JGJ 134《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》正在进行研编,本文的研究是其研编工作的一部分。

　　 夏热冬冷地区居住建筑节能,既不同于我国北方,更不同于欧美发达国家。20世纪末,一方面,该地区居住建筑既无供暖,也无空调,建筑能耗几近于零,建筑节能设计节什么能?另一方面,该地区居住建筑热环境恶劣,居民们需求全年宜居的居住建筑。夏热冬冷地区居住建筑节能的首要目标是改善居住建筑热环境,节能是实现这个目标的必要条件。JGJ 134—2001《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》 ^[1]就是在这样的社会背景下编制的。当时夏热冬冷地区的一般居住建筑设计基本不涉及暖通空调系统,建筑节能设计的重点在建筑和建筑热工方面。编制JGJ 134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》 ^[2]时,空调供暖仍未进入该地区普通居住建筑的设计范围,所以节能设计标准关于暖通空调的条文仍很单薄。

　　 现在,随着夏热冬冷地区社会经济的发展和人们生活水平的提高,空调已在普通居民住宅中普及,供暖正在普及过程中。暖通空调正在逐步进入夏热冬冷地区普通居住建筑的设计范围。现行的JGJ 134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》关于暖通空调节能设计的条文已不能满足需要。同时,经过近20年的发展,大众对居住建筑内空气品质逐渐重视。装修工程中,厨房、卫生间(以下简称厨卫)排风已得到重视,新风系统也正在普及。这种情况下,如果JGJ 134《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》的暖通空调节能设计条文不规定和指导这些方面,不但不能实现健康舒适的室内环境,而且能耗还将会很高。

　　 因此,关于暖通空调节能设计条文的研编成为此次研编工作的重点之一。居住建筑的使用工况比一般办公建筑复杂,作好居住建筑的暖通空调节能设计,需要从居住建筑的实际使用情况出发,不能仅停留在设计工况上。本文着重从研究夏热冬冷地区居住建筑暖通空调季节转换切入居住建筑暖通空调的运行调节,进而分析暖通空调节能设计。

　　 夏热冬冷地区居住建筑暖通空调系统的运行,需要根据住宅的使用模式及全年室外空气状态的热湿变化等方面进行调节。

　　 居住建筑的使用根据人员数量、人员特点等有很多种模式,根据社会学调查和大数据分析,可归纳为2种基本模式:使用模式a,上班人员+不上班人员(老人、小孩、家政工、在家执业人员);使用模式b,全部是上班人员。

　　 不同的人员结构特点,对应住宅不同的使用模式,对居家生活进行特点聚类,形成典型住户住宅主要功能房间使用时间表,见表1。

　　 对于整套住房,使用模式a,住宅内24 h有人,而使用模式b,住宅内部分时间有人,部分时间没人。一方面,不论是使用模式a,还是使用模式b,大多是人员夜间在卧室,白天在起居室(书房、客厅、餐厅、厨房等),二者的同时使用系数很低,甚至为0。另一方面,不同的使用模式,人员在室时间有很大差异,暖通空调系统的运行调节差异也将很大。因此暖通空调系统设计和运行调节,需要了解住宅的使用模式。

　　 夏热冬冷地区东、西区乃至各个城市间的室外空气热湿状态有着明显的差异。利用文献[3]中的数据,根据文献[4]提出的对全年室外空气热湿状态在焓湿图(h-d图)上进行9区划分的方法(如图1所示),以西区的成都和东区的杭州为例,分析不同城市间的季节差异。成都、杭州全年室外空气热湿状态在各区域的累积时数分布如表2所示,室外全年太阳月总辐射如表3所示。

　　 由表2可以看出,西区成都的中温高湿和低温高湿状态时数多于东区杭州,其余状态时数均少于杭州,且高温高湿和低温中湿状态时数明显少于杭州。室外空气热湿状态为暖通空调季节变化的基本条件,各建筑室外空气热湿状态的不同,必然引起其暖通空调系统运行调节的差异。

