基于分區(qū)建模的大空間分層空調(diào)負(fù)荷隨分層高度變化的研究

黃晨　張會(huì)娟　白天宇

摘 要： 以某坡屋頂大空間建筑為研究對(duì)象，利用eQUEST軟件，提出了空調(diào)區(qū)和非空調(diào)區(qū)分區(qū)的建模方法，依據(jù)所建模型分析全室空調(diào)和不同分層高度時(shí)夏季分層空調(diào)峰值冷負(fù)荷特性.模擬結(jié)果表明，分層空調(diào)形式的負(fù)荷比全室空調(diào)的減少30%以上，夏季空調(diào)峰值負(fù)荷隨分層高度增加近似線性增加.比較模擬負(fù)荷與常規(guī)分層空調(diào)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者相對(duì)誤差小于3%，說(shuō)明基于動(dòng)態(tài)能耗模擬軟件分區(qū)模擬大空間分層空調(diào)負(fù)荷的方法合理.

關(guān)鍵詞： eQUEST軟件； 大空間建筑； 分層空調(diào)； 空調(diào)負(fù)荷； 分層高度

中圖分類(lèi)號(hào)： TP 392 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Research on the air conditioning load in large space under

different stratification height by partition modeling

HUANG Chen1， ZHANG Huijuan2， BAI Tianyu1

（1.School of Environment and Architecture， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093，

China； 2.City College of Science and Technology， Chongqing University， Chongqing 402167， China）

Abstract： Based on a large space building with sloping roof，the physical models were constructed using the eQUEST for the lower conditioned space and the upper unconditioned space individually.The models were used to simulate the summer cooling loads of the entire air conditioning and stratified air conditioning with different heights.The simulation results show that the stratified air conditioning can reduce the cooling load by more than 30%，compared with the entire air conditioning.And the increase of stratification height results in a linear increase of the peak values of the cooling load in summer.The relative error between the simulation results and the general stratified air conditioning load calculation results is below 3%.This shows that it is feasible to construct the lower and upper physical models separately for modeling the stratified air conditioning load in the large space based on energy consumption simulation software.

Keywords： eQUEST； large space building； stratified air conditioner； air conditioning load； stratification height

隨著我國(guó)城市化的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的大空間建筑不斷涌現(xiàn).大空間建筑由于高度高、體積大、人員居留區(qū)高度遠(yuǎn)低于室內(nèi)總高，空調(diào)能耗往往遠(yuǎn)大于實(shí)際居留區(qū)所需能耗，其空調(diào)系統(tǒng)具有初投資高和運(yùn)行能耗大的特點(diǎn)[1].目前大空間建筑僅占城鎮(zhèn)總建筑面積的5%～6%，但其用電量為100～300 kW · h · m-2 · a-1[2].分層空調(diào)作為適用于大空間建筑的一種特殊送風(fēng)形式，因其良好的舒適性和節(jié)能效果備受人們關(guān)注.分層空調(diào)是指僅對(duì)下部區(qū)域進(jìn)行空調(diào)，而對(duì)上部區(qū)域不空調(diào)的方式.與全室空調(diào)相比，夏季可節(jié)省冷量30%左右[3].

本文以某大空間建筑工程實(shí)訓(xùn)中心為研究對(duì)象，根據(jù)實(shí)際建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行情況，利用eQUEST（the Quick Energy Simulation Tool）動(dòng)態(tài)能耗模擬軟件建立物理模型.目前能耗軟件模擬整個(gè)房間時(shí)均以一個(gè)溫度的點(diǎn)狀態(tài)表示，無(wú)法反映大空間建筑室內(nèi)溫度分層特點(diǎn)，為此要將能耗模擬軟件應(yīng)用于大空間建筑負(fù)荷及其能耗分析，大空間建筑室內(nèi)的一室多溫便是能耗模擬軟件首先要研究的內(nèi)容.雖然利用eQUEST軟件模擬建筑能耗特性和探討建筑節(jié)能有很多成功案例[4-5]，但結(jié)合室內(nèi)溫度分層、采用一室多溫概念探討大空間建筑負(fù)荷則鮮有報(bào)道.本文嘗試?yán)胑QUEST能耗模擬軟件，提出按空調(diào)區(qū)和非空調(diào)區(qū)分區(qū)建模的方法，對(duì)不同分層高度的大空間建筑進(jìn)行負(fù)荷模擬，以對(duì)比分析全室空調(diào)、不同高度分層空調(diào)負(fù)荷特性.

