高層辦公建筑空調(diào)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷與全年耗冷量模擬分析

1、高層辦公建筑空調(diào)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷與全年耗冷量模擬分析    摘要：以不同的氣候條件、不同的新風(fēng)方式、分內(nèi)外區(qū)與否為三類基本不同條件，用正交表安排剩余因素并用DOE-2軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，得出高層辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷與全年耗冷量的統(tǒng)計(jì)估算指標(biāo)：哈爾濱、北京、上海三城市的設(shè)計(jì)冷負(fù)荷統(tǒng)計(jì)估算值分別為138.3W/m2, 143.9W/m2, 161.4W/m2；焓控新風(fēng)方式下全年耗冷量統(tǒng)計(jì)估算值分別為79.5kWh/(m2a)，114.5kWh/(m2a)，134.0kWh/(m2a)。分內(nèi)外區(qū)設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)及采用焓控新風(fēng)方式最為節(jié)能。關(guān)鍵詞：高層辦公建筑 設(shè)計(jì)冷

2、負(fù)荷 全年耗冷量 模擬分析 新風(fēng)方式 內(nèi)外區(qū)0 引言現(xiàn)代高層辦公樓在某些方面有許多不同于傳統(tǒng)建筑的特點(diǎn)：窗面積與外墻面積的比值高；使用新型的墻體材料與玻璃；內(nèi)部照明、設(shè)備的散熱量大；一般有周邊區(qū)與內(nèi)區(qū)之分等。這些都影響著空調(diào)負(fù)荷的大小和特性。高層辦公建筑最常見的平面布局為中央型核心式布局1（核心式是指把樓梯間、電梯間及前室、衛(wèi)生間、開水間等這些交通樞紐和必要的公共服務(wù)房間集中到一起；中央型是指核心部位位于標(biāo)準(zhǔn)層的中部），本文運(yùn)用建筑能耗分析軟件DOE-22對(duì)哈爾濱、北京、上海（可代表三個(gè)建筑熱工分區(qū)）三城市的此類高層辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷與全年耗冷量進(jìn)行模擬與分析?？紤]到高層建筑的主體是標(biāo)

3、準(zhǔn)層，本文近似建筑的各層功能與辦公標(biāo)準(zhǔn)層相同。1 模擬方案設(shè)計(jì)1.1 基本條件城市不同（代表不同的建筑熱工分區(qū)）、過(guò)渡季新風(fēng)方式不同（對(duì)過(guò)渡季負(fù)荷產(chǎn)生重大影響），設(shè)計(jì)冷負(fù)荷與全年耗冷量的計(jì)算結(jié)果就會(huì)不同。故將以不同的城市、不同的過(guò)渡季新風(fēng)方式為兩類基本不同條件。為簡(jiǎn)化起見，只研究標(biāo)準(zhǔn)層形狀為方形的情形，標(biāo)準(zhǔn)層方位取正S-N或正E-W。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)層面積較大時(shí)，把標(biāo)準(zhǔn)層分為四周型外區(qū)與內(nèi)區(qū)，內(nèi)外區(qū)分用兩套空調(diào)系統(tǒng)；當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)層面積較小時(shí)不分內(nèi)外區(qū)、只用一套空調(diào)系統(tǒng)。是否分區(qū)也作為一類基本不同條件提出來(lái)。1.2 正交表安排與水平取值由于正交試驗(yàn)方法3具有優(yōu)選安排模擬、減少模擬次數(shù)、簡(jiǎn)化分析過(guò)程、提高分析可靠

4、性等優(yōu)點(diǎn)，本文將用其來(lái)安排模擬試驗(yàn)。在正交試驗(yàn)中欲考察的因素稱為因子；每個(gè)因子在考察范圍內(nèi)分成若干個(gè)等級(jí)，將等級(jí)稱為水平，在正交表中用“1”、“2”等數(shù)字表示。剩下與負(fù)荷（直接地是與逐時(shí)負(fù)荷）有關(guān)的因素共11個(gè)：墻類型、窗類型、室溫、人員密度、燈光散熱、設(shè)備散熱、新風(fēng)指標(biāo)、層高、窗墻比、標(biāo)準(zhǔn)層面積、進(jìn)深（分內(nèi)外區(qū)時(shí)）。本文取各因子等水平數(shù)2。因?yàn)椴蛔鞣讲罘治?，故不考慮交互作用，各單因子安排可隨機(jī)。正交試驗(yàn)安排及水平取值見表1、表2。表1 正交模擬安排L12(211)試驗(yàn)號(hào)墻類型窗類型室內(nèi)溫度人員密度燈光散熱設(shè)備散熱新風(fēng)指標(biāo)層高窗墻比標(biāo)準(zhǔn)層面積進(jìn)深123456789101111111111111

