四川大学建筑与环境学院 郭舒睿 杨涵宇 龙恩深
摘 要：空调与供暖能耗是建筑能耗的重要组成部分，而室内设定温度高低直接影响了空调/供暖能耗的大小。本文以位于中国不同气候区的15个典型代表城市：哈尔滨、乌鲁木齐、长春、兰州、北京、西安、济南、合肥、上海、武汉、杭州、成都、重庆、厦门、广州为研究背景，以某典型居住建筑为研究对象，采用特征温度（CTM）法，分析其当空调设定温度从26℃升高1℃、供暖设定温度从18℃降低1℃时，各城市耗冷/热量、节能量以及节能率的对比。结论可为居住者行为节能和标准制定者提供参考。
关键词：空调与供暖能耗；设定温度；特征温度法；节能率
基金项目： 国家重点研发计划（2016YFC0700400）；国家自然科学基金（51778382）。
1 背景
节能减排一直是全球性的热点问题。2010年，全球的住宅和商业建筑舒适性空调能源消耗占建筑总能耗的30%至40%；而我国2015年全国建筑能耗占全国能源消费总量的20%；到2016年，供暖通风和空调系统消耗的能源约占建筑能耗的43%[1]。由此可见，随着社会的发展，空调与供暖将显得尤为重要。
针对空调/供暖设定温度，国务院2006年夏季出台的《关于加强节能工作的决定》以及2007 年下发的《关于严格执行公共建筑空调温度控制标准的通知》规定：室内空气相对湿度低于70%情况下，公共建筑内夏季室内空调温度设置不得低于26℃，冬季室内空调温度设置不得高于20℃[3]。马庆[4]等发现夏季在维持室内湿度不变的情况下，室内温度设定值与设备能耗成反比，即室内温度设定值越高，能耗越小。于晓谕[5]等通过EnergyPlus软件模拟，发现随着设定温度的升高，夏季空调能耗逐渐降低，每升高1℃，能耗降低大约4%，夏季空调温度设定在27℃较为适宜；冬季随着室内温度要求的升高，供暖能耗逐渐上升，每升高1℃，多消耗能量大约13%，冬季供暖温度保持在18℃比较适宜。秦蓉[6]等发现随着空调设定温度的提高，各类型办公建筑的全年累计冷负荷都大幅度降低，其中中型办公建筑和小型办公建筑的降幅都接近50%，大型办公建筑的降幅稍小，约为20%。冯劲梅[7]等利用DeST软件模拟，发现夏季室内设定温度由25℃升高到27℃节省的空调冷负荷是由23℃升高到25℃的节省的空调冷负荷的60%，虽然同样是升高2℃的温差，节省的空调冷负荷相差却很大。因此，在满足人体热舒适的条件下，采用25℃的室内设定温度既满足了人体热舒适的要求，同时也更加节能。L·Lan[9]等利用软件模拟了上海一间南向卧室的夜间冷负荷，设定温度从26℃调整为从26℃逐渐上升至28℃和从28℃逐渐下降至26℃，冷负荷分别下降27.8%和34.3%。
国内外现有文献主要针对单个城市对空调设定温度与建筑能耗之间的关系进行了研究分析，少有同时针对不同气候区多个城市供暖设定温度的节能效果分析，研究结果难以横向比较。因此，本文采用特征温度法（CTM）相同居住建筑在全国不同气候区15个代表城市的空调/供暖设定温度分别升、降1℃的节能效果，对全年耗冷/热量、节能量和节能率进行分析，揭示设定温度与建筑节能之间的内在联系。
2 研究条件
本文研究对象为一幢5层居住建筑，建筑面积为193.86×5m2，围护结构总面积为1089.62m2，建筑体积为2352.26m3，体形系数为0.4632。南北外墙未开外窗，东西外墙的窗墙面积比分别为0.26、0.19。建筑平面、立面如图1、2。外墙传热系数为0.58W/m2·K，外窗传热系数为2.91W/m2·K，屋顶传热系数为0.33W/m2·K，地面传热系数为1.02W/m2·K。图1、图2分别为该典型建筑平面图、立面图。
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| 图1 建筑平面图 | 图2 建筑立面图 |
