結(jié)合實例詳解空調(diào)負(fù)荷計算

魏華

摘 要：本論文是為了規(guī)范在實際項目中負(fù)荷計算的內(nèi)容和方法，強(qiáng)調(diào)負(fù)荷計算的重要性。目前，很多商業(yè)項目的前期負(fù)荷計算都是估算，使用到的方法基本有兩種：一種是房間換氣次數(shù)乘以該房間體積;另一種是根據(jù)房間的功能選取180W/㎡～300 W/㎡。為了保證能量充足，換氣次數(shù)和每平米的熱負(fù)荷往往取值偏大，最后造成的結(jié)果是設(shè)備選型過大，增大了項目成本，使用效果往往是過冷或過熱。與此同時也增大了系統(tǒng)噪音控制的成本。因此，本文通過“浮動賓館”的項目來說明，在冷熱雙效水源熱泵機(jī)組加風(fēng)機(jī)盤管的典型空調(diào)系統(tǒng)中，負(fù)荷計算的方法和步驟，系統(tǒng)風(fēng)量如何確定，新風(fēng)量如何確定，設(shè)備能量如何確定。

關(guān)鍵詞：中央空調(diào)系統(tǒng);空氣-水系統(tǒng);空氣-空氣系統(tǒng);新風(fēng)系統(tǒng);負(fù)荷計算;風(fēng)量確定;設(shè)備選型

引言：在建筑樓宇中央空調(diào)的實際使用過程中，夏季過冷，冬季制熱不足往往是被詬病的地方，追根究底是前期方案設(shè)計的時候，負(fù)荷計算沒有做好，因為設(shè)備的制冷制熱能力，甚至關(guān)鍵部件的品牌，在方案設(shè)計階段就定好，簽入技術(shù)協(xié)議中。后期設(shè)計做的再詳細(xì)，設(shè)備質(zhì)量做得再好，安裝工作做得再仔細(xì)都無法對前期負(fù)荷計算產(chǎn)生的偏差進(jìn)行彌補(bǔ)。其實關(guān)于空調(diào)負(fù)荷計算的方法，在《暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計手冊》和《空調(diào)設(shè)計規(guī)范》等空氣調(diào)節(jié)的指導(dǎo)性文件中有詳細(xì)的理論說明，但是缺少工程應(yīng)用實例。由于空調(diào)設(shè)備能量浪費的現(xiàn)象廣泛存在，本人在此就空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷計算的結(jié)合工程實例做一個說明，供廣大業(yè)內(nèi)人士參考，加深對設(shè)計手冊中相關(guān)公式的理解，并提出在空調(diào)系統(tǒng)方案設(shè)計階段不能依靠估算，空調(diào)方案的制定必須經(jīng)過詳細(xì)計算。

1項目背景

2019年，本人主持設(shè)計了一個“浮動賓館”的空調(diào)系統(tǒng)，該項目為框架結(jié)構(gòu)，其中包含了客房、酒吧及咖啡廳、餐廳、影劇院、兒童樂園、一帶一路展廳和高、低溫廚房，總建筑面積約500㎡?？照{(diào)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)按照五星級賓館的要求開展?？照{(diào)系統(tǒng)采用水-空氣處理系統(tǒng)。

夏季外部設(shè)計條件：干球溫度37℃，相對濕度φ = 70 %RH，房間內(nèi)能夠被冷卻到下列相應(yīng)需求：

內(nèi)部空氣干球溫度 24℃

相對濕度 50%

冬季外部設(shè)計條件：干球溫度-10℃，房間能夠被加熱到下列相應(yīng)需求：

內(nèi)部空氣干球溫度 24℃

為了保證室內(nèi)空氣的清潔度，給使用者提供一個舒適、滿意的工作和生活環(huán)境，根據(jù)《暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計手冊》，所有客房的人員新風(fēng)量按照30m3/h.p，靜態(tài)公共處所如會議室按照 30m3/h.p，動態(tài)公共處所如酒吧、餐廳、大堂、走廊等按照20m3/h.p進(jìn)行計算。

對于空調(diào)負(fù)荷變化大的房間，如廚房、儲藏室等處所不作上述溫度設(shè)計參數(shù)考核。

同時，房間換氣次數(shù)根據(jù)《設(shè)計手冊》按照如下表選?。?/p>

各場所每小時換氣次數(shù)

摘自《暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計手冊》第二章設(shè)計參數(shù)

明確了以上設(shè)計基礎(chǔ)參數(shù)之后，需要對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行劃分。

