香港商用建筑空调负荷特性
綦戎辉，吕琳，杨洪兴
(香港理工大学 屋宇设备工程系 可再生能源研究组，香港)
摘 要：
型商用建筑(写字楼、酒店及商场)中的空调负荷组成及特性，并根据香港的天气状况，重点分析显热及潜热负荷的比例及变化规律。模拟及分析结果表明：冷负荷(显热)及除湿负荷(潜热)占商用建筑全年空调负荷中超过98%的份额。值得注意的是除湿负荷在总负荷中十分重要，特别是在酒店建筑中(约50%)。其次，在潜热负荷中，通风负荷占到很大的比例(全年平均值：酒店81.8%, 办公室67.5%)，而显热负荷的主要组成部分为房间负荷(全年平均值：酒店67.3%, 办公室87.8%)。由于香港商用建筑中的潜热负荷比例较高，导致全年中需要再热的时间很长(相对湿度设定点54%的情况下，全年有60%~90%的时间需要再热)。因此，传统冷却除湿的空调系统并不适用于香港商用建筑，而采用可将潜热和显热负荷分开处理的温湿度独立处理空调系统则会产生较好的效果。根据典型日的负荷分析可知，这一新系统的引入对于酒店建筑中的节能及环境改善效果是最为明显的。
关键词：
中图分类号：TU831.2 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)S1-0246-06
Investigation on load profile of commercial buildings in Hong Kong
QI Rong-hui, L? Lin, YANG Hong-xing
(Renewable Engergy Research Group (REQG), Department of Building Services Engineering,
The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong)
Abstract: The detailed AC load profiles of three typical commercial buildings in Hong Kong were investigated, which are office, hotel and retail. According to the simulation results, it is noticed that the cooling sensible and dehumidification loads take more than 98% in the total annual load. The dehumidification load plays a significant role, especially in the hotel building (about 50%). Moreover, the results show that the ventilation load occupies a large percentage in the dehumidification load (annual average: 81.8% for hotel, 67.5% for office), and the major component in the cooling load is the space load (annual average: 67.3% for hotel, 87.8% for office). Because of the high dehumidification load, high reheat ratio (60%-90% with RH set point 54%) and composition characteristic of the load, the independent control air conditioning system is proved to be suitable for Hong Kong commercial buildings. And the system is suggested to deal with the space load and ventilation load separately. As the highest dehumidification load, reheat ratio and ventilation load ratio, the application of novel system will lead to greatest indoor environment promotion and energy saving in the hotel building.
