用于空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全年雙負(fù)荷曲線分析法

1、用于空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全年雙負(fù)荷曲線分析法        Annual Twin Load Curves Analysis for HVAC system design 提要為了更好地節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)能耗和獲得更好的室內(nèi)空氣質(zhì)量，基于建筑全年模擬分析的觀點(diǎn)，提出了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的建筑雙負(fù)荷曲線分析法（TLCA），它不僅能給出最大的空調(diào)冷熱負(fù)荷，而且能用于指導(dǎo)如何確定能滿足全年運(yùn)行要求的設(shè)備與冷熱源的設(shè)備，并能確定過(guò)渡季的運(yùn)行方式。最后給工程應(yīng)用實(shí)例來(lái)說(shuō)明應(yīng)用此方法的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)/負(fù)荷計(jì)算/建筑模擬/過(guò)渡

2、季Abstract To reach higher energy efficiency and better indoor air quality (IAQ), introduces a simplified analysis method, named Twin Load Curves Analysis (TLCA), based on building annual dynamic simulation for HVAC system design. It can be used not only for predicting the maximum cooling/heating loa

3、d, but also to determine the reasonable number and size of chillers/heaters and other equipment, and to determine the operation mode in intermediate seasons. Shows with examples how efficient using TLCA in real design projects.Keywords air conditioning system design, load calculation, building simul

4、ation, intermediate seasons.1 引言 在全年采用空調(diào)的建筑物的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般采用不穩(wěn)定傳熱方法計(jì)算夏季圍護(hù)結(jié)構(gòu)空調(diào)負(fù)荷，而采用穩(wěn)定傳熱方法計(jì)算冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)空調(diào)負(fù)荷；利用夏季室外計(jì)算溫度、計(jì)算日平均溫度與日較差求得夏季計(jì)算日逐時(shí)溫度，并以此計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量與逐時(shí)新風(fēng)負(fù)荷。冬季則利用冬季空調(diào)室外計(jì)算溫度計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷與新風(fēng)負(fù)荷，該計(jì)算溫度是歷年平均每年不保證1天的日平均溫度。這種方法可以比較方便地求得全年運(yùn)行所需要的最大供冷與加熱設(shè)備的容量，從而選取設(shè)備，確定系統(tǒng)的配置。 現(xiàn)社會(huì)的建筑業(yè)隨經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了很多大型公共設(shè)施建筑與商用建筑。這些建筑

5、由于具有內(nèi)部冷熱負(fù)荷分配顯著不均衡，有大量無(wú)外墻外窗的內(nèi)區(qū)，對(duì)空氣質(zhì)量要求高，有些區(qū)域的室內(nèi)產(chǎn)熱量與最大負(fù)荷時(shí)間可能無(wú)法預(yù)測(cè)（如會(huì)議廳）等特點(diǎn)，其空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行有其獨(dú)特之處，如某個(gè)區(qū)域在某段時(shí)間需要同時(shí)供冷供熱。在這種情況下，如何優(yōu)化系統(tǒng)配置，確定管網(wǎng)形式和最佳運(yùn)行方案，使其能以最小的設(shè)備與土建投資、最小的運(yùn)行費(fèi)和最高的設(shè)備利用率保證整個(gè)建筑各區(qū)域在不同季節(jié)都滿足設(shè)計(jì)要求，是空調(diào)設(shè)計(jì)中更重要的步驟，而僅考慮負(fù)荷峰值是不可能滿足現(xiàn)代建筑的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的。 在一些有問(wèn)題的空調(diào)系統(tǒng)中，尤其是多區(qū)系統(tǒng)，問(wèn)題往往表現(xiàn)為過(guò)渡季室溫太高或太低，由于系統(tǒng)最初的設(shè)計(jì)就不合理，因此這種問(wèn)題無(wú)法依靠改進(jìn)運(yùn)

