關于空調(diào)工程冷/熱負荷計算若干問題的商榷*

楊宏軍 許岱玲 詹嘉儀 原梓鋒

(1.廣東海洋大學,湛江;2.南京佳力圖機房環(huán)境技術股份有限公司,南京; 3.深圳市天威視訊股份有限公司,深圳)

0 引言

空調(diào)工程負荷包括冷/熱負荷和濕負荷,負荷計算是空調(diào)工程設計的基礎。但是標準/規(guī)范和專業(yè)書籍對于空調(diào)工程冷/熱負荷計算方面的一些定義或表述存在明顯的差異,值得商榷。比如:空調(diào)工程負荷計算包括哪幾個環(huán)節(jié)?空調(diào)區(qū)的冷/熱負荷是維持空氣參數(shù)恒定而從室內(nèi)去除/向室內(nèi)供給的熱流量,這里的參數(shù)僅僅是指空氣溫度還是指空氣溫度和濕度?新風冷負荷是否屬于空調(diào)區(qū)負荷?冬季新風熱負荷按顯熱流量計算是否合理?冷熱媒輸送系統(tǒng)的附加冷負荷屬于空調(diào)系統(tǒng)的設計冷負荷,還是屬于冷熱源的設計冷負荷?夏季空調(diào)24 h逐時冷負荷計算是設計負荷計算還是動態(tài)負荷計算?針對上述問題,本文從規(guī)范/標準出發(fā),結合專業(yè)書籍、設計手冊和專題文獻等資料,采用對比分析方法,探討相對準確合理的答案,為設計者準確把握空調(diào)工程冷/熱負荷計算的概念和原理提供參考。

1 空調(diào)工程設計負荷的計算環(huán)節(jié)

GB/T 50155—2015《供暖通風與空氣調(diào)節(jié)術語標準》(以下簡稱《術語標準》)對空調(diào)系統(tǒng)的定義為:“空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)(air conditioning system)是以空調(diào)為目的而對空氣進行處理、輸送、分配,并控制其參數(shù)的所有設備、管道及附件、儀器儀表的總和,簡稱空調(diào)系統(tǒng)?！盵1]69《空調(diào)工程》教材中關于空調(diào)系統(tǒng)的表述為:“一個典型的空調(diào)系統(tǒng)應由空調(diào)冷熱源、空氣處理設備、空調(diào)風系統(tǒng)、空調(diào)水系統(tǒng)及空調(diào)自動控制和調(diào)節(jié)裝置五大部分組成?！盵2]7《空氣調(diào)節(jié)》教材中關于空調(diào)系統(tǒng)的表述為:“空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般均由空氣處理設備和空氣輸送管道以及空氣分配裝置所組成”[3]114?？梢钥闯?對于空調(diào)系統(tǒng)的組成要素,《術語標準》《空調(diào)工程》《空氣調(diào)節(jié)》三者的表述存在差異。圖1是典型空調(diào)工程的示意圖,其組成要素包括被控對象(一個或多個建筑空間)、輸配系統(tǒng)(空氣輸配系統(tǒng)和冷熱媒輸配系統(tǒng))、空氣處理設備和冷熱源等。結合圖1可以看出,就空調(diào)工程負荷計算而言,上述3種資料關于空調(diào)系統(tǒng)定義的區(qū)別,主要在于其組成要素是否包括冷熱源及其輸配系統(tǒng)。

