沈陽某辦公建筑空調(diào)負荷計算分析

齊先博 張銳

山東石油化工學院 山東 東營 257061

1.建筑概況

本工程位于沈陽市，是一綜合辦公樓。該辦公樓總建筑面積為 28616.2m2，其中地上建筑面積為 20582.62 m2，地下建筑面積為 8033.58 m2。本工程地下一層，地上九層，裙房二層。地下一層層高為 5.7m，首層層高為5.7m，二至九層層高均為4.5m；建筑高度48.15m。建筑類型為高層建筑，建筑耐火等級為一級，設(shè)計使用年限為 50 年，結(jié)構(gòu)類型為框架。

建筑功能分布：地下一層主要功能為設(shè)備用房和車庫，包括制冷機房、變電站、水泵房等；首層主要功能為食堂、檔案室、榮譽室、辦公室、休息室等；二層主要功能為羽毛球館、健身房、大會議室、閱讀室等；三層至九層主要功能為辦公室、會議室等。

2.基本參數(shù)確定

2.1 建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

沈陽市位于嚴寒C區(qū)，根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》（GB50189-2015）實施細則中3.3.1條中嚴寒C區(qū)甲類公共建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能限值確定建筑圍護結(jié)構(gòu)的類型。

根據(jù)圖紙?zhí)峁┑南嚓P(guān)數(shù)據(jù)計算得辦公樓建筑的外表面積為16403.89m2，總體積為115552.172m3，從而得出體形系數(shù)為0.14；北外墻窗墻比為0.28，南外墻窗墻比為0.307，西外墻窗墻比為0.326，東外墻窗墻比為0.33。圍護結(jié)構(gòu)的選取優(yōu)先考慮《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB50736-2012）附錄H中給出的13個墻體和8個屋面，其他圍護結(jié)構(gòu)從《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》中選取。主要圍護結(jié)構(gòu)類型如表1、表2。

表1 建筑圍護結(jié)構(gòu)類型及熱工參數(shù)

表2 窗戶類型及熱工參數(shù)

2.2 室外設(shè)計參數(shù)

由《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB50736-2012），查得沈陽市室外氣象參數(shù)如表3所示。

表3 沈陽市室外空氣計算參數(shù)

2.3 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

室內(nèi)設(shè)計參數(shù)主要包括冬夏季室內(nèi)設(shè)計溫濕度、新風量、人員密度、燈光 密度、設(shè)備密度等。主要依據(jù)《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB 50736-2012）中規(guī)定，對于規(guī)范中未明確給出詳細設(shè)計參數(shù)的房間類型，依據(jù)《全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施—暖通空調(diào)·動力（2009）》和《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》選取。選取結(jié)果見表4、表5。

表4 沈陽辦公建筑各功能分區(qū)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

表5 建筑各功能分區(qū)人員、照明、設(shè)備密度及新風量

3.負荷計算

3.1 手工計算負荷

空調(diào)冷負荷采用冷負荷系數(shù)法計算，空調(diào)熱負荷采用穩(wěn)態(tài)計算方法，計算結(jié)果如表6所示，其中冷熱負荷指標是按空調(diào)面積計算。

表6 手算法建筑負荷計算結(jié)果表

3.2 DeST軟件計算負荷

3.2.1 模型建立

在DeST中建立建筑模型，如圖1所示。

圖1 沈陽綜合辦公建筑模型圖

3.2.2 參數(shù)設(shè)置

利用建筑能耗模擬軟件DeST-C中的工具修改外墻、屋頂、窗戶的熱工特性。針對不同的建筑構(gòu)件打開內(nèi)墻、外墻、屋頂、屋面、樓板及窗戶庫管理界面，查詢并添加所需要的構(gòu)件類別，設(shè)置熱工特性與表1、表2（依據(jù)《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB50736-2012）及《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》）中的圍護結(jié)構(gòu)熱工特性保持一致，添加完畢工件類別審核無誤后完成修改。點擊顯示屬性命令然后框選模型，在右上角選擇窗，然后將樓層所有窗戶顯示出來，點擊窗戶類型，輸入窗戶的傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)（來自建筑節(jié)能計算書）。在屬性里，將外墻和房間中的屋頂選擇出來，在屋頂及左、右表面里設(shè)置太陽輻射吸收系數(shù)，同時可以對房間功能進行定義，在房間類型定義里依據(jù)《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》、（GB 50736-2012）《全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施—暖通空調(diào)·動力（2009）》及《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》選取的表4、表5中的數(shù)據(jù)進行人員、燈光、設(shè)備的作息時間，及功率值、新風量等條件參數(shù)的設(shè)置。最后打開“屬性”命令，選擇平面圖中指北針形式的圖形，修改指北針并選擇沈陽市氣象參數(shù)，所有設(shè)置完成后進行建筑計算預(yù)處理并保存。

3.2.3 計算結(jié)果

表7 DeST軟件建筑全年冷熱負荷量參數(shù)

3.3 負荷計算比較

手工計算的負荷和DeST軟件計算的負荷結(jié)果進行比較，如表8所示。由于計算范圍的不同，兩者的空調(diào)面積不同，所以只比較以空調(diào)面積為基準的冷熱負荷指標。

表8 兩種方法計算的建筑負荷對比

4.負荷計算結(jié)果分析

4.1 全年動態(tài)負荷分析

從圖2中可以看出自1月至5月底建筑的單位面積空調(diào)熱負荷呈逐漸下降趨勢，并在1月14日達到頂峰大約是68W/m2，從9月中下旬開始再次出現(xiàn)熱負荷需求，到11月之前，建筑所需熱負荷總體處于較低的水平，這一時間段內(nèi)的最高值出現(xiàn)在10月29日約為21W/m2，此后熱負荷呈現(xiàn)逐步上升的趨勢，在12月底達到下半年最高的水平，最大熱負荷與上半年的峰值68W/m2相當。

