浙江大学建筑设计研究院有限公司 陈海俊 刁岳峰 孙 彪

0 引言

随着城市化进程的推进和城市商业配套的完善，大量商场类建筑不断建成投入使用。行业报告显示，截至2019年，我国的商场存量面积约4.2亿m2，近5年的平均增速为23%[1]。商场是典型的高能耗建筑，大中型商场的全年耗电量高达200～400 kW·h/(m2·a)，约为宾馆和办公楼类建筑的2倍[2-3]。在商场类建筑能耗中，空调能耗占比为50%～60%[4-5]。新风的引入对保证室内空气质量具有重要作用，同时新风负荷也是空调负荷的重要组成部分，商场新风负荷占空调总负荷的比例超过30%[6]。研究商场建筑的新风管理对建筑节能和保障室内空气质量都具有重要意义。

新风负荷是指由于引入室外空气而形成的负荷。由于引入新风可能导致空调冷负荷减小甚至使空调负荷由冷负荷转变为热负荷，因此实际的新风负荷并不简单等同于室内外空气比焓差与新风量的乘积，而是应根据维持室内温湿度环境的冷热需求与室内外空气比焓差的关系作判断。因此，新风负荷不能通过软件模拟直接得到。为了得到商场的实际新风负荷，本文研究根据商场实际运行情况建立了定新风模型，此外还建立了零新风模型作为对比。

1 模型介绍

模拟建筑为位于杭州地区的某单层商场。建筑长40 m、宽30 m、层高5 m，正北朝向，主要参数见表1。该商场营业时间为09：00—21：00。商场的人员在室率随营业时间的变化如图1所示。模拟气象参数采用杭州市典型气象年参数。空调采用水系统，冷热源为屋顶式空气源热泵，在标准工况下，其制冷和制热COP分别为3.37和3.48。根据新风设置的不同，划分为定新风和零新风2个模型。在定新风模型中，空调运行期间的新风量恒定不变，根据商场峰值人员密度设定为25 m3/(人·h)。零新风模型为定新风模型的对比模型，人均新风量设置为零，其他参数均与定新风模型一致。

表1 商场主要参数

图1 周末与非周末人员在室率

本文研究采用的能耗模拟软件为一款基于DOE-2基础开发的建筑能耗分析软件，该软件允许研究者进行典型气象年的建筑能耗模拟，可提供建筑物的逐时能耗数据，也可以用来分析围护结构、空调系统、电器设备和照明对能耗的影响。

2 模拟结果及分析

2.1 模拟数据统计

在本文模拟数据分析中，选取“天”为时间统计单位，负荷和能耗均按单位面积“m2”进行统计。模拟计算得到的商场定新风模型及零新风模型的全年逐日空调负荷如图2所示，其中空调负荷的正值表示冷负荷，负值表示热负荷。

图2 商场逐日空调负荷

从图2可见，定新风模型一年中商场内存在冷负荷和热负荷2种情况，而零新风模型商场全年只存在冷负荷。引入新风不仅导致了空调系统负荷大小的变化，也使得冬季的空调冷热运行模式发生了转变，其他研究也证明了新风对空调负荷造成的影响[5]。

2.2 商场空调负荷分析

根据新风对空调系统负荷的影响特性，将全年的空调运行时段分为新风耗冷、新风节冷和新风耗热3种情况，分别表示引入新风增加空调冷负荷、引入新风降低空调冷负荷及引入新风导致空调从供冷模式转变为供热模式。由于全年的室外温度虽有明显的变化趋势，但也存在某些时段的反复和突变，因此其运行时段的划分并不十分严格。在图2中对3个时段作了大致划分：新风耗冷主要在6—9月，对应的室外空气平均比焓为58 kJ/kg以上；新风节冷分别分布在3月下旬至6月及10月至11月上旬，对应的室外空气平均比焓为25～62 kJ/kg；新风耗热主要在11月至次年3月，对应的室外空气平均比焓为5～46 kJ/kg。当室外空气平均比焓为58～62 kJ/kg时处在新风耗冷和新风节冷的过渡阶段；当室外空气平均比焓为25～46 kJ/kg时则处于新风节冷和新风耗热的过渡阶段。

在新风耗冷时段，定新风模型的逐日冷负荷均大于零新风模型的逐日冷负荷。此时室外新风的比焓高于室内空气的比焓，引入新风增大了室内空调冷负荷，增加的冷负荷就是常说的新风冷负荷。商场的新风耗冷时段主要集中在夏季，冷负荷高峰出现在6月28日，其值为226.0 W/m2，其中新风冷负荷为124.8 W/m2，占空调运行总负荷的55.2%。

随着室外空气比焓降低到低于室内空气比焓，商场空调系统的运行进入新风节冷时段。此时，空调仍处于供冷模式，但不同的是新风的引入降低了空调冷负荷，定新风模型的逐日冷负荷均小于零新风模型的逐日冷负荷。室外新风的比焓低于室内空气的比焓，引入的新风带走了室内余热，新风成为“免费冷源”，新风冷负荷为负值。在新风节冷时段，空调冷负荷降低明显，在某些时段甚至不需要空调制冷，节能效果显著。以11月7日为例，零新风模型的冷负荷为66.0 W/m2，而引入新风后，冷负荷降为9.5 W/m2。引入新风减少的冷负荷为56.5 W/m2，节冷率达85.6%。

