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

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/(m2?a)，114.5kWh/(m2?a)，134.0kWh/(m2?a)。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)鍵字：高層辦公建筑設(shè)計(jì)冷負(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-2[2]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)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)）、過渡季新風(fēng)方式不同（對(duì)過渡季負(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、不同的過渡季新風(fēng)方式為兩類基本不同條件。為簡化起見，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。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)、簡化分析過程、提高分析可靠性等優(yōu)點(diǎn)，本文將用其來安排模擬試驗(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1234567891011111111111111211111222222311222111222412122122112512212212121612221221211721221122121821212221112921122212211102221111221211221212111221222112121221注：分內(nèi)外區(qū)（大大標(biāo)準(zhǔn)層面面積）時(shí)完完全套用本本表；不分分內(nèi)外區(qū)（小小標(biāo)準(zhǔn)層面面積）時(shí)無無進(jìn)深，第第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厚頁頁巖陶?？湛招钠鰤K，外外貼120厚實(shí)心磚磚，K=0.883W/((m2·K)300mm厚頁頁巖陶?？湛招钠鰤K，K=1.03W/(m2·K)北京300mm厚頁頁巖陶粒空空心砌塊，K=1.03W/(m2·K)200mm厚加加氣混凝土土，K=1.336W/((m2·K)上海200mm厚KKM非承重空空心磚，孔孔隙率>25%，K=1.667W/((m2·K)240mm厚KKP承重多孔孔磚，孔隙隙率<25%%,K=1.991W/((m2·K)窗類型

哈爾濱北京5F+12A++5L,K=1.996W/((m2·K),,Cs=0..625F+12A++5F,K=3.009W/((m2·K),,Cs=0..78上海10mm鍍膜熱熱反射玻璃璃，K=5.445W/((m2·K)，Cs=0..496mm透明浮法法玻璃，KK=5.778W/((m2·K)，Cs=0..89夏季設(shè)計(jì)室溫(℃)2427人員密度(pp/m2)0.250.125燈光散熱(WW/m2)2030設(shè)備散熱(WW/m2)2040新風(fēng)指標(biāo)(mm3/p·hh)1730層高(m)3.24窗墻比(%))0.30.6標(biāo)準(zhǔn)層面積(mm2)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)層長寬比1:1標(biāo)準(zhǔn)層方位N-S或W-EE非空調(diào)面積比占整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層面面積的25%，位于核核心區(qū)窗內(nèi)外遮陽無冬季設(shè)計(jì)室溫(℃)20注：5F+122A+5L表示雙雙層中空玻玻璃，外層層是5mmm厚浮法玻玻璃，內(nèi)層層是5mmm低輻射玻玻璃，中間間是12mmm的空氣氣層；Cs是玻璃的的遮擋系數(shù)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8:00~18:00。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)荷荷理論峰值冷負(fù)荷荷供冷時(shí)數(shù)（kWh/·m22·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)1104/106669/7472/77118.0/1124.55131.1/1138.332383/166181197/100851197/100852143/1500102/1088106/1133181.1/1188.88201.2/2209.881815/166051197/100871197/100873120/117760/6467/7199.6/1005.2110.7/1116.442610/199421198/100531198/100534108/111172/7876/83119.2/1128.88132.4/1143.112580/155561198/100461198/100465154/141180/8387/91142.2/1146.22158.0/1162.552610/177421198/100671198/100676131/132274/8180/90134.3/1147.44149.2/1163.772610/155521198/97781198/9778773/7348/5051/5494.6/988.4105.2/1109.332095/144601198/100081198/100088120/123382/8487/90161.2/1167.00179.1/1185.551866/155501198/100741198/100749185/181197/106104/1155137.6/1151.33152.0/1168.112610/200661197/100671197/1006710117/128873/8178/87144.9/1162.00161.0/1180.002220/144461198/94411198/944111135/128873/7678/81105.8/1109.44116.2/1120.552610/200561197/100891197/1008912124/131192/9895/102171.7/1180.33190.8/2200.331689/155311198/100691198/10069平均126/127777/8282/88134.2/1142.44148.9/1158.112308/166771198/100471198/10047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)荷荷理論峰值冷負(fù)荷荷供冷時(shí)數(shù)（kWh/·m22·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)1140/1411101/1077106/1122122.7/1129.88136.3/1144.222610/200161506/133401506/133402195/2044148/1555153/1611186.5/1194.88207.2/2216.442503/200601506/133561506/133563149/153387/9198/103103.1/1108.77113.2/1119.112610/233821512/122911512/122914141/1444103/1100108/1155123.9/1134.22137.6/1149.112610/199031510/122861510/122865191/1877119/1233132/1388146.7/1151.55163.0/1168.222610/222511512/122991512/122996165/1700106/1155117/1277137.3/1151.11152.6/1167.992610/199611511/122191511/12219798/9771/7476/8199.6/1004.5110.6/1116.112596/166891512/122071512/122078165/1666123/1277134/1388167.9/1175.11186.5/1194.662537/188251512/122861512/122869221/2300132/1433141/1511143.5/1159.11155.6/1172.222610/233661506/133041506/1330410151/1622106/1166113/1233150.6/1168.88167.3/1187.552609/177041511/111421511/1114211164/1644102/1066110/1122111.8/1115.88121.9/1127.222610/233811505/133291505/1332912169/1799134/1433138/1466178.2/1188.22198.0/2209.112296/188551510/133081510/13308平均162/1666111/1188119/1266139.3/1148.55154.2/1164.332568/200331509/122811509/12281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)荷荷理論峰值冷負(fù)荷荷供冷時(shí)數(shù)（kWh/·m22·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)1154/1455124/1266127/1299139.3/1147.55154.8/1163.992610/177641737/133791737/133792207/2011177/1799181/1833209.8/2222.44233.1/2247.112610/177311737/133741737/133743124/110090/89100/96107.8/1113.33115.8/1122.222610/166541738/122141738/122144154/1533127/1333131/1377142.8/1156.11158.7/1172.332610/177611738/133391738/133395208/1922148/1488163/1600164.8/1173.00180.3/1192.222610/200071738/133531738/133536169/1599127/1311138/1388153.7/1170.44168.5/1184.332610/166691738/122111738/122117107/9485/8391/87110.5/1118.22122.8/1131.332610/144331738/111611738/111618187/1788155/1544165/1622196.4/2204.22218.2/2226.992610/166931738/133191738/133199192/1711139/1433148/1499148.5/1163.88157.1/1172.772610/188131737/133131737/1331310155/1577125/1311132/1377167.5/1188.22184.2/2204.772610/144761738/111141738/1111411171/1655123/1255131/1322123.0/1128.88131.1/1137.112610/222691737/144481737/1444812204/2044174/1800177/1833204.7/2220.00227.4/2244.552607/188101737/133951737/13395平均169/1611133/1355140/1411155.7/1167.22171.0/1183.332610/177571738/133021738/13302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，一般來說模擬指標(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設(shè)計(jì)更多次數(shù)的、且考慮交互作用的正交表來模擬計(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)在過渡季已不需供冷時(shí)，內(nèi)區(qū)一般仍需較長時(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

全年耗冷量之比比設(shè)計(jì)冷負(fù)荷之比比峰值冷負(fù)荷之比比定新風(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)系系統(tǒng)不分內(nèi)外區(qū)空調(diào)調(diào)系統(tǒng)全年耗冷量之比比供冷時(shí)數(shù)之比全年耗冷量之比比供冷時(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