圖2 建筑全年空調(diào)負荷變化圖

建筑所需的冷負荷從6月開始發(fā)生顯著變化，從6月初到9月中下旬，處在一個波動且不穩(wěn)定的變化期，分別在6月下旬，8月上旬下旬和9月初的個別日期有一個短時間內(nèi)的低峰值，但是總體還是保持了先上升后下降的趨勢，其中整個冷負荷的最高點出現(xiàn)在8月3日左右，約為67W/m2左右，7-8月是冷負荷需量高峰期整體日均值在可維持在15W/m2以上，值得注意的是由于該建筑的一些內(nèi)區(qū)空調(diào)房間沒有外圍護結(jié)構(gòu)向室外散熱，而只有內(nèi)部人員活動、照明和設(shè)備等向室內(nèi)散熱導致其余時間包括冬季在內(nèi)仍然存在極少量的冷負荷需量，整體來看處于較低水平并在9月中下旬之后保持在3W/m2以下的負荷量。

如圖3所示，建筑全年逐時平均濕負荷在1月到6月中旬這一時段逐漸下降，最大點在2月15日19時約為19g/（h.m2），同樣的在整個9月至12月份之間濕負荷的變化范圍與1至6月相同且從圖中可以看出從初始的較低日濕負荷量逐步增加到與第一季度負荷量最高值相當?shù)乃剑溆嗳掌诘?4小時內(nèi)的濕負荷變化不顯著，最大濕負荷接近于0，主要表現(xiàn)在7、8月份。

圖3 建筑全年濕負荷變化圖

4.2 負荷分布特性分析

從表9和圖2可以看出該建筑的全年總供冷時數(shù)約為2160h依據(jù)規(guī)范最大供冷負荷指標，其中全年中的3、4、5、9、10、11月份屬于過渡月份，其供冷時數(shù)與額定指標的差值占比低于40%，總計1152h，月平均供冷為192h，至于6、7、8月份空調(diào)季平均供冷336h。在最大冷負荷規(guī)范依據(jù)下冷源設(shè)計量比較富裕，供冷時數(shù)百分比超過75%的僅占總指標的3%，大部分（超過64%)的冷源能耗效率維持在25%到75%之間。

表9 制冷季部分負荷分布情況表

如表10所示，該建筑總供暖時數(shù)約6480h，總供暖時數(shù)中約77%可以達到規(guī)范最大供熱負荷指標的25%以上，其中在負荷量需求較大的月份中（比如11、12月）有31%的供暖時數(shù)（2040h)在＞75%的情況下接近最大負荷運行，另有其余23%的時間處于較低的負荷供給需求指標內(nèi)。

表10 制熱季部分負荷分布情況表

4.3 設(shè)計日負荷變化特性

（1）設(shè)計日負荷變化趨勢

圖4展示了所選取的非過渡月某典型冬季時日的熱負荷變化趨勢，可以看到最高的熱負荷值出現(xiàn)在8h約為2122.06kW，6h到8h熱負荷不斷上升繼而下降進入一個負荷值在950到1300kW之間波動的一個穩(wěn)定時間段，全天約10個小時維持在較小波動且有較高負荷需求的時間段，在此之后負荷數(shù)值發(fā)生陡降最低可達到日最大負荷的6%以下。

圖4 冬季某日熱負荷變化圖

圖5 夏季某日冷負荷變化圖（軟件算法）

夏季日冷負荷的變化相比冬季熱負荷更加的曲折，更具復(fù)雜性，從圖像中發(fā)現(xiàn)在一天內(nèi)早期的幾小時之內(nèi)建筑冷負荷值屬于較低水平，然而從8h至21h這一時間區(qū)間內(nèi)兩次出現(xiàn)接近最大日負荷約2000kW左右，中間12h和20h都分別爆發(fā)一個小的冷負荷峰值，也都達到最大日負荷的70%以上，在21h之間冷負荷數(shù)值變化但是不會低于最大日負荷的50%，而21h以后負荷量快速下降，這一變化在21-22、22-24之間尤為明顯，在23時后會達到一天內(nèi)冷負荷的最小值。

（2）最大時刻負荷構(gòu)成

圖6為最大時刻冷負荷的構(gòu)成圖，可見，新風冷負荷占比最大，為44%，依次為人體冷負荷、設(shè)備冷負荷、圍護結(jié)構(gòu)冷負荷、照明冷負荷。新風冷負荷占比最大，主要是因為辦公建筑的服務(wù)對象主要是人員，人員所需的新風量較大導致新風量較大。而圍護結(jié)構(gòu)冷負荷占比不大是因為圍護結(jié)構(gòu)是按照公共建筑節(jié)能標準選取的節(jié)能材料，傳熱系數(shù)較小，傳熱量也較小。

圖6 建筑最大時刻冷負荷構(gòu)成圖

5.總結(jié)

（1）手算負荷和DeST軟件計算負荷，發(fā)現(xiàn)冷熱誤差分別為11.91%和7.23%，均小于15%，認為誤差在接受范圍內(nèi)，互相驗證了其準確性。由于計算方法不同，DeST內(nèi)部圍護結(jié)構(gòu)可選庫的局限性和房間劃分的誤差等多方面因素從而導致兩種計算方法的計算結(jié)果有一定的出入，但總體上，二者還是相符的。DeST軟件模擬的結(jié)果是可以接受的。

（2）對DeST軟件計算得到的全年動態(tài)負荷進行了分析，并分析了冷熱負荷的部分負荷特性，對冷熱源的選型有一定的指導作用。