用于空调系统设计的全年双负荷曲线分析法

1、用于空调系统设计的全年双负荷曲线分析法Annual Twin Load Curves Analysis for HVAC system design为了更好地节省空调系统能耗和获得更好的室内空气质量，基于建筑全年模拟的观点， 提出了一种简单实用的建筑双负荷曲线分析法(TLCA，它不仅能给出最大的空调冷热负荷，而且能用于指导如何确定能满足全年运行要求的设备与冷热源的设备，并能确定过渡季的运行方式。 最后给出工程实例来说明应用此的优点。关键词 空调系统设计 /负荷/建筑模拟 /过渡季AbstractTo reach higher energy efficiency and indoor air q

2、uality (IAQ), introducesa simplifiedanalysis method, named Twin Load Curves Analysis (TLCA), based on buildingannual dynamic simulation for HVACsystem design. It can be used not only for predicting the maximum cooling/heatingload, but also to determine the reasonable number and sizeof chillers/heate

3、rs 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 simulation, intermediate seasons.1 引言 在全年采用空调的建筑物的空调系统设计中，一般采用不稳定传热方法计算夏季围护结构

4、空调负荷，而采用稳定传热方法计算冬季围护结构空调负荷；利用夏季室外计算温度、计算日平均温 度与日较差求得夏季计算日逐时温度，并以此计算围护结构传热量与逐时新风负荷。冬季则利用冬季 空调室外计算温度计算围护结构传热负荷与新风负荷，该计算温度是历年平均每年不保证1 天的日平均温度。这种方法可以比较方便地求得全年运行所需要的最大供冷与加热设备的容量，从而选取设备，确定系统的配置。的建筑业随着的而迅猛发展，出现了很多大型的公共设施建筑与商用建筑。这些建筑由于具有 内部冷热负荷分配显著不均衡，有大量无外墙外窗的内区，对空气质量要求高，有些区域的室内产热 量与最大负荷时间可能无法预测（如会议厅）等特点，其

5、空调系统的设计与运行有其独特之处，如某 个区域在某段时间需要同时供冷供热。在这种情况下，如何优化系统配置，确定管网形式和最佳运行 方案，使其能以最小的设备与土建初投资、最小的运行费和最高的设备利用率保证整个建筑各区域在 不同季节都满足设计要求，是空调设计中更重要的步骤，而仅考虑负荷峰值是不可能满足现代建筑的 空调系统设计要求的。在一些有的空调系统中，尤其是多区系统，问题往往表现为过渡季室温太高或太低，由于系统 最初的设计就不合理，因此这种问题无法依靠改进运行方式来解决。此外，长江流域以南地区对室内环境要求较高的建筑的冬季空调设计也是一个需要的问题。成 其对于一些早晚需要供热而日间需要供冷的建筑

6、物或间歇使用的建筑物来说，显然动态的负荷分析方 法比稳定传热分析法更为合理。综上所述上所述，在空调设计中，我们会面临这样的问题：如何确定冷冻机或热水锅炉的台数 和规格？如何确定供冷或供暖的开始时间？风机盘管加新风系统是否能满足过渡季的要求？有无必 要采用四水管系统？如何避免不合理的设计造成的优化运行无法实现？等等。传统的设计方法无法回 答这些问题。为了解决这一问题，很有必要在现代建筑空调设计中采用建筑能耗全年模拟分析的方法。尽管 国内外已有很多成熟的软件可供使用，但这些软件的使用方法和输出的结果均太复杂，不便于建筑设 备工程师在设计中使用。因此必须寻求一条途径来缩短建筑模拟研究与实际设计工作之

7、间的距离，使 设备工程师能够把建筑动态模拟的成果用于工程设计。本文提出一种基于建筑负荷动态模拟的全年双负荷曲线分析法，就解决上述问题进行探讨，并 给出设计实例。建筑物全年双负荷曲线分析法建筑物全年双负荷曲线分析法简称TLCA (Twin Load Curves Analysis )法，它是以当地全年气象数据(包括温湿度与太阳辐射照度的逐时值)为计算基础，逐日对全年365日建筑物与外界换热及室内产热之和的最大值与最小值进行计算。每个区域全年计算的结果均为两条曲线：每日最大冷负荷曲线和每项日最小冷负荷 Qnin曲线。对于室内最大与最小得热时间无法预测的房间来说，最大冷负荷是在假定室内产热为可能的最

8、大值条件下计算所得，最小冷负荷是在假定室内产热为可能的最小值条件下求得。这样实际的负荷必定在这两曲线之间的范围内变动。如果冷负荷值为负，其绝对值的大小即代表了热负荷的大小。因此Qnax曲线的正值部分代表了全年的逐日最大冷负荷，Qin曲线的负值部分代表了全年逐日最大热负荷。两条曲线均处于0值时，则表示建筑物在该时间段内不需要供冷或供热。因此这两条曲线就能够反映空调区域何时需要进行空调，两条曲线间的区域代表了空调系统可能采取的运行状态。例如某日的 Qax为正而Qin为负，即意味着在这一天当中，空调系统既可能需要进行供冷也可能需要供暖。见图1。图1 A区演播室全年空调负荷最大冷负荷Qax是由可能的室