由于商场内区占比大，又存在着人员和灯光等大量热源，因此零新风模型在冬季也需要供冷。当室外空气比焓进一步降低，商场通入设计额定新风量后，商场空调系统由供冷模式转变为供热模式，空调的运行进入新风耗热时段。在该时段零新风模型的冷负荷基本为50～100 W/m2。而定新风模型商场内的空调负荷转变为0～50 W/m2的热负荷。引入新风导致空调系统从供冷模式变成供热模式，而负荷的数值总体降低。在新风耗热时段，新风的节能性可以通过比较空调系统的耗电量做进一步的分析。

2.3 商场空调耗电量分析

采用空气源热泵作为冷热源的纯电空调系统可以通过比较空调耗电量来分析新风的节能性，商场全年的定新风模型和零新风模型的逐日空调用电负荷和耗电量分别见图3和图4。在新风耗冷区，空调系统处于制冷模式，新风引入增加了空调冷负荷，定新风模型的用电负荷大于零新风模型。经统计，全年新风耗冷的总天数为129 d，全年定新风模型的空调总耗电量为56.7 kW·h/m2，零新风模型的空调总耗电量为39.1 kW·h/m2。新风负荷的能耗为17.6 kW·h/m2，占总能耗的31.0%。在新风节冷时段，由于通入的低比焓室外新风带走的是室内的多余热量，空调系统虽仍处于制冷模式，但冷负荷相比零新风模型降低了，其能耗也降低了。全年的新风耗冷总天数为108 d，新风模型空调总耗电量为12.7 kW·h/m2，零新风模型的空调总耗电量为20.8 kW·h/m2。新风节省的电能为8.1 kW·h/m2，占总能耗的38.9%。在新风耗热时段，室外空气比焓进一步降低。低温的新风带走室内余热之外，还引入了热负荷，此时空调系统转换成制热模式。分析能耗情况，发现定新风模型在某些日期的耗电接近零，大幅低于零新风模型。同时也存在定新风模型某些日期的耗电量高于零新风模型。究其原因，通入室外的低比焓新风后，首先会抵消掉室内余热，然后才会转化成剩余热负荷。当室内剩余热负荷较小时，空调耗电量也会比较少，从而表现出定新风模型更节能。但是当室外空气比焓过低时，室内的热负荷就会增大，同时由于室外降温导致空气源热泵主机制热效率降低，两者的叠加影响使得空调系统的制热能耗大幅增加。冷热转换区的总天数为128 d，空调总耗电量为10.0 kW·h/m2，零新风模型下的空调耗电量为14.6 kW·h/m2。比较发现，引入新风仍相对节约了电能。在冷热转换区新风总共节约的电能为4.6 kW·h/m2，占空调总能耗的31.5%。

图3 商场逐日空调用电负荷

图4 空调耗电量

3 新风节能管理分析

研究空调新风对空调负荷影响的最终目的是为了管理新风，从而在保证人员舒适度的同时降低空调能耗。对新风的管理可以根据新风在不同时段的负荷特性来制定相应的措施。

在新风耗冷时段，新风负荷是空调负荷的重要组成部分，大幅增加了室内的空调负荷。通过控制新风送入量能达到显著的节能效果[7-8]。由于送入新风的作用是稀释室内空气中的污染物，降低室内CO2浓度，提高室内空气的舒适度，减少新风会增加室内污染的风险。因此，采取减少新风量措施时，需同时利用传感器监控室内CO2等污染物的浓度。当室内污染物浓度超过控制上限时，应及时通过控制风阀加大新风送入量。文献[9]介绍了通过监测室内CO2和TVOC实现新风控制的方法。新风带入的冷负荷由空调主机承担，建筑节能要以保证人员呼吸健康作为前提。通过对新风送入量的合理控制，达到节能和健康两者的平衡。

在新风节冷时段，引入新风能够降低空调冷负荷，新风是商场的“免费冷源”。在这个时段，新风节能的措施应当是通过加大新风量来带走更多的室内余热。由于室外空气比焓低于室内空气比焓，理想情况下只要送入足够的新风就可以满足室内的供冷需求，空调主机不需工作。但在实际运行过程中，新风也不可能无限量送入。在节约空调冷量的同时也需要比较风机能耗[10]及满足室内气流组织的舒适度要求。当新风量达到设计上限后，需要开启空调主机为商场供冷。

在新风耗热时段，室外空气比焓进一步降低。当商场内按照设计送入额定新风量时，空调需要运行制热来抵消新风带入的冷量。因此，减少新风量能够减少空调能耗。此时段的新风节能管理也需要减少新风量。理想情况下通过减少新风量可以达到余热平衡，空调主机无需开启。但与新风耗冷时段一样，减少新风量会提高室内污染物浓度，在运行过程中也需要监控室内CO2等污染物的浓度，并利用新风进行控制。不同的是空调主机需要开启制热模式。

4 结语

本文通过能耗模拟软件建立了杭州地区的商场模型并进行了全年空调负荷及耗电量模拟。通过对模拟数据的统计和定量分析，揭示了新风对商场空调负荷及耗电量的影响规律。根据新风在空调系统运行中所起的不同作用，将全年的空调运行时段划分为新风耗冷、新风节冷和新风耗热。新风耗冷时段的室外空气平均比焓大于58 kJ/kg，新风节冷时段的室外空气平均比焓为25～62 kJ/kg，而新风耗热时段的室外空气平均比焓为5～46 kJ/kg，比焓的数值重叠部分为相邻时段的过渡阶段。通过划分时段进行分析，可以更加明确地认识到新风在全年度里对空调系统的影响，也只有在此基础上才能采取更有针对性的新风控制措施来实现空调节能和人员呼吸健康的平衡。该方法适用于其他商场及其他类型的建筑。