本文假设该建筑分别修建于中国不同气候区的哈尔滨、乌鲁木齐、长春、兰州、北京、西安、济南、合肥、上海、武汉、杭州、成都、重庆、厦门、广州等15个代表城市，其主要气候参数如表1所示。假设夏季空调设定温度从26℃升高至27℃，冬季供暖设定温度从18℃降低至17℃，为了排除其他无关因素的干扰，模拟时忽略人员、设备、照明等内热源影响，换气次数取为0.5/h。
表1 十五城市的主要气候参数
特征温度法（简称CTM）是基于建筑能耗基因理论[9]的用于建筑空调采暖负荷、能耗的动态模拟方法，可揭示房间（建筑）冷（热）负荷或能耗与其它各种因素的相互关系。本文则基于特征温度法（CTM），通过改变空调/供暖设定温度的参数对建筑全年冷热耗量、节能量和节能率进行模拟并作出对比分析。
3 节能量对比
当建筑研究对象和其它设定条件完全相同时，利用不同城市气象数据库，可以分别模拟出空调/供暖设定温度分别升/降1℃前后的全年逐时负荷；进而可得到任意时刻空调/供暖的负荷减小量；分析全年冷/热耗量减少值，以原设定温度时的冷/热耗量作对比，则可得到空调/采暖设定温度升/降1℃时，不同背景城市的节能率。
3.1 空调设定温度升高1℃节能量
图3为空调设定温度升高1℃前后耗冷量对比，图4为全年空调节能量。由图3可知，当设定温度为26℃时，全年耗冷量最大的城市为广州，71766.11kW·h；最小为哈尔滨，9469.71kW·h。当空调设定温度升高1℃后，15个城市耗冷量均明显下降，其中下降幅度最大的城市为厦门，节能量达到为13497.32kW·h；最小为哈尔滨，为3895.76kW·h。由图4可知，位于夏热冬暖地区的代表城市（广州、厦门）空调节能量较大，严寒地区（哈尔滨、乌鲁木齐、长春）较小，寒冷地区（北京、西安、济南、兰州）与夏热冬冷地区（合肥、上海、武汉、杭州、成都、重庆）介于二者之间。这是由于哈尔滨、乌鲁木齐等严寒地区全年平均温度低，冷负荷不大，导致原设定温度下的耗冷量不到25000kW·h，哈尔滨全年耗冷量甚至不到10000kW·h，因此将空调设定温度降低1℃时节能效果不明显；厦门相比于其他城市年平均温度较高，夏季冷负荷较大，因此当空调设定温度降低1℃时耗冷量下降幅度最为明显；广州属于夏热冬暖地区最为典型的城市，全年平均温度达到22.5℃，并且全年需要空调供冷的时间过长，因此在广州地区将空调温度降低1℃时，节能量不如厦门地区，但仍比其他城市节能量大。由此得出，气象条件是决定全年耗冷量和空调节能量的主要因素。
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| 图3 空调设定温度升高1℃时耗冷量变化 | 图4 全年空调节能量 |
3.2 供暖设定温度降低1℃节能量
图5为供暖温度降低1℃前后全年耗热量对比，图6为全年供暖节能量。由图5可知，不同地区的全年耗热量差异非常大，严寒地区全年耗热量均高达120000kW·h，其他地区均小于80000kW·h。当供暖设定温度为18℃时，哈尔滨的全年耗热量最大，为137703.56kW·h；广州最小，为9775.93kW·h。当供暖设定温度降低1℃后，各城市全年耗热量均有明显下降，结合图6可知，位于严寒地区的代表城市供暖节能量较大，三城市相差不多，节能量最大为乌鲁木齐，6737.26kW·h；夏热冬暖地区节能量较小，两代表城市均小于2500kW·h；寒冷地区与夏热冬冷地区节能量介于二者之间。可见，气象条件也是决定全年耗热量和供暖节能量的主要因素。
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| 图5 空调设定温度升高1℃时耗冷量变化 | 图6 全年空调节能量 |
4 节能率对比
4.1 空调节能率