Key words: air conditioning; load profile; sensible load; latent load; commercial buildings
由于处于亚热带地区，香港的气候状况终年比较温暖和潮湿。因此，为了达到适宜的室内环境，香港地区空调系统的耗电量是相当可观的。据统计，从1990 至2000年，商用建筑耗电量占总耗电量的份额从45%上升到了60%[1-2]。 另外，一般来讲，人一天中有90%以上的时间处于人工环境中[3]，公众对于室内环境的舒适和清洁与否给予了越来越多的关注。为了提高IAQ(室内空气品质)及节约能源，对香港商用建筑空调系统的负荷特性的探讨是一项基础且十分重要的研究。
近年来，当地许多学者对于香港商用建筑的负荷特性进行了研究[4-8]。但大部分研究都将建筑空调负荷看作一个整体，而对于不同商用建筑的综合负荷分析却十分有限。因此，本文作者系统研究了3种典型商用建筑(写字楼、酒店及商场)中的负荷组成及特性，并根据香港的天气状况，重点分析了显热及潜热负荷的比例及变化规律。通过模拟及分析，可以得到香港典型商用建筑的全年空调负荷，再热比例以及负荷组成，这对于当地空调系统的设计及运行非常有参考价值。同时，根据研究结论，可以看出传统冷却除湿的空调系统并不适用于香港商用建筑。
1 研究方法
本研究中，我们选取了3种典型的商用建筑，分别为写字楼、酒店及商场。表1中列出了计算负荷所需的当地地点及天气参数。为了更准确地建模，首先要确定典型建筑的各种参数。关于这些建筑的建材的详细参数可由OTTV中的Appendix A得到，包括墙、屋顶、天花板、地板及窗户等[9]。对于人员密度、最小新风量、照明密度及设备功率密度的设定可由Hong Kong Building Energy Code中Appendix 2内的表2及表3得到[10]。典型建筑相关的人员、灯光及设备时刻表也可从同一文件的表4~7中得到。
其次，需要确定典型建筑的构造方式。根据设计标准，我们选取的3种商用建筑的主要设计参数可见表2。特别值得注意的是，典型酒店建筑中含有4种房间或区域，分别是：客房(4~40层, 每层62间)，走廊(4~40层)，大堂(1~2层)及餐厅(3层)。这些区域中不同的人员密度、通风量、控制及内热源的时间表均考虑在模拟中。
表1 香港地点及天气参数
Table 1 Weather data and location of Hong Kong
对于负荷的模拟，我们使用了ASHRAE热平衡法，模拟时间为全年，模拟间隔为1 h。为了综合分析商用建筑的负荷特性，我们模拟计算了3种空调负荷，分别为：Qs,t，在时间t时，没有渗风及通风情况下的空调负荷；Qsi,t，在时间t时，有渗风但无通风情况下的空调负荷；Qsiv,t，在时间t时，有渗风且有通风情况下的空调负荷。
Q代表着这一时间内为达到室内设定点所需的负荷，因此，每个Q中均包括了4种负荷中的一至两种，即：冷负荷(显热)、除湿负荷(潜热)、热负荷(显热)及加湿负荷(潜热)。因此，根据3种不同的Q，商用建筑的房间负荷(Qs,t)、通风负荷(Qv,t)及渗风负荷(Qi,t)可由下式计算得到：
(1)
表2 典型商用建筑的主要设计参数
Table 2 Summary of simulation design variables of commercial buildings
2 结果与讨论
2.1 全年空调负荷
根据模拟计算，3种商用建筑的全年单位面积空调负荷可见图1。可以看出：冷负荷(显热)及除湿负荷占了所有建筑全年空调负荷的绝大多数，超过了98%。值得注意的是，在商用建筑中，除湿负荷的比例十分显著，分别是50%(酒店)、30%(写字楼)及40%(商场)。可以看出：全年负荷中用于加热及加湿的负荷则极小(小于1%)，因此在除了特殊要求的房间外，香港商用建筑内并不需要配置加热及加湿系统。
图1 典型商用建筑的全年单位面积空调负荷
Fig.1 Total air conditioning load per area of three typical commercial buildings
从图1可以看出：酒店建筑的冷负荷(显热)及除湿负荷较高，特别是除湿负荷远高于其他两种建筑。主要原因为酒店中的空调系统运行时间长(每天24 h相对于其他每天16或13 h)及对新风量要求高。因此，如在这类建筑中使用传统空调系统，由于除湿所导致的能耗就变得相当可观，而再热所导致的能耗浪费也可能十分严重。并且在如此高的湿负荷下，应用传统空调系统会带来一些其他问题，如凝水、细菌滋生及对室内湿度的控制不力等。
2.2 再热比例
如前文所述，由于香港商用建筑中湿负荷所占的比例很大，如果使用传统空调系统，再热的可能性会较高，能源浪费也会很严重。通过计算温湿度舒适范围内不同室内空气设定点下的房间负荷(Qs,t)，可以得到不同情况下的再热比例，即全年中需要再热的时间占到总时间中的比例。