該項目空調(diào)系統(tǒng)采用以中央空調(diào)器和風(fēng)機(jī)盤管相配合的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計。每個空調(diào)機(jī)均配置過濾，制冷，制熱，加濕等空氣處理過程。空調(diào)加濕采用淡水加濕的形式，由控制系統(tǒng)自動控制加濕以滿足房間內(nèi)的設(shè)計參數(shù)。部分公共區(qū)域所使用的空調(diào)器內(nèi)通風(fēng)機(jī)為變頻控制，根據(jù)不同季節(jié)，不同人員的需求，將空調(diào)裝置的送風(fēng)量和送風(fēng)壓力進(jìn)行自動控制，提高空調(diào)系統(tǒng)的使用效率。

根據(jù)各房間所處的位置及其功能類型、環(huán)境要求、運(yùn)行時間，以及空調(diào)器與其服務(wù)房間相鄰近的原則，劃分為9個空調(diào)區(qū)域，中央空調(diào)系統(tǒng)分區(qū)如下：

客房區(qū)域：

這些區(qū)域采用風(fēng)機(jī)盤管加獨立新風(fēng)機(jī)組（AHU-A1/A2）的送風(fēng)方式。冷水機(jī)組提供為風(fēng)機(jī)盤管和新風(fēng)空調(diào)器提供7℃（夏季）冷媒水。新風(fēng)在新風(fēng)空調(diào)器中預(yù)處理（制冷或加熱），然后在風(fēng)機(jī)盤管中，新風(fēng)和艙室回風(fēng)混合，最后通過送風(fēng)管和布風(fēng)器或者格柵送入房間，每個風(fēng)機(jī)盤管可以根據(jù)實際需要相應(yīng)的調(diào)節(jié)風(fēng)量大小。

廚房：

為高溫廚房（AHU-D1）和低溫廚房（AHU-D2）提供兩個獨立的空調(diào)器，為廚房提供新風(fēng)，有手動和自動（50Pa負(fù)壓）控制。廚房將維持負(fù)壓以避免烹飪氣味通過走道進(jìn)入周邊環(huán)境。為了維持負(fù)壓，排風(fēng)機(jī)的靜壓應(yīng)大于送風(fēng)機(jī)的靜壓。

酒吧，咖啡廳，餐廳，劇場，會議廳，兒童樂園及大廳區(qū)域，分別由各自的獨立空調(diào)器提供處理過的冷風(fēng)或熱風(fēng)，通過送風(fēng)管和布風(fēng)器或者格柵送入各自場所，布風(fēng)器或格柵可以通過手動調(diào)節(jié)來滿足使用要求。

主梯道：

主梯道配置帶盤管的風(fēng)機(jī)（無回風(fēng)）。

明確了上述系統(tǒng)劃分之后就可以進(jìn)行負(fù)荷計算了。

2負(fù)荷計算

不同的空調(diào)系統(tǒng)劃分，計算方法略有不同，但基本原則是一致的。

空調(diào)區(qū)各房間冷熱負(fù)荷應(yīng)由太陽輻射熱量、各墻壁傳熱量、內(nèi)部散熱量（包括照明、設(shè)備散熱、人體散熱）和新風(fēng)負(fù)荷四大熱量的和組成，下面以本項目中的標(biāo)準(zhǔn)客房為例進(jìn)行說明：

⑴通過外窗進(jìn)入的太陽輻射熱量Q1：

公式：Q1=As×（hg×（t0-tn）+Cs×hc）

其中：

Q1：太陽輻射熱（W）

As：玻璃窗面積（㎡），本項目中的標(biāo)準(zhǔn)客房帶陽臺，陽臺門為落地玻璃窗推拉門，該落地窗門的面積為1.8㎡。

hg：玻璃窗傳熱系數(shù)（W/㎡·K），單層玻璃為6.5 W/㎡·K，雙層玻璃為3.5 W/㎡·K，本實例中的玻璃窗為雙層玻璃，取3.5 W/㎡·K。

t0：室外干球溫度（℃），本實例為37℃。

tn：室內(nèi)干球溫度（℃），本實例為24℃。

Cs：玻璃窗太陽輻射透熱率（W/㎡），單層普通玻璃為350 W/㎡，單層普通玻璃內(nèi)有單層遮陽設(shè)施時為240 W/㎡，雙層普通玻璃為300 W/㎡，雙層普通玻璃內(nèi)有單層遮陽設(shè)施時為210 W/㎡（這些數(shù)據(jù)是基于亞熱帶地區(qū)最高平均氣溫下一天中的最高溫度），本實例中的玻璃為單層玻璃內(nèi)有這樣窗簾，取210 W/㎡。

