高層辦公建筑空調(diào)設計冷負荷與全年耗冷量模擬分析

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摘要：以不同的氣候條件、不同的新風方式、分內(nèi)外區(qū)與否為三類基本不同條件，用正交表安排剩余因素并用DOE-2軟件進行模擬計算，得出高層辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)設計冷負荷與全年耗冷量的統(tǒng)計估算指標：哈爾濱、北京、上海三城市的設計冷負荷統(tǒng)計估算值分別為138.3W/m2,143.9W/m2,161.4W/m2；焓控新風方式下全年耗冷量統(tǒng)計估算值分別為79.5kWh/(m2a)，114.5kWh/(m2a)，134.0kWh/(m2a)。分內(nèi)外區(qū)設置空調(diào)系統(tǒng)及采用焓控新風方式最為節(jié)能。關鍵詞：高層辦公建筑設計冷負荷全年耗冷量模擬分析新風方式內(nèi)外區(qū)0引言現(xiàn)代高層辦公樓在某些方面有許多不同于傳統(tǒng)建筑的特點：窗面積與外墻面積的比值高；使用新型的墻體材料與玻璃；內(nèi)部照明、設備的散熱量大；一般有周邊區(qū)與內(nèi)區(qū)之分等。這些都影響著空調(diào)負荷的大小和特性。高層辦公建筑最常見的平面布局為中央型核心式布局[1]（核心式是指把樓梯間、電梯間及前室、衛(wèi)生間、開水間等這些交通樞紐和必要的公共服務房間集中到一起；中央型是指核心部位位于標準層的中部），本文運用建筑能耗分析軟件DOE-2[2]對哈爾濱、北京、上海（可代表三個建筑熱工分區(qū)）三城市的此類高層辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)設計冷負荷與全年耗冷量進行模擬與分析。考慮到高層建筑的主體是標準層，本文近似建筑的各層功能與辦公標準層相同。1模擬方案設計1.1基本條件城市不同（代表不同的建筑熱工分區(qū)）、過渡季新風方式不同（對過渡季負荷產(chǎn)生重大影響），設計冷負荷與全年耗冷量的計算結果就會不同。故將以不同的城市、不同的過渡季新風方式為兩類基本不同條件。為簡化起見，只研究標準層形狀為方形的情形，標準層方位取正S-N或正E-W。當標準層面積較大時，把標準層分為四周型外區(qū)與內(nèi)區(qū)，內(nèi)外區(qū)分用兩套空調(diào)系統(tǒng)；當標準層面積較小時不分內(nèi)外區(qū)、只用一套空調(diào)系統(tǒng)。是否分區(qū)也作為一類基本不同條件提出來。

1.2正交表安排與水平取值由于正交試驗方法[3]具有優(yōu)選安排模擬、減少模擬次數(shù)、簡化分析過程、提高分析可靠性等優(yōu)點，本文將用其來安排模擬試驗。在正交試驗中欲考察的因素稱為因子；每個因子在考察范圍內(nèi)分成若干個等級，將等級稱為水平，在正交表中用“1”、“2”等數(shù)字表示。剩下與負荷（直接地是與逐時負荷）有關的因素共11個：墻類型、窗類型、室溫、人員密度、燈光散熱、設備散熱、新風指標、層高、窗墻比、標準層面積、進深（分內(nèi)外區(qū)時）。本文取各因子等水平數(shù)2。因為不作方差分析，故不考慮交互作用，各單因子安排可隨機。正交試驗安排及水平取值見表1、表2。表1正交模擬安排L12(211)試驗號墻類型窗類型室內(nèi)溫度人員密度燈光散熱設備散熱新風指標層高窗墻比標準層面積進深1234567891011111111111111211111222222311222111222412122122112512212212121612221221211721221122121821212221112921122212211102221111221211221212111221222112121221注：分內(nèi)外區(qū)（大標準層面積）時完全套用本表；不分內(nèi)外區(qū)（小標準層面積）時無進深，第11列置空。表2正交模擬因子與其他因素取值因子水平1水平2墻類型哈爾濱300mm厚頁巖陶?？招钠鰤K，外貼120厚實心磚，K=0.83W/(m2·K)300mm厚頁巖陶?？招钠鰤K，K=1.03W/(m2·K)北京300mm厚頁巖陶?？