5、1211111222222311222111222412122122112512212212121612221221211721221122121821212221112921122212211102221111221211221212111221222112121221注：分內(nèi)外區(qū)（大標(biāo)準(zhǔn)層面積）時(shí)完全套用本表；不分內(nèi)外區(qū)（小標(biāo)準(zhǔn)層面積）時(shí)無(wú)進(jìn)深，第11列置空。表2 正交模擬因子與其他因素取值因子水平1水平2墻類型 哈爾濱300mm厚頁(yè)巖陶?？招钠鰤K，外貼120厚實(shí)心磚，K=0.83W/(m2·K)300mm厚頁(yè)巖陶?？招钠鰤K，K=1.03W/(m2·K)北京3

6、00mm厚頁(yè)巖陶?？招钠鰤K，K=1.03W/(m2·K)200mm厚加氣混凝土，K=1.36W/(m2·K)上海200mm厚KM非承重空心磚，孔隙率>25%，K=1.67W/(m2·K)240mm厚KP承重多孔磚，孔隙率<25%,K=1.91W/(m2·K)窗類型 哈爾濱北京5F+12A+5L,K=1.96W/(m2·K), Cs=0.625F+12A+5F,K=3.09W/(m2·K), Cs=0.78上海10mm鍍膜熱反射玻璃，K=5.45W/(m2·K)，Cs=0.496mm透明浮法玻璃，K=5.

7、78W/(m2·K)，Cs=0.89夏季設(shè)計(jì)室溫 ()2427人員密度 (p/m2)0.250.125燈光散熱 (W/m2)2030設(shè)備散熱 (W/m2)2040新風(fēng)指標(biāo) (m3/p·h)1730層高 (m)3.24窗墻比 (%)0.30.6標(biāo)準(zhǔn)層面積(m2)分內(nèi)外區(qū)14002000不分內(nèi)外區(qū)8001400進(jìn)深 (m)46其他因素取 值標(biāo)準(zhǔn)層長(zhǎng)寬比1:1標(biāo)準(zhǔn)層方位N-S或W-E非空調(diào)面積比占整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層面積的25%，位于核心區(qū)窗內(nèi)外遮陽(yáng)無(wú)冬季設(shè)計(jì)室溫 ()20注：5F+12A+5L表示雙層中空玻璃，外層是5mm厚浮法玻璃，內(nèi)層是5mm低輻射玻璃，中間是12mm的空氣層；Cs是

8、玻璃的遮擋系數(shù)表2中各因子（窗墻類型除外）兩水平取其常見取值范圍的兩端值；窗墻類型取不同城市各自較常用、較具代表性的兩種，“1”水平較“2”水平節(jié)能。由于已經(jīng)有了三類基本不同條件：不同城市（哈爾濱、北京、上海）、不同新風(fēng)方式（定新風(fēng)、焓控新風(fēng)、溫控新風(fēng)）、內(nèi)外是否分區(qū)（內(nèi)區(qū)、外區(qū)）；又每次正交表需進(jìn)行12次模擬，故一共要進(jìn)行3×3×2×12=216次模擬，得出216組全年逐時(shí)冷負(fù)荷供處理成設(shè)計(jì)冷負(fù)荷與全年耗冷量等。1.3 系統(tǒng)及相關(guān)參數(shù)的選定本文的模擬與分析針對(duì)普通集中式定風(fēng)量一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行。對(duì)于高層辦公建筑這樣的舒適性空調(diào)，該系統(tǒng)一般采取變露點(diǎn)送風(fēng)（保證室

