综述：建筑空调系统设计气象参数开发进展与挑战：文献综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Progress and challenges of the development of design weather parameters for building air-conditioning system: A literature review

空调系统设计需优化传统气候参数以减少能耗，研究提出基于多参数联合分布与特征分析的CDD框架，通过匹配室内热环境风险与室外气候数据提升负荷计算精度，案例显示CDD设计系统能实现节能30%以上并保证舒适度。

　　

敬人|方正正|张新超|邹全|陈友明

湖南大学土木工程学院，中国湖南省长沙市410082

摘要

在节能和减排的背景下，随着对公共卫生的日益关注，开发先进的设计气象参数对于设计能够降低能耗并维持良好室内环境的空调（AC）系统至关重要。传统的设计气象参数往往过于极端，导致设计冷却负荷被高估，从而使得空调系统规模过大，浪费能源。本研究全面分析了传统设计气象参数的固有局限性，并确定了确定合理设计气象参数的关键因素。由于传统方法中采用了不切实际的设计气象参数和室外非保证率，导致设计的空调系统能源性能不佳，偏离了设计目标。因此，本文提出了一种新的框架，该框架基于室外气象参数与室内冷却负荷之间的关联关系、气象参数的联合分布特性以及特征重要性分析，以提高设计气象参数的准确性。在此基础上，推导出了适用于不同房间类别的通用同时发生设计日（CDD），以适应工程应用。此外，还提出了一种基于决策链的CDD预测方法，用于大数据应用。通过CDD设计的空调系统实现了节能并保持了室内热舒适度。未来的研究旨在开发更加精细和灵活的CDD，以应对环境压力并提升能源效率。

引言

随着全球城市化进程的加速，能源需求和温室气体排放急剧增加，引发了严重的环境问题，包括全球变暖和极端天气事件[1]。特别是极端温度对全球公共卫生构成了广泛而紧迫的挑战。长时间暴露在极端高温下会对健康造成严重损害[2]。据研究表明，现有建筑约占全球初级能源消耗的40%和总二氧化碳排放量的38%[3]。为应对全球气候变化，到2050年能源相关的二氧化碳排放量必须减少75%，以实现《巴黎协定》将全球变暖控制在工业化前水平以上1.5°C的目标。中国必须实施更加强有力的政策和措施，在2030年前达到碳排放峰值，并力争在2060年前实现碳中和。根据最新统计数据显示[4]，中国建筑行业的能源消耗占全国总能源消耗的40%以上。公共建筑中空调（AC）系统的运行能耗占建筑总能耗的30%以上，相当于4.48亿吨煤当量，产生8亿吨二氧化碳。这表明空调系统在节能和减排方面具有重要作用。此外，空调系统可以有效防止极端高温对健康的危害[5]。因此，有必要在建筑空调系统中实施适应策略和节能改进，以应对未来的气候相关健康风险，并实现碳峰值和中和目标。由于空调系统设计从根本上决定了系统的容量，因此它对后续阶段的节能策略的制定、实施和效果有着重要影响。推广高效空调系统设计可以大幅降低能耗，同时提高运行性能并确保良好的室内环境。如表1所示，现有研究从不同角度回顾了空调系统设计，包括在气候变化影响下更新室外设计条件、为特定系统或应用场景开发节能设计策略，以及系统的自动和智能优化。这些研究主要集中在空调系统的选择、布局和设备选型上。与室外设计条件相关的研究仅限于根据气候变化调整设计气象数据。然而，设计气象参数在空调系统设计中的作用和重要性，以及其理论基础和当前应用情况尚未得到充分阐明。仍需要全面深入地研究设计气象参数，考虑基本数据集、关键标准和统计方法。这将为开发广泛适用的高级设计气象参数和提高空调系统能源效率提供方法论和技术指导。

设计气象参数对于计算设计冷却负荷至关重要。设计冷却负荷从根本上决定了空调系统在设计阶段的容量，并显著影响系统的经济性、利用效率和能源性能。然而，依赖传统设计气象参数通常会导致设计冷却负荷被高估，从而导致设备规模过大。这进一步引发了“四大过剩”问题[11]，包括冷却和加热设备的容量过大、水泵过大、终端设备过大以及管道过大。此外，还普遍存在“大马拉小车”现象和“三高三低”问题。“大马拉小车”现象指的是空调系统的设计容量远高于实际运行需求。“三高三低”问题则表现为投资和建设成本高、运行和维护成本高、能耗高，同时设备利用率低、系统能源效率低以及室内环境质量差。因此，迫切需要深入分析传统设计参数的不足之处。开发合理的设计气象参数已成为设计高效空调系统、实现高能源效率和适宜室内环境的关键方向。鉴于此，有必要探索全面和先进的理论和方法，以促进设计气象参数的进一步发展和广泛应用，从而推动高效空调系统的广泛实施，实现显著的节能和减排效果。

为了为设计气象数据提供理论基础和应用指导，本研究首先阐述了在空调系统设计中使用传统设计气象数据对系统能源性能的不利影响，并分析了传统设计气象数据的固有局限性。随后确定了确定合理设计气象数据的关键因素，并在此基础上建立了同时发生设计日（CDD）的全面理论和方法。最后，提出了CDD进一步发展的潜在挑战和研究重点。本研究的结构和关键要素如图1所示。

章节摘录

不准确的设计冷却负荷对空调系统能源性能的影响概述

空调系统设计的过度规模是由于设计冷却负荷计算不准确造成的。本研究系统地分析了不准确的设计冷却负荷对空调系统能源效率和性能的影响。

长期以来，设计冷却负荷被高估一直是建筑空调系统设计中的常见问题。因此，冷水机的设计容量通常高于实际的峰值冷却负荷。在中国和国外的许多建筑中，

传统设计气象数据的解释性分析

由于过大的设计冷却负荷会降低系统性能，而设计气象参数是计算设计冷却负荷的基本数据，因此本文对确定设计气象参数的统计方法及其不足之处进行了分析。

确定合理设计气象数据的关键因素

为了提高设计气象参数的适用性和合理性，统计理论和方法不断得到改进，如表3所示。已有研究基于室内热环境风险水平开发了确定设计气象参数的统计方法。吴等人[47]根据建筑热性能的不确定性，构建了气候设计条件与室内热环境风险水平之间的关联。

CDD的新理论和方法

提出CDD概念是为了提高设计气象参数的合理性，并确保设计冷却负荷计算的准确性。如图4所示，TDD是通过独立处理室外非保证率来手动构建的[29]。相比之下，CDD则是通过基于室内热环境风险水平和联合映射模型的多参数联合统计分析来确定的[54]。

未来研究和讨论

多年来，在设计气象数据的理论和确定方面取得了显著进展，但仍需进一步改进以应对潜在挑战（见图9）。新型设计气象参数CDD是基于多年室内冷却负荷确定的。冷却负荷主要由建筑围护结构的传热、太阳得热、内部得热和室外空气供应产生。

结论

日益加剧的环境压力以及节能和减排的迫切需求，代表了当前和未来的重大挑战。建筑空调系统已成为主要的能源消耗者，同时也是确保室内舒适度和健康的关键手段。然而，传统设计参数在空调系统设计中存在过时和局限性，导致系统性能不佳和能耗过高。传统设计参数的不足之处

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号52130802）的支持。