一種大空間分層空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷設(shè)計(jì)計(jì)算方法*

黃 晨 苗宇峰 楊 通 馬靜思 王 非 王 昕

(1.上海理工大學(xué),上海;2.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海)

0 引言

目前大空間分層空調(diào)冷負(fù)荷基本都采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法計(jì)算,國(guó)內(nèi)最常用的計(jì)算方法[1]由鄒月琴等人于1983年提出。該方法將空調(diào)區(qū)作為控制體,除考慮空調(diào)區(qū)的常規(guī)空調(diào)負(fù)荷計(jì)算之外,還需計(jì)算由非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)轉(zhuǎn)移的對(duì)流和輻射熱所引起的冷負(fù)荷[2-3]。該方法基于中部噴口送風(fēng)氣流組織,且對(duì)流和輻射熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷計(jì)算所采用的經(jīng)驗(yàn)取值大部分來(lái)自于汽輪機(jī)高大廠房實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),應(yīng)用范圍存在局限性。后續(xù)一些學(xué)者針對(duì)對(duì)流和輻射熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷進(jìn)行了深入研究。在對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷計(jì)算中,以大空間中部噴口送風(fēng)和下部柱狀送風(fēng)2種分層空調(diào)形式作為對(duì)象,通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型和進(jìn)行CFD數(shù)值模擬提出了利用分層面上的流動(dòng)換熱和溫差換熱進(jìn)行對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷計(jì)算的方法[4-5]。在輻射熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷計(jì)算中,首先采用考慮一次反射輻射的Gebhart輻射換熱模型代替直接輻射模型計(jì)算非空調(diào)區(qū)與空調(diào)區(qū)之間的輻射換熱量[6],然后通過(guò)輻射時(shí)間序列方法和諧波反應(yīng)法計(jì)算分層空調(diào)中的逐時(shí)輻射熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷[7-9],但在實(shí)際工程應(yīng)用中采用該方法計(jì)算分層空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷還是較為復(fù)雜。

已有眾多研究表明,分層空調(diào)形式下室內(nèi)熱環(huán)境的特點(diǎn)是豎直方向上熱分層現(xiàn)象明顯,空氣溫度梯度大[10-12],這一特點(diǎn)與房間冷負(fù)荷有著密切關(guān)系[13-14]。筆者所在課題組在先前的研究中提出用Block-Gebhart(B-G)模型預(yù)測(cè)實(shí)際大空間建筑的熱環(huán)境[15-16],并且通過(guò)多元回歸分析獲得了中部噴口送風(fēng)和下部送風(fēng)2種分層空調(diào)形式下空氣溫度梯度的2個(gè)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式,由此可以快速計(jì)算出非空調(diào)區(qū)的空氣特征溫度[17]。本文將以整個(gè)大空間建筑作為控制體,針對(duì)實(shí)際建筑的中部噴口送風(fēng)與下送風(fēng)2種分層空調(diào)形式,基于熱平衡原理提出適合工程設(shè)計(jì)的大空間分層空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算方法。

1 分層空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算方法的提出

1.1 分層空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算原理

傳統(tǒng)分層空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算[1]是將空調(diào)區(qū)作為控制體,計(jì)算內(nèi)容包括空調(diào)區(qū)的常規(guī)負(fù)荷(圍護(hù)結(jié)構(gòu)、室內(nèi)熱源、室外新風(fēng)或滲透風(fēng)等形成的負(fù)荷)、對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷與輻射熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷。圖1為大空間建筑分層空調(diào)冷負(fù)荷構(gòu)成示意圖,計(jì)算方法見(jiàn)式(1)。

注:Q2w為非空調(diào)區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷;Q2x為非空調(diào)區(qū)室外新風(fēng)或滲透風(fēng)形成的冷負(fù)荷;Q2n為非空調(diào)區(qū)內(nèi)熱源形成的冷負(fù)荷;Qp為非空調(diào)區(qū)排熱量;Qd為非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)轉(zhuǎn)移的對(duì)流熱形成的冷負(fù)荷;Qf為非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)轉(zhuǎn)移的輻射熱形成的冷負(fù)荷;Q1w為空調(diào)區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷;Q1x為空調(diào)區(qū)室外新風(fēng)或滲透風(fēng)形成的冷負(fù)荷;Q1n 為空調(diào)區(qū)內(nèi)熱源形成的冷負(fù)荷。

Q=Q1w+Q1n+Q1x+Qd+Qf

(1)