招钠鰤K，K=1.03W/(m2·K)200mm厚加氣混凝土，K=1.36W/(m2·K)上海200mm厚KM非承重空心磚，孔隙率25%，K=1.67W/(m2·K)240mm厚KP承重多孔磚，孔隙率25%,K=1.91W/(m2·K)窗類型哈爾濱北京5F+12A+5L,K=1.96W/(m2·K),Cs=0.625F+12A+5F,K=3.09W/(m2·K),Cs=0.78上海10mm鍍膜熱反射玻璃，K=5.45W/(m2·K)，Cs=0.496mm透明浮法玻璃，K=5.78W/(m2·K)，Cs=0.89夏季設計室溫(℃)2427人員密度(p/m2)0.250.125燈光散熱(W/m2)2030設備散熱(W/m2)2040新風指標(m3/p·h)1730層高(m)3.24窗墻比(%)0.30.6標準層面積(m2)分內(nèi)外區(qū)14002000不分內(nèi)外區(qū)8001400進深(m)46其他因素取值標準層長寬比1:1標準層方位N-S或W-E非空調(diào)面積比占整個標準層面積的25%，位于核心區(qū)窗內(nèi)外遮陽無冬季設計室溫(℃)20注：5F+12A+5L表示雙層中空玻璃，外層是5mm厚浮法玻璃，內(nèi)層是5mm低輻射玻璃，中間是12mm的空氣層；Cs是玻璃的遮擋系數(shù)表2中各因子（窗墻類型除外）兩水平取其常見取值范圍的兩端值；窗墻類型取不同城市各自較常用、較具代表性的兩種，“1”水平較“2”水平節(jié)能。由于已經(jīng)有了三類基本不同條件：不同城市（哈爾濱、北京、上海）、不同新風方式（定新風、焓控新風、溫控新風）、內(nèi)外是否分區(qū)（內(nèi)區(qū)、外區(qū)）；又每次正交表需進行12次模擬，故一共要進行3×3×2×12=216次模擬，得出216組全年逐時冷負荷供處理成設計冷負荷與全年耗冷量等。1.3系統(tǒng)及相關參數(shù)的選定本文的模擬與分析針對普通集中式定風量一次回風空調(diào)系統(tǒng)進行。對于高層辦公建筑這樣的舒適性空調(diào)，該系統(tǒng)一般采取變露點送風（保證室內(nèi)干球溫度控制精度而不保證室內(nèi)相對濕度）的方法來適應熱濕負荷的變化?？紤]到冷水機組的冷凍水的溫度一般為7/12℃，簡化地設定空調(diào)系統(tǒng)最小允許送風溫度為14℃?？照{(diào)系統(tǒng)開機時間為非節(jié)假日的8:00~18:00。2模擬結果報表空調(diào)系統(tǒng)模擬結果見表3至表5。表中還給出了參考用理論峰值冷負荷。實際設計冷負荷首先按理論峰值冷負荷的90%取，若在此條件下，全年不保證時數(shù)超過50小時，則按全年不保證50小時取[4]。全年耗冷量是對應實際設計冷負荷的統(tǒng)計值，同時還統(tǒng)計出了空調(diào)系統(tǒng)全年的需供冷小時數(shù)。表3哈爾濱分內(nèi)外區(qū)/不分內(nèi)外區(qū)空調(diào)系統(tǒng)模擬結果試驗號全年耗冷量實際設計冷負荷理論峰值冷負荷供冷時數(shù)（kWh/·m2·a）（W/m2）（W/m2）（h/a）定新風焓控新風溫控新風各種新風方式各種新風方式定新風焓控新風溫控新風1104/10669/7472/77118.0/124.5131.1/138.32383/16181197/10851197/10852143/150102/108106/113181.1/188.8201.2/209.81815/16051197/10871197/10873120/11760/6467/7199.6/105.2110.7/116.42610/19421198/10531198/10534108/11172/7876/83119.2/128.8132.4/143.12580/15561198/10461198/10465154/14180/8387/91142.2/146.2158.0/162.52610/17421198/10671198/10676131/13274/8180/90134.3/147.4149.2/163.72610/15521198/9781198/978773/7348/5051/5494.6/98.4105.2/109.32095/14601198/10081198/10088120