9、內(nèi)干球溫度控制精度而不保證室內(nèi)相對(duì)濕度）的方法來(lái)適應(yīng)熱濕負(fù)荷的變化。考慮到冷水機(jī)組的冷凍水的溫度一般為7/12，簡(jiǎn)化地設(shè)定空調(diào)系統(tǒng)最小允許送風(fēng)溫度為14。空調(diào)系統(tǒng)開機(jī)時(shí)間為非節(jié)假日的8:0018:00。2 模擬結(jié)果報(bào)表空調(diào)系統(tǒng)模擬結(jié)果見表3至表5。表中還給出了參考用理論峰值冷負(fù)荷。實(shí)際設(shè)計(jì)冷負(fù)荷首先按理論峰值冷負(fù)荷的90%取，若在此條件下，全年不保證時(shí)數(shù)超過(guò)50小時(shí)，則按全年不保證50小時(shí)取4。全年耗冷量是對(duì)應(yīng)實(shí)際設(shè)計(jì)冷負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)值，同時(shí)還統(tǒng)計(jì)出了空調(diào)系統(tǒng)全年的需供冷小時(shí)數(shù)。表3 哈爾濱分內(nèi)外區(qū)/不分內(nèi)外區(qū)空調(diào)系統(tǒng)模擬結(jié)果試 驗(yàn) 號(hào)全年耗冷量實(shí)際設(shè)計(jì)冷負(fù)荷理論峰值冷負(fù)荷供冷時(shí)數(shù)（kWh/

10、83;m2·a）（W/m2）（W/m2）（h/a）定新風(fēng)焓控新風(fēng)溫控新風(fēng)各種新風(fēng)方式各種新風(fēng)方式定新風(fēng)焓控新風(fēng)溫控新風(fēng)1104/106 69/7472/77118.0/124.5131.1/138.3 2383/16181197/10851197/10852143/150 102/108106/113181.1/188.8201.2/209.81815/16051197/10871197/10873120/11760/6467/7199.6/105.2110.7/116.42610/19421198/10531198/10534108 /11172/7876/83119.2/128.

11、8132.4/143.12580/15561198/10461198/10465154/14180/8387/91142.2/146.2158.0/162.52610/17421198/10671198/10676131/13274/8180/90134.3/147.4149.2/163.72610/15521198/9781198/978773/7348/5051/5494.6/98.4105.2/109.32095/14601198/10081198/10088120/12382/8487/90161.2/167.0179.1/185.51866/15501198/10741198/107

12、49185/18197/106104/115137.6/151.3152.0/168.12610/20661197/10671197/106710117/12873/8178/87144.9/162.0161.0/180.02220/14461198/9411198/94111135/12873/7678/81105.8/109.4116.2/120.52610/20561197/10891197/108912124/13192/9895/102171.7/180.3190.8/200.31689/15311198/10691198/1069平均126/12777/8282/88134.2/1

13、42.4148.9/158.12308/16771198/10471198/1047表4 北京分內(nèi)外區(qū)/不分內(nèi)外區(qū)空調(diào)系統(tǒng)模擬結(jié)果試 驗(yàn) 號(hào)全年耗冷量實(shí)際設(shè)計(jì)冷負(fù)荷理論峰值冷負(fù)荷供冷時(shí)數(shù)（kWh/·m2·a）（W/m2）（W/m2）（h/a）定新風(fēng)焓控新風(fēng)溫控新風(fēng)各種新風(fēng)方式各種新風(fēng)方式定新風(fēng)焓控新風(fēng)溫控新風(fēng)1140/141101/107106/112122.7/129.8136.3/144.22610/20161506/13401506/13402195/204148/155153/161186.5/194.8207.2/216.42503/20601506/135615

14、06/13563149/15387/9198/103103.1/108.7113.2/119.12610/23821512/12911512/12914141/144103/110108/115123.9/134.2137.6/149.12610/19031510/12861510/12865191/187119/123132/138146.7/151.5163.0/168.22610/22511512/12991512/12996165/170106/115117/127137.3/151.1152.6/167.92610/19611511/12191511/1219798/9771/747

15、6/8199.6/104.5110.6/116.12596/16891512/12071512/12078165/166123/127134/138167.9/175.1186.5/194.62537/18251512/12861512/12869221/230132/143141/151143.5/159.1155.6/172.22610/23661506/13041506/130410151/162 106/116113/123150.6/168.8167.3/187.52609/17041511/11421511/114211164/164102/106110/112111.8/115.