6、行方式來(lái)解決。 此外，長(zhǎng)江流域以南地區(qū)對(duì)室內(nèi)環(huán)境要求較高的建筑的冬季空調(diào)設(shè)計(jì)也是一個(gè)需要研究的問(wèn)題。成其對(duì)于一些早晚需要供熱而日間需要供冷的建筑物或間歇使用的建筑物來(lái)說(shuō)，顯然動(dòng)態(tài)的負(fù)荷分析方法比穩(wěn)定傳熱分析法更為合理。 綜上所述上所述，在空調(diào)設(shè)計(jì)中，我們會(huì)面臨這樣的問(wèn)題：如何確定冷凍機(jī)或熱水鍋爐的臺(tái)數(shù)和規(guī)格？如何確定供冷或供暖的開(kāi)始時(shí)間？風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)系統(tǒng)是否能滿足過(guò)渡季的要求？有無(wú)必要采用四水管系統(tǒng)？如何避免不合理的設(shè)計(jì)造成的優(yōu)化運(yùn)行無(wú)法實(shí)現(xiàn)？等等。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法無(wú)法回答這些問(wèn)題。 為了解決這一問(wèn)題，很有必要在現(xiàn)代建筑空調(diào)設(shè)計(jì)中采用建筑能耗全年模擬分析的方法。盡管目前國(guó)內(nèi)外已有很多成熟的軟件

7、可供使用，但這些軟件的使用方法和輸出的結(jié)果均太復(fù)雜，不便于建筑設(shè)備工程師在設(shè)計(jì)中使用。因此必須尋求一條途徑來(lái)縮短建筑模擬研究與實(shí)際設(shè)計(jì)工作之間的距離，使設(shè)備工程師能夠把建筑動(dòng)態(tài)模擬的成果用于工程設(shè)計(jì)。 本文提出一種基于建筑負(fù)荷動(dòng)態(tài)模擬的全年雙負(fù)荷曲線分析法，就解決上述問(wèn)題進(jìn)行探討，并給出設(shè)計(jì)實(shí)例。 2 建筑物全年雙負(fù)荷曲線分析法 建筑物全年雙負(fù)荷曲線分析法簡(jiǎn)稱TLCA（Twin Load Curves Analysis）法，它是以當(dāng)?shù)厝隁庀髷?shù)據(jù)（包括溫濕度與太陽(yáng)輻射照度的逐時(shí)值）為計(jì)算基礎(chǔ)，逐日對(duì)全年365日建筑物與外界換熱及室內(nèi)產(chǎn)熱之和的最大值與最小值進(jìn)行計(jì)算。每個(gè)區(qū)域全年計(jì)算的結(jié)果均為兩

8、條曲線：每日最大冷負(fù)荷Qmax曲線和每項(xiàng)日最小冷負(fù)荷Qmin曲線。對(duì)于室內(nèi)最大與最小得熱時(shí)間無(wú)法預(yù)測(cè)的房間來(lái)說(shuō)，最大冷負(fù)荷是在假定室內(nèi)產(chǎn)熱為可能的最大值條件下計(jì)算所得，最小冷負(fù)荷是在假定室內(nèi)產(chǎn)熱為可能的最小值條件下求得。這樣實(shí)際的負(fù)荷必定在這兩曲線之間的范圍內(nèi)變動(dòng)。如果冷負(fù)荷值為負(fù)，其絕對(duì)值的大小即代表了熱負(fù)荷的大小。因此Qmax曲線的正值部分代表了全年的逐日最大冷負(fù)荷，Qmin曲線的負(fù)值部分代表了全年逐日最大熱負(fù)荷。兩條曲線均處于0值時(shí)，則表示建筑物在該時(shí)間段內(nèi)不需要供冷或供熱。因此這兩條曲線就能夠反映空調(diào)區(qū)域何時(shí)需要進(jìn)行空調(diào)，兩條曲線間的區(qū)域代表了空調(diào)系統(tǒng)可能采取的運(yùn)行狀態(tài)。例如某日的Qm