式中Q為分層空調(diào)冷負(fù)荷,W。

將非空調(diào)區(qū)作為控制體,基于熱平衡原理對(duì)非空調(diào)區(qū)空氣建立熱平衡方程,如式(2)所示。其中等式左邊代表進(jìn)入非空調(diào)區(qū)的熱量,等式右邊代表離開(kāi)非空調(diào)區(qū)的熱量。

Q2w+Q2n+Q2x=Qd+Qf+Qp

(2)

聯(lián)立式(1)和式(2)可以得到分層空調(diào)冷負(fù)荷Q的計(jì)算式:

Q=Q1w+Q1n+Q1x+Q2w+Q2n+Q2x-Qp

(3)

由能量守恒原理可以證明,傳統(tǒng)分層空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算方法中非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)轉(zhuǎn)移的冷負(fù)荷就是非空調(diào)區(qū)內(nèi)的冷負(fù)荷。實(shí)際上,由于非空調(diào)區(qū)內(nèi)空氣溫度高于空調(diào)區(qū),降低了非空調(diào)區(qū)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷,因此分層空調(diào)節(jié)能的關(guān)鍵是非空調(diào)區(qū)在其溫度高于空調(diào)區(qū)溫度的條件下冷負(fù)荷減少。本文定義非空調(diào)區(qū)特征溫度t2為整個(gè)非空調(diào)區(qū)處于一個(gè)均勻等溫環(huán)境時(shí)產(chǎn)生的負(fù)荷與非空調(diào)區(qū)有溫度分層時(shí)產(chǎn)生的負(fù)荷相等時(shí)的空氣溫度?？照{(diào)區(qū)溫度t1通常為設(shè)計(jì)溫度,利用空調(diào)區(qū)設(shè)計(jì)溫度t1可獲得空調(diào)區(qū)冷負(fù)荷,利用非空調(diào)區(qū)特征溫度t2可獲得非空調(diào)區(qū)冷負(fù)荷,兩者之和減去排熱量即得到大空間分層空調(diào)冷負(fù)荷。

1.2 分層空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算步驟

圖2 分層空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算流程圖

(4)

利用所得t2再次計(jì)算實(shí)際非空調(diào)區(qū)逐時(shí)冷負(fù)荷。最終,空調(diào)區(qū)逐時(shí)冷負(fù)荷與實(shí)際非空調(diào)區(qū)逐時(shí)冷負(fù)荷之和減去逐時(shí)排熱量即為大空間分層空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷。

步驟1:計(jì)算空調(diào)區(qū)逐時(shí)冷負(fù)荷Q1,τ和非空調(diào)區(qū)初始逐時(shí)冷負(fù)荷Q02,τ。

根據(jù)分層高度將建筑分為空調(diào)區(qū)和非空調(diào)區(qū),基于空調(diào)區(qū)設(shè)計(jì)溫度t1,利用式(5)和式(6)分別計(jì)算空調(diào)區(qū)逐時(shí)冷負(fù)荷Q1,τ和非空調(diào)區(qū)初始逐時(shí)冷負(fù)荷Q02,τ,可根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第2版)[1]或負(fù)荷計(jì)算軟件計(jì)算外墻及外窗等圍護(hù)結(jié)構(gòu)逐時(shí)冷負(fù)荷、人員冷負(fù)荷、照明冷負(fù)荷和設(shè)備等內(nèi)部熱源逐時(shí)冷負(fù)荷,以及新風(fēng)或滲透風(fēng)逐時(shí)冷負(fù)荷。其中,空調(diào)區(qū)和非空調(diào)區(qū)各自的熱源負(fù)荷按照其所處位置直接計(jì)算,比如照明位于非空調(diào)區(qū),那么照明冷負(fù)荷就都算作非空調(diào)區(qū)負(fù)荷。

Q1,τ=Q1w,τ+Q1n,τ+Q1x,τ

(5)

Q02,τ=Q02w,τ+Q02n,τ+Q02x,τ

(6)

式(5)、(6)中Q1w,τ、Q1n,τ、Q1x,τ分別為空調(diào)區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)部熱源和室外新風(fēng)或滲透風(fēng)形成的逐時(shí)冷負(fù)荷,W;Q02w,τ、Q02n,τ、Q02x,τ分別為非空調(diào)區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)部熱源和室外新風(fēng)或滲透風(fēng)形成的初始逐時(shí)冷負(fù)荷,W。

然后根據(jù)式(7)和式(8)計(jì)算空調(diào)區(qū)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷強(qiáng)度q1和非空調(diào)區(qū)初始設(shè)計(jì)冷負(fù)荷強(qiáng)度q02。

