基于DEST廣州地區(qū)陰涼庫冷負荷模擬計算研究

牛冰

（廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，501800）

0 引言

近年來，隨著我國醫(yī)藥流通規(guī)模的不斷擴張，后疫情時代，人們對醫(yī)藥物品的需求日益擴大，醫(yī)藥倉儲類建筑的面積也在逐年增加，醫(yī)藥物流呈現(xiàn)出一定的后發(fā)優(yōu)勢，醫(yī)藥冷鏈的快速增長也帶動了我國建筑領(lǐng)域用能與排放的持續(xù)增長［1］。2018年全國建筑建造和運行用能占全國總能耗的37 %，相關(guān)CO2排放占全國社會總CO2排放量約為42 %［2］，這其中建筑運行階段能耗占比為23 %，CO2排放占比為20 %。而在建筑運行能耗中，50 %～ 60%的能耗用于建筑的制冷或采曖［3］，能耗比較大［4］。雷博等人探討了夏熱冬曖地區(qū)空調(diào)負荷特性，認為環(huán)境內(nèi)部空間大，空調(diào)使用時間長，全年的用能消耗量大，研究HVAR系統(tǒng)能耗特性，降低HVAR系統(tǒng)能耗，節(jié)能潛力巨大［5］，因此，發(fā)展節(jié)能環(huán)保的供熱、供冷技術(shù)對實現(xiàn)建筑領(lǐng)域節(jié)能減排具有重要的現(xiàn)實意義。

陰涼庫是冷庫家族的一員，常被用來儲藏藥品，在《藥品經(jīng)營質(zhì)量管理規(guī)范》（GSP）中規(guī)定：“陰涼庫是指不超過20 ℃且太陽不能夠直射到的庫房位置?！奔矗簬旆繙囟葹?～20 ℃，相對濕度保持在45～75 %Rh之間且太陽不能夠直射（避光）的保存?zhèn)}庫被稱之為陰涼庫。陰涼庫主要用來存放原料、藥品（中藥和西藥）、原料藥品等。故藥品物體所含的物質(zhì)品質(zhì)影響到藥品使用者的生命安全，保存藥品溫濕度等室內(nèi)空氣控制尤為重要。貯存藥品的低溫庫、陰涼庫主要用來保證藥品的品質(zhì)和藥品使用者的用藥安全，藥品在低溫冷藏的條件下可以延緩失效或者降解的時限［6］。

1 模擬方法及模擬軟件

自1960年以來，建筑分析模擬軟件出現(xiàn)了許多，一類稱為HVAR系統(tǒng)仿真軟件，主要用來對空調(diào)系統(tǒng)中各個部件控制過程的仿真；另一類是能耗模擬為主的建筑軟件，這種建筑軟件主要用來對特性建筑和同類事物按一定關(guān)系組成的整體進行動態(tài)的分析模擬，主要以清華大學研究開發(fā)出的DeST C Designer's Simulation Tool軟件為主代表，是基于自主知識產(chǎn)權(quán)的建筑與系統(tǒng)動態(tài)模擬一類分析軟件［7］。

本文采用DeST-C對醫(yī)藥陰涼庫的空調(diào)系統(tǒng)進行性能模擬。該軟件開發(fā)時以分階段設(shè)計和模擬，將模擬過程分為建筑物熱特性分析、建筑室內(nèi)外環(huán)境全工況狀態(tài)進行模擬，得出冷負荷變化分布狀態(tài)［8］， 用于設(shè)計或優(yōu)化建筑的能源系統(tǒng)［9］。軟件以氣象統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用的模擬方法為“理想化”，在這個模擬的基礎(chǔ)上對后續(xù)階段的部件特性進行處理，得出并保證同類事物按一定關(guān)系組成的整體的控制效果。

2 陰涼庫建筑模型邊界設(shè)置

2.1 陰涼庫建筑模型建筑性能設(shè)置

擬進行陰涼庫空調(diào)系統(tǒng)性能模擬研究的建筑模型以廣州地區(qū)的藥品陰涼庫為參照原型，采用其陰涼庫假想模型，模型共3層，層高6米，每層建筑面積2500 m2，開間100 m2，進深25 m2，建筑總面積7500 m2，南北朝向。每層建筑空間分為藥品倉（倉庫）及庫房、走道等其他空間（輔助區(qū)），其中藥品倉為空調(diào)區(qū)，每層為2165 m2，庫房、走道等其他空間為非空調(diào)區(qū)，每層為335 m2，總建筑空調(diào)面積為6495 m2。陰涼庫建筑模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 陰涼庫建筑模型的建筑性能參數(shù)

2.2 陰涼庫室內(nèi)參數(shù)設(shè)置

Dest模擬軟件中，按照維護結(jié)構(gòu)建立建筑模型，還需設(shè)定庫內(nèi)熱源、人員、設(shè)備、燈光等具體工況［10］，具體詳見表2所示。

表2 陰涼庫熱內(nèi)源情況

2.3 廣州市氣候條件

廣州屬于南亞熱帶季風海洋性氣候，溫暖、多雨、濕潤，夏長冬短，夏季長達半年之久。四季氣候可概括為，夏少酷熱，冬無冰雪，春常陰雨，秋高氣爽，且高溫時間持續(xù)較長。因此對廣州地區(qū)的陰涼庫空調(diào)系統(tǒng)進行研究有一定的的實用價值。選取廣州地區(qū)的室外氣象條件為設(shè)計邊界參數(shù)進行模擬，夏季空調(diào)室外計算參數(shù)選取通風溫度為31.8 ℃，濕球溫度為27.8 ℃，干球溫度為34.2 ℃。

