２０１０年第１ｏ期 总第１４８期 Ｎｏｌ０・２ＯｌＯ ＶＯ１．１４８ 冬季空调间歇运行室内温度特性及 节能潜力的理论与实验研究 李茹 （西北核技术研究所７１００２４） 摘要：本文通过对冬季空调房间空调开关机过程试验得到的室内环境温度数据进行分析，建立了温度变化的理论模型，分析结 果表明，房间内气温随时间呈指数规律变化，且时间越长，室内温度越趋于稳定。通过对开关机过程中室内ＰＭＶ值进行计算，在 对人体热舒适影响不大的条件下，得到了试验房间空调间歇运行较佳的启停时间组合方式，与常规连续运行方式相比节能潜力最 高可达４Ｏ 。 关键词：间歇运行．Ｕ Ｆ 热舒适节能潜力 文献标识码：Ａ 文章编号：１０Ｏ４—６１３５（２０１０）１Ｏ—Ｏ０９８一Ｏ３ 中图分类号：ＴＵ８３１．３ 福帅 Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｎ ｒｏｏｍ ｉｎ ｗｉｎｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ 建 ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ ｂｙ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ｌｉ Ｒｕ 建 、 （Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ７１００２４） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｔａｒｔ—ｓｔｏｐ ｔｅｓｔｉｎｇ ｉｎ ｒｏｏｍ ｉｎ ｗｉｎｔｅｒ．ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄａｔａ ｉｎ ｒｏｏｍ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｈａｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｈａｎ— ｇｅｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｍｏｄｅ１．ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ ｃｈａｎｇｉｎｇ－ａｎｄ ｔｉｍｅ ｌｏｎｇｅｒ－ｔｈｅ 筑眦吼 ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｏｒｅ ｓｔａｂｌｅ．ＰＭＶ ｖａｌｕｅｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｔａｒｔ—ｓｔｏｐ ｐｒｏｃｅｓｓ Ｉ ｉｎ ｌｉｔｔｌｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｍｆｏｒｔ， ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｔｅｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｂｅｔｔｅｒ ｔｉｍｅ ｏｆ ｉｎｔｅｒｖａｌ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｂｙ ａｉｒ－－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ。ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ ｕｐ ｔＯ ４０ ｃｏｍ— ｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｍｆｏｒｔ Ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ １前言 随着经济的发展，人民生活水平的不断提高，建筑能耗在 总能耗中所占比例也越来越大，建筑节能已成为节能工作的重 要环节。