(7)

(8)

式(7)、(8)中Q1為空調(diào)區(qū)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷,其值為空調(diào)區(qū)逐時(shí)冷負(fù)荷Q1,τ中的峰值負(fù)荷,W;Q02為非空調(diào)區(qū)初始設(shè)計(jì)冷負(fù)荷,其值為非空調(diào)區(qū)初始逐時(shí)冷負(fù)荷Q02,τ中的峰值負(fù)荷,W;V1、V2分別為空調(diào)區(qū)和非空調(diào)區(qū)體積,m3。

中部噴口送風(fēng)分層空調(diào):

2.912×0.861H+0.102

(9)

下送風(fēng)分層空調(diào):

4.006×0.870H+0.201

(10)

式(9)、(10)中np為非空調(diào)區(qū)換氣次數(shù),h-1。

式(9)、(10)的適用條件為:q1<150 W/m3、q02<80 W/m3、np<4 h-1、H<55 m,僅適用于矩形建筑或接近矩形的建筑。對(duì)于坡屋頂建筑,當(dāng)其坡角小于30°時(shí),可以按照建筑體積不變的原則將其近似為平屋頂,將建筑物的等效高度代入式(9)、(10)中計(jì)算空氣溫度梯度[18]。

本文經(jīng)驗(yàn)公式基于B-G模型提出,該模型是筆者所在課題組經(jīng)過(guò)多年約90個(gè)實(shí)驗(yàn)工況驗(yàn)證得到的熱環(huán)境解析模型。其中,Block模型是基于各區(qū)域氣流質(zhì)量平衡和能量平衡建立的區(qū)域模型,Gebhart模型是用來(lái)計(jì)算各壁面間考慮直接輻射和一次反射輻射的輻射換熱量模型。通過(guò)建立室內(nèi)壁面導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射耦合換熱的熱平衡方程,將Block模型與Gebhart輻射模型結(jié)合對(duì)室內(nèi)空氣溫度與壁面溫度進(jìn)行同步計(jì)算,B-G模型的建立具體可見(jiàn)課題組之前的研究[15-16,19]。

步驟3:計(jì)算非空調(diào)區(qū)特征溫度t2。

(11)

步驟4:計(jì)算實(shí)際非空調(diào)區(qū)逐時(shí)冷負(fù)荷Q2,τ。

基于非空調(diào)區(qū)特征溫度t2再次計(jì)算實(shí)際非空調(diào)區(qū)的各項(xiàng)逐時(shí)冷負(fù)荷,同樣可根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第2版)[1]或負(fù)荷計(jì)算軟件計(jì)算獲得。

步驟5:計(jì)算分層空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷Qτ。

逐時(shí)排熱量與非空調(diào)區(qū)排風(fēng)溫度相關(guān),排風(fēng)溫度可由非空調(diào)區(qū)特征溫度t2確定(t2相當(dāng)于整個(gè)非空調(diào)區(qū)空氣溫度均勻時(shí)的設(shè)計(jì)溫度),因此逐時(shí)排熱量近似為穩(wěn)態(tài)值,排風(fēng)溫度與排熱量的計(jì)算式見(jiàn)式(12)和式(13)。

(12)

式中tp為排風(fēng)溫度,℃;Δhp為排風(fēng)中心面與非空調(diào)區(qū)中心面高度之差,m;hp為排風(fēng)高度,m,若排風(fēng)位于建筑物頂部,則排風(fēng)高度等于建筑物高度H。

(13)

式中cp為空氣比定壓熱容,J/(kg·℃);ρ為空氣密度,kg/m3。

將步驟1中求得的空調(diào)區(qū)各項(xiàng)逐時(shí)冷負(fù)荷與步驟4中求得的實(shí)際非空調(diào)區(qū)的各項(xiàng)逐時(shí)冷負(fù)荷相加再減去逐時(shí)排熱量即可求得分層空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷,如式(14)所示。

Qτ=Q1,τ+Q2,τ-Qp,τ=Q1w,τ+Q1n,τ+

Q1x,τ+Q2w,τ+Q2n,τ+Q2x,τ-Qp,τ

(14)

式中Qp,τ為非空調(diào)區(qū)逐時(shí)排熱量,W。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 研究對(duì)象