空调节能率为空调节能量与原空调能耗之比，图7为将空调设定温度升高1℃时节能率的对比情况。由图7可以发现，全年空调节能率最大的城市为哈尔滨（41.15%），其次为长春；节能率最小的城市为广州（11.51%），与节能率最大的城市相差4倍左右，其余位于寒冷地区与夏热冬冷地区的城市空调节能率均介于15%至28%之间。从该图也可看出，一般全年空调耗冷量越小的城市，空调设定温度提升1℃的节能率越高，如哈尔滨、长春；全年空调耗冷量越大的城市，空调设定温度提升1℃的节能率越小，如广州、重庆、杭州、济南；也有比较反常的城市，如乌鲁木齐属于严寒气候，但全年空调耗冷量较高，空调节能率显著低于哈尔滨和长春，而厦门属于夏热冬暖气候，但全年空调耗冷量显著低于广州，但节冷量却明显高于广州，导致节能率显著高于广州，甚至略高于严寒气候的乌鲁木齐，这与其海洋性气候特点有关。可见，空调设定温度提升1℃的节能率既有共性规律可循，又有与所在城市气候特点差异导致的特殊性，影响非常复杂，还有待进一步研究。
图7 空调节能率对比
4.2 供暖节能率
供暖节能率为供暖节能量与原供暖能耗之比，图8为供暖节能率对比情况。由图8可知，供暖节能率整体不如空调节能率高，且随着地区全年平均温度的升高，呈现递增趋势，规律性很强。严寒地区供暖节能率较小，在5%左右波动，夏热冬暖地区供暖节能率较大，最高可达到20.41%。
图8 供暖节能率对比
5 结论
本文采用CTM方法，分析了全国15个典型城市空调/供暖温度升/降1℃的节能效果，对比了全年空调与供暖能耗变化趋势、节能量与节能率，结果表明：
（1）气象条件是决定建筑全年能耗大小的主要影响因素，不同城市全年的耗冷/热量差异可达7~15倍。
（2）将空调/供暖设定温度升高/降低1℃时，不同城市全年空调与采暖节能量相差最多达4倍，空调节能量最大的城市为厦门，供暖节能量最大的城市为乌鲁木齐，节能量的大小与当地年平均气温有直接关系。
（3）不同城市全年空调节能率既存在共性规律，也存在与气象条件相关的鲜明个性；供暖节能率随着年平均温度的升高呈现上升规律，不同城市节能率最大可相差达4倍左右。空调供暖设定温度升降1℃的节能率各城市明显不同，但该行为节能效果对任何气候背景城市的建筑的效果是显著的。
最后需要指出，本文的研究是在排除了室内人员、内热源干扰的情况下得出的。若对于内热源、新风负荷较大的公共建筑，空调设定温度升高1℃的节能率会有显著的下降趋势；供暖设定温度降低1℃的节能率会有显著升高的趋势。各因素的耦合影响非常复杂，尚需进行深入研究才能给出更为系统客观的结论。
参考文献
[1] 中国建筑能耗研究报告, 2017[M].中国建筑工业出版社, 2017.
[2] 吴宜珍,程向东,民用建筑舒适性空调新风系统设计[J],中国住宅设施, 2006, 12:56–58.
[3] 国务院办公厅,国务院办公厅关于严格执行公共建筑空调温度控制标准的通知(国办发42 号),2007.
[4] 马庆,李歧强,聂清珍,公共建筑空调温度设定值的动态优化控制研究[N],系统工程学报,2011,26,4:435–441, ISSN 1000–5781.
[5] 于晓谕,汪明,李尧,建筑运行能耗仿真方案设计及影响因素分析[N],山东建筑大学学报,2016,31, 02,.ISSN 1673–7644.
[6] 秦蓉,刘烨,燕达et al,办公建筑提高夏季空调设定温度对建筑能耗的影响[J].暖通空调,2007,37(8):33–37.
[7] 冯劲梅,连之伟,黄宋斌et al,办公建筑外墙传热系数对空调负荷的影响[J].四川建筑科学研究,2010,36(3):312–315.
[8] 何鸣,张强,汪玉兰et al,高校学生宿舍空调能耗影响分析[J].重庆建筑,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] 龙恩深.建筑能耗基因理论与建筑节能实践[M].北京：科学出版社,2009.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2019年1-2月刊总第18期。
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