷量最大的城市為廣州，71766.11kW·h；最小為哈爾濱，9469.71kW·h。當空調設定溫度升高1℃后，15個城市耗冷量均明顯下降，其中下降幅度最大的城市為廈門，節能量達到為13497.32kW·h；最小為哈爾濱，為3895.76kW·h。由圖4可知，位于夏熱冬暖地區的代表城市（廣州、廈門）空調節能量較大，嚴寒地區（哈爾濱、烏魯木齊、長春）較小，寒冷地區（北京、西安、濟南、蘭州）與夏熱冬冷地區（合肥、上海、武漢、杭州、成都、重慶）介于二者之間。這是由于哈爾濱、烏魯木齊等嚴寒地區全年平均溫度低，冷負荷不大，導致原設定溫度下的耗冷量不到25000kW·h，哈爾濱全年耗冷量甚至不到10000kW·h，因此將空調設定溫度降低1℃時節能效果不明顯；廈門相比于其他城市年平均溫度較高，夏季冷負荷較大，因此當空調設定溫度降低1℃時耗冷量下降幅度最為明顯；廣州屬于夏熱冬暖地區最為典型的城市，全年平均溫度達到22.5℃，并且全年需要空調供冷的時間過長，因此在廣州地區將空調溫度降低1℃時，節能量不如廈門地區，但仍比其他城市節能量大。由此得出，氣象條件是決定全年耗冷量和空調節能量的主要因素。

圖3   空調設定溫度升高1℃時耗冷量變化	圖4   全年空調節能量

      3.2   供暖設定溫度降低1℃節能量

       圖5為供暖溫度降低1℃前后全年耗熱量對比，圖6為全年供暖節能量。由圖5可知，不同地區的全年耗熱量差異非常大，嚴寒地區全年耗熱量均高達120000kW·h，其他地區均小于80000kW·h。當供暖設定溫度為18℃時，哈爾濱的全年耗熱量最大，為137703.56kW·h；廣州最小，為9775.93kW·h。當供暖設定溫度降低1℃后，各城市全年耗熱量均有明顯下降，結合圖6可知，位于嚴寒地區的代表城市供暖節能量較大，三城市相差不多，節能量最大為烏魯木齊，6737.26kW·h；夏熱冬暖地區節能量較小，兩代表城市均小于2500kW·h；寒冷地區與夏熱冬冷地區節能量介于二者之間。可見，氣象條件也是決定全年耗熱量和供暖節能量的主要因素。

圖5   空調設定溫度升高1℃時耗冷量變化	圖6   全年空調節能量

       4   節能率對比

       4.1   空調節能率

       空調節能率為空調節能量與原空調能耗之比，圖7為將空調設定溫度升高1℃時節能率的對比情況。由圖7可以發現，全年空調節能率最大的城市為哈爾濱（41.15%），其次為長春；節能率最小的城市為廣州（11.51%），與節能率最大的城市相差4倍左右，其余位于寒冷地區與夏熱冬冷地區的城市空調節能率均介于15%至28%之間。從該圖也可看出，一般全年空調耗冷量越小的城市，空調設定溫度提升1℃的節能率越高，如哈爾濱、長春；全年空調耗冷量越大的城市，空調設定溫度提升1℃的節能率越小，如廣州、重慶、杭州、濟南；也有比較反常的城市，如烏魯木齊屬于嚴寒氣候，但全年空調耗冷量較高，空調節能率顯著低于哈爾濱和長春，而廈門屬于夏熱冬暖氣候，但全年空調耗冷量顯著低于廣州，但節冷量卻明顯高于廣州，導致節能率顯著高于廣州，甚至略高于嚴寒氣候的烏魯木齊，這與其海洋性氣候特點有關。可見，空調設定溫度提升1℃的節能率既有共性規律可循，又有與所在城市氣候特點差異導致的特殊性，影響非常復雜，還有待進一步研究。

圖7   空調節能率對比

       4.2   供暖節能率

       供暖節能率為供暖節能量與原供暖能耗之比，圖8為供暖節能率對比情況。由圖8可知，供暖節能率整體不如空調節能率高，且隨著地區全年平均溫度的升高，呈現遞增趨勢，規律性很強。嚴寒地區供暖節能率較小，在5%左右波動，夏熱冬暖地區供暖節能率較大，最高可達到20.41%。

圖8   供暖節能率對比

       5   結論

       本文采用CTM方法，分析了全國15個典型城市空調/供暖溫度升/降1℃的節能效果，對比了全年空調與供暖能耗變化趨勢、節能量與節能率，結果表明：

      （1）氣象條件是決定建筑全年能耗大小的主要影響因素，不同城市全年的耗冷/熱量差異可達7~15倍。

      （2）將空調/供暖設定溫度升高/降低1℃時，不同城市全年空調與采暖節能量相差最多達4倍，空調節能量最大的城市為廈門，供暖節能量最大的城市為烏魯木齊，節能量的大小與當地年平均氣溫有直接關系。

      （3）不同城市全年空調節能率既存在共性規律，也存在與氣象條件相關的鮮明個性；供暖節能率隨著年平均溫度的升高呈現上升規律，不同城市節能率最大可相差達4倍左右。空調供暖設定溫度升降1℃的節能率各城市明顯不同，但該行為節能效果對任何氣候背景城市的建筑的效果是顯著的。

       最后需要指出，本文的研究是在排除了室內人員、內熱源干擾的情況下得出的。若對于內熱源、新風負荷較大的公共建筑，空調設定溫度升高1℃的節能率會有顯著的下降趨勢；供暖設定溫度降低1℃的節能率會有顯著升高的趨勢。各因素的耦合影響非常復雜，尚需進行深入研究才能給出更為系統客觀的結論。

參考文獻

       [1] 中國建筑能耗研究報告, 2017[M].中國建筑工業出版社, 2017.

       [2] 吳宜珍,程向東,民用建筑舒適性空調新風系統設計[J],中國住宅設施, 2006, 12:56–58.

       [3] 國務院辦公廳,國務院辦公廳關于嚴格執行公共建筑空調溫度控制標準的通知(國辦發42 號),2007.

       [4] 馬慶,李歧強,聶清珍,公共建筑空調溫度設定值的動態優化控制研究[N],系統工程學報,2011,26,4:435–441, ISSN 1000–5781.

       [5] 于曉諭,汪明,李堯,建筑運行能耗仿真方案設計及影響因素分析[N],山東建筑大學學報,2016,31, 02,.ISSN 1673–7644.

       [6] 秦蓉,劉燁,燕達et al,辦公建筑提高夏季空調設定溫度對建筑能耗的影響[J].暖通空調,2007,37(8):33–37.

       [7] 馮勁梅,連之偉,黃宋斌et al,辦公建筑外墻傳熱系數對空調負荷的影響[J].四川建筑科學研究,2010,36(3):312–315.

       [8] 何鳴,張強,汪玉蘭et al,高校學生宿舍空調能耗影響分析[J].重慶建筑,2016,14(6):19–21.

       [9] L. Lan, The effects of programmed air temperature changes on sleep quality and energy saving in bedroom[J], Energy and Buildings,2016,Volume 129, Pages 207–214, ISSN 0378–7788.

       [10] 龍恩深.建筑能耗基因理論與建筑節能實踐[M].北京：科學出版社,2009.

       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2019年1-2月刊總第18期。
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