9、ax為正而Qmin為負(fù)，即意味著在這一天當(dāng)中，空調(diào)系統(tǒng)既可能需要進(jìn)行供冷也可能需要供暖。見(jiàn)圖1。圖1 A區(qū)演播室全年空調(diào)負(fù)荷 最大冷負(fù)荷Qmax是由可能的室內(nèi)產(chǎn)熱量、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱和新風(fēng)得熱之和的最大值決定的，而最小冷負(fù)荷Qmin是由可能的室內(nèi)產(chǎn)熱量、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱和新風(fēng)得熱之和的最小值決定的。因此新風(fēng)負(fù)荷是一個(gè)很重要的部分，新風(fēng)量應(yīng)依據(jù)最小能耗的原則根據(jù)室內(nèi)外空氣參數(shù)間的關(guān)系來(lái)確定，或根據(jù)具體情況將新風(fēng)百分比確定為某個(gè)值。例如風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)系統(tǒng)的負(fù)荷就是圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷、室內(nèi)產(chǎn)熱負(fù)荷加全年新風(fēng)量固定的新風(fēng)機(jī)組的空氣處理負(fù)荷；而全年空氣系統(tǒng)的新風(fēng)負(fù)荷的確定就復(fù)雜得多，因?yàn)闉榱藴p小過(guò)渡季的能耗，全年的新

10、風(fēng)量可能是變化的。其新風(fēng)量的確定原則可以是：(1) 如果touttn,houthn或有 ,采用最小新風(fēng)量，則QL=Qbldg+Qint+Qv(2) 當(dāng) ，改變新回風(fēng)百分比來(lái)得到合適的送風(fēng)溫度，可使得QL=0(3) 如果，則采用最大新風(fēng)量或全新風(fēng)來(lái)減小冷負(fù)荷。 上式中t代表空氣溫度，；h代表空氣焓，kJ/kg; Q代表分項(xiàng)負(fù)荷，kW；C是最小新風(fēng)百分比；QL是總冷負(fù)荷，kW。下標(biāo)out代表室外空氣，n代表室內(nèi)設(shè)計(jì)狀態(tài)，s代表送風(fēng)設(shè)計(jì)狀態(tài)，bldg代表圍護(hù)結(jié)構(gòu)，int代表室內(nèi)產(chǎn)熱，v代表新風(fēng)或室外滲透空氣。 建筑物的雙負(fù)荷曲線可根據(jù)應(yīng)用目的與精度的不同通過(guò)不同途徑產(chǎn)生，也就是說(shuō)既可以由詳細(xì)的建筑熱

11、模擬軟件產(chǎn)生，也可以由一組簡(jiǎn)化的公式來(lái)求得，例如用室外綜合溫度求圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷，用冷負(fù)荷系數(shù)法求室內(nèi)得熱冷負(fù)荷等。 求取雙負(fù)荷曲線時(shí)，每日只需獲取兩個(gè)值即最大空調(diào)冷負(fù)荷或最小空調(diào)熱負(fù)荷Qmax與最小空調(diào)冷負(fù)荷或最大空調(diào)熱負(fù)荷Qmin。即全年需要獲取365×2個(gè)數(shù)據(jù)并形成Qmax和Qmin兩條全年變化曲線。 根據(jù)上述方法對(duì)整個(gè)建筑物各區(qū)域全年365天的最大與最小空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，每個(gè)區(qū)域都可得出一對(duì)Qmax和Qmin曲線。則Qmax的全年最大值決定了空調(diào)機(jī)組表冷器的容量，Qmin的全年最小值決定了空調(diào)機(jī)組空氣加熱器的容量。將整個(gè)建筑物所有空調(diào)系統(tǒng)的Qmax正值部分累加可得出Qmax+曲線，將整個(gè)建筑物所有空調(diào)系統(tǒng)的Qmin負(fù)荷部分累加可得出Qmin-曲線。兩條曲線的空缺部分（例如整個(gè)建筑沒(méi)有Qmin負(fù)值部分）均可用0補(bǔ)齊。雖然采用同樣方法也可以求得Qmax-和Qmin+，但實(shí)際上只有Qmax+和Qmin-在全年負(fù)荷分析中有