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住宅小区空调系统部分负荷分布的研究

　　简介： 住宅小区空调负荷的分布与公共建筑相差较大，提出了确定分布的方法。通过对小区的实地调查数据的分析，确定了小区空调负荷的影响因素，确定了在不同气候条件下不同时段使用率的分布。并根据温频法原理计算了住宅空调的理论负荷，结合夏季气候参数得出了小区负荷的具体分布。其分布具有离散性大、低负荷率的特征。
关键字：住宅小区 部分负荷 温频法　
公共建筑的空调负荷分布经多年研究已积累了许多经验，对其分布的规律性已有了较为明确的认识。但是对于住宅小区这类建筑群的空调负荷分布的研究鲜见报道。由于住宅建筑的功能特点、使用特性与公共建筑相差甚远，故两者的负荷分布特性也不可相提并论。
文献[1]通过调查与统计分析确定了在设计状态下住宅小区的空调使用率的大小，但仅有此还不够，住宅小区的负荷分布是系统分析比较方案决策、方案设计的基础数据。因此，在小区空调系统方案比较分析与设计时，还必须明确在整个空调季小区空调负荷的统计分布，这正是本文拟解决的问题。
1、住宅小区空调负荷分布研究的基本问题
与一般公共建筑空调负荷分布的显着不同点是住宅空调使用的不确定性。对每个住户而言，什么时候启用空调，什么时候不用空调，将受到气候、家庭结构、工作性质、个人习惯及经济条件等多种因素的影响。这样多样性的因素随机性强，加大了使用率的离散性，导致负荷分布很不均匀。归根到底，负荷分布的变化是由使用率的改变造成的。要分析负荷的分布，确定使用率的分布是前提。因此，本文主要解决二个基本问题，一是确定在不同因素条件下使用率的分布，二是根据使用率分布，结合气候条件确定空调负荷的具体分布。这两个问题的解决也是部分负荷分布研究的一般步骤。
2、使用率分布的研究
使用率的定义为：启用空调的房间数量与建筑物的总房间数之比。总房间数不包括厨房、卫生间等辅助用房，其中客厅按两个房间计算。
前已叙及，使用率是多因素综合作用的结果。有些因素的确定性强，而有些因素的随机性强，总体而言，把使用率看作为一个随机事件较为合理，应采用统计分析的方法研究。
为确定使用率，需要对空调的使用情况进行统计调查。课题组认真开展了此项工作，调查的对象选取为南京市近年来建成并有较高入住率的2个小区。该小区位于南京市新建的城市居住区，属于较为繁华的地区。小区按江苏省节能建筑的标准设计，而且是建设部节能示范小区。调查采用问卷调查方式，在物业公司的支持下，于2002年8月5日至8月8日连续四天对两个小区的住户进行了电话调查。两小区总户数分别为482户和800户，实际住户402户和592户，入住率分别为83%和74%。实际调查的户数为372户和541户。
调查表在设计时主要考虑了室外气温，不同的时段，家庭成员构成及经济状况的影响，其中经济状况以户主的职业代替。调查表分别按工作日和双休日两种情况分别统计。
经济状况因素的方差分析
室外气温高低、不同的时段以及家庭人口结构对使用率有显着影响，呈现高度相关性是公认的事实。但经济状况对使用率的影响有多大，难以定论。为明确这个因素的影响程度，需要对统计结果进行方差分析。
为方便计，调查时以住户职业来替代经济收入水平。将其分为三类。上等水平包括企业经营者、记者、设计师、律师等。中等水平包括公务员；下等水平包括教师，企业一般工作人员等。调查结果按上、中、下分为三类水平，每个水平下再分三组分别统计其使用率。选取时段为18：00-23：00及23：00-7：00两个时段。23：00～7：00的统计使用率 表1 因素水平上中下使用率
单因素方差分析的基本模型是
设 Yji=μj+εij (1)
εij～N
i=,……nj
j=……R
其中： Yji： 使用率的样本值；
μj：不同水平下使用率的均值；
εij 使用率的随机误差，εij相互独立。
判断这个因素的影响是否显着即是要检验
Ho=μ1=μ2=……μR
对公式，当Ho成立时
存在统计量F：
若F＞则应当否定Ho。
其中 为组间差。
为组内差。
采用SAS统计分析软件计算，得到以下结果方差来源平方和自由度均方F值临界值因素3=误差6　　总和8　　
F的分布自由度为，概率为的F临界值为，由于＜，所以Ho被接受。即经济状况不是显着因素。
对于进入新建小区的住户，通常其经济状况都比较好，尽管本文将其分为三类，但其总体经济状况在社会各阶层中仍属中上水平。也表明随着近年来居民收入的不断提高，对空调运行费的承受能力上升，已不再怜惜使用时间，达到了按需使用的程度。
家庭人口构成的影响
空调的使用显然是与居住者在家中的生活时间直接关联的。家庭的型式可分为单身、夫妻双人、核心家庭，多代家庭四种类型。单身及双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，因为核心家庭的子辈成员多是幼儿或学生，在夏季已放假在家，多代家庭中的父辈成员通常已退休在家。所以在白天，不同家庭的使用率不同。
目前，随着社会的发展，大众受教育程度的提高，家庭结构正向小型化和核心化发展。所谓核心家庭指的是由夫妻和子女组成的家庭。表2提供了2001年上海市总体家庭构成和课题组调查的南京市两个小区的家庭构成情况。家庭结构的构成 表2
家庭类型
单身
双人
核心
多代
上海