建筑节能方法主要可以分为措施节能和使用高性能 没备节能。措施节能包括一是采用保温节能材料；二是加强对 建筑设备节能运行的管理。对于已建成的非节能建筑由于其 围护结构、门窗形式、窗墙比、建筑形体系数等都已确定，所以 其节能方法主要应从加强对冷热源设备节能运行控制的研究 人手。本文针对空调房间的间断运行在冬季做了空调启停机 试验，以求找到在对人体热舒适影响不大的条件下，空调间歇 运行的最佳方案和节能效果。 连。建筑热工数据采集仪采集到的各测点的温度数据最终被 输入电脑进行存储处理。同时还使用红外线测温仪测量房间 围护结构的温度变化，使用人工智能环境测试仪来测量室内外 空气温度及空气流速的变化，以上两仪器测量所的数据用来对 建筑热工数据采集仪的数据进行补充或校验。试验房间的散 热设备为照明灯具和一台电脑，照明灯具的散热量为３６０Ｗ， 电脑消耗功率为８０Ｗ。房间的热源为两台额定供热功率为 ４２００Ｗ的分体式壁挂空调。 ３实验结果 图１和图２分别给出了２日和３日空调开机后房间围护 结构表面和空气温度的变化规律，从图中可以发现房间内的空 气温度在空调开机后上升最快，图１中空气温度在空调开机后 １５ｍｉｎ左右上升了１Ｏ℃，２５ｍｉｎ后空气温度稳定在２５℃左右， 图２空气温度变化趋势与图１基本相同。房间维护结构的温 度变化与空气温度变化相比比较平缓。开机后围护结构的温 度开始缓慢上升，并且在开机２５ｍｉｎ后达到稳定状态。顶梁温 度最终稳定在２１℃左右，而北墙内表面温度最终稳定在ｌ９℃ 左右，顶梁和北墙最终稳定温度不同，是因为北墙被木制文件 柜所覆盖，热电偶所测温度为文件柜表面温度，而顶梁为砂浆 表面，两者的热容量不同。在测量的过程中地面温度变化很 小，只是有微小上升。 图３和图４给出了２日和３日所做关机试验过程中房间 的围护结构内表面温度和室内空气温度的变化规律。由图中 试验数据可以发现关机后室内空气温度下降迅速，在１５ｍｉｎ内 两次关机所测温度降幅都达到１Ｏ℃，而围护结构的温度下降 ２实验方法与过程 ２０１０年１月２日和３日，在单位某一空调房间办公室做 了空调开机和关机的实验。实验房间位于一幢五层建筑的第 层，房间的东侧和南侧与室外相邻，房间北侧为内走廊，西侧 与一个非空调房间相邻。试验房间长９．６ｍ（长）×６．３ｍ（宽） 一×３．５ｍ（净高）。南墙上装有３个单层铝合金推拉窗，窗子面 积为（２．０５×２．３５）ｎｆ，北墙与东墙内侧被自地面至楼板的厚为 ０．４５ｍ的木质档案柜所覆盖。 试验房间一共布置了１６支铜一康铜热电偶（编号１０１～ １１６）来测量空调房间环境温度及室外环境温度，试验前对热电 偶进行了标定。１６支热电偶并与一台建筑热工数据采集仪相 作者简介：李茹，女，１９８０年出生，工程师。 收稿只期：２Ｏ１０一Ｏ８一ｌ１ 没有空气温度下降显著。这是由于围护结构的热容量大于空 气热容量。最终稳定时空气温度处于顶梁温度和北墙温度之 间，而地面温度并无显著变化。 从上述开关机室内温度变化曲线可以发现，室内环境温度 ２０１０年１Ｏ期总第１４８期 李茹・冬季空调间歇运行室内温度特性及节能潜力的理论与实验研究 嬲 图１开机后房间内温度随时间的变化规律（２目） ３号开机温度变化曲线 三◆◆◆◆◆◆◆ ◆ ： －■－－■■－ 一 ▲▲▲▲▲▲▲ ▲ ）Ｏ（Ｘ Ｘ Ｘ× ×× × × ｉ０～ ２０ ４０ ６ｌｎ ８０ ◆窄气温度一ＩＥ墙温度▲顶梁温度Ｘ地面温度 图２开机后房间内温度随时间的变化规律（３日】 图３关机后房间内温度随时问的变化规律（２日） 遵循着一定的规律变化，并且不同时间的开关机温度变化规律 在总体趋势上具有较好的重复性。 ４理论分析结果与实验的的比较 ４．１理论分析结果 房间内空气温度变化规律是房间在各种外扰、内扰及建筑 围护结构的热工特性等因素综合作用下的必然结果。外扰主 要包括室外气候参数如室外空气温度、太阳辐射、风速及邻室 温度；内扰则主要是室内设备、照明、人员通风等热湿源和空调 冷热源等。通常情况下，房间内的空气温度变化受房间空调制 冷量（或供热量）、围护结构传热、通过玻璃直接进入的太阳辐 射、通风与空气渗透得热、室内人员散热、设备散热、照明散热 传热等因素影响 ］。在任一时刻房间内空气总净得热量为： Ｑ（ｒ）＝Ｑ ＋ ＋Ｏ＿ｐ＋Ｏ＿Ａ＋ＱＦ＋（ 一Ｑ （１） 式中Ｑ（ｒ）为房间空气净得热量，Ｑ 为通过房间围护结 加 Ｈ 图４关机后房间内温度随时间的变化规律（３日） 构传人的热量，（ 为通过玻璃窗直接传人的太阳辐射热量， ＱＰ为人体散热量， 是通过门窗从室外渗透空气带入的热量， 是室内设备散热量，ＱＳ为照明设备的散热量，Ｑ０为空调设 备从房间去除的热量，制冷量为“一”，采暖时的供热量为“＋”。 在时间间隔出内，室内空气温升 ，其净得热量满足： Ｖ 一（Ｑ ＋Ｑ ＋Ｑ ＋ＱＡ＋Ｏ＿Ｅ＋Ｑ）ｄｒ／Ａ￣ｏｄｒ （２） 本次试验由于当时阴天太阳辐射强度十分的弱，室内空气 通过辐射方式得热（ 可以忽略不计。室内空气与人体之问 的换热量与室内人数及室内人员的活动情况有关，试验过程中 室内人数为两人，活动形式为静坐，ＱＰ可以忽略。室内空气与 渗入冷风之间的换热量是受风压和热压综合作用的影响，根据 文献，建筑物低于５层的部分可以忽略热压的影响［２］。当时室 外风速很小所以风压作用也可以忽略， 可以忽略。试验房 间的散热设备为照明灯具，照明灯具的散热量可以取为 ３６０Ｗ。房间的热源为两台供热功率为４２００Ｗ的分体式壁挂 空调。因此室内空气的热平衡方程可以简化为： Ｑ（ｒ）一Ｑ ＋ ＋Ｑ （３） 根据传热学方程式有： Ｑ 一∑ＦＪ忌 Ｉｔ（ｖ）一 ］ （４） ｄ （ｒ）一 Ｖ （５） 所以ｐｃＶ芋＝Ｑ＋Ｏｏ～∑Ｆｉｋ Ｉｔ（ｒ）一 ］ （６） 根据边界条件解上述微分方程可以得到室内温度随时间 变化的理论模型， 含一（百一（含一ｔ百一）ｏ） 啮 ｃ ＂ 模型中Ａ一 Ｂ一至 ｌ。‘ｙ 在理论推导中得到的温度随时间变化的方程中，詈可以 作为建筑物特征温度，表示的是当时间趋于无穷时，即关（开） 机时间无限长时间后，室内空气的最终温度。当ｒ＝Ｏ时，房间 内空气温度为ｔ＝ｔ。，得到房间内空气温度随时间的变化规律 如下： ｆ＝ 一（ 一如） 一既 （８） （８）式反应了房间在内扰、外扰、围护结构热工特性及空调 制冷量（或供热量）等因素的综合作用下，房间内空气温度随时 间变化的规律。从（８）式可以发现，当ｒ一。。（或ｒ是足够大 时），ｔ＝ｔ。。，我们把ｔ。。称为房间稳态时的特征温度。从（８）式 还可以看出，Ｂ一定时，室内空气无因次温度的变化速度的绝 对值随着时间的增大而降低，当ｒ一０时，ｄｔ／ｄｒ＝一Ｂ，房间Ｂ 值越大，初始时刻的温度变化速度越大，且随时间的衰变速度越 大，趋于稳定的时间越短，因此Ｂ被定义为房间的温变指数。 ４．１理论分析与实验结果的比较 理论方程（８）中的ｔ。。和Ｂ值可由实验所测定的数据求得， ２０１０年１Ｏ期总第１４８期 李茹・冬季空调间歇运行室内温度特性及节能潜力的理论与实验研究 针对试验房间由实验所测定的数据得到了室内温度随时间的 变化规律： 开机（２日） ￡一２４．８－－（２４．８一 ）Ｐ 关机（３日） ｆ一１４．７５＋（ 一１４．７５）ｅ （９） （１ｏ） 行过程中，虽然室内空气温度变化相对幅度较大，但房间内表 面温度变化变化较为平缓．对房间内人员的舒适性影响不十分 明显。在空调停启过程中房间空气温度在２３．５℃到１５℃之问 变化。图８是根据图７中的房间停启过程室内空气温度的实 图５冬季房间空调开机时温度变化规律理论与实验比较 图６冬季房间空调关机时温度变化规律理论与实验比较 图５给出了２日和３日开机时房间空气均温的验数据与 理论预测曲线的比较。