9、内产热量、围护结构传热和新风得热之和的最大值决定的，而最小冷负荷Qin是由可能的室内产热量、围护结构传热和新风得热之和的最小值决定的。因此新风负荷是 一个很重要的部分，新风量应依据最小能耗的原则根据室内外空气参数间的关系来确定，或根据具体 情况将新风百分比确定为某个值。例如风机盘管加新风系统的负荷就是围护结构负荷、室内产热负荷 加全年新风量固定的新风机组的空气处理负荷；而全年空气系统的新风负荷的确定就复杂得多，因为为了减小过渡季的能耗，全年的新风量可能是变化的。其新风量的确定原则可以是:,采用最小新风量，则QL=Qldg+Qnt +Q如杲 t out t n,h out hn 或有，改变新回风

10、百分比来得到合适的送风温度，可使得QL=0(3)如果耳 f 5，则采用最大新风量或全新风来减小冷负荷。上式中t代表空气温度，C； h代表空气焓，kJ/kg; Q代表分项负荷，kW C是最小新风百分比;L是总冷负荷，kW下标out代表室外空气，n代表室内设计状态，s代表送风设计状态，bldg代表围护结构，int代表室内产热，v代表新风或室外渗透空气。建筑物的双负荷曲线可根据应用目的与精度的不同通过不同途径产生，也就是说既可以由详细 的建筑热模拟软件产生，也可以由一组简化的公式来求得，例如用室外综合温度求围护结构负荷，用 冷负荷系数法求室内得热冷负荷等。求取双负荷曲线时，每日只需获取两个值即最大空

11、调冷负荷或最小空调热负荷Qax与最小空调冷负荷或最大空调热负荷Qin。即全年需要获取 365X2个数据并形成Qax和Qnin两条全年变化曲线。根据上述方法对整个建筑物各区域全年365天的最大与最小空调负荷进行计算，每个区域都可得出一对Qax和Qnin曲线。则Qnax的全年最大值决定了空调机组表冷器的容量，Qnin的全年最小值决定了空调机组空气加热器的容量。将整个建筑物所有空调系统的Qnax正值部分累加可得出 Qnax+曲线，将整个建筑物所有空调系统的Qin负荷部分累加可得出曲线。两条曲线的空缺部分(例如整个建筑没有Qin负值部分)均可用0补齐。虽然采用同样方法也可以求得Qax和Qin，但实际上

12、只有 Qax和Qin在全年负荷分析中有用。下文图4中给出了按上述步骤得出的两条总负荷曲线。需要注意在累加时需考虑同时使用系数。对这两条总负荷曲线进行分析，可确定建筑物的设备容量配置与运行方案。例如可以确定冷热源切换的最佳时间，水系统是否需要采用四管制，以及如何决定冷水机组的台数、大小以及型式等。实际上这是把一种简化了的全年负荷动态模拟方法用于空调系统设计，与常规的稳态的设计方法的出发点不同。3工程实例3.1中央电视台改造工程中央电视台为带裙房的高层建筑，总建筑面积约 3万m2。其内区主要用作演播、配电、录音以 及各种技术用房，外区主要用作办公室。内区的主要热源是设备与灯光，人员散热散湿占比例很

13、小， 没有围护结构传热。而外区办公室发热量比较小，负荷主要来源是人员散热散湿、照明与办公设备散 热以及围护结构传热。由于近年负荷变动较大，不能满足要求而需对其空调系统进行改造。 原有冷源为冷水机组，热源 利用城市热网提供的热水，水系统为两管制。城市热网的供暖时间为11月15日至来年3月15日。4月份和10月份为设备维护期。增加热水锅炉或水系统改四管制均因条件限制不可行。负责内区的多数系统为全空气系统，少部分内区和外区是风机盘管加新风的空气-水系统。冷源停机后这部分区域主要靠新风降温，因新风所提供的冷量不够，故这部分区域在过渡季往往出现室温偏高的现象。还有部分区域在城市热网供暖流以前无法解决供暖

14、。采用上述全年双负荷曲线法进行负荷分析。首先根据负荷特性、围攻护结构特性、空调方式、空调系统与水系统的连接关系、室内设计标准等把全系统分为50个区域，对这50个区域的全年空调最大与最小负荷进行模拟，求得Qmax和Qmin曲线。演播室与办公室负荷特性很不相同，其使用时间可能出现在一天中任何时刻，使用期限可长可短。使用时其灯光产热量变动范围可为全部灯光设计容量的 30%70%。图1至图6为部分模拟结果。图1给出全空气系统服务的 A区1000m2演播室的双负荷曲线。由图可见，空气处理设备需在3月中旬切换至供冷模式，而在10月底需切换至供暖模式。图2是为门厅和咖啡厅服务的空调系统的双负荷曲线。该区域有