根据ASHRAE手册及当地规范，香港商用建筑中对于温度及湿度的舒适范围设置分别为22.0~25.5 ℃及 30%~60%[11]。为计算再热比例，首先我们进行了一些假设：
(1) 所有计算用典型建筑中的空调系统为压缩制冷空调系统；
(2) 送风温差均设为9 ℃，及机器露点的相对湿度设为90%；
(3) 对于计算工况A及B，设定的最大相对湿度分别为54%及60%；计算中所选取的室内温度设定点分别为25.5，24.0，23.0及22.0 ℃。
为计算再热比例，首先需要计算在不同室内空气设定点下，每一时刻t的显热比SHRa,t，以及设定点对于空气露点的显热比SHRs。用于确定该时刻是否需要再热的限制条件如下：
(2)
由此，再热比例可以通过需要再热的小时数与总运行小时数的比值得到。
表3列出了不同的温度、湿度设定点下的再热比例。可以看出：如果要求的室内最高湿度不能超过54%，则商用建筑中的比例是非常高的；酒店建筑中的这一比例甚至达到了90%，相对较低的写字楼建筑中的比例也达到了60%~80%。这表示在较高的湿度要求下，商用建筑全年绝大多数时间都需要再热。如果室内最高湿度的要求放宽到60%，再热比例会大大的降低。但是，写字楼及商场中全年仍有10%~20%时间需要再热。此外，再热比例会随着温度设定点的下降而缓慢下降，但由于过低的温度设定点会导致制冷系统中更高的能耗及吹风感，因此降低空气温度设定点并非解决香港商用建筑中高再热比例的合适方案。
表3 典型商用建筑中的再热比例
Table 3 Summary of reheat ratio in three typical buildings
导致再热的根本原因为房间负荷中显热及潜热负荷的不匹配，从而使得传统空调系统为除去空气中的湿度，必须先过冷后再加热以保持送风温度。这是对能源的一种浪费。对于商用建筑中的高再热比例及再热时间，可解耦处理显热及潜热负荷的温湿度独立控制空调机组是一种节能及有效的解决方案。
2.3 空调负荷构成及特性
如前所述，香港商用建筑中，湿负荷所占的比例相当大，会对空调系统的运行及控制产生较为重要的影响。因此，本节中我们进一步详细分析商用建筑中空调负荷的构成及特性。由于热负荷及加湿负荷所占的比例很小，因此我们重点分析总负荷(Qsiv,t)中冷负荷(显热)与除湿(潜热)的组成及相关特性。由于办公室及商场建筑中比较类似的人员密度、新风量以及控制参数，因此在本节中仅列出了酒店及办公室的结果。
首先，我们来看显热负荷的组成及特性。由图2可以看出：房间负荷，即由建筑维护结构、灯光、设备及人员等产生的负荷，占了较大比例，特别是在办公室建筑中。房间负荷在显热负荷中的比例的全年平均值为67.3%(酒店), 87.8%(办公室)。在一年中绝大多数时间内，房间负荷的比例在70%~90%，并在5月及11月达到顶峰，而该比例在冬天则有所下降。由于渗风负荷在显热负荷中所占的比例很小，因此通风负荷比例的趋势同房间负荷的比例恰好相反。由于酒店建筑中较高的最小新风量，因此房间负荷的比例较低，但两种典型建筑中的负荷比例趋势是很接近的。
图2 全年写字楼及酒店建筑中显热负荷的组成及比例
Fig.2 Proportion of sensible load components of typical buildings
由图3中可以看出：与显热负荷的组成不同，通风负荷在潜热负荷中占据了较大比例，特别是在酒店建筑中，该负荷比例的全年平均值为81.8%(酒店)及67.5%(写字楼)。通风负荷的比例全年都保持在较高的数值上，并于7~10月(酒店，约90%)及5~9月(写字楼，80%)达到顶峰。渗风负荷在潜热负荷中的比例很小，约为7%。而房间负荷的比例则在冬天时略高，在其他季节中却只占到了10%~20%。
从显热及潜热负荷不同的组成比例中可以看出：对于当地建筑来讲，分别处理房间负荷(仅制冷)及通风负荷(仅除湿)是一种很好的节能手段。
图3 全年写字楼及酒店建筑中潜热负荷的组成及比例
Fig.3 Proportion of latent load components of typical buildings
2.4 典型日空调负荷
本节主要讨论3种典型商用建筑在一个典型日的负荷特性。在之前的讨论中，我们可以看出空调系统负荷的主要来源为冷却(显热)及除湿负荷。基于这些考虑，我们在出现全年最大负荷的7月选择了一个星期五作为研究负荷的典型日(图4)。
图4 典型商用建筑的典型日负荷状况
Fig.4 Summary of load profile in typical day of typical commercial buildings
