建筑空调冷、热负荷计算的国际经验与启示

建筑空调冷、热负荷计算的国际经验与启示

计算建筑物的冷却和热量负荷是所有空调设计的基础基础。推广全年空调逐时冷、热动态负荷计算十分必要,好处与效益也很明显:可以通过改善建筑外围护结构的保温隔热遮阳性能,最大限度地降低围护结构冬、夏季的传热负荷;可以权衡外窗玻璃的天然照明效果与遮阳效果;可以合理确定冷、热源的容量与台数配置以及通过优化控制策略实行经济运行;可以正确、合理确定空调方式与空调水系统方案;在推广蓄冷空调、燃气空调和能量回收系统时,可以评价其经济效益、社会效益及环保效益。1动态负荷的计算《全国民用建筑工程设计技术措施:节能专篇/暖通空调·动力(2007)》的5.1.4规定,下列情况宜采用通过国际验证的计算机模拟软件进行全年动态负荷计算:(1)需要对空调方案进行能耗和投资等经济分析时;(2)采用利用热回收装置回收冷热量、利用室外新风作冷源调节室内负荷、冬季利用冷却塔提供空调冷水等节能措施,需要计算节能效果时;(3)采用蓄热蓄冷装置,需要确定装置的容量时。目前全年动态负荷的计算主要利用建筑能耗模拟软件,此类软件主要用于建筑和系统的动态模拟分析,国外的软件以DOE-2,EnergyPlus和ESP-r等为代表,这类软件的主要模拟目标是建筑和系统长周期的动态热特性(往往以h为时间步长),采用的是完备的房间模型和较简单的系统模型及简化的或理想化的控制模型,适用于模拟分析建筑物围护结构的动态热特性,模拟出全年的空调动态负荷,进而模拟建筑物的全年运行能耗。国内的软件主要为由清华大学建筑技术科学系江亿院士主持的建筑环境设计模拟分析软件DeST,它基于“分阶段模拟”的理念,实现了建筑物与系统的连接,使之既可用于详细分析建筑物的热特性,又可以模拟系统性能,较好地解决了建筑物和系统设计耦合的问题。以上软件的复杂性和难以入门阻碍了它的推广,尤其在我国目前这种工程设计管理体制下更是难以要求建筑设计单位进行模拟分析,一般以上软件的应用主要集中在科研院校和专业的建筑节能咨询公司,针对特定项目由上述院校或公司做相应的节能评估报告。2方案三:冷水机组冷暖热回收生产卫生热水目前广西的一些设计项目,除了围护结构的权衡判断利用到全年动态能耗计算分析外,以下空调及热水系统设计项目需要进行全年动态负荷的计算(包括热水需求的全年动态负荷计算):(1)水冷冷水机组冷凝热回收生产卫生热水是采用部分热回收还是全热回收,机组如何搭配。(2)采用地源热泵供冷暖空调和卫生热水,地埋管系统需考虑输入土壤的全年冷热量是否平衡,污水源热泵系统是否满足全年的冷热需求,以及机组