圖1 典型空調(diào)工程的組成要素

GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》(以下簡稱《民規(guī)》)第7.2節(jié)規(guī)定:“空調(diào)負荷計算”內(nèi)容包括空調(diào)區(qū)的冷/熱負荷計算和空調(diào)系統(tǒng)的冷/熱負荷計算[4]46-51。GB 50019—2015《工業(yè)建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》(以下簡稱《工規(guī)》)第8.2.16條規(guī)定:“空氣調(diào)節(jié)夏季設計冷負荷”計算包括3個環(huán)節(jié),即空調(diào)區(qū)冷負荷計算、空調(diào)系統(tǒng)冷負荷計算和空調(diào)冷源冷負荷計算[5]69?！缎g語標準》中定義:“空調(diào)系統(tǒng)冷負荷(air conditioning system cooling load)為空調(diào)系統(tǒng)所承擔的冷負荷,除空調(diào)區(qū)域冷負荷外,還包括新風冷負荷、再熱冷負荷和各項附加冷負荷?！盵1]67《空調(diào)工程》教材中把空調(diào)系統(tǒng)冷負荷計算劃分為4個環(huán)節(jié):空調(diào)區(qū)冷負荷、空調(diào)建筑冷負荷、空調(diào)系統(tǒng)冷負荷和空調(diào)冷源冷負荷?！睹裼媒ㄖ照{(diào)設計》中用框圖揭示了空調(diào)房間的冷負荷(空調(diào)區(qū)冷負荷)與制冷系統(tǒng)的冷負荷的構成及兩者的區(qū)別與聯(lián)系[6]40。《實用供熱空調(diào)設計手冊》把空調(diào)計算冷負荷劃分為4個環(huán)節(jié),即空調(diào)區(qū)的計算冷負荷、空調(diào)建筑的計算冷負荷、空調(diào)系統(tǒng)的計算冷負荷和空調(diào)冷源的計算冷負荷[7]1560-1561。

以上關于空調(diào)工程冷/熱負荷計算環(huán)節(jié)的表述中,有些負荷計算環(huán)節(jié)的名稱相同但計算內(nèi)容卻不同,比如《民規(guī)》和《工規(guī)》中的空調(diào)系統(tǒng)冷負荷;有些負荷計算環(huán)節(jié)名稱不同但計算內(nèi)容卻相同,比如《工規(guī)》中的空調(diào)冷源冷負荷與《民用建筑空調(diào)設計》中的制冷系統(tǒng)冷負荷。

根據(jù)圖1,結合設備選型的需要,筆者建議把空調(diào)工程設計負荷計算劃分為以下3個環(huán)節(jié),即空調(diào)區(qū)設計負荷計算、空調(diào)系統(tǒng)設計負荷計算和冷熱源設計負荷計算?？照{(diào)區(qū)設計負荷是進行系統(tǒng)分析、確定送風量的依據(jù);空調(diào)系統(tǒng)設計負荷是選擇空氣處理設備的依據(jù);冷熱源設計負荷是確定冷熱源容量的依據(jù)。這里的“空調(diào)系統(tǒng)”采用《空氣調(diào)節(jié)》教材中的定義[3]114,其組成要素不包括冷熱源及其輸配系統(tǒng)。

2 空調(diào)區(qū)冷負荷的定義

1) 標準/規(guī)范關于空調(diào)區(qū)冷負荷的定義。

《術語標準》中定義:“空調(diào)區(qū)域冷負荷(space cooling load)是指為保持空調(diào)區(qū)域空氣參數(shù)恒定而應從空調(diào)區(qū)除去的熱流量?！盵1]67空氣參數(shù)包括溫度和濕度,熱流量包括顯熱(sensible heat)流量和潛熱(latent heat)流量。保持空氣溫度恒定,需要除去多余的顯熱流量。保持空氣濕度恒定,需要除去多余的潛熱流量?？梢姟缎g語標準》中的空調(diào)區(qū)冷負荷包括顯熱冷負荷和潛熱冷負荷2種類型?！睹褚?guī)》第7.2.2條規(guī)定:“空調(diào)區(qū)的夏季計算得熱量,應根據(jù)下列各項確定:……8.伴隨各種散濕過程產(chǎn)生的潛熱量?！盵4]46-47《民規(guī)》第7.2.3條規(guī)定:“空調(diào)區(qū)的夏季冷負荷,應根據(jù)各項得熱量的種類、性質(zhì)以及空調(diào)區(qū)的蓄熱特性,分別進行計算?！盵4]47可見《民規(guī)》中的空調(diào)區(qū)冷負荷也包括顯熱冷負荷和潛熱冷負荷2種類型?！豆ひ?guī)》第8.2節(jié)關于空調(diào)區(qū)冷負荷計算的條文[5]64-68與《民規(guī)》第7.2節(jié)的條文基本相同,在此不再贅述?？梢?《術語標準》《民規(guī)》《工規(guī)》三者關于空調(diào)區(qū)冷負荷的含義是相同的。