根据写字楼的人员活动规律和设备运行时刻表，空调系统从上午7点钟开始处理显热和潜热负荷直到晚上8点钟。通过数据分析可以发现，显热和潜热负荷的峰值都出现在上午11点钟至下午5点钟之间。在这段时间内，显热负荷接近潜热负荷的2倍。由于大部分内扰和围护结构得热产生于同一工作时间段内，因此办公楼中的显热负荷明显大于其他类型建筑。
而对于商场来讲，空调系统的运行时间从上午7点钟一直持续到深夜。由于不同的人员活动规律以及设备运行时间，商场类型建筑中显热负荷和潜热负荷的差距没有办公楼类型建筑中来的大，并且两种负荷尤其是潜热负荷在一天中的变化不大。
但对于酒店来说，由于建筑所需的通风换气次数是所有类型建筑中最大的，因此酒店类型建筑的潜热负荷较其他类型建筑都来得大。且在全天的大部分时间内，潜热负荷甚至超过了显热负荷，并且全天24 h都维持一个相对较高的水平。
因此，基于不同商用建筑不同的典型日负荷特性，其所需的空调系统也不尽相同。以酒店建筑为例，由于该类型建筑的潜热负荷相对较高，采用可将潜热和显热负荷分开处理从而实现温湿度独立处理的空调系统会相对较为节能及高效。
3 结论
(1) 在商用建筑中，显热和潜热制冷负荷占据了全年总负荷的98%，其中潜热负荷占据相当大的比重。且在室内相对湿度设定值为54%的情况下，商用建筑全年有60%~90%的时间需要再热，热湿不匹配现象极为普遍。
(2) 在潜热负荷中，通风负荷占到了很大的比例(全年平均值：酒店建筑81.8%, 写字楼67.5%)，而显热负荷的主要组成部分为房间负荷(全年平均值：酒店67.3%, 写字楼87.8%)。因此，可独立处理室内负荷和新风负荷的空调机组对于香港的商用建筑来讲极为适用。
(3) 由于不同的人员活动规律、设备运行时间以及通风换气次数，不同建筑类型的典型日负荷特性有很大差别，写字楼在工作时间内的显热负荷超过其他类型建筑的显热负荷，而酒店建筑中的潜热负荷则是所有建筑类型中最大的。
(4) 在酒店建筑中，潜热负荷在总负荷中所占的比重是最高的，达到约50%。且酒店建筑拥有最高的再热需求和最大的通风负荷，因此对于酒店空调系统的适当改造可以大大提高室内环境质量和系统运行效率。
(5) 对于香港典型商用建筑的空调负荷数据的分析是一项极有意义的基础工作，接下来我们将对不同空调系统(传统中央空调系统、太阳能除湿空调系统以及蓄热空调系统等)在香港典型商用建筑中的运行效率进行分析和研究。
参考文献：
[1] Hong Kong Government. Hong Kong Energy Statistics. Census and Statistics Department, 1989—2000[R].
[2] Hong Kong Government. Hong Kong Monthly Dig. of Statistics. Census and Statistics Department, 1989—2000[R].
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[9] Hong Kong Government. Code of Practice for overall thermal transfer value in buildings[S]. 1995.
[10] Hong Kong Government. Hong Kong Building Energy Code[S]. 2005.
[11] ASHRAE Handbook, Volume Fundamentals[S]. 2009.
(编辑 袁赛前)
收稿日期：2012-01-15；修回日期：2012-02-15
通信作者：吕琳(1974-)，山东日照人，助理教授，从事太阳能光伏建筑、太阳能除湿空调、建筑节能和室内空气品质研究；电话：+862-3400-3596；传真：+852-2765-7198；E-mail：bellu@polyu.edu.hk
摘要：研究香港3种典型商用建筑(写字楼、酒店及商场)中的空调负荷组成及特性，并根据香港的天气状况，重点分析显热及潜热负荷的比例及变化规律。模拟及分析结果表明：冷负荷(显热)及除湿负荷(潜热)占商用建筑全年空调负荷中超过98%的份额。值得注意的是除湿负荷在总负荷中十分重要，特别是在酒店建筑中(约50%)。其次，在潜热负荷中，通风负荷占到很大的比例(全年平均值：酒店81.8%, 办公室67.5%)，而显热负荷的主要组成部分为房间负荷(全年平均值：酒店67.3%, 办公室87.8%)。由于香港商用建筑中的潜热负荷比例较高，导致全年中需要再热的时间很长(相对湿度设定点54%的情况下，全年有60%~90%的时间需要再热)。因此，传统冷却除湿的空调系统并不适用于香港商用建筑，而采用可将潜热和显热负荷分开处理的温湿度独立处理空调系统则会产生较好的效果。根据典型日的负荷分析可知，这一新系统的引入对于酒店建筑中的节能及环境改善效果是最为明显的。