/12382/8487/90161.2/167.0179.1/185.51866/15501198/10741198/10749185/18197/106104/115137.6/151.3152.0/168.12610/20661197/10671197/106710117/12873/8178/87144.9/162.0161.0/180.02220/14461198/9411198/94111135/12873/7678/81105.8/109.4116.2/120.52610/20561197/10891197/108912124/13192/9895/102171.7/180.3190.8/200.31689/15311198/10691198/1069平均126/12777/8282/88134.2/142.4148.9/158.12308/16771198/10471198/1047表4北京分內(nèi)外區(qū)/不分內(nèi)外區(qū)空調(diào)系統(tǒng)模擬結果試驗號全年耗冷量實際設計冷負荷理論峰值冷負荷供冷時數(shù)（kWh/·m2·a）（W/m2）（W/m2）（h/a）定新風焓控新風溫控新風各種新風方式各種新風方式定新風焓控新風溫控新風1140/141101/107106/112122.7/129.8136.3/144.22610/20161506/13401506/13402195/204148/155153/161186.5/194.8207.2/216.42503/20601506/13561506/13563149/15387/9198/103103.1/108.7113.2/119.12610/23821512/12911512/12914141/144103/110108/115123.9/134.2137.6/149.12610/19031510/12861510/12865191/187119/123132/138146.7/151.5163.0/168.22610/22511512/12991512/12996165/170106/115117/127137.3/151.1152.6/167.92610/19611511/12191511/1219798/9771/7476/8199.6/104.5110.6/116.12596/16891512/12071512/12078165/166123/127134/138167.9/175.1186.5/194.62537/18251512/12861512/12869221/230132/143141/151143.5/159.1155.6/172.22610/23661506/13041506/130410151/162106/116113/123150.6/168.8167.3/187.52609/17041511/11421511/114211164/164102/106110/112111.8/115.8121.9/127.22610/23811505/13291505/132912169/179134/143138/146178.2/188.2198.0/209.12296/18551510/13081510/1308平均162/166111/118119/126139.3/148.5154.2/164.32568/20331509/12811509/1281表5上海分內(nèi)外區(qū)/不分內(nèi)外區(qū)空調(diào)系統(tǒng)模擬結果試驗號全年耗冷量實際設計冷負荷理論峰值冷負荷供冷時數(shù)（kWh/·m2·a）（W/m2）（W/m2）（h/a）定新風焓控新風溫控新風各種新風方式各種新風方式定新風焓控新風溫控新風1154/145124/126127/129139.3/147.5154.8/163.92610/17641737/13791737/13792207/201177/179181/183209.8/222.4233.1/247.12610/17311737/13741737/13743124/11090/89100/96107.8/113.3115.8/122.22610/16541738/12141738/12144154/153127/133131/137142.8/156.1158.7/172