2.4 系統(tǒng)模型建立

與一般室外濕度計算方法不同，以自然室溫為橋梁，將環(huán)境控制系統(tǒng)和建筑物聯(lián)系起來，模擬生成逐時氣象參數(shù)，并對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，通過對模擬結(jié)果進行整理與分析［10］，得出廣州市日平均干球溫度分布（如圖1所示）、廣州市逐時太陽輻射量（如圖2所示）等參數(shù)。

圖1 廣州市日平均干球溫度

圖2 逐時太陽輻射量

將全年分為空調(diào)季與非空調(diào)季，如圖1可以看出， 廣州市7月和8月份的氣溫最高，1月和2月份溫度最低，存在明顯的季節(jié)特征。從圖3和圖4中可以看出，廣州市最高溫度在7月，溫度最高可達36 ℃，最低溫度在1月，最低達6 ℃左右，說明存在明顯的季節(jié)特征。

圖3 廣州市最熱月溫度

圖4 廣州市最冷月溫度

從廣州市全年溫度分布圖（圖5所示）中可以看出廣州地區(qū)溫度處于25～30 ℃的時間超過2500個小時，溫度處于20～25 ℃的時間可達2300個小時，而溫度處于10～15℃和15～20℃的時間也比較長，分別超過1300個小時和1400個小時，屬于典型的夏熱冬曖氣候。另外，夏熱冬曖地區(qū)濕度較大，相對濕度一般為75 %～95 %，廣州市年最熱月平均相對濕度達到了83 %。由此可見，廣州市相對濕度較大，空調(diào)降溫的時間較長，對其需求較大，用來室內(nèi)降溫和除濕的用電能耗將是建筑能耗中的最主要的部分。

圖5 廣州市全年溫度分布

2.3 陰涼庫建筑模型室內(nèi)通風模型設(shè)置

本模擬中，通風類型分為三種，分別為輔助區(qū)與倉庫之間的通風、倉庫與室外之間的通風以及輔助區(qū)與室外之間的通風。輔助區(qū)與倉庫之間的通風全年設(shè)為定值，為基準0.5次/h。倉庫與室外之間的通風為可調(diào)節(jié)的方式，調(diào)節(jié)范圍為1次/h至4次/h。在負荷計算時，當室外空氣小于室內(nèi)要求溫度時，有限采用通風的方式排除余熱、降溫。輔助區(qū)與室外之間的通風通過定義逐時換氣次數(shù)的方式進行設(shè)定，其在夏季夜間換氣次數(shù)設(shè)定為2次/h，其余時間均為0.5次/h。

3 陰涼庫建筑模型負荷模擬計算

建筑物的邊界和參數(shù)指標設(shè)置完成后，可以對生成的建筑進行預措置和解決，然后進行建筑物體背光一面及其影子解決和建筑物體采光的措置和解決，最后進行建筑能耗模擬計算與定性分析。通過DeST中輸出的計算結(jié)果，陰涼庫全年8761個小時的逐日最大冷負荷，分析如圖6所示。

圖6 模型全年逐日最大冷負荷分布

圖6可以分析得出，陰涼庫模型的全年逐日最大冷負荷波動不大，主要負荷率在90 %以上的時間基本都集中6月，7月8月和9月的負荷率基本都在90 %以上，日最大冷負荷率在70 %-90 %的時間出現(xiàn)在6月中旬、7月中旬、8月中旬和9月，負荷率在50 %-70 %的時間主要在4月下旬，5月上旬和10月中上旬，基本無非空調(diào)季節(jié)。

從圖7中可以看到，模型大部分時間處于部分負荷的情況下，在全年范圍內(nèi)，負荷率不到10 %的時間最長，有2151個小時，占全年24.6 %的時間，其次是20 %～30 %和30 %～40 %，時間基本上都在1130個小時左右，占全年13 %的時間。而負荷率在90 %～100 %的時間最短，只有100個小時，僅占全年的1 %。

圖7 模型全年冷負荷分布圖

4 結(jié)論與分析

本文全年用冷能耗模擬計算采用DeST軟件，通過氣象邊界的設(shè)定和負荷模擬計算的分析與總結(jié)，得出以下結(jié)論：

（1）從DeST對氣象邊界模擬分析可以看出，藥品陰涼庫全年制冷所需的負荷波動較大，但藥品陰涼庫內(nèi)所需消耗的制冷能量變化與室外基礎(chǔ)溫度變化維持大約一致，由此可知庫內(nèi)所需消耗的制冷能量變化和室外基礎(chǔ)環(huán)境的變化存在某些密切聯(lián)系。藥品倉庫庫內(nèi)所需消耗的制冷能量變化的特征在一定程度上決定了倉庫的能量消耗特點，為了提高陰涼庫的節(jié)能效率和節(jié)碳量，有必要分析陰涼庫的的負荷特征變化。

（2）在大部分時間狀態(tài)下，空調(diào)系統(tǒng)運行冷負荷小于全年負荷最大值的50 %，按以往工程設(shè)計中參照最大逐時負荷決策所需冷源設(shè)備的大小，實際運營所需的制冷負荷卻遠小于參照的最大值，故合理決策用能設(shè)備大小有利于降低能源消耗，有利于降低碳排放量。

（3）通過對陰涼庫進行模擬計算，具體模擬包括自然室溫、室外溫度、自然相對濕度以及全年逐日最大冷負荷分布和全年冷負荷分布圖進行模擬，通過對模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)藥品陰涼庫建筑物的負荷特征，為今后工程設(shè)計選擇空調(diào)制冷系統(tǒng)形式、制冷系統(tǒng)主機的制冷方案、以及節(jié)能系統(tǒng)節(jié)能點的分析提供參考依據(jù)。