　　 由表3可以看出,西区成都的全年太阳辐射弱于东区杭州,且冬季太阳辐射差别更大,12月成都月总辐射仅为杭州的50.4%,夏季的差距相对较小,7月成都月总辐射为杭州的85%。太阳辐射的强弱一方面影响着室外空气的热湿状态,另一方面也反映出夏热冬冷地区东、西区城市太阳能资源的可利用情况差异。

　　 暖通空调节能设计应从了解暖通空调系统运行调节需要着手开展设计。

　　 通风的2个主要功能为:卫生通风和热舒适通风。夏热冬冷地区居住建筑在实际使用中,因通风系统运行调节不好,室内空气质量不良,住户开着窗进行空调和供暖,造成很大的能源浪费。这是通风节能设计需重点考虑的问题。通风系统的2个功能涉及到2种不同的风量,暖通空调设计时要考虑2种不同风量的转换与调节。

　　 考虑室内装饰装修材料、厨卫等稳定持续散发污染物,居住建筑节能设计标准规定了1 h^-1的卫生通风换气次数,该卫生通风换气应是长期稳定的换气,而不只是有人时才换气。若仅在有人时通风,无人时不通风,1 h^-1的间歇换气不能保证有人时室内空气品质达到卫生条件要求。间歇通风和持续通风是2种不同的卫生通风处理方法,若采用间歇通风,需要重新计算换气量,保障有人时室内卫生条件相当于持续通风1 h^-1换气次数所能达到的卫生条件。因篇幅等原因,本文不分析间歇运行方式时通风量大小的确定。

　　 实际调研发现,住宅室内通风不满足要求的情况比比皆是,因而供暖、空调时开窗的情况不少,导致供暖、空调能耗增大,室内空气品质也并非良好。文献[5]对安装有新风系统的新建和既有居住建筑进行了实测调研,调研数据显示住宅通风系统风量基本都达不到要求,进而室内空气品质也不达标。

　　 综合考虑设备容量、运行能耗及对室内空气品质的保障,推荐a,b 2种使用模式的居住建筑都采用持续的卫生通风,即不论室内是否全天有人,24 h均按1 h^-1换气次数进行卫生通风。

　　 热舒适通风即通风季节通风,是指室外空气热湿状态在人体热舒适区内时,利用通风改善和进一步提升室内热舒适及空气品质,获得健康和舒适的室内空气环境。热舒适通风的通风量远大于卫生通风的通风量。

　　 热舒适通风能否获取有效的通风量,要靠建筑设计的自然通风。目前情况看,并不是所有建筑都能够满足利用自然通风的条件,因此做通风设计时应先校核建筑设计方案的自然通风能力,若满足要求,则不必再设计热舒适通风,若建筑方案不能满足要求,也要尽可能利用建筑方案的条件,采用自然通风+机械通风的复合通风系统,避免完全摒弃建筑条件另行设计机械的热舒适通风系统。

　　 从夏热冬冷地区居住建筑室外空气热湿状态在h-d图上的逐时累积分布可知,空调季节夜间有部分时间室外空气温度低于室内设计温度,有用于室内降温的可能性。空调季节的夜间降温通风与整个通风季节的通风不同,可根据通风季节的设计风量,分析空调季节夜间降温通风时段的通风效果。

　　 住宅内部分时段有人和全天24 h有人的a,b 2种不同居住模式,夜间通风降温的条件不同。分析认为,部分时间使用的住宅,白天因住宅内没人,不开空调,围护结构、室内家具用品等会集聚大量的热量,有人时需要先尽快消除室内和围护结构及家具用品蓄存的热量达到热舒适状态,再利用夜间通风,但白天蓄存的热量往往不是短时间内可以消除的。而全天24 h有人的居住模式,白天开启空调保持室内舒适,并避免了围护结构和室内家具用品集聚热量,夜间当室外空气热湿状态合适时,可即时利用夜间通风持续保持室内的健康与舒适。因此,部分时间使用的住宅居住模式比24 h使用的居住模式夜间通风的情况复杂,且夜间通风的效果及节能性也比住宅24 h有人使用时的效果差。夜间通风对于居住建筑全天24 h使用的居住模式的作用相对较大。目前关于夜间降温通风也有大量的研究。