hc：遮蔽系數(shù)，本實例中，上層陽臺對本層玻璃窗門造成遮擋，遮蔽系數(shù)取0.7。

由此得出通過外窗進(jìn)入的太陽輻射熱量：

Q1=1.8×（3.5×（37-24）+210×0.7）=346.5W

在本實例中，酒吧及觀景咖啡廳四面玻璃面積約252㎡，太陽輻射量約為87066W。

⑵通過墻壁、頂面和地面?zhèn)魅氲臒崃縌2：

Q2=A2×h×△t

其中：

Q2：通過墻壁、頂面和地面?zhèn)魅氲臒崃縌2（W）

A2：各傳熱面面積（㎡）;

h：各傳熱面隔熱結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)（W/㎡·K），該浮動賓館外墻隔熱結(jié)構(gòu)為50mm巖棉，扶墻材25mm巖棉，內(nèi)壁25～30mm巖棉，隔壁隔熱結(jié)構(gòu)為50mm巖棉，總傳熱系數(shù)為0.9 W/㎡·K。頂和底的隔熱結(jié)構(gòu)為甲板50mm巖棉，梁25mm巖棉，天花板25～30mm巖棉，總傳熱系數(shù)為0.6 W/㎡？K（參考《輪機(jī)設(shè)計手冊》6.4.2.1）。

△t：傳熱溫差（℃），根據(jù)輪機(jī)設(shè)計手冊匯總按照下表選?。?/p>

其中，

居住區(qū)內(nèi)走道冬季溫度計算公式：

ROUNDUP（14+ t0/10+ROUNDUP（（tn -20）/1.3，0），0）;

非空調(diào)區(qū)劃冬季溫度計算公式：

ROUND （15+ t0/4-0.1，0）;

廚房冬季溫度計算公式：

ROUND （9.7007×EXP（0.0602×t0），0）;

備注：

ROUND （digital， number）函數(shù)返回一個數(shù)值，該數(shù)值按照四舍五入，number表示保留幾位小數(shù);

ROUNDUP（digital， number）為強(qiáng)制進(jìn)位函數(shù)，number表示保留幾位小數(shù);

EXP（digital）函數(shù)為edigital。

由此可以算出個通過各墻壁傳入或散失的熱量。詳見負(fù)荷計算匯總表。

⑶照明熱、設(shè)備熱和人體散熱量Q3：

照明熱通常取8W/㎡;設(shè)備通常只有機(jī)房，劇場根據(jù)實際功率確定;人體顯熱取70W/P，潛熱50W/P。

⑷新風(fēng)負(fù)荷Q4：

房間的新風(fēng)量既要滿足每人每小時新風(fēng)量的要求，又要滿足浴廁最小抽風(fēng)量的要求，在有新風(fēng)比要求的情況下，還要滿足房間新風(fēng)比的要求。在本實例中，客房每人每小時新風(fēng)量為30m3/人，浴廁最小抽風(fēng)量在規(guī)范中有明確規(guī)定，為了保證廁所異味的疏散，換氣次數(shù)不得小于15次/時，同時保證≥72m3/h的排氣量。在本實例中，客房采取的空調(diào)模式是風(fēng)機(jī)盤管加獨立新風(fēng)，也就是只送新風(fēng)，沒有回風(fēng)，所以不存在新風(fēng)比的概念（“新風(fēng)比”指的是新風(fēng)占送風(fēng)量的比例）。

因此，客房新風(fēng)量計算公式為： MAX（72，4×30）。此公式中浴廁最小抽風(fēng)量72m3/h往往被忽略，這就是為什么有的房間即使打開浴廁抽風(fēng)，依然有異味，是因為新風(fēng)量在前期計算的時候就不足，這時如果使用者通過開窗通風(fēng)的方式引入新風(fēng)，對此項目“浮動賓館”來說，由于處在水面環(huán)境上，引入的外界空氣不僅影響空調(diào)換熱，同時加劇了室內(nèi)潮濕，家具腐蝕。

備注：

MAX （digital1， digital2，…）函數(shù)返回一個最大值;

由此，房間負(fù)荷的四大組成部分的計算完成，詳見下表：

該項目有兩種空氣處理模式，其一客房等私人處所，為空氣-水系統(tǒng)，獨立新風(fēng)機(jī)組+立式風(fēng)機(jī)盤管的空調(diào)系統(tǒng)，獨立新風(fēng)機(jī)組的風(fēng)量即房間所需新風(fēng)量，取送風(fēng)溫差夏季10℃，冬季18℃，管道溫升2℃，新風(fēng)負(fù)荷為夏季將干球溫度37℃，相對濕度70%RH，焓值110.72Kj/Kg的新風(fēng)處理至露點（制冷盤管出風(fēng)工況），即干球溫度12℃，相對濕度95%RH，焓值33.25Kj/Kg所產(chǎn)生的負(fù)荷。冬季將干球溫度-10℃的新風(fēng)處理至42℃（制熱盤管出風(fēng)工況），新風(fēng)負(fù)荷如下：

