夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷計(jì)算方法探討*

徐 爽 周 翔 張 旭 張靜思 高克文 楊 毅

(1.同濟(jì)大學(xué),上海;2.美的集團(tuán)中央研究院,上海;3.浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,杭州)

0 引言

多聯(lián)機(jī)由于其優(yōu)越的制冷制熱性能、安裝方便、不需要專設(shè)冷熱源機(jī)房等優(yōu)點(diǎn),越來越受到各種用戶的青睞,尤其是夏熱冬冷地區(qū)特別適用。近年來,多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)的市場占有率已超過50%[1]。隨著多聯(lián)機(jī)行業(yè)的迅猛發(fā)展,許多相應(yīng)的問題也凸顯出來,尤其是多聯(lián)機(jī)設(shè)備選型與空調(diào)負(fù)荷不匹配的問題。

設(shè)計(jì)選型時(shí)往往采用單位面積負(fù)荷指標(biāo)的估算法進(jìn)行設(shè)備選型,容易造成設(shè)備選型偏大,導(dǎo)致初投資和運(yùn)行成本過高,也不利于低碳環(huán)保。若直接按照計(jì)算負(fù)荷進(jìn)行選型,又存在降溫時(shí)間過長的弊端。因此,合理放大空調(diào)負(fù)荷、選擇合適的室內(nèi)外機(jī),有著重要的實(shí)際意義。

本文結(jié)合模擬算例,探討不同運(yùn)行工況下多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)空調(diào)負(fù)荷的差異,并闡述負(fù)荷對(duì)選型造成的影響,最后針對(duì)多聯(lián)機(jī)設(shè)備選型問題提出一些合理建議。

1 現(xiàn)有多聯(lián)機(jī)選型負(fù)荷計(jì)算方法

目前針對(duì)空調(diào)負(fù)荷的確定主要存在2類方法:計(jì)算法和估算法。計(jì)算法主要指諧波反應(yīng)法、冷負(fù)荷系數(shù)法、Z傳遞函數(shù)法等,在GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]和《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[3]中都有詳細(xì)的計(jì)算步驟介紹。估算法主要是根據(jù)建筑類型和房間用途給出單位面積空調(diào)負(fù)荷指標(biāo)推薦值進(jìn)行大致估算,僅供工程初步設(shè)計(jì)階段使用。估算法中使用的常見辦公建筑冷負(fù)荷指標(biāo)的推薦值見表1。需要指出的是,GB 50736—2012明確指出,計(jì)算熱負(fù)荷和逐時(shí)冷負(fù)荷是選型設(shè)計(jì)的基本依據(jù)[2]。

表1 辦公建筑冷負(fù)荷指標(biāo)推薦值

由于多聯(lián)機(jī)可以單獨(dú)調(diào)控不同房間的溫濕度,每個(gè)室內(nèi)機(jī)可單獨(dú)運(yùn)行,因此用戶在離開房間時(shí)往往會(huì)關(guān)閉房間空調(diào),末端存在間歇運(yùn)行的特點(diǎn)。這使得墻體、家具等部件在空調(diào)停機(jī)時(shí)蓄熱,從而產(chǎn)生附加負(fù)荷。這些附加負(fù)荷的大小可以用負(fù)荷放大系數(shù)來表示,定義如下:

(1)

式中αi為空調(diào)間歇運(yùn)行i時(shí)刻的負(fù)荷放大系數(shù);qi為空調(diào)間歇運(yùn)行i時(shí)刻的負(fù)荷,kW;qci為空調(diào)連續(xù)運(yùn)行i時(shí)刻的負(fù)荷,kW。

在團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CECA 20016—2022《多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱《多聯(lián)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)》)中給出了冷熱負(fù)荷鄰室傳熱的修正方法,并建議選型時(shí)負(fù)荷放大為基準(zhǔn)負(fù)荷的1.2～2.0倍[8]。查閱其他相關(guān)文獻(xiàn)及標(biāo)準(zhǔn),將負(fù)荷放大情況匯總于表2。

表2 負(fù)荷放大情況文獻(xiàn)匯總

根據(jù)《多聯(lián)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)》中給出的鄰室空調(diào)不運(yùn)行時(shí)的傳熱修正方法,內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫差傳熱產(chǎn)生的冷負(fù)荷可按下式計(jì)算:

Qc=K1A1(t0+Δta-tn)

(2)

式中Qc為內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫差傳熱產(chǎn)生的冷負(fù)荷,W;K1為內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù),W/(m2·℃),取2.325 W/(m2·℃);A1為內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積,m2;t0為夏季空調(diào)室外計(jì)算日平均溫度,℃;Δta為附加溫升,℃,根據(jù)《多聯(lián)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)》中鄰室散熱量<23 W/m2,取3 ℃;tn為供冷工況室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度,℃,取26 ℃。

按《多聯(lián)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)》給出的修正方法,在辦公建筑標(biāo)準(zhǔn)層4個(gè)方向上各選取1個(gè)房間進(jìn)行計(jì)算,相應(yīng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)2.1節(jié)中的設(shè)置選取。對(duì)基于GB 50736—2012標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算得到的基準(zhǔn)負(fù)荷進(jìn)行修正,得到相應(yīng)的間歇負(fù)荷及負(fù)荷放大系數(shù),如表3所示,負(fù)荷放大系數(shù)在1.3～1.4范圍內(nèi)。

表3 冷負(fù)荷修正結(jié)果

已有文獻(xiàn)中對(duì)負(fù)荷放大系數(shù)的取值存在一定的差異,本研究擬通過負(fù)荷動(dòng)態(tài)模擬的方法,研究不同運(yùn)行模式下對(duì)應(yīng)的負(fù)荷放大系數(shù)。

2 多聯(lián)機(jī)運(yùn)行模式對(duì)負(fù)荷的影響

辦公建筑多聯(lián)機(jī)空調(diào)的使用是典型的間歇運(yùn)行模式,早晨開啟、夜間關(guān)閉。建筑內(nèi)辦公室多且雜,人員往來頻繁,經(jīng)常會(huì)存在同一系統(tǒng)房間內(nèi)的空調(diào)不同時(shí)開啟的情況。這些不同的多聯(lián)機(jī)運(yùn)行模式會(huì)導(dǎo)致空調(diào)負(fù)荷有較大差異,因此需要探討負(fù)荷放大系數(shù)的合理選取。

以上海地區(qū)某辦公建筑為計(jì)算對(duì)象,根據(jù)不同的運(yùn)行工況,使用DeST軟件對(duì)其全年負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析負(fù)荷有關(guān)的影響因素,以及對(duì)室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)選型的影響。由于該建筑位于夏熱冬冷地區(qū),對(duì)多聯(lián)機(jī)的選型以冷負(fù)荷為基準(zhǔn),因此在后續(xù)計(jì)算討論中,圍繞冷負(fù)荷展開。

2.1 建筑概況

計(jì)算建筑為多層辦公建筑,體形系數(shù)為0.18,層高4.5 m,單層建筑面積為1 534 m2,窗墻面積比為0.6。主要功能房間均為辦公室,標(biāo)準(zhǔn)層房間布局如圖1所示,在4個(gè)方向上各選取1個(gè)房間供后續(xù)計(jì)算討論。夏季室內(nèi)計(jì)算溫度為26 ℃,相對(duì)濕度為60%,新風(fēng)量為30 m3/(人·h),人員密度為8 m2/人,照明負(fù)荷為18 W/m2,設(shè)備負(fù)荷為13 W/m2。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層布局示意圖

圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置如表4所示,均滿足GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

表4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置

建筑的空調(diào)運(yùn)行模式對(duì)負(fù)荷有著極大的影響,尤其是峰值負(fù)荷。辦公建筑作為典型的間歇使用建筑類型,采用白天使用、夜間休息的空調(diào)運(yùn)行模式。因此,本文對(duì)不同的運(yùn)行模式進(jìn)行負(fù)荷探討,結(jié)合實(shí)際情況定義4種運(yùn)行工況,如表5所示。