1 物理建模及運(yùn)行工況

研究對(duì)象為由工業(yè)廠房改建的某工程實(shí)訓(xùn)中心，建筑面積2 685 m2，建筑墻體高9.6 m，雙坡屋頂，無(wú)天窗的坡屋頂最高處為11.9 m，有天窗的坡屋頂最高處為14.5 m，利用eQUEST軟件按實(shí)際建筑建立的建筑模型外觀如圖1所示.圖2為建筑平面簡(jiǎn)圖，圖中：實(shí)訓(xùn)中心西北區(qū)域數(shù)控機(jī)床區(qū)為空調(diào)區(qū)，建筑面積約515 m2；相鄰約1 350 m2的車(chē)工區(qū)為非空調(diào)區(qū)；實(shí)訓(xùn)中心東邊辦公室、南邊教室均設(shè)置分體式空調(diào)器.數(shù)控機(jī)床區(qū)用空調(diào)機(jī)房位于建筑東側(cè)，空調(diào)區(qū)東側(cè)采用上部噴嘴送風(fēng)，同側(cè)下部回風(fēng)，形成分層空調(diào)送風(fēng)方式.本文主要對(duì)數(shù)控機(jī)床區(qū)的大空間進(jìn)行夏季空調(diào)負(fù)荷模擬研究，不考慮其它房間的空調(diào)能耗，但物理模型以整個(gè)實(shí)訓(xùn)中心為對(duì)象.

數(shù)控機(jī)床區(qū)空調(diào)負(fù)荷主要由照明、設(shè)備、人員及圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷等組成.假定數(shù)控機(jī)床區(qū)采用一班制空調(diào)運(yùn)行模式，每天工作和空調(diào)運(yùn)行時(shí)段為8：00-17：00，周末和節(jié)假日不運(yùn)行，節(jié)假日設(shè)置采用2011年實(shí)際休息日數(shù)據(jù)，空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間采用上海世博會(huì)期間的相關(guān)參數(shù)[6]，具體如表2所示.并采用上海地區(qū)BIN氣象參數(shù)作為室外參數(shù).

2 分層空調(diào)與全室空調(diào)負(fù)荷對(duì)比分析 利用eQUEST軟件模擬空調(diào)供冷期逐時(shí)建筑負(fù)荷，可得到供冷期的峰值冷負(fù)荷.采用全室空調(diào)模型和分層空調(diào)模型分別模擬全室空調(diào)以及噴口高度為5.5 m的分層空調(diào)負(fù)荷，并選取峰值負(fù)荷進(jìn)行對(duì)比分析.除建筑物理模型不同外，其它條件（運(yùn)行時(shí)間、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、門(mén)窗大小、內(nèi)部熱源等）均相同.模擬結(jié)果為：全室空調(diào)的峰值冷負(fù)荷出現(xiàn)在7月14日16：00，分層空調(diào)的峰值冷負(fù)荷也出現(xiàn)在7月14日16：00.兩者夏季峰值冷負(fù)荷對(duì)比如表3所示，其中：

下降值為分層空調(diào)負(fù)荷比全室空調(diào)負(fù)荷減少的值；下降占比是指負(fù)荷各組成項(xiàng)的下降值占總冷負(fù)荷下降值的比例.從計(jì)算結(jié)果可知，分層空調(diào)與全室空調(diào)相比，滲透形成的冷負(fù)荷下降占比最大，依次下降較大的有窗日射得熱和窗傳熱形成的冷負(fù)荷、屋頂傳熱形成的冷負(fù)荷，最后是墻傳熱形成的冷負(fù)荷.其它門(mén)、照明、人員、設(shè)備負(fù)荷相等.

圖3為冷負(fù)荷下降占比柱狀圖.對(duì)比分層空調(diào)與全室空調(diào)，在夏季峰值冷負(fù)荷中，滲透負(fù)荷形成的下降占比最大，為65%，窗傳熱負(fù)荷的下降占比為14.3%，屋頂傳熱負(fù)荷下降占比為13.1%，墻傳熱負(fù)荷的下降占比最小，為7.6%.這是因?yàn)榉謱幽Ｐ椭?，建筑大部分滲透來(lái)自上部窗戶(hù)、建筑孔洞等，其滲透形成的負(fù)荷處于非空調(diào)區(qū)，故分層空調(diào)負(fù)荷中滲透冷負(fù)荷較小，滲透下降占比最大.窗、墻傳熱形成的負(fù)荷下降是由于分層空調(diào)模型分區(qū)后，部分窗、墻在上部非空調(diào)區(qū)，而上部圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷不直接計(jì)入空調(diào)區(qū)負(fù)荷.同時(shí)，分層模型中屋頂為非空調(diào)區(qū)，故沒(méi)有屋頂負(fù)荷.

基于負(fù)荷模擬結(jié)果，分層模型上部的非空調(diào)區(qū)對(duì)分層空調(diào)冷負(fù)荷有重要影響，決定上部非空調(diào)區(qū)范圍的分層高度是影響分層空調(diào)冷負(fù)荷的關(guān)鍵因素.