小区
9
21
59
11
对比上述两组数据可以看出在新建小区中家庭小型化和核心化的趋势更加明显。这种趋势加剧了空调同时使用率的下降。如在新建小区，仅从家庭构成上已有30%的住户在工作日是空巢，即使在酷热天气中，使用率也不会超过。
　　室外气温的影响
图1 居民用电最高负荷随最高温度变化曲线
图1是2001年南京市12个居民用电监控点用电负荷的统计曲线，该曲线清晰地反映了用电量随温度增长的情形。
当气温在26℃~31℃时，用电负荷随气温的升高缓慢上升。温度每升高1℃，用电量平均上升%，气温在31℃以上时，用电量随气温上升的速率加大，达到 %/℃温升，但是超过36℃后，负荷趋于饱和，由于居民生活用电相对稳定，其增长部分主要源自于空调的使用。说明气温和空调使用率存在高度相关性。
图2表示了室外气温与室内自由温度的两种分布情况。它是课题组所调查的小区在建筑节能验收检测时的测试结果。夏季室外气温的变化规律是：从6时起气温开始升高，在9：00或10：00达到日平均温度，尔后气温继续升高，在14：00或15：00达到最高，其后气温开始消退。但速度较慢。到18：00只比最高峰下降2-3℃左右。到21：00或22：00才降到平均温度。在凌晨5：00降至最低温度。若连日持续高温，则下午时段高温时段持续时间更长。温度下降变慢。气候的炎热除与最高温度有关外还与日较差有关。夏季最高温度越高，则日较差越大，可达8～10℃。如果气温较低，最高气温32-34℃，则日较差小，为4～7℃。
室内热环境的主要指标是室内空气温度。文献认为，室温18℃和28℃是舒适的下限和上限。12℃和30℃是热环境卫生学的下限和上限，也是住宅可居住的上限和下限。室温在28℃-30℃时，约30%的人感到热，但大多数人还能在室内正常生活。30-34℃时，约84%的人感到热，%的人感到不能在室内睡眠。超过34℃时，100%的人感到炎热，室内不具有基本居住条件。
图2同时还显示当室内采用间歇自然通风时，室内的自由温度分布。当气温炎热室温全天均高于30℃，超过卫生学上限，全天均需要空调，当27℃≤twp≤30℃时，室温从下午至夜间要高于30℃，亦需启用空调。当24℃≤twp≤26℃时，采用连续自然通风对降温有利，室内温度与室外温度的相位差小，通常只是在中午、下午短时间内温度稍高，需启用空调，当twp＜24℃时，在自然通风作用下，通常不再启用空调。
综上所述，使用率只与室外气温和家庭结构存在显着的相关关系。这两个重要因素支配下的使用率分布见图3。
3、使用率与负荷的转换
使用率与对应时刻下住宅的理论负荷的乘积即为实际负荷。不同室外温度下住宅的理论负荷计算采用BIN方法［5］。设室内温度以26℃为基准，所有房间均连续使用空调，以夏季室外空调设计状态下的计算负荷为标准负荷。负荷率即为实际负荷与标准负荷的百分比。
《江苏省民用建筑热环境与节能设计标准》规定了按构件法设计时夏热冬冷地区的有关指标：体形系数≤，南向窗墙比≤，遮阳率为80%，屋面传热阻≥/W，外墙传热阻≥/W，外窗传热阻≥/W。按此标准对10幢建筑的空调负荷进行计算，平均结果不同室外气温下的空调负荷分布 表3
室外温度
36
34
32
30
28
26
24
负荷率
100
85～88
72~76
62～65
55～57
40～44
30～34
夏热冬冷地区一般在六月中旬结束后出梅，很快就进入夏季，一般在六月下旬起气温开始迅速上升到30℃以上，且持续多日，居民需要启用空调。在九月中旬结束后气温下降到28℃以下，不会再超过30℃，因此不再使用空调。实际的空调季可按6月20日至9月20日三个月计算。南京地区夏季不同气温天数的统计 表4
年份
93年
94年
95年　
炎热
9
37
29　
热
10
28
21　
稍热
22
9
14　
适宜
49
17
26　
1993年夏季7~8月平均气温只有℃，最高气温也只有℃，且只有6天。而1994年则属 于酷暑年。最高温度达℃，且超过35℃的高温日多达25天。1995年属于比较有代表性的年份。总体来看，1975年至2000年夏季气温偏凉的年份显着增加，是一个凉夏周期，从2001年起夏季气温超过35℃的天数明显增多，日最高气温不断攀升，2002年最高气温达到39℃，似乎进入了又一个炎夏周期，但尚不能定论。在负荷分布计算时，宜分炎夏年份和正常年份分别计算，见表5、表6.空调负荷分布 表5
负荷率
60
50
40
30
20
10
0
时间频度

空调负荷分布 表6
负荷率
60
50
40
30
20
10
0
时间频度

负荷率分布主要集中在、和附近，且最大负荷率仅为。
4、结论
住宅小区的空调负荷的基本特征为：低负荷率，负荷率、和占有夏季的主要时间；离散性大，与公共建筑负荷呈正态分布不同，小区负荷集中在、、几个负荷点上；实际最大负荷为理论设计负荷的60％。
采用集中式系统时，机组的配置应与小区负荷的分布相对应。
参考文献
［1］ 刘传聚 确定住宅空调设计负荷方法的研究 流体机械 vol 27. (12)
［2］ 杨雄等 社会转型对上海家庭结构的影响 上海社会科学院学术季刊 2002年第1期。
［3］ 杨建萍 南京市居民用电负荷特性分析与思考 2003年南京市科学技术年会论文集
［4］ 付祥钊 确定长江流域供热空调能耗指标的边界条件 暖通空调 vol 29 (6)
［5］ 陈丽萍、龚延风 空气源热泵全年能耗分析应用软件的开发 暖通空调 vol 31 (3)