2) 專業(yè)書籍關于空調(diào)區(qū)冷負荷的定義。

建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)本科生使用最廣泛的專業(yè)書籍和設計手冊中,常見關于冷負荷的表述,鮮有空調(diào)區(qū)冷負荷的表述。根據(jù)對室內(nèi)空氣參數(shù)控制的不同,冷負荷的定義主要分為2種。一種表述為:冷負荷是指為了維持室溫恒定,某一時刻應從室內(nèi)除去的熱量[2]33,[3]34。另一種表述為:冷負荷是維持室內(nèi)空氣熱濕參數(shù)在一定要求范圍內(nèi)時,在單位時間內(nèi)需要從室內(nèi)除去的熱量,包括顯熱量和潛熱量兩部分[8]8,[9]70?？梢娚鲜鰧I(yè)書籍和設計手冊中關于冷負荷的含義并不完全相同。

對比可以看出,專業(yè)書籍和設計手冊中的冷負荷就是標準/規(guī)范中的空調(diào)區(qū)冷負荷。由于空調(diào)工程的冷負荷還包括空調(diào)系統(tǒng)冷負荷和空調(diào)冷源冷負荷,為了區(qū)別,建議專業(yè)書籍和設計手冊中的“冷負荷”改用“空調(diào)區(qū)冷負荷”的表述。此外,專業(yè)書籍和設計手冊中關于冷負荷定義的第一種表述的準確性值得商榷。因為如果冷負荷的作用只是維持室內(nèi)空氣溫度恒定,那么只需要除去室內(nèi)多余的顯熱流量即可,這就意味著冷負荷與空調(diào)區(qū)的潛熱流量無關。這與《民規(guī)》和《工規(guī)》規(guī)定的冷負荷計算內(nèi)容不符。

3 空調(diào)區(qū)熱負荷的定義

《空調(diào)工程》和《空氣調(diào)節(jié)》中定義:“空調(diào)熱負荷是指為補償房間失熱在單位時間內(nèi)需要向房間供應的熱量。”[2]33,[3]20《民用建筑空調(diào)設計》中定義:“空調(diào)熱負荷是空調(diào)系統(tǒng)在冬季,當室外空氣溫度在設計溫度條件時,為保持室內(nèi)的設計溫度,系統(tǒng)向房間提供的熱量?！盵6]62《建筑環(huán)境學》中定義:“熱負荷是維持室內(nèi)空氣熱濕參數(shù)在一定要求范圍內(nèi)時,在單位時間內(nèi)需要向室內(nèi)加入的熱量,包括顯熱負荷和潛熱負荷兩部分。如果只考慮控制室內(nèi)溫度,則熱負荷就只包括顯熱負荷?！盵9]71《術語標準》中定義:“供暖熱負荷(heating load)是根據(jù)供暖房間耗熱量和得熱量的平衡計算結果,需要供暖系統(tǒng)供給的熱流量。”[1]22《民規(guī)》第7.2.13條規(guī)定:“空調(diào)區(qū)的冬季熱負荷,宜按本規(guī)范第5.2節(jié)的規(guī)定計算;計算時,室外計算溫度應采用冬季空調(diào)室外計算溫度”[4]51。《民規(guī)》第5.2節(jié)是關于供暖系統(tǒng)熱負荷計算的相關規(guī)定[4]15-18?！豆峁こ獭分卸x:“供暖系統(tǒng)的設計熱負荷是指在設計室外溫度下,為達到要求的室內(nèi)溫度,供暖系統(tǒng)在單位時間內(nèi)向建筑物供給的熱量。”[10]