.32610/17611738/13391738/13395208/192148/148163/160164.8/173.0180.3/192.22610/20071738/13531738/13536169/159127/131138/138153.7/170.4168.5/184.32610/16691738/12111738/12117107/9485/8391/87110.5/118.2122.8/131.32610/14331738/11611738/11618187/178155/154165/162196.4/204.2218.2/226.92610/16931738/13191738/13199192/171139/143148/149148.5/163.8157.1/172.72610/18131737/13131737/131310155/157125/131132/137167.5/188.2184.2/204.72610/14761738/11141738/111411171/165123/125131/132123.0/128.8131.1/137.12610/22691737/14481737/144812204/204174/180177/183204.7/220.0227.4/244.52607/18101737/13951737/1395平均169/161133/135140/141155.7/167.2171.0/183.32610/17571738/13021738/1302表3~表5中的模擬結果可供統(tǒng)計分析，同時，還可供工程設計參考之用。將各城市分內(nèi)外區(qū)與否對應的兩個多算例的平均“設計冷負荷”再作平均，所得數(shù)值就是某城市的設計冷負荷的統(tǒng)計估算值，哈爾濱、北京、上海三城市分別為138.3W/m2，143.9W/m2，161.4W/m2。焓控新風方式下全年耗冷量統(tǒng)計估算值分別為79.5kWh/(m2·a)，114.5kWh/(m2·a)，134.0kWh/(m2·a)。需要指出的是：全年耗冷量、設計冷負荷、峰值冷負荷這三個指標是按單位空調(diào)面積給出的，若要改用單位建筑面積給出，由于本文設定的非空調(diào)面積比為25%，則以上三個指標都要乘以系數(shù)0.75。表中給出的各項指標是在理想的設定下得出的，實際運行管理中較少符合這種理想設定。具體應用時要根據(jù)專業(yè)知識對報表的有關指標酌情作一些變動。如模擬計算時，設定人員密度、照明散熱量、設備散熱量在工作時間內(nèi)不隨時間變化、保持穩(wěn)定，實際使用中是有較大變動的；模擬計算時設定100%使用空調(diào)面積，實際上空調(diào)空間的使用率（或出租率）不可能一直維持在100%；模擬計算時設定工作時間內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)總是開機，總是保證設定的最小新風量，實際使用中業(yè)主很可能為了減少運行費用而少開機、關小新風閥?？紤]到空調(diào)空間的出租率、空調(diào)系統(tǒng)的開機率這兩個影響較大的因素，一般來說模擬指標要作相應處理后應用。3模擬結果分析本文的正交試驗設計中，對于分內(nèi)外區(qū)與不分內(nèi)外區(qū)兩種情況，除了建筑面積不一致外，相同試驗號的其他共有因素的取值完全一致，故我們可對是否分內(nèi)外區(qū)的影響進行分析。同理我們也將對地區(qū)、新風方式對模擬結果的影響進行分析。剩下的影響負荷的11個因素是作為因子安排在正交表中的；這些因素各自的影響程度可通過設計更多次數(shù)的、且考慮交互作用的正交表來模擬計算，最后對模擬結果進行正交方差分析考察得出；限于篇幅，本文不作研究。