夏季計算公式為：

Q（sens）=（t0-td）×V×1.2/3.6=（37-12）×120×1.2/3.6=1000W

Q（lant）=（h0-hd-（t0-td））×1.2×V/3.6=（110.72-33.25-（37-12）） ×1.2×120/3.6=2098.8W

td為露點溫度，hd為露點焓值;

所以夏季新風(fēng)負(fù)荷就是：Q（sens）+ Q（lant）=1000+2098.8≈3099W

冬季新風(fēng)潛熱不計，顯熱計算公式為：

Q（sens）=（t0-ts）×V×1.2/3.6=（-10-42）×120×1.2/3.6=2080W

ts為冬季盤管出風(fēng)溫度;

所以對客房來說，前述太陽輻射熱、熱傳導(dǎo)、室內(nèi)散熱量由風(fēng)機(jī)盤管來負(fù)擔(dān)，新風(fēng)空調(diào)箱來負(fù)擔(dān)。

其二，對于人員密集公共處所，空氣調(diào)節(jié)模式為空氣-空氣系統(tǒng)，采用空調(diào)箱加布風(fēng)器送風(fēng)，房間負(fù)荷的確定通客房計算方法相同，空調(diào)箱的負(fù)荷包含了太陽輻射熱、熱傳導(dǎo)、室內(nèi)散熱量和新風(fēng)負(fù)荷?？照{(diào)箱風(fēng)量V由顯熱決定，以劇場為例，計算方法如下：

V=Max（Q（sens）/0.336/△t， R×Vv， Vf/FA%）

V：空調(diào)箱風(fēng)量m3/h; （基本公式為Q（sens）=cp×ρV×△t）

Q（sens）：房間負(fù)荷顯熱加新風(fēng)顯熱;

△t：房間送風(fēng)溫差，此實例為10℃;

Cp：空氣定壓比熱容kj/（kg×℃）;

ρ：空氣密度kg/m3;

R：房間換氣次數(shù)，次/時

Vv：房間體積m3

Vf：新風(fēng)量m3/h

FA%：新風(fēng)比

0.336這個常數(shù)是空氣定壓比熱容和空氣密度的乘積，取空氣定壓比熱容為1.003kj/（kg×℃）=1.003/3.6=0.28Wh/（kg×℃）， 取空氣密度1.2kg/m3， 0.28×1.2=0.336 Wh/（kg×℃）。

將各房間負(fù)荷進(jìn)行匯總（只列取典型房間）：

至此便完成了整個計算。

結(jié)束語：此文結(jié)合實際項目對空調(diào)負(fù)荷計算做了詳細(xì)說明。對廣大專業(yè)工作者有一定指導(dǎo)意義。在負(fù)荷計算的過程中，首先是系統(tǒng)劃分，其次是其中運(yùn)用到的諸多公式，公式中有一些參數(shù)是需要結(jié)合不同的項目，不同的情況進(jìn)行調(diào)整的。在“浮動賓館”這個項目中，考慮其所處的環(huán)境，我們在處理新風(fēng)的時候，是按照露點溫度處理的，新風(fēng)量的選取也結(jié)合了浴廁異味的疏散所需的風(fēng)量，這樣保證了室內(nèi)空氣的舒適和清新。結(jié)合今年武漢疫情，很多建筑的中央空調(diào)由于是全空氣系統(tǒng)，室內(nèi)回風(fēng)參與了空氣循環(huán)，為了避免細(xì)菌的傳播，中央空調(diào)是不能開啟的。如果我們采用的是全新風(fēng)加獨立風(fēng)機(jī)盤管的空調(diào)形式就不用擔(dān)心不同房間空氣的混合，在空調(diào)負(fù)荷計算的時候，對新風(fēng)的計算就需要重點考慮，其盤管出風(fēng)溫度和出風(fēng)量都需要重點考慮。很多設(shè)計者空調(diào)負(fù)荷計算是運(yùn)用軟件進(jìn)行計算的，人工智能并不能完全代替人腦，每一位專業(yè)工作者都應(yīng)重視并吃透空調(diào)負(fù)荷計算，才能知道對應(yīng)不同的項目和工況如何對公式中的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以不變應(yīng)萬變，做到游刃有余。一味跟著軟件走，最終計算結(jié)果的偏差影響設(shè)備選型，造成冷量及能源的浪費。在不同項目中以不變應(yīng)萬變，做到游刃有余。

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