16、8121.9/127.22610/23811505/13291505/132912169/179134/143138/146178.2/188.2198.0/209.12296/18551510/13081510/1308平均162/166111/118119/126139.3/148.5154.2/164.32568/20331509/12811509/1281表5 上海分內(nèi)外區(qū)/不分內(nèi)外區(qū)空調(diào)系統(tǒng)模擬結(jié)果試 驗(yàn) 號(hào)全年耗冷量實(shí)際設(shè)計(jì)冷負(fù)荷理論峰值冷負(fù)荷供冷時(shí)數(shù)（kWh/·m2·a）（W/m2）（W/m2）（h/a）定新風(fēng)焓控新風(fēng)溫控新風(fēng)各種新風(fēng)方式各種新風(fēng)方式定新風(fēng)焓控

17、新風(fēng)溫控新風(fēng)1154/145124/126127/129139.3/147.5154.8/163.92610/17641737/13791737/13792207/201177/179181/183209.8/222.4233.1/247.12610/17311737/13741737/13743124/11090/89100/96107.8/113.3115.8/122.22610/16541738/12141738/12144154/153127/133131/137142.8/156.1158.7/172.32610/17611738/13391738/13395208/192148/1

18、48163/160164.8/173.0180.3/192.22610/20071738/13531738/13536169/159127/131138/138153.7/170.4168.5/184.32610/16691738/12111738/12117107/9485/8391/87110.5/118.2122.8/131.32610/14331738/11611738/11618187/178155/154165/162196.4/204.2218.2/226.92610/16931738/13191738/13199192/171139/143148/149148.5/163.81

19、57.1/172.72610/18131737/13131737/131310155/157125/131132/137167.5/188.2184.2/204.72610/14761738/11141738/111411171/165123/125131/132123.0/128.8131.1/137.12610/22691737/14481737/144812204/204174/180177/183204.7/220.0227.4/244.52607/18101737/13951737/1395平均169/161133/135140/141155.7/167.2171.0/183.326

20、10/17571738/13021738/1302表3表5中的模擬結(jié)果可供統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)，還可供工程設(shè)計(jì)參考之用。將各城市分內(nèi)外區(qū)與否對(duì)應(yīng)的兩個(gè)多算例的平均“設(shè)計(jì)冷負(fù)荷”再作平均，所得數(shù)值就是某城市的設(shè)計(jì)冷負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)估算值，哈爾濱、北京、上海三城市分別為138.3W/m2，143.9W/m2，161.4W/m2。焓控新風(fēng)方式下全年耗冷量統(tǒng)計(jì)估算值分別為79.5kWh/(m2·a)，114.5kWh/(m2·a)，134.0kWh/(m2·a)。需要指出的是：全年耗冷量、設(shè)計(jì)冷負(fù)荷、峰值冷負(fù)荷這三個(gè)指標(biāo)是按單位空調(diào)面積給出的，若要改用單位建筑面積給出，由于本文設(shè)定的

21、非空調(diào)面積比為25%，則以上三個(gè)指標(biāo)都要乘以系數(shù)0.75。表中給出的各項(xiàng)指標(biāo)是在理想的設(shè)定下得出的，實(shí)際運(yùn)行管理中較少符合這種理想設(shè)定。具體應(yīng)用時(shí)要根據(jù)專業(yè)知識(shí)對(duì)報(bào)表的有關(guān)指標(biāo)酌情作一些變動(dòng)。如模擬計(jì)算時(shí)，設(shè)定人員密度、照明散熱量、設(shè)備散熱量在工作時(shí)間內(nèi)不隨時(shí)間變化、保持穩(wěn)定，實(shí)際使用中是有較大變動(dòng)的；模擬計(jì)算時(shí)設(shè)定100%使用空調(diào)面積，實(shí)際上空調(diào)空間的使用率（或出租率）不可能一直維持在100%；模擬計(jì)算時(shí)設(shè)定工作時(shí)間內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)總是開機(jī)，總是保證設(shè)定的最小新風(fēng)量，實(shí)際使用中業(yè)主很可能為了減少運(yùn)行費(fèi)用而少開機(jī)、關(guān)小新風(fēng)閥?？紤]到空調(diào)空間的出租率、空調(diào)系統(tǒng)的開機(jī)率這兩個(gè)影響較大的因素，一般來(lái)說(shuō)模擬