　　 为了进一步分析夏热冬冷地区空调季节(7,8月)降温通风的可利用状况,本文结合文献[6]进一步分析东区杭州和西区成都空调季节(7,8月)的室外空气热湿状态。成都、杭州空调季节逐时室外空气参数如图2,3所示。

　　 对7,8月逐时室外空气干球温度进行小时数统计,成都室外空气温度低于等于26 ℃的小时数为908 h,杭州为459 h,分别占7,8月总小时数的61.0%和30.8%。但这2个月含湿量大多在15～20 g/kg甚至20 g/kg以上,降温通风满足室内一级热湿舒适标准的小时数要小得多。

　　 若仅考虑通风降温,由于夏季室外多数时间气温较高,室内的余热量较大,若层高按3 m计算,室内外1 ℃温差、1 h^-1换气次数下可以消除3 W/m²的余热量。

　　 不同城市7,8月室外风速为0的小时数统计如表4所示。分析重庆、成都、南京和杭州4个城市的风速,热环境气象参数给出了每日01:00,07:00,13:00,19:00测试的风速值,7,8月共计测试数据248个,其中静风率占比重庆为15%,成都为39%,南京为23.8%,杭州为20.6%。进一步分析01:00和07:00静风的小时数占总静风小时数的比例,重庆为75%,成都为72%,南京为80%,杭州为72.5%,即夜间需要通风降温的时间段内,反而风速为0的时刻较多,难以靠自然通风获得良好的夜间通风,需要采用复合通风。

　　 以前由于人们的生活水平不高,可接受的热舒适室内环境的要求低,更是忽略了湿度的影响,28 ℃甚至30 ℃以下的热环境即认为满意,这种情况下空调季节利用夜间通风降温的潜力较大。随着人们生活水平的提高及对健康意识的增强,要想营造健康舒适的室内环境,必须进行热湿双控,夏热冬冷地区居住建筑空调季节利用夜间降温通风的节能潜力并不大,不必专为此设计复合通风系统,必要时可开启前面提及的热舒适通风系统。

　　 以上关于通风运行调节的内容均是从送风角度进行的讨论,实际上24 h运行的卫生通风,不仅指新风系统,厨卫等散发污染物、湿负荷的空间也需要24 h持续排风。并且,厨卫排风需要分2种情况考虑:1) 没人使用时,应按照较小的排风量稳定运行;2) 有人使用时,所需排风量很大,与没人使用时的稳定排风量相差悬殊,会对室内气流组织、空调供暖能耗产生明显的影响。

　　 由于卫生间的使用时间短,从停止使用到恢复正常状况,对整套住宅的通风气流路线及空调供暖能耗影响不显著,可以不用跟随调整。但厨房使用的时间较长,整套住房的气流路线会由于厨房使用时的大风量排风而被破坏,同时造成显著的空调供暖能耗。应单独考虑厨房大风量排风时的补风问题,既维持正常的室内气流路线,又减少新风处理能耗。

　　 根据以上3.1.1～3.1.3节关于通风运行调节的讨论分析,通风节能设计宜先作全年各季节的健康通风设计,全年各季节都应采用局部机械排风控制厨卫的污染空气和湿源,并维持厨卫相对于卧室、起居室的负压。同时应以户为单元进行健康通风的空气平衡设计计算,保证户内空气流程满足“新风→卧室、起居室→厨卫→室外”的气流流线。由于厨卫等污染空间存在使用和不使用2种模式的排风量,空气平衡计算时卫生间的排风量按无人使用时计算,使用时增加的排风量对室内气流流程的影响可不考虑;厨房的排风量按不使用时计算。厨房使用时整套住房的空气平衡单独分析,增加的排风量应专门设计补风量进行平衡。

　　 另外,对空气环境进行热湿双控,才能实现健康舒适的室内环境,夏热冬冷地区空调季节室外空气含湿量超过热舒适范围时,并不适合利用夜间通风降温。

　　 夏热冬冷地区的除湿季节为5,6月,东区杭州和西区成都除湿季节逐时室外空气热湿状态如图4,5所示。5月的部分时间,室外空气干球温度不高,同时含湿量大多数时间也在15 g/kg以下,还可以采用通风季节的通风运行调节方式,提升室内的健康舒适水平。其余时间,室外空气湿度大。由于几乎不存在围护结构冷负荷,室内余热量不大,直接通风不但不能去除室内余湿,反而会将大量湿气带入室内。