表5 模擬選取的4種空調(diào)運(yùn)行工況

2)工況Ⅳ中除計(jì)算房間外,周邊房間空調(diào)運(yùn)行時(shí)間為07:00—20:00。

2.2 計(jì)算結(jié)果

按照表5中4種工況,計(jì)算5種典型運(yùn)行模式下北向房間的冷負(fù)荷,結(jié)果如圖2所示,其中間歇運(yùn)行(工況Ⅱ)、鄰室非空調(diào)(工況Ⅲ)和長時(shí)間停機(jī)(工況Ⅳ)模式為了便于對(duì)比都采用07:00開機(jī)工況。

圖2 典型運(yùn)行模式下北向房間冷負(fù)荷

工況I連續(xù)運(yùn)行模式隨著日間人員的增加、設(shè)備的運(yùn)行,負(fù)荷逐漸變大,同時(shí)受到太陽得熱的影響,在傍晚時(shí)段達(dá)到負(fù)荷峰值。夜間時(shí)人員離開,大部分設(shè)備關(guān)閉,室外溫度降低,負(fù)荷逐漸減小。工況II的間歇運(yùn)行模式由于停機(jī)時(shí)室內(nèi)積蓄的熱量較多,為了在規(guī)定時(shí)間(1 h)內(nèi)達(dá)到設(shè)定溫度,啟動(dòng)負(fù)荷較大,超過連續(xù)運(yùn)行模式負(fù)荷峰值。工況Ⅱ的間歇最不利模式下,由于運(yùn)行時(shí)間過短,啟動(dòng)時(shí)間也較遲,啟動(dòng)負(fù)荷遠(yuǎn)超其余模式。說明空調(diào)運(yùn)行時(shí)間越短,啟動(dòng)負(fù)荷越大。

普通辦公建筑一般采用日間開啟、夜間關(guān)閉的空調(diào)運(yùn)行模式,一般會(huì)在06:00—07:00開啟空調(diào),與圖2中間歇運(yùn)行模式類似。該模式下的負(fù)荷放大系數(shù)在1.3左右,與《多聯(lián)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)》中推薦的下限值1.2較為接近。

鄰室非空調(diào)模式下,計(jì)算房間存在向非空調(diào)房間傳熱,即鄰室傳熱現(xiàn)象,冷負(fù)荷結(jié)果相比普通間歇運(yùn)行模式更大。長時(shí)間空調(diào)停機(jī)導(dǎo)致房間外的熱量進(jìn)入室內(nèi),室內(nèi)蓄熱量增加使得房間溫度上升。而空調(diào)開機(jī)后又要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)降溫,所以導(dǎo)致啟動(dòng)負(fù)荷極大,普遍比其余3種模式冷負(fù)荷更大。這說明房間蓄熱量是影響負(fù)荷大小的重要因素。

3 房間負(fù)荷特性與室內(nèi)機(jī)選型分析

室內(nèi)機(jī)的選型由房間冷負(fù)荷決定,需要考慮單獨(dú)房間的空調(diào)啟停運(yùn)行對(duì)負(fù)荷的影響。圖3顯示了4個(gè)朝向的房間在不同工況下的冷負(fù)荷計(jì)算最大值和相應(yīng)的負(fù)荷放大系數(shù)。工況Ⅱ由于子工況過多(231種子工況),在圖中只列舉出最大和最小值(Min,Max)。工況Ⅲ和Ⅳ的編號(hào)對(duì)應(yīng)表5中的編號(hào),表示不同的啟停時(shí)間。

圖3 不同朝向4種工況房間冷負(fù)荷和負(fù)荷放大系數(shù)

工況Ⅰ空調(diào)連續(xù)運(yùn)行,計(jì)算得到的房間冷負(fù)荷最小,作為后續(xù)對(duì)比的基準(zhǔn)負(fù)荷。工況Ⅱ采用間歇啟停的空調(diào)模式,運(yùn)行時(shí)間有長有短,所以較為離散地分布在各工況中。其中,運(yùn)行時(shí)間越短,計(jì)算得到的冷負(fù)荷越大。工況Ⅲ的鄰室空調(diào)不開,相當(dāng)于增加了向室外的傳熱量,因此隨著開機(jī)時(shí)間的推遲,負(fù)荷逐漸變大。而工況Ⅳ在開機(jī)前經(jīng)歷了長時(shí)間的停機(jī),室內(nèi)熱量不斷積攢,是最為不利的情形,負(fù)荷極大。在原本房間蓄熱的基礎(chǔ)上,還受到太陽得熱影響,越靠近中午時(shí)段開機(jī),負(fù)荷越大。