本文研究對(duì)象為圖3所示的上海某大空間熱環(huán)境實(shí)驗(yàn)建筑。該建筑總面積為500 m2,南北跨度為18.0 m,東西跨度為27.7 m,坡屋頂最高點(diǎn)和最低點(diǎn)距地面分別為12.0 m和9.6 m,東墻天窗最大高度為13.8 m。建筑內(nèi)共裝有16臺(tái)數(shù)控機(jī)床,其中10臺(tái)功率為3.7 kW,其余6臺(tái)功率為7.5 kW;離地高5.5 m左右有8臺(tái)吊燈,總功率為1.8 kW。該建筑空調(diào)系統(tǒng)有2種氣流組織形式:一種為中部噴口送風(fēng)分層空調(diào)形式,在東墻5.5 m高度處安裝8個(gè)噴嘴,每個(gè)噴嘴的孔徑均為373 mm,噴嘴間距為1.5 m;另一種為下送風(fēng)分層空調(diào)形式,在南、北墻各落地靠墻安裝4個(gè)半圓柱狀送風(fēng)裝置,單個(gè)送風(fēng)裝置高度為1.5 m,直徑為1.0 m,機(jī)組的額定送風(fēng)量為30 000 m3/h。靠機(jī)房的東墻設(shè)置集中回風(fēng)口,形成單側(cè)下回風(fēng),回風(fēng)口尺寸為3 m×2 m,離地0.5 m嵌于東墻,建筑頂部設(shè)置排風(fēng)裝置。

注:A～K為測(cè)線編號(hào)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

考慮氣流組織對(duì)熱環(huán)境的影響,共布置9根豎直溫度測(cè)線,如圖3所示,從離地3 m高度開(kāi)始按1 m等間距布置固定溫度測(cè)點(diǎn)。在A、C、E、I、K 5根測(cè)線離地3 m以下的人員活動(dòng)區(qū)域內(nèi)布置移動(dòng)溫度測(cè)線,中部噴口送風(fēng)時(shí)測(cè)點(diǎn)離地高度分別為0.2、1.0、2.0 m,下送風(fēng)時(shí)測(cè)點(diǎn)離地高度分別為0.1、0.3、1.1、1.7 m。固定測(cè)點(diǎn)溫度由精度為±0.2 ℃的Pt1000傳感器采集,移動(dòng)測(cè)點(diǎn)溫度采用精度為±0.5 ℃的Testo 174T溫度傳感器和精度為±0.1 ℃的玻璃溫度計(jì)采集。室外空氣溫濕度由室外氣象站測(cè)量,精度分別為±0.2 ℃、±2.5%。太陽(yáng)輻照度由精度為±2%讀數(shù)的太陽(yáng)輻射儀測(cè)量。風(fēng)量由精度為±3%讀數(shù)的熱線風(fēng)速儀在風(fēng)口進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量后取平均值得到。實(shí)驗(yàn)前所有儀器都經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定和校正。

中部噴口送風(fēng)與柱狀送風(fēng)裝置下送風(fēng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程基本相近,1天1組工況。各實(shí)驗(yàn)工況開(kāi)機(jī)時(shí)間基本在08:00—09:00之間,1 h后開(kāi)始記錄數(shù)據(jù),每隔30 min記錄1次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,各工況在13:00—15:00逐步趨于穩(wěn)定,即室內(nèi)熱環(huán)境、空調(diào)系統(tǒng)送回風(fēng)等參數(shù)基本達(dá)到穩(wěn)定。本文計(jì)算時(shí)均取基本穩(wěn)定段的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為計(jì)算依據(jù)。表1給出了實(shí)驗(yàn)工況,其中A1～A3為中部噴口送風(fēng)實(shí)驗(yàn)工況,B1～B3為下送風(fēng)實(shí)驗(yàn)工況,表中各參數(shù)皆為實(shí)驗(yàn)測(cè)得值。

表1 實(shí)驗(yàn)工況

2.3 驗(yàn)證結(jié)果

為定量分析溫度、負(fù)荷計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值之間的誤差,采用平均絕對(duì)誤差(mean absolute error)EMA和平均絕對(duì)百分比誤差(mean absolute percentage error)EMAP進(jìn)行評(píng)估,見(jiàn)式(15)和式(16)。

(15)

(16)

式中n為工況數(shù)量;xth,i為i工況溫度或負(fù)荷的理論計(jì)算值;xex,i為i工況溫度或負(fù)荷的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。