15、大面积的玻璃外墙，使用时间比办公室长（员工上班前或下班后均可能在些此逗留）。因此该区域在4月份和10月份既需要供冷又需要供暖。图2门厅和咖啡厅全年空调负荷图3C区办公室的全年冷负荷图3是采用风机盘管的 C区外区的办公室双负荷曲线。模拟结果说明该区域冬季仍需要少 量供冷。虽然冬季没有冷源，但由于该区域有外窗，冬季可以靠打开外窗来调节室温。图4为冷、热源的全年负荷曲线。从曲线可见，主要供暖期间是从11月1日至来年3月15 日,主要供冷期间是 3月15日至10月31日。这说明冷源开动的期间应尽可能地延长，但原冷水机组的 设计容量比图中的最大冷负荷少1000kW。尽管供暖期限有部分区域还需要冷量，但这

16、些区域多数都是类似C区的外区，可以通过打开外窗获得冷量而不需要人工冷源提供。关键的问题是要避免内区房间出现这种情况。图 5和图6所示就是这样一个例子。M M M K bo-5讥-1& 亡朝忖削图4空调总负荷B全年空调负荷曲线此外，4月份和10月份有些区域还需要供暖。解决这种问题的最好办法是采用四水管系统,但确因条件所限无法实现。笔者认为采用局部风冷式热泵机组是最好的解决办法。不过必须全盘统一 考虑局部热泵系统的设置以使其既能满足过渡季的供暖负荷又能够补足夏季冷负荷最大时冷源能力的 不足。B区是内区技术用房， 原来由风机盘管加新风系统控制。实际上该区的冬季热负荷仅仅是新风热负荷。由于新风量有限，

17、故冬季无法降温，因此只能将其改为全空气系统，使其冬季能依靠大量新风 降温。这种的缺点是改造期间该房间不能使用。图5和图6分别是改造前后的双负荷曲线。而改造后的冷热源负荷曲线基本上如图4,没有大变化。图6内区B的全年空调负荷该工程的一期部分已经竣工，二期部分正在进行。整个工程的方案设计匀是以全年双负荷曲线分 析法的结论为依据进行的。3.2华中地区某商用建筑工程该建筑由裙房和两座塔楼组成，裙房用作购物中心和娱乐场所。采用双负荷曲线分析法可用于解 决这种夏季仅需要供冷，而冬季部分时间需要供热、部分时间需要供冷的建筑的空调设计问题。购物中心处于裙房一层，总面积2500m2,营业时间为 8 0020 :

18、 00。室外空调计算参数为干坏温度35.7 C,湿球温度28.2 C。室内夏季设计参数为干球温度27 C,相对湿度60% ;冬季设计参数为干球温度18 C,湿度无要求。根据防火分区原则，该购物中心被分为两个区域，见图7。每个区均用一空调箱处理一次回风。K-1空调箱负责1区，K-2空调箱负责2区。采用冷负荷系数法求得的冷负荷为：QLk-i=402kW,QL k-2 =350kW图7购物中心平面采用单点室外参数求得的冬季热负荷为：Qh k-i =88kW, Qh k-2 =62 kW上述负荷包括室内产热、围护结构传热、风机温升、新风负荷，不使用再热。根据以上计算，设计人员选择了两台溴化锂直燃式冷热

19、水机组，额定供冷量为热量为370kW。模拟所采用的气象数据由气象模拟软件包QXSWM2产生的代表年气象数据。该城市气象代表年每天作息时间内室外干球温度和焓的最大值与最小值全年变化曲线。465kW，额定供图8和图9分别是*辿口 0觇302OIO0-JO图9实例2的室外空气焓图8实例2的室外空气温度图10和图11是K-1和K-2空调箱的全年双负荷曲线。图中所示的最大热负荷与最大冷负荷均大于前面的设计值，例如， K-1的冷负荷是440kW，比设计值高38kW。其原因是受夏季不保证50h和冬季不保证一天的室外设计参数的。图 10 K-1系统负荷图11 K-2系统负荷尽管与设计负何有偏差，但双负何曲线仍

20、然反映了全年负何变化的情况。可以看到该购物中心从2月份至11月中旬都需要供冷，11月中旬至来年平均月份都需要供热，即在2,3月份早、晚，而中午需要制冷，因为新风带入的冷量已不能满足要求。图12是总负荷曲线。根据图 12，可确定更好的溴化锂真燃机配置方式，即选择一台349 kW 冷热量，一台581kW/465kW 热量的机组。前者在2, 3月份根据需要供冷或供热,10月份至11月中旬期间供冷，11月中旬至年1月份供暖，7, 8月份部分时间制冷运行，后者在 4月份至9月这样在各个期间，两台机组都能发挥最大效力。图12冷热源总负荷该配置需要的问题是冷热模式的转换问题，在一天中，直燃机组可能需要进行两次冷热转换。，则需要增设一个热水器，在2，3月份专站提供热水。另一种配置方法就是选用8