　　 当室外温度接近30 ℃,同时含湿量在15 g/kg左右甚至以上时,需要除湿保证室内的舒适湿度需求。目前除降温除湿外,溶液除湿及其他除湿方式还没有广泛应用于夏热冬冷地区的居住建筑,因此本文重点讨论降温除湿。利用降温除湿会造成室温偏低的热舒适问题。为保证室内湿度,降温除湿后的新风温度过低,室内没有足够的余热使降温后的新风升温,导致室温下降,室内人员产生不舒适感,尤其是体质较弱的人群(老人、小孩等)甚至会出现受凉的情况。若新风除湿后再加热升温,则涉及到能耗问题。新风除湿采用降温除湿的技术方案,应想办法回收利用新风降温处理过程排出的热量对新风进行再热,以节约能源,更重要的是保证室内热舒适感。排风能量热回收是一种被广泛接受和使用的节能手段,但在夏热冬冷地区回收新风降温处理时的冷凝热和冷凝水的作用和价值高于排风能量热回收。设计时应根据室外空气热湿状态的变化及除湿季节运行调节的要求,重点考虑如何利用冷凝器的排热、冷凝热水热量,并需认真分析回收利用的合理性。

　　 由于空调系统的运行根据建筑使用模式有2种情况,因此空调运行调节也分2种情况进行讨论。

　　 空调系统间歇运行时,刚开始室温很高,围护结构和室内家具也蓄存了大量的热量,空调开始运行的几小时内,为了达到室内设计温度,向房间提供的冷量不仅要维持热平衡所需冷量,还需要提供排除建筑物围护结构及家具等相关物体蓄存热量所需的冷量。进入稳定运行后,负荷才与连续运行相当。

　　 文献[7]规定,热负荷计算时,对于间歇使用的建筑物,需要进行间歇附加,仅白天使用的建筑物,间歇附加率可取20%,对不经常使用的建筑物,间歇附加率可取30%。对于主要是夜间使用的建筑,没有给出间歇附加率的建议值,夏季间歇供冷时负荷附加率的取值也未进行规定。

　　 居住建筑部分时间使用模式的情况很多,而暖通空调系统设计大多没有考虑居住模式,直接将居住建筑作为全天24 h使用的情况考虑,按照连续运行进行末端设计,导致末端能力不够,间歇运行很长时间达不到设计温度。

　　 文献[8]间歇供暖负荷计算方法研究中对间歇运行模式的确定,围护结构、供暖方式及通风对间歇供暖负荷的影响进行了详细的模拟分析。夏季间歇供冷负荷计算及供冷时负荷附加率如何选取也是需要研究探讨的问题。

　　 居住建筑24 h使用模式,也并非是24 h所有房间均有人在使用,人员基本是夜间在卧室,白天在起居室(书房、客厅、餐厅、厨房等),房间同时使用系数很低,对于单个房间来讲仍属于间歇运行,因此空调设备末端容量也应按间歇运行选型。主机容量选型需要考虑同时使用系数,比直接按照所有房间同时使用时的负荷选型小很多,这对主机能耗影响很大。

　　 夏热冬冷地区居住建筑实际工程空调系统设计时,需要根据建筑使用模式,考虑2种模式下的空调运行调节方式。对于部分时间使用的居住模式,空调系统设计时应特别注意末端的供冷能力按间歇空调的不稳定条件设计。全天24 h使用的居住模式,空调系统末端的供冷能力仍应按间歇空调的不稳定条件设计,主机容量的选配应考虑供冷末端的同时使用系数。

　　 冬季供暖运行调节,由于暖通空调气候的差异,东、西区需要分开考虑。如图6,7所示,西区以成都为例,东区以杭州为例进行分析。

　　 由于冬季太阳辐射弱,成都通风季节B ^[6]转向供暖季节的过渡时间从11月15日开始。11月15—30日,室外逐时空气干球温度逐渐降低,但基本在10 ℃以上,12月1日开始,室外逐时空气干球温度大多数时刻低于10 ℃,过渡月的室外空气干球温度平稳下降,波动较小,向供暖过渡的运行调节比较简单,进入供暖期后,运行工况基本没有变化。