可以看出,《空調(diào)工程》《空氣調(diào)節(jié)》《民用建筑空調(diào)設計》中定義的“空調(diào)熱負荷”與《民規(guī)》中定義的“空調(diào)區(qū)的冬季熱負荷”計算環(huán)節(jié)相同,建議統(tǒng)稱為“空調(diào)區(qū)熱負荷”?！缎g語標準》中定義的“供暖熱負荷”與《供熱工程》中定義的“供暖系統(tǒng)設計熱負荷”計算環(huán)節(jié)也相同,建議統(tǒng)稱為“室內(nèi)供暖熱負荷”。而且上述資料中的“空調(diào)區(qū)熱負荷”與“室內(nèi)供暖熱負荷”都是維持室內(nèi)溫度條件,因此只包括顯熱流量。《建筑環(huán)境學》中定義的“熱負荷”就是“空調(diào)區(qū)熱負荷”,但是它包括顯熱負荷和潛熱負荷兩部分,建議“空調(diào)區(qū)熱負荷”采用此定義。并且需要注意,有源散濕(如人體散濕)形成的潛熱負荷為負值,無源散濕(如室內(nèi)液態(tài)水蒸發(fā)散濕)形成的潛熱負荷為正值。

《暖通空調(diào)》中指出:對于全空氣系統(tǒng),當冬季設計工況室內(nèi)有穩(wěn)定濕負荷時,室內(nèi)全熱負荷應是顯熱負荷(正值)與潛熱負荷(負值)的代數(shù)和[8]146。為了便于后期空調(diào)系統(tǒng)分析計算,建議計算空調(diào)區(qū)冬季熱負荷時,宜對顯熱負荷與潛熱負荷分類匯總。如大連某體育館中的附屬游泳館空調(diào)區(qū)冬季設計熱負荷[11]計算結果為:圍護結構傳熱耗熱量612 000 kJ/h(170.0 kW),池水蒸發(fā)散濕潛熱得熱量342 360 kJ/h(95.1 kW)。采用地板輻射系統(tǒng)和散熱器系統(tǒng)承擔圍護結構耗熱量形成的熱負荷,采用除濕熱泵系統(tǒng)承擔池水蒸發(fā)散濕潛熱得熱量形成的冷負荷,冬季空調(diào)區(qū)設計熱負荷為-95.1 kW;采用全空氣系統(tǒng),則冬季空調(diào)區(qū)設計熱負荷為170.0 kW-95.1 kW=74.9 kW。

4 新風冷/熱負荷

《術語標準》中定義:“新風冷負荷(cooling load from outdoor air)是指空調(diào)房間或系統(tǒng)由于引入必要的室外空氣而形成的冷負荷?！盵1]67《空調(diào)工程》中說明:風機盤管加新風系統(tǒng)中的新風,是指經(jīng)空調(diào)設備集中處理達到一定的參數(shù)要求,有組織地送入室內(nèi)承擔空調(diào)負荷的室外空氣[2]193。夏季新風冷負荷可用式(1)計算[2]59,[6]60：

QCW=GW(hWX-hNX)

(1)

式中QCW為新風冷負荷,kW;GW為新風量,kg/s;hWX和hNX分別為夏季室外新風比焓和室內(nèi)空氣比焓,kJ/kg(《空氣調(diào)節(jié)》中對這2個參數(shù)的含義說明不同,hWX和hNX分別為夏季室外新風進入系統(tǒng)和排出(空調(diào)區(qū))時的比焓[3]119)。

目前國內(nèi)一些空調(diào)負荷計算軟件,夏季空調(diào)區(qū)設計冷負荷計算統(tǒng)計結果分為含新風負荷和不含新風負荷2種情況,筆者認為這種處理方法值得商榷,因為新風冷負荷不屬于空調(diào)區(qū)的負荷。主要理由如下:1) 新風冷負荷大小與新風量有關,而新風量大小與空調(diào)系統(tǒng)類型有關,空調(diào)區(qū)設計冷負荷計算階段有些空調(diào)系統(tǒng)(比如溫濕分控空調(diào)系統(tǒng))的新風量還不能確定,此時無法計算新風冷負荷;2) 空調(diào)區(qū)冷負荷是由于外擾和內(nèi)擾熱源作用形成的,集中處理引入的新風,作為介質(zhì)承擔室內(nèi)負荷,因此它本身并不屬于空調(diào)區(qū)外擾熱源;3) 對于定風量一次回風系統(tǒng)空氣處理設備提供的冷量,按其構成性質(zhì)分析,《暖通空調(diào)》中表述它包括室內(nèi)冷負荷和新風冷負荷[8]146,《空氣調(diào)節(jié)》中表述它包括室內(nèi)冷負荷、新風冷負荷和再熱冷負荷[3]119?？梢?新風冷負荷不屬于空調(diào)區(qū)(室內(nèi))冷負荷。

