嚴(yán)寒地區(qū)建筑綜合體暖通空調(diào)負(fù)荷的模擬分析

王心瑩，戴 昕，王春青，張淑秘

吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院,長春 130118

0 引言

中國幅員遼闊,地形復(fù)雜.由于地理緯度和地勢等條件的不同,各地氣候相差懸殊.因此,針對不同的氣候條件,各地建筑的節(jié)能設(shè)計都有對應(yīng)不同的做法.綜合體建筑中各類建筑功能復(fù)合、相互作用,建筑負(fù)荷需求量大,特別是其暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗一般約占建筑總能耗的40 %[1].提升嚴(yán)寒地區(qū)建筑節(jié)能設(shè)計水平,是嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑節(jié)能降耗的基礎(chǔ)和重要研究任務(wù).本文擬結(jié)合所參與的實際工程設(shè)計案例,以長春市某綜合體建筑為例,運(yùn)用建筑環(huán)境及暖通空調(diào)(Heating ventilating & air conditioning,英文縮寫為 HVAC)系統(tǒng)能耗模擬軟件設(shè)計師模擬工具包(Designer’s simulation toolkit,英文縮寫為DeST),對該建筑開展全生命期能耗分析,研究嚴(yán)寒地區(qū)綜合體建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷特征.結(jié)合工程實際設(shè)定節(jié)能設(shè)計參數(shù),冷熱源參數(shù)及空調(diào)系統(tǒng)參數(shù),對建筑室內(nèi)外環(huán)境全工況狀態(tài)進(jìn)行模擬,得出建筑物各房間逐時負(fù)荷和建筑負(fù)荷全年變化趨勢,冷熱量變化范圍及分布狀態(tài),從建筑熱特性、空調(diào)末端系統(tǒng)方案和空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗的角度提出節(jié)能措施,為嚴(yán)寒地區(qū)綜合體建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計提供參考.

1 項目基本參數(shù)

1.1 建筑概況

研究項目坐落于吉林省長春市博碩路以北、丙十路以南、乙三街以西,是集多種功能為一體的綜合建筑,建筑面積3 240 m2,地上建筑面積為2 625.85 m2,地下建筑面積為494.61 m2,基地面積1 631.46 m2,地上二層,地下一層,建筑高度12.75 m.該建筑一層主要功能為兒童娛樂、運(yùn)動健身和文藝活動等;二層主要功能為餐飲、休息空間.一層包含兒童樂園、游泳池、健身大廳、乒乓球廳、桌球廳、瑜伽室、美術(shù)室和舞蹈室;二層包括VIP休息室、休息廳、西餐廳、茶藝間、西餐廳、簡餐制作和圖書室.

1.2 設(shè)計參數(shù)

根據(jù)長春地區(qū)的室外氣象條件,根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范(GB 50736-2012)》[2]及《公共建筑節(jié)能設(shè)計規(guī)范(GB 50189-2015)》[3]選取室內(nèi)外設(shè)計參數(shù)進(jìn)行模擬計算.

夏季空調(diào)室外計算干球溫度為30.5 ℃、夏季空調(diào)室外計算濕球溫度為24.1 ℃、夏季空調(diào)室外計算日平均溫度為26.3 ℃、供暖室外計算溫度為-21.1 ℃、冬季通風(fēng)室外計算溫度-15.1 ℃、冬季空調(diào)室外計算溫度-24.3 ℃.設(shè)計室內(nèi)計算參數(shù)設(shè)定如表1～表2所示.

表1 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)Table 1 Indoor design parameters

表2 室內(nèi)熱擾參數(shù)Table 2 Indoor thermal disturbance parameters

1.3 空調(diào)系統(tǒng)方案

項目空調(diào)季:采用風(fēng)冷模塊機(jī)組作為冷源,為末端設(shè)備提供7 ℃～12 ℃空調(diào)冷水,機(jī)組設(shè)置于室外屋頂,另設(shè)空調(diào)機(jī)房于地下室,內(nèi)含循環(huán)水泵,補(bǔ)水箱等定壓設(shè)備;項目采暖季:小區(qū)換熱站為該建筑提供水溫為50 ℃～60 ℃的空調(diào)熱水[5].

由于建筑內(nèi)各房間功能多樣,且非高大空間,建筑主要區(qū)域,采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng),上送上回的氣流組織方式,新風(fēng)機(jī)房設(shè)置于屋頂,建筑內(nèi)設(shè)新風(fēng)井用于向各層送風(fēng),各層分設(shè)新風(fēng)機(jī)組.泳池區(qū)域采用全空氣系統(tǒng),空調(diào)機(jī)房設(shè)置于地下室,新風(fēng)取自出地面取風(fēng)井,地上部分設(shè)置新風(fēng)百葉,泳池北側(cè)外窗下設(shè)置送風(fēng)井,給泳池區(qū)域送風(fēng),防止泳池附近外墻外窗內(nèi)表面結(jié)露[6].