根據(jù)2.2節(jié)的實(shí)驗(yàn)方案測(cè)得6種工況的非空調(diào)區(qū)溫度。采用式(9)～(11)可以計(jì)算出這6種實(shí)驗(yàn)工況的非空調(diào)區(qū)溫度。非空調(diào)區(qū)溫度的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比見(jiàn)表2,其中實(shí)驗(yàn)值為非空調(diào)區(qū)所有測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度平均值。由表2數(shù)據(jù)可知:中部噴口送風(fēng)的3種工況(工況A1～A3)下非空調(diào)區(qū)空氣溫度計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的平均絕對(duì)誤差EMA為1.4 ℃,平均絕對(duì)百分比誤差EMAP為4.5%;下送風(fēng)的3種工況(工況B1～B3)下平均絕對(duì)誤差EMA為1.0 ℃,平均絕對(duì)百分比誤差EMAP為3.0%。這說(shuō)明用本文提出的2種分層空調(diào)形式的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)預(yù)測(cè)實(shí)際大空間建筑的豎直方向空氣溫度梯度及其非空調(diào)區(qū)溫度具有較高的可靠性。

表2 非空調(diào)區(qū)溫度計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

由于本文計(jì)算時(shí)均取基本穩(wěn)定段的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為計(jì)算依據(jù),在此只驗(yàn)證穩(wěn)態(tài)時(shí)的分層空調(diào)冷負(fù)荷。求得非空調(diào)區(qū)溫度之后,根據(jù)式(14)計(jì)算得到分層空調(diào)冷負(fù)荷,將其與實(shí)驗(yàn)供冷量進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)圖4。實(shí)驗(yàn)供冷量可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的送風(fēng)量及送、回風(fēng)溫度計(jì)算獲得。從對(duì)比結(jié)果可知:中部噴口送風(fēng)的3種工況(工況A1～A3)下分層空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)供冷量的平均絕對(duì)誤差EMA為3.1 kW,平均絕對(duì)百分比誤差EMAP為6.6%;下送風(fēng)的3種工況(工況B1～B3)下平均絕對(duì)誤差EMA為2.2 kW,平均絕對(duì)百分比誤差EMAP為4.6%?？梢钥闯?采用本文提出的計(jì)算方法能夠較為快速準(zhǔn)確地求解實(shí)際大空間建筑的分層空調(diào)冷負(fù)荷。

圖4 分層空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算值與供冷量實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比

3 分層空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算案例

3.1 計(jì)算條件

采用本文的研究對(duì)象作為計(jì)算案例介紹分層空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算流程。計(jì)算條件如下:實(shí)驗(yàn)建筑內(nèi)有10人工作,勞動(dòng)強(qiáng)度為中等;開(kāi)啟5臺(tái)單臺(tái)功率為3.7 kW的數(shù)控機(jī)床,同時(shí)使用系數(shù)為1.0,安裝系數(shù)為0.8,負(fù)荷系數(shù)為0.5,通風(fēng)保溫系數(shù)為1;照明功率密度為11 W/m2,人員和數(shù)控機(jī)床設(shè)備位于空調(diào)區(qū),照明位于非空調(diào)區(qū);工作時(shí)間皆為10:00—18:00。

中部噴口送風(fēng)分層高度為5.5 m,下送風(fēng)分層高度為2.6 m,建筑頂部設(shè)置排風(fēng)裝置。中部噴口送風(fēng)非空調(diào)區(qū)換氣次數(shù)np取1 h-1,為保持排風(fēng)量一致,取下送風(fēng)非空調(diào)區(qū)換氣次數(shù)np為0.65 h-1。室外氣象參數(shù)采用上海夏季設(shè)計(jì)參數(shù),室外干球溫度為34.4 ℃,室外日平均溫度為30.8 ℃?？照{(diào)區(qū)設(shè)計(jì)溫度t1為26.0 ℃,鄰室溫差為3.0 ℃。圍護(hù)結(jié)構(gòu)從外至內(nèi)的基本構(gòu)造及其熱工參數(shù)如表3所示,其中,外窗的綜合遮陽(yáng)系數(shù)取0.8。相關(guān)計(jì)算條件取值均參考《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第2版)[1]和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》[20]。

表3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本構(gòu)造及其熱工參數(shù)