需要區(qū)別的是,滲透空氣(包括從室外或其他空調(diào)區(qū)滲入計算空調(diào)區(qū)的空氣)屬于外擾熱源,其形成的冷負荷屬于空調(diào)區(qū)冷負荷[4]47,[5]65,[7]1515。

對于冬季空調(diào)新風熱負荷,可用式(2)計算[6]60,[8]24：

QRW=GWcp(tWD-tND)

(2)

式中QRW為冬季新風熱負荷,kW;cp為空氣的比定壓熱容,1.01 kJ/(kg·℃);tWD和tND分別為冬季室外空氣計算溫度和室內(nèi)空氣設計溫度,℃。

可以看出,式(2)計算的是把室外空氣加熱到室內(nèi)溫度所需要的熱量,只包括新風顯熱負荷。而冬季空調(diào)系統(tǒng),往往需要對新風進行加熱和加濕處理,這種情況用式(2)計算冬季新風熱負荷是否合理值得商榷。林艷艷等人的研究結果表明,對于一次回風空調(diào)系統(tǒng),新風無論采用等溫加濕還是等焓加濕,空調(diào)系統(tǒng)的熱負荷都大于室內(nèi)熱負荷與新風顯熱負荷之和[12]。這說明對于有加濕的空調(diào)系統(tǒng),僅考慮新風顯熱負荷會導致計算結果偏小。筆者建議冬季新風負荷宜按全熱計算。但是需要注意,冬季新風如果采用蒸汽加濕方式,而且新風加熱和加濕熱源分別單獨設置,這種情況宜分別計算新風加熱和加濕所需熱量。

5 空調(diào)系統(tǒng)設計冷負荷

關于空調(diào)系統(tǒng)設計冷負荷的計算,《民規(guī)》第7.2.11條第3款規(guī)定:“應計入新風冷負荷、再熱負荷以及各項有關的附加冷負荷。”第7.2.12條規(guī)定:“空調(diào)系統(tǒng)的夏季附加冷負荷,宜按下列各項確定:1) 通過風機、風管溫升引起的附加冷負荷;2) 冷水通過水泵、管道、水箱溫升引起的附加冷負荷?！盵4]51《工規(guī)》第8.2.16條第2款規(guī)定:“空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)冷負荷計算應符合下列規(guī)定:……3) 應計入風機溫升、風管溫升、再熱量等附加冷負荷。”[5]69《工規(guī)》第8.2.16條的條文說明指出:“空調(diào)冷源附加冷負荷,包括冷水通過水泵、水管、水箱的溫升引起的冷負荷。”[5]430

對于“冷水通過水泵、管道、水箱溫升引起的附加冷負荷”,《民規(guī)》中規(guī)定它屬于空調(diào)系統(tǒng)的附加冷負荷,《工規(guī)》中規(guī)定它屬于冷源的附加冷負荷。這2種表面看起來似乎矛盾的規(guī)定,是由于2種規(guī)范對空調(diào)系統(tǒng)組成要素定義不同所導致的。結合圖1,《民規(guī)》中空調(diào)系統(tǒng)組成要素包括冷源及其冷媒輸配系統(tǒng),而《工規(guī)》中空調(diào)系統(tǒng)組成要素卻不包括它們?！睹褚?guī)》中空調(diào)系統(tǒng)冷負荷計算的目的是確定冷源容量,《工規(guī)》中空調(diào)系統(tǒng)冷負荷計算的目的是確定空氣處理設備的冷量。筆者建議空調(diào)系統(tǒng)設計冷負荷計算采用《工規(guī)》的規(guī)定,不計入“冷水通過水泵、管道、水箱溫升引起的附加冷負荷”。而且宜根據(jù)所服務的空調(diào)建筑中各分區(qū)的同時使用情況、空調(diào)系統(tǒng)類型及控制方式等,經(jīng)過焓濕圖分析和計算確定[2]50。