2 系統(tǒng)模型建立

根據(jù)暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計方案,結(jié)合建筑熱特性、系統(tǒng)方案、冷熱源和空調(diào)能耗等特征,應(yīng)用DeST軟件,對該建筑以空調(diào)季、采暖季為周期,在各不同工況下進(jìn)行全年中的空調(diào)季及采暖季動態(tài)負(fù)荷模擬計算.

根據(jù)已有建筑圖紙建立計算模型,將衛(wèi)生間、樓梯間和電梯機(jī)房等類似的非空調(diào)房間合并[7],以加快建模速度,簡化后的房間分區(qū)見圖1.建筑圍護(hù)結(jié)傳熱系數(shù)見表3,窗墻比見表4.

圖1 簡化后的一層房間分區(qū)Fig.1 Simplified partition of the first floor rooms

表3 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)Table 3 Heat transfer coefficient of building envelope

表4 窗墻面積比Table 4 Area ratio of window to wall

與傳統(tǒng)室外溫度計算方式不同,DeST 注重研究氣象環(huán)境的客觀規(guī)律,建立了氣象模型Medpha,該模型是利用實測逐日氣象數(shù)據(jù)并模擬全年逐時氣象數(shù)據(jù)而生成的.DeST的典型年數(shù)據(jù)源自于我國194個氣象臺站,自建站以來約50年具有的實測逐日數(shù)據(jù)(包括氣溫、濕度、太陽輻射、風(fēng)速風(fēng)向日照小時數(shù)和大氣壓力),基于空調(diào)負(fù)荷計算中的典型年選取方法,Medpha首先選出具有代表性的年份(如典型氣象年、極高溫度年、極低溫度年、極大太陽輻射年、極小太陽輻射年等),之后利用各氣象參數(shù)的日變化規(guī)律,模擬生成逐時的氣象數(shù)據(jù),并以典型氣象作為全年基礎(chǔ)模擬數(shù)據(jù)[8].應(yīng)用DeST軟件模擬建筑所在地的全年室外氣象參數(shù),并在模擬結(jié)果中對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單地整理與分析.結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髼l件,得出長春全年室外逐時太陽輻射量(如圖2所示)、長春全年室外干球溫度統(tǒng)計(如圖3所示)等設(shè)計參數(shù).

圖2 長春室外年瞬態(tài)太陽輻照度Fig.2 Outdoor annual transient solar irradiance in Changchun

圖3 長春室外年瞬態(tài)干球溫度Fig.3 Outdoor annual transient dry-bulb temperature in Changchun

將全年劃分為采暖季、空調(diào)季和過渡季三個時期,采暖季為1月1日至4月6日及10月15日至12月31日,空調(diào)季為5月15日至9月15日,過渡季為其余時期.過渡季時期較為短暫,為滿足用戶對室內(nèi)環(huán)境的要求,提高室內(nèi)空氣品質(zhì),過渡季采用全新風(fēng)運(yùn)行方式,全新風(fēng)運(yùn)行方式可為建筑節(jié)約一定能耗[9].

3 模擬結(jié)果

3.1 空調(diào)季建筑冷負(fù)荷及其分析

3.1.1 空調(diào)季瞬態(tài)冷負(fù)荷

經(jīng)對該建筑全年第3 216小時至第6 190小時計2 974小時負(fù)荷的逐時計算模擬,得到該建筑空調(diào)季[5月15日(全年第3 216小時)至9月15日(全年第6 190小時)]的瞬態(tài)冷負(fù)荷,結(jié)果如圖4所示.

3.1.2 結(jié)果分析

由圖4可以看出,該建筑冷負(fù)荷在空調(diào)季波動較大,最大值出現(xiàn)在8月初(具體時間為8月2日15時,全年第5 126個小時),最大值為164.71 kW.數(shù)值顯示,冷負(fù)荷大部分時間處于80 kW以下,在6月29日左右、7月12日左右、7月26日左右、8月2日左右處于高峰期,負(fù)荷大小在最大負(fù)荷的70 %以上,這段時間也是室外溫度較高的時間.

3.2 采暖季建筑負(fù)荷數(shù)據(jù)及分析

3.2.1 采暖季建筑負(fù)荷

經(jīng)對該建筑全年第0小時至第2 328小時及第6 888小時至第8 760小時計4 200小時負(fù)荷的逐時計算模擬,得到該建筑采暖季[1月1日(全年第0小時)至4月6日(全年第2 328小時)及10月15日(全年第6 888小時)至12月31日(全年第8 760小時)]的瞬態(tài)熱負(fù)荷,結(jié)果如圖5所示.

