考虑城市热岛的夏季空调设计日修正方法及应用研究

作     者：尚力 

作者单位：西安建筑科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李红莲

授予年度：2023年

学科分类：080705[工学-制冷及低温工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：典型气象年 空气污染物 室外舒适度 室外空调设计参数 城市热岛 能耗模拟 

摘      要：近年来,城镇化和工业化迅速发展,大量人口从农村转移至城市,劳动力转移带来的经济发展成效显著,带动我国经济逐年稳定增长。同时城市问题随之暴露,一些城市规模扩张速度跟不上人口增加,基础设施建设速度跟不上需求增长,导致城市环境恶化,主要表现为城市热岛效应和空气污染。城市建筑增加能源消耗和浪费,而典型气象年(Typical Meteorological Year,TMY)是节能设计、改造和评估工作中基础的室外气象数据,目前典型气象年应考虑城市热岛效应和空气污染的影响。以往城市气象数据的研究关注准确性、地域性和覆盖面,而对于高能耗建筑的空调设备设计计算参数关注不足。为响应国家节能减排的号召,推动“碳中和和“碳达峰目标的实现,利用最新的气象数据和人工智能算法进行了以下三个方面的研究:(1)补充和扩展城市空间下TMY数据。通过分析气象要素和常见空气污染物之间的相关性,建立预测模型,补充和扩展了城市环境下的TMY数据,增加了6列空气污染相关数据,包括SO2、NO2、CO、O3、PM2.5和PM10浓度以及空气质量指数(Air Quality Index,AQI)。结合舒适度研究,补充形成了复合型居民舒适度评价指标OTPCD(Outdoor Thermal and Pollution Comfortable Degree),预测在未来4年内,舒适日天数将减少33%,并受到空气质量变化的影响,舒适日天数将逐年递减。(2)修正夏季室外空调设计日参数。选择逐时气象数据包括干球温度、湿球温度和风速,结合城市热岛强度,对夏季室外温度逐时变化系数β进行修正。通过分析气象要素之间的相关性和同时发生性,聚类并计算β,结合LSTM(Long Short Term Memory长短期记忆神经网络)模型预测β未来变化趋势。结果表明,修正后的β更符合当地实际气象情况。修正后的夏季设计日最高气温出现的时间和峰值都有所变化。(3)研究城市热岛区内医院建筑夏季冷负荷变化。利用建模软件对医院建筑进行简化建模分析,并设置各房间、各区域空调系统模拟计算运行参数,将修正后的夏季室外空调设计日参数输入空调模型,分析不同医院建筑在城市热岛效应影响下当下及未来夏季冷负荷的变化情况。研究表明,对于北京和上海地区的医院建筑,夏季空调设计日修正方法得到的空调冷负荷相较于之前规范中所对应的夏季冷负荷,更加准确地表征了当前及未来负荷的变化情况,为“碳达峰、“碳中和目标的实现提供了更准确的参考依据。