6 設計負荷計算與動態(tài)負荷計算的區(qū)別

從總的概念上通常把空調(diào)負荷分為2類:一類是供設計用的空調(diào)負荷,另一類是用于模擬建筑全年能耗的空調(diào)負荷[13],也分別稱為設計負荷與動態(tài)負荷。

設計負荷計算是計算建筑空調(diào)系統(tǒng)在設計工況下的負荷或設計日的峰值負荷,用于確定空調(diào)系統(tǒng)的形式、設備容量、空調(diào)機房面積、系統(tǒng)參數(shù)、控制方案等[13-14]?？照{(diào)區(qū)的夏季設計冷負荷以標準設計日室外氣象參數(shù)為條件,按非穩(wěn)態(tài)傳熱或穩(wěn)態(tài)傳熱方法計算空調(diào)區(qū)的各項得熱量形成的24 h逐時冷負荷,并按各項逐時冷負荷的綜合最大值確定?？照{(diào)系統(tǒng)設計負荷按所負擔區(qū)域的綜合最大計算負荷確定,集中冷熱源的設計負荷應按整個系統(tǒng)實際可出現(xiàn)的最大負荷確定,并考慮各系統(tǒng)各部分形成負荷的時間差,在計算負荷的基礎上乘以同時使用系數(shù)[14]。設計日24 h逐時冷負荷計算就是動態(tài)負荷計算,這種觀點是不正確的。

動態(tài)負荷計算也稱長期負荷計算,是計算建筑系統(tǒng)在一段時間內(nèi)(通常是全年)的負荷分布情況,又稱為建筑能耗模擬,主要用于建筑能耗評估、圍護結構熱工特性分析、系統(tǒng)方案比較和優(yōu)化、空調(diào)自動化運行方案制定、建筑節(jié)能措施評價等[13]。如:趙亞楠等人運用DeST模擬建筑全年動態(tài)負荷,研究了建筑物朝向、體形系數(shù)及窗墻面積比對建筑全年總能耗的影響[15]。楊佳等人利用HDY-SMADv3.5進行了全年8 760 h的負荷計算,根據(jù)全年動態(tài)負荷分析結果,合理選擇冷熱源機組類型,并制定相應的運行策略,使得冷熱源機組能長時間工作在高效區(qū),保證了冷熱源方案選擇的合理性、高效性和節(jié)能性[16]。汪訓昌等人利用DOE-2程序對某大廈的全年逐時空調(diào)冷、熱負荷進行了模擬計算,以選擇合理的空調(diào)方案,確定最經(jīng)濟的空調(diào)方式與系統(tǒng),達到全年最省能的運行目的;根據(jù)全樓的逐時冷、熱負荷數(shù)據(jù),準確統(tǒng)計出全年的冷負荷與熱負荷分布的累計時間規(guī)律,制訂出全樓全年冷熱源設備優(yōu)化控制的策略[17]。

7 結束語

本文探討了空調(diào)工程冷/熱負荷計算相關的若干問題,根據(jù)其產(chǎn)生原因可分為2類:一類是由于各種資料對相關概念定義不統(tǒng)一所導致的,這類問題的解決應以專業(yè)相關的最新標準/規(guī)范的表述為準,因為其在專業(yè)領域具有法定地位;另一類是由于空調(diào)工程負荷計算相關內(nèi)容和術語在演變過程中,各時期的表述差異所導致的,需要相關專業(yè)書籍和設計手冊再版時,能及時更新相關內(nèi)容,采用最新的定義和表述。對于學者來說,需要多關注專業(yè)發(fā)展動態(tài),多種資料相結合,批判性分析,才能盡可能得到準確合理的結論。