3.1分內(nèi)外區(qū)的影響由模擬結果可知，各城市分內(nèi)外區(qū)時的供冷時數(shù)都大于不分內(nèi)外區(qū)的數(shù)值，這是因為分內(nèi)外區(qū)設置空調(diào)系統(tǒng)時，當外區(qū)在過渡季已不需供冷時，內(nèi)區(qū)一般仍需較長時間的小負荷供冷。各城市不分內(nèi)外區(qū)的設計冷負荷（或峰值冷負荷）都大于分內(nèi)外區(qū)的數(shù)值，這是因為標準層面積較小的建筑不分內(nèi)外區(qū)，因此圍護結構負荷占總負荷的比例較大。各城市是否分內(nèi)外區(qū)時的全年耗冷量大小沒有規(guī)律。從耗冷量最小的焓控新風方式來看，分內(nèi)外區(qū)時的全年耗冷量總體上要少一些。3.2氣候條件的影響由于氣候條件的不同，3城市在相同試驗條件下得到的結果也不同，計算其之比（不同城市的供冷時數(shù)之比意義不大，不考慮），再把12個試驗的模擬結果之比作平均（不同于對表3~表5中列出的“平均”項再作有關比值處理，下同），所得的結果具有統(tǒng)計性、代表性，可使設計人員對城市（可代表不同建筑熱工分區(qū)）間差異有一個宏觀上的數(shù)量概念，見表6。表6不同城市空調(diào)系統(tǒng)模擬結果平均比值全年耗冷量之比設計冷負荷之比峰值冷負荷之比定新風焓控新風溫控新風各種新風方式各種新風方式分內(nèi)外區(qū)北京/哈爾濱129%145%145%104%104%上海/哈爾濱136%173%172%116%114%不分內(nèi)外區(qū)北京/哈爾濱132%144%143%104%104%上海/哈爾濱128%165%161%117%116%3.3新風方式的影響由模擬結果可知，各種新風方式下的設計冷負荷或峰值冷負荷是完全相同的。這是因為新風方式不同主要影響過渡季負荷，而設計冷負荷或峰值冷負荷一般都發(fā)生在最熱月。焓控和溫控兩種新風方式下的全年供冷時數(shù)幾乎完全相同，而且這兩種新風方式下的供冷時數(shù)都比定新風方式下的供冷時數(shù)少得多。與氣候條件的影響一樣，可求出不同新風方式下模擬結果平均比值，見表7。表7不同新風方式下模擬結果平均比值城市分內(nèi)外區(qū)空調(diào)系統(tǒng)不分內(nèi)外區(qū)空調(diào)系統(tǒng)全年耗冷量之比供冷時數(shù)之比全年耗冷量之比供冷時數(shù)之比焓/定溫/定焓/定溫/定焓/定溫/定焓/定溫/定哈爾濱61.7%65.6%53.2%53.2%64.9%69.7%63.2%63.2%北京68.6%73.5%58.9%58.9%70.9%75.9%63.7%63.6%上海78.4%82.9%66.6%66.6%84.1%87.8%74.6%74.5%注：“焓”、“溫”、“定”分別指“焓控新風”、“溫控新風”、“定新風”考察表7，可以進一步得出以下結論：①定新風方式下的全年耗冷量最大，而焓控新風要略小于溫控新風，說明焓控新風方式最為節(jié)能。②與不分內(nèi)外區(qū)相比，分內(nèi)外區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)在過渡季大量使用新風更能減少耗冷量與供冷時數(shù)。③采用焓控新風與溫控新風時，哈爾濱空調(diào)系統(tǒng)全年耗冷量、供冷時數(shù)減小得最多，而上海則最少。4結論本文對高層辦公建筑空調(diào)設計冷負荷與全年耗冷量等進行了模擬分析，得到了如下結論。①哈爾濱、北京、上海三城市的設計冷負荷統(tǒng)計估算值分別為138.3W/m2,143.9W/m2,161.4W/m2；焓控新風方式下全年耗冷量統(tǒng)計估算值分別為79.5kWh/(m2·a)，114.5kWh/(m2·a)，134.0kWh/(m2·a)。②分內(nèi)外區(qū)與采用不同的新風控制方式對設計冷負荷與全年耗冷量的影響是：

（a）分內(nèi)外區(qū)時供冷時數(shù)大于不分內(nèi)外區(qū)時的，設計冷負荷小于不分內(nèi)外區(qū)時

（b）定新風方式下全年耗冷量比全新風方式（焓控、溫控）時大很多；焓控新風方式最為節(jié)能；

（c）分內(nèi)外區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)在過渡季大量使用新風較不分內(nèi)外區(qū)系統(tǒng)更能減少耗冷量與供冷時數(shù)；

（d）與采用定新風相比，采用焓控新風與溫控新風時，在哈爾濱、北京、上海三城市中，哈爾濱空調(diào)系統(tǒng)全年耗冷量、供冷時數(shù)減小得最多，而上海則最少。

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