3 分層高度對(duì)夏季峰值冷負(fù)荷的影響分析 為研究分層模型不同分層高度對(duì)峰值冷負(fù)荷的影響，在其它條件不變的前提下，分別對(duì)4.0、5.5、6.0、7.0、8.2、9.0 m六種分層高度建立物理模型進(jìn)行負(fù)荷模擬，得到各分層高度下的峰值冷負(fù)荷和節(jié)能率，結(jié)果如圖4所示.從圖可知，夏季峰值冷負(fù)荷隨分層高度的增加而增大，其變化近似呈線性，即分層高度單位峰值冷負(fù)荷平均增加1.48 kW · m-1.相比于全室空調(diào)模型，分層空調(diào)模型節(jié)能率隨分層高度的增加呈下降趨勢(shì)，分層高度在4～9 m范圍內(nèi)，節(jié)能率可達(dá)31%～37%，大于30%，這與《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[3]中提出的分層空調(diào)與全室空調(diào)相比夏季可節(jié)省冷量約30%基本一致.

圖4 夏季峰值冷負(fù)荷和節(jié)能率隨分層高度的變化

Fig.4 The relationship between the peak value of

cooling load in summer and energysaving

rate with stratification

4 冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證 《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[3]中分層空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算式為

qcl=qlw+qln+qx+qf+qd

（1）

式中：qcl為空調(diào)區(qū)分層空調(diào)冷負(fù)荷，W；qlw為通過(guò)空調(diào)區(qū)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱形成的冷負(fù)荷，W；qln為空調(diào)區(qū)內(nèi)部熱源散熱形成的冷負(fù)荷，W；qx為空調(diào)區(qū)室外新風(fēng)或滲透風(fēng)形成的冷負(fù)荷，W；qf為非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)輻射熱轉(zhuǎn)移形成的冷負(fù)荷，W；qd為非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)對(duì)流熱轉(zhuǎn)移形成的冷負(fù)荷，W.

式（1）計(jì)算所得的分層空調(diào)負(fù)荷，是在空調(diào)區(qū)常規(guī)空調(diào)負(fù)荷（如圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷、室內(nèi)負(fù)荷、滲透負(fù)荷等）基礎(chǔ)上，增加了非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)轉(zhuǎn)移的輻射和對(duì)流熱轉(zhuǎn)移形成的冷負(fù)荷.其中：式（1）等號(hào)右邊前三項(xiàng)按全室空調(diào)常規(guī)冷負(fù)荷計(jì)算方法計(jì)算；輻射熱轉(zhuǎn)移冷負(fù)荷的計(jì)算方法是，首先計(jì)算非空調(diào)區(qū)各壁面向空調(diào)區(qū)地板的輻射熱轉(zhuǎn)移與透過(guò)非空調(diào)區(qū)玻璃窗被地板接受的日射得熱量之和，附加30%后作為非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)轉(zhuǎn)移的輻射熱，利用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得輻射轉(zhuǎn)移冷負(fù)荷；對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷則根據(jù)非空調(diào)區(qū)與空調(diào)區(qū)熱強(qiáng)度比及非空調(diào)區(qū)的排熱率查閱相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算獲得，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[3].根據(jù)式（1）計(jì)算7月14日16：00時(shí)不同分層高度下的冷負(fù)荷，并與eQUEST軟件分層物理模型的模擬結(jié)果對(duì)比，結(jié)果如圖5所示.

圖5 計(jì)算負(fù)荷與模擬負(fù)荷對(duì)比

Fig.5 The comparison of the loads between calculated

and simulation values

由圖5可知，軟件模擬結(jié)果與式（11）計(jì)算結(jié)果的最大相對(duì)誤差為2.7%.這說(shuō)明本文建立的大空間分層空調(diào)物理模型的模擬結(jié)果，與普遍認(rèn)可的《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[3]中分層空調(diào)負(fù)荷計(jì)算公式的結(jié)果非常接近.

5 結(jié) 論

本文采用空調(diào)區(qū)和非空調(diào)區(qū)分區(qū)的建模方法建立大空間建筑物理模型，以此分析全室空調(diào)和不同分層高度下分層空調(diào)的夏季峰值冷負(fù)荷特性.模擬結(jié)果表明，分層高度在4～9 m時(shí)，與全室空調(diào)相比，分層空調(diào)節(jié)能率可達(dá)31%～37%，夏季空調(diào)峰值負(fù)荷隨分層高度增加近似呈線性增加，分層高度每增加1 m，峰值負(fù)荷增加1.48 kW.比較模擬負(fù)荷計(jì)算結(jié)果與常規(guī)分層空調(diào)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果時(shí)發(fā)現(xiàn)，兩者極為吻合，相對(duì)誤差小于3%，說(shuō)明基于能耗模擬軟件分區(qū)模擬大空間分層空調(diào)負(fù)荷的方法合理.研究成果為今后利用軟件分析大空間建筑全年能耗提供了方法.

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