圖4 空調(diào)季瞬態(tài)冷負(fù)荷Fig.4 Transient cooling load during air conditioning season

圖5 采暖季空調(diào)瞬態(tài)熱負(fù)荷Fig.5 Transient heat load of air conditioner in heating season

圖6 舞蹈室的各項日熱負(fù)荷逐時變化曲線Fig.6 Hourly variation curves of various daily heat loads of the dance studio

由于嚴(yán)寒地區(qū)冬季室外溫度低,導(dǎo)致冬季熱負(fù)荷較大,為更好地分析空調(diào)系統(tǒng)熱負(fù)荷的影響因素,以建筑中的一個房間為例,選取建筑中一層舞蹈室作為典型房間來分析,該房間位于南向邊角處,外圍護(hù)結(jié)構(gòu)較多,人員活動量較大,受室內(nèi)外各項參數(shù)影響較大,相對其他房間可明顯地顯示出負(fù)荷的變化.DeST模擬計算考慮了太陽輻射照度變化、人員散熱量影響和室外逐時溫度波動等,綜合這些影響因素,采暖季舞蹈室熱負(fù)荷、室內(nèi)熱負(fù)荷和新風(fēng)熱負(fù)荷的日逐時變化情況如圖6所示,舞蹈室熱負(fù)荷由室內(nèi)熱負(fù)荷與新風(fēng)熱負(fù)荷組成,采暖季為1月1日至4月6日及10月15日至12月31日.

3.2.2 采暖季空調(diào)負(fù)荷分析

由圖5可見,該建筑熱負(fù)荷在采暖季浮動范圍較大,大部分時間熱負(fù)荷小于350 kW,熱負(fù)荷高峰期出現(xiàn)在12月中旬、次年1月中旬和2月上旬期間,其負(fù)荷值在350 kW～450 kW之間.對比圖3可知,在上述期間內(nèi),室外溫度較低,該負(fù)荷變化趨勢和室外溫度變化趨勢一致.

由圖6可知,室內(nèi)熱負(fù)荷在一天(24小時)之內(nèi)變化較大,熱負(fù)荷從5∶00開始先略微上升至6∶00,然后持續(xù)下降,直至15∶00降至最低,此后上升至18∶00逐漸穩(wěn)定.變化主要影響因素首先是室外氣象條件變化,室外氣象條件包括室外溫度和太陽輻射等.該房間位于南向且外窗較多,所以受室外氣象條件影響較大;其次是室內(nèi)熱擾因素,包括人員活動和照明及設(shè)備等.該房間8∶00開始使用直至18∶00關(guān)閉,8∶00之前室外溫度低,室內(nèi)外溫差較大,人員設(shè)備的發(fā)熱量小,8∶00之后室外溫度上升,人員活動量不斷加大,14∶00至16∶00為人員活動較為密集的時段,人體散熱量較大,并且室外日照強(qiáng)度較高,導(dǎo)致熱負(fù)荷為負(fù)值,即人體散熱量和太陽輻射所帶來的熱量大于圍護(hù)結(jié)構(gòu)和新風(fēng)所產(chǎn)生的熱負(fù)荷,之后隨著室外溫度降低,日照減少,房間熱負(fù)荷開始上升,18∶00下班后人員活動量較少,日落后熱負(fù)荷主要受室外溫度影響,趨于穩(wěn)定.

空調(diào)負(fù)荷中的新風(fēng)熱負(fù)荷也是建筑能耗的重要影響因素,新風(fēng)熱負(fù)荷由室外溫度決定, 且圖5反映出新風(fēng)熱負(fù)荷占總熱負(fù)荷中的較大一部分,所以減小新風(fēng)熱負(fù)荷是降低空調(diào)能耗的重要措施.

4 結(jié)論

結(jié)合以上分析可以得出,在大部分時間狀態(tài)下,建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷小于全年負(fù)荷最大值的50 %,其運(yùn)行時間約占全年65 %.以往工程設(shè)計中往往按照最大負(fù)荷選擇冷熱源,但實際運(yùn)行時所需負(fù)荷卻小于最大值很多,所以合理選擇冷熱源方案,合理選配多組同型號的設(shè)備有利于減少能源消耗.

新風(fēng)負(fù)荷無論在空調(diào)季還是采暖季均占整個暖通空調(diào)負(fù)荷的較大比重,減少新風(fēng)負(fù)荷是降低建筑能耗重要措施.在實際工程中,可以通過全熱交換裝置進(jìn)行排風(fēng)系統(tǒng)熱回收來加熱新風(fēng)實現(xiàn)節(jié)能.

復(fù)雜建筑暖通空調(diào)設(shè)計,需要結(jié)合其各功能區(qū)域房間冷熱負(fù)荷特征進(jìn)行負(fù)荷模擬計算,并根據(jù)實際情況確定設(shè)計參數(shù)和內(nèi)擾條件變化,建立負(fù)荷模擬計算模型,對全年負(fù)荷進(jìn)行動態(tài)分析,研究不同區(qū)域、不同房間的負(fù)荷變化規(guī)律,為空調(diào)系統(tǒng)方案選擇、區(qū)域劃分及冷熱源選配提供節(jié)能設(shè)計依據(jù),只有經(jīng)過全面嚴(yán)謹(jǐn)?shù)哪M計算,才能有效地達(dá)到減少空調(diào)能耗的目的.