在連續(xù)運(yùn)行工況下,南、北向房間冷負(fù)荷最小,在100 W/m2左右,東向房間在120 W/m2左右,而西向房間冷負(fù)荷最大,達(dá)到150 W/m2。這是由于西向日射得熱出現(xiàn)在下午,和室外空氣傳熱疊加,導(dǎo)致負(fù)荷峰值較大。在間歇運(yùn)行工況下,南、北向房間負(fù)荷較小,東、西向房間負(fù)荷較大,而且東向房間由于基準(zhǔn)負(fù)荷較低,因此冷負(fù)荷放大系數(shù)很大,許多工況超過了2.0。同時(shí),東北、東南、西北、西南向房間的負(fù)荷放大系數(shù)與相鄰的東、西、南、北向房間的分布相似。其中東北向房間的負(fù)荷放大系數(shù)較大,接近2.0。并且由于這些房間與室外接觸的墻體更多,基礎(chǔ)負(fù)荷相比中間房間更大。

考慮到實(shí)際房間的使用情況,將工況Ⅲ的子工況6(計(jì)算房間空調(diào)12:00開機(jī)、20:00關(guān)機(jī),周邊房間不開空調(diào))納入普通辦公建筑房間應(yīng)滿足的情況范圍內(nèi)。因?yàn)榭紤]到實(shí)際建筑中會(huì)存在部分較為獨(dú)立的房間,周邊是儲(chǔ)藏室或工具室,存在中午人員才來上班的可能性。而工況Ⅳ長時(shí)間停機(jī)的情況在辦公建筑中較為少見,暫不考慮。其主要可能出現(xiàn)在部分小辦公室,因人員多日缺席,墻體、家具蓄熱量較大,導(dǎo)致空調(diào)啟動(dòng)負(fù)荷偏大。

根據(jù)本研究多種工況模擬的結(jié)果,對(duì)于使用情況較為規(guī)律的房間(固定時(shí)間開啟、關(guān)閉,空調(diào)運(yùn)行時(shí)間較長),室內(nèi)機(jī)選型使用的負(fù)荷放大系數(shù)可選擇1.2～1.6;對(duì)于空調(diào)使用頻率較少、不規(guī)律或運(yùn)行時(shí)間較短的房間,如休息室可取2.0左右,會(huì)議室由于人員密度大導(dǎo)致基準(zhǔn)負(fù)荷較大,可取1.6左右;東向和東北向房間建議在其他朝向基礎(chǔ)上適度加大負(fù)荷放大系數(shù)。

4 系統(tǒng)負(fù)荷特性與室外機(jī)選型分析

室外機(jī)的選型由系統(tǒng)負(fù)荷決定,系統(tǒng)負(fù)荷為各空調(diào)房間逐時(shí)冷熱負(fù)荷累積的綜合最大值。本次計(jì)算中,考慮到建筑體量不大,選取標(biāo)準(zhǔn)層中外圈所有辦公房間作為一個(gè)系統(tǒng)。在部分房間空調(diào)間歇運(yùn)行的工況Ⅲ和Ⅳ中,雖然房間的負(fù)荷增大,但由于存在空調(diào)未開啟的房間,系統(tǒng)負(fù)荷并不高;最不利工況存在于系統(tǒng)內(nèi)所有空調(diào)在某一時(shí)刻全部開啟的間歇運(yùn)行工況,因此此處主要對(duì)工況Ⅰ和Ⅱ的結(jié)果進(jìn)行討論,即所有房間均連續(xù)運(yùn)行或間歇運(yùn)行。

圖4顯示了標(biāo)準(zhǔn)層不同開機(jī)-停機(jī)工況組合的系統(tǒng)冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果,每一個(gè)方塊代表對(duì)應(yīng)的開機(jī)-停機(jī)工況計(jì)算結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn):系統(tǒng)冷負(fù)荷計(jì)算值在100～250 W/m2之間;從左到右顏色加深,顏色最深的部分集中在對(duì)角線上。表明開機(jī)時(shí)間越晚、運(yùn)行時(shí)間越短,計(jì)算得到的冷負(fù)荷越大。因?yàn)檫\(yùn)行時(shí)間越短,建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱量越大,導(dǎo)致啟動(dòng)負(fù)荷越大;開機(jī)時(shí)間越晚,由于透過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的得熱延遲,因此負(fù)荷越大。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)層不同開機(jī)-停機(jī)工況系統(tǒng)冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