　　 杭州通风季节B转向供暖季节的过渡月室外空气干球温度波动相对较大,伴随着寒潮来袭,气温下降明显,随着寒潮退去,气温回升也明显,几次寒潮之后,气温基本稳定在10 ℃以下,开始进入稳定供暖工况。东区杭州的室外空气状态相比西区成都稍显复杂。

　　 关于集中供暖和分散供暖的问题,夏热冬冷地区东、西区甚至各城市间的气候差异明显,进入和离开冬季供暖的气候变化及时间差异较大,末端用户连续运行和间歇运行的使用差异也很大。因此,除非有廉价的工业余热废热等可利用以外,不适合采用城区、城市规模的集中供暖。

　　 当利用可再生能源供暖时,东部地区可考虑利用太阳能,太阳能集中采集的,可根据采集规模决定集中供暖的规模。采用水/地源热泵时,也需根据源的大小决定集中供暖的规模。

　　 西区城市冬季太阳辐射相对较弱,但空气温度相对较高,可再生能源利用方式主要是空气源热泵。但空气源热泵的除霜问题是一个比较重要且需要仔细分析的技术问题,可通过室内末端形式的调整解决除霜难题,比如末端采用地板辐射供暖,由于地板辐射供暖的热惰性较强,热源的间歇运行对室内温度波动的影响较小,可利用其热惰性化解空气源热泵除霜的负面作用。地板辐射供暖热稳定性好,能在热源不稳定的情况下提供稳定的热舒适环境。

　　 综合分析,夏热冬冷地区冬季供暖末端推荐地板辐射供暖。

　　 本文结合夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准修编的契机,在对夏热冬冷地区暖通空调气候特点及夏热冬冷地区城市暖通空调季节划分分析的基础上,对夏热冬冷地区居住建筑的居住模式进行归纳后,结合不同的居住模式,对夏热冬冷地区居住建筑暖通空调季节通风、除湿、空调和供暖运行调节进行了分析,进而总结了不同季节暖通空调节能设计的要点,得出以下结论:

　　 1) 通风节能设计宜先作全年各季节的健康通风设计,全年各季节都应采用局部机械排风控制厨卫的污染空气和湿源,并维持厨卫相对于卧室、起居室的负压。同时应以户为单元进行健康通风的空气平衡设计计算,保证户内空气流程满足“新风→卧室、起居室→厨卫→室外”的气流流线。由于厨卫等污染空间存在使用和不使用2种模式的排风量,空气平衡计算时卫生间的排风量按无人使用时计算,使用时增加的排风量对室内气流流程的影响可不考虑;厨房的排风量按不使用时计算,使用时增加的排风量应专门设计补风量进行平衡。

　　 2) 目前关于夜间通风的认识都只考虑温度,忽视湿度,而只有对空气进行热湿双控,才能真正实现健康舒适的室内环境,夏热冬冷地区空调季节由于室外空气含湿量超过人体舒适范围,夜间通风降温的节能潜力不大。

　　 3) 除湿季节宜利用新风降温除湿,但应注意考虑新风再热问题,设计时应根据室外空气热湿状态的变化及除湿季节运行调节的要求,考虑如何利用冷凝器的排热、冷凝热水热量,并分析回收利用量的多少等。

　　 4) 空调系统节能设计,需要根据建筑使用模式,考虑2种模式下的空调运行调节方式。对于部分时间使用的居住模式,空调系统设计时应特别注意末端的供冷能力按间歇空调的不稳定条件设计。全天24 h使用的居住模式,空调系统末端的供冷能力仍应按间歇空调的不稳定条件设计,主机容量的选配应考虑供冷末端的同时使用系数。

　　 5) 夏热冬冷地区不宜采用集中供暖,尤其不适合采用大规模集中供暖,当具有集中供暖的热源条件时,应根据热源容量设计集中供暖的规模。当采用不稳定热源如空气源热泵、太阳能等供暖时,由于地板辐射供暖具有热稳定性强的特点,供暖末端推荐采用辐射地板。