3.2 中部噴口送風(fēng)計(jì)算結(jié)果

首先根據(jù)空調(diào)區(qū)設(shè)計(jì)溫度t1(26 ℃)和中部噴口送風(fēng)分層高度(5.5 m)計(jì)算空調(diào)區(qū)各項(xiàng)逐時(shí)冷負(fù)荷,然后同樣根據(jù)設(shè)計(jì)溫度t1(26 ℃)計(jì)算非空調(diào)區(qū)各項(xiàng)初始逐時(shí)冷負(fù)荷,計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)圖5和圖6。其中,空調(diào)區(qū)峰值負(fù)荷Q1出現(xiàn)在17:00,為29 183 W;非空調(diào)區(qū)初始峰值負(fù)荷Q02也出現(xiàn)在17:00,為45 598 W。由分層高度為5.5 m可計(jì)算出中部噴口送風(fēng)空調(diào)區(qū)體積V1為2 730 m3,非空調(diào)區(qū)體積V2為2 631 m3,根據(jù)式(7)和式(8)求得空調(diào)區(qū)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷強(qiáng)度q1為10.7 W/m3,非空調(diào)區(qū)初始設(shè)計(jì)冷負(fù)荷強(qiáng)度q02為17.3 W/m3。

圖5 中部噴口送風(fēng)空調(diào)區(qū)逐時(shí)冷負(fù)荷

圖6 中部噴口送風(fēng)非空調(diào)區(qū)初始逐時(shí)冷負(fù)荷

圖7 中部噴口送風(fēng)實(shí)際非空調(diào)區(qū)逐時(shí)冷負(fù)荷

圖8 中部噴口送風(fēng)分層空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷

3.3 下送風(fēng)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)空調(diào)區(qū)設(shè)計(jì)溫度t1為26 ℃和下送風(fēng)分層高度為2.6 m,計(jì)算空調(diào)區(qū)各項(xiàng)逐時(shí)冷負(fù)荷,然后同樣根據(jù)設(shè)計(jì)溫度t1為26 ℃計(jì)算非空調(diào)區(qū)各項(xiàng)初始逐時(shí)冷負(fù)荷,計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)圖9、10。其中,空調(diào)區(qū)峰值負(fù)荷Q1出現(xiàn)在17:00,為17 122 W;非空調(diào)區(qū)初始峰值負(fù)荷Q02也出現(xiàn)在17:00,為57 549 W。由分層高度為2.6 m可計(jì)算出下送風(fēng)空調(diào)區(qū)體積V1為1 291 m3,非空調(diào)區(qū)體積V2為4 071 m3,根據(jù)式(7)和式(8)求得空調(diào)區(qū)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷強(qiáng)度q1為13.3 W/m3,非空調(diào)區(qū)初始設(shè)計(jì)冷負(fù)荷強(qiáng)度q02為14.1 W/m3。

圖9 下送風(fēng)空調(diào)區(qū)逐時(shí)冷負(fù)荷

圖10 下送風(fēng)非空調(diào)區(qū)初始逐時(shí)冷負(fù)荷

圖11 下送風(fēng)實(shí)際非空調(diào)區(qū)逐時(shí)冷負(fù)荷

圖12 下送風(fēng)分層空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于大空間分層空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷的計(jì)算,目前國(guó)內(nèi)外仍未有成熟完整的計(jì)算方法。本文根據(jù)熱平衡原理提出了分層空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷的計(jì)算原理和方法,并以上海某大空間熱環(huán)境實(shí)驗(yàn)建筑為研究對(duì)象,通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。結(jié)果表明:中部噴口送風(fēng)分層空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)供冷量的平均絕對(duì)誤差為3.1 kW,平均絕對(duì)百分比誤差為6.6%;下送風(fēng)分層空調(diào)的3個(gè)工況平均絕對(duì)誤差為2.2 kW,平均絕對(duì)百分比誤差為4.6%。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證后,結(jié)合中部噴口送風(fēng)和下送風(fēng)的2個(gè)計(jì)算案例介紹了采用該方法求解分層空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷的計(jì)算過(guò)程。根據(jù)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),在相同設(shè)計(jì)條件下,下送風(fēng)分層空調(diào)非空調(diào)區(qū)特征溫度比中部噴口送風(fēng)高3.0 ℃,頂部排風(fēng)帶走的室內(nèi)熱量比中部噴口送風(fēng)大44.6%,下送風(fēng)分層空調(diào)峰值負(fù)荷僅為中部噴口送風(fēng)的70.4%。

綜上所述,本文提出的方法能夠較快速準(zhǔn)確地獲得大空間分層空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷,該方法可利用目前常規(guī)的空調(diào)負(fù)荷計(jì)算軟件快速完成。后續(xù)將采用更多的工程實(shí)例尤其是大面積玻璃幕墻建筑來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證,更大范圍拓展新方法的應(yīng)用,逐步完善大空間分層空調(diào)負(fù)荷計(jì)算新方法。