图６给出了２日和３日两次关机时，房 间内空气温度的实验数据与理论预测曲线的比较。 ５间断运行时房间的舒适性与节能潜力研究 空调的间歇起停节能的前提条件是对人体热舒适的影响 不大。现行的热舒适国际标准是以Ｆａｎｇｅｒ教授建立的热舒适 模型为标准，用ＰＭＶ（Ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ Ｍｅａｎ Ｖｏｔｅ）作为热舒适的评 价‘ 。 根据Ｆａｎｇｅｒ教授建立的热舒适模型，在人体热负荷的计 算中考虑了以下几项内容①人体能量代谢率（Ｍ）②人体所做 的机械功（ｗ）③人体外表面向周围环境通过对流形式散发的 热量（ｃ）④人体外表面向周围环境通过辐射形式散发的热量 （Ｒ）⑤汗液蒸发和呼出水蒸气所带走的热量（Ｅ）。在稳定的环 境条件下，人体的热平衡方程表示为： Ｍ—Ｗ 一Ｃ—Ｒ—Ｅ一０ （１１） ＰＭＶ的计算公式为 ＰＭＶ＝［ｏ．３０３ｅｘｐ（－－０．０３６Ｍ）＋Ｏ．ｏ２７５］ＴＬ （１２） ＴＬ—Ｍ—ｗ～３．０５［５．７３３一Ｏ．００７（Ｍ－－Ｗ）一Ｐ。］一０．４２ （Ｍ—Ｗ一５６．１５）一１．７３×１０ Ｍ（５．８６７一Ｐ ）一０．００１４Ｍ（３４ ）一３．９６×１Ｏ ＾［（ ＋２７３） 一（ ＋２７３） ］一ｕ厂 ｈ （ 一 （１３） 式（１２）中人体负荷丁Ｌ的定义为人体产热量与假定人体 保持舒适条件下的平均皮肤温度和出汗造成的潜热散热时向 外界散出的热量之间的差值。 结合实验所测得的房间空气温度、房间内各围护结构及设 施表面温度等数据，即可计算ＰＭＶ值。进而找到房间空调间 歇运行较佳的启停时间组合方式。通过计算，得到在不影响实 验房问室内人体热舒适性的前提下，空调间歇运行的方案，停 机１２ｒａｉｎ，开机１８ｍｉｎ。 图７表示两个基本的房间停启过程室内空气温度随时间 变化的实验曲线。在停机过程中，空气温度下降；当达到某一 温度时，开启空调设备，室内空气温度上升，温度达到某一设定 值时，关闭空调设备，如此过程周而复始。实验表明，在间断运 验变化曲线和各围护结构及设施表面温度等数据，计算的 ＰＭＶ值随问断停启过程时间的变化曲线。从该图可以看出， 在空调停机过程中房间的ＰＭＶ值由０．３４８２６１下降到 ０．５２２９。开机过程中房间温度经过１８ｍｉｎ由１５℃回升到 ２３．５℃，而ＰＭＶ值也由一０．５２２９回升到０．３４８２６１。空调若 按此方式运行理论上可以比连续运行方式节能４Ｏ 。 ０ ｌ０ ２０ ３０ ｜０ —◆一 气温度 一＝ ＝＝＝＝＝＝＝—＝＝＝＝＝一—＝＝＝一一＝＝＝＝■＝ 图７间断运行室内空气温度随时间变化的实验曲线 ＋ＰＭＶ 图８ 间断运行室内ＰＭＶ随时间的变化曲线 ６结论 （１）通过对冬季空调房间四次空调开关机过程中室内空气 温度、各围护结构及设施表面温度的试验表明，实验所得到的 温度变化规律具有可重复性。 （２）对冬季空调房问空调开关机过程试验得到的室内环境 温度数据进行分析，建立了试验房间空调开关机的过程中室内 空气温度变化的理论模型，理论分析结果表明，房间内气温随 时间呈指数规律变化，且时间足够长时，室内温度趋于稳定，理 论分析表达式清晰地揭示了空调停启过程中室内温度的变化 规律。 （３）空调的间歇运行是一种十分有效的节能方案。通过对 实验数据的计算，在对人体热舒适影响不大的条件下，得到了 试验房间空调间歇运行较佳的启停时间组合方式，若按此方式 进行空调启停控制，与常规连续运行方式相比节能潜力最高可 达４Ｏ％。 参考文献 ［１］何天祺．供暖通风与空气调节［Ｊ］．重庆大学出版社， ２００２． Ｉ ［２］王砚玲．建筑构件对渗透风量及能耗的影响分析 ［Ｍ３．低温建筑技术，２００２（２）． ［３］金招芬，朱颖心．建筑环境学［Ｊ］．中国建筑工业出版 社，２００１．