22、指標(biāo)要作相應(yīng)處理后應(yīng)用。3 模擬結(jié)果分析本文的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，對(duì)于分內(nèi)外區(qū)與不分內(nèi)外區(qū)兩種情況，除了建筑面積不一致外，相同試驗(yàn)號(hào)的其他共有因素的取值完全一致，故我們可對(duì)是否分內(nèi)外區(qū)的影響進(jìn)行分析。同理我們也將對(duì)地區(qū)、新風(fēng)方式對(duì)模擬結(jié)果的影響進(jìn)行分析。剩下的影響負(fù)荷的11個(gè)因素是作為因子安排在正交表中的；這些因素各自的影響程度可通過(guò)設(shè)計(jì)更多次數(shù)的、且考慮交互作用的正交表來(lái)模擬計(jì)算，最后對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行正交方差分析考察得出；限于篇幅，本文不作研究。3.1 分內(nèi)外區(qū)的影響由模擬結(jié)果可知，各城市分內(nèi)外區(qū)時(shí)的供冷時(shí)數(shù)都大于不分內(nèi)外區(qū)的數(shù)值，這是因?yàn)榉謨?nèi)外區(qū)設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，當(dāng)外區(qū)在過(guò)渡季已不需供冷時(shí)，內(nèi)區(qū)一

23、般仍需較長(zhǎng)時(shí)間的小負(fù)荷供冷。各城市不分內(nèi)外區(qū)的設(shè)計(jì)冷負(fù)荷（或峰值冷負(fù)荷）都大于分內(nèi)外區(qū)的數(shù)值，這是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)層面積較小的建筑不分內(nèi)外區(qū)，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷占總負(fù)荷的比例較大。各城市是否分內(nèi)外區(qū)時(shí)的全年耗冷量大小沒有規(guī)律。從耗冷量最小的焓控新風(fēng)方式來(lái)看，分內(nèi)外區(qū)時(shí)的全年耗冷量總體上要少一些。3.2 氣候條件的影響由于氣候條件的不同，3城市在相同試驗(yàn)條件下得到的結(jié)果也不同，計(jì)算其之比（不同城市的供冷時(shí)數(shù)之比意義不大，不考慮），再把12個(gè)試驗(yàn)的模擬結(jié)果之比作平均（不同于對(duì)表3表5中列出的“平均”項(xiàng)再作有關(guān)比值處理，下同），所得的結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)性、代表性，可使設(shè)計(jì)人員對(duì)城市（可代表不同建筑熱工分區(qū)）間差異有

24、一個(gè)宏觀上的數(shù)量概念，見表6。表6 不同城市空調(diào)系統(tǒng)模擬結(jié)果平均比值全年耗冷量之比設(shè)計(jì)冷負(fù)荷之比峰值冷負(fù)荷之比定新風(fēng)焓控新風(fēng)溫控新風(fēng)各種新風(fēng)方式各種新風(fēng)方式分內(nèi)外區(qū)北京/哈爾濱129%145%145%104%104%上海/哈爾濱136%173%172%116%114%不分內(nèi)外區(qū)北京/哈爾濱132%144%143%104%104%上海/哈爾濱128%165%161%117%116%3.3 新風(fēng)方式的影響由模擬結(jié)果可知，各種新風(fēng)方式下的設(shè)計(jì)冷負(fù)荷或峰值冷負(fù)荷是完全相同的。這是因?yàn)樾嘛L(fēng)方式不同主要影響過(guò)渡季負(fù)荷，而設(shè)計(jì)冷負(fù)荷或峰值冷負(fù)荷一般都發(fā)生在最熱月。焓控和溫控兩種新風(fēng)方式下的全年供冷時(shí)數(shù)幾乎完全相同，而且這兩種新風(fēng)方式下的供冷時(shí)數(shù)都比定新風(fēng)方式下的供冷時(shí)數(shù)少得多。與氣候條件的影響一樣，可求出不同新風(fēng)方式下模擬結(jié)果平均比值，見表7。表7 不同新風(fēng)方式下模擬結(jié)果平均比值城市分內(nèi)外區(qū)空調(diào)系統(tǒng)不分內(nèi)外區(qū)空調(diào)系統(tǒng)全年耗冷量之比供冷時(shí)數(shù)之比全年耗冷量之比供冷時(shí)數(shù)之比焓/定溫/定焓/定溫/定焓/定溫/定焓/定溫/定哈爾濱61.7%65.6%53.2%53.2%64.9%69.7%63.2%63.2%北京68.6%73.5%58.9%58.9%70.9%75.9%63.7%63.6%上海78.4%82.9%66.6%66.6%84.1