對(duì)于普通辦公建筑而言,空調(diào)白天開啟、夜間關(guān)閉,運(yùn)行時(shí)間長且規(guī)律。參照?qǐng)D4中虛線框給出的空調(diào)運(yùn)行工況范圍,用于室外機(jī)選型的負(fù)荷放大系數(shù)在1.2～1.6范圍內(nèi)。對(duì)于部分有特殊功能和需求的建筑或樓層,如會(huì)展類建筑,具有空調(diào)開啟時(shí)間不固定、運(yùn)行時(shí)間短的特點(diǎn),需要結(jié)合實(shí)際情況考慮。以全會(huì)議室樓層為例,計(jì)算得到的負(fù)荷放大系數(shù)為1.7～2.4,超出了《多聯(lián)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)》所給的范圍。極端情況時(shí)(如空調(diào)運(yùn)行時(shí)間過短,只開啟3～4 h,且開機(jī)時(shí)間較遲),負(fù)荷放大系數(shù)會(huì)超過《多聯(lián)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)》推薦范圍上限值2.0,甚至達(dá)到2.2～2.5。圖4可針對(duì)不同運(yùn)行時(shí)間工況給出對(duì)應(yīng)的推薦負(fù)荷放大系數(shù)。

5 結(jié)論

在多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通常使用的單位面積負(fù)荷指標(biāo)估算法往往會(huì)造成選型容量過大,《多聯(lián)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)》給出了2種建議的負(fù)荷計(jì)算方法,可以使用鄰室傳熱修正公式計(jì)算,或直接按1.2～2.0的負(fù)荷放大系數(shù)計(jì)算。本文以上海某辦公建筑為例,通過動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算,分析多聯(lián)機(jī)運(yùn)行模式對(duì)負(fù)荷的影響,得到如下結(jié)論:

1) 參照《多聯(lián)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)》提出的鄰室傳熱修正公式,計(jì)算得到的修正冷負(fù)荷在100～150 W/m2之間,負(fù)荷放大系數(shù)在1.3～1.4左右。目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的推薦負(fù)荷指標(biāo)差異較大,該修正結(jié)果與部分指標(biāo)吻合較好。

2) 間歇運(yùn)行導(dǎo)致負(fù)荷特性差異巨大,即使是相同的空調(diào)開停機(jī)工況,不同的周邊條件也會(huì)存在巨大差異?？照{(diào)間歇運(yùn)行時(shí)間、鄰室傳熱及房間蓄熱量對(duì)房間負(fù)荷影響很大,尤其是蓄熱量。

3) 室內(nèi)機(jī)選型時(shí)需要考慮不同房間單獨(dú)運(yùn)行的情況,存在著鄰室傳熱問題,因此在選型時(shí)需要合理放大,保障在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將室溫控制到規(guī)定溫度。對(duì)于使用規(guī)律的辦公房間,除了東向和東北向房間(1.6～2.0),可以選擇負(fù)荷放大系數(shù)為1.2～1.6;而部分單獨(dú)房間,空調(diào)啟停不規(guī)律,推薦負(fù)荷放大系數(shù)為2.0及以上。

4) 室外機(jī)選型時(shí)考慮系統(tǒng)內(nèi)室內(nèi)機(jī)全部運(yùn)行的情況。對(duì)于使用規(guī)律的辦公建筑,負(fù)荷放大系數(shù)在1.2～1.6范圍內(nèi);對(duì)于使用時(shí)間不固定、頻率少或空調(diào)運(yùn)行時(shí)間較短的房間,負(fù)荷放大系數(shù)在1.7～2.4左右。個(gè)別極端工況則需要具體分析,圖4為辦公建筑不同運(yùn)行工況下的室外機(jī)選型提供了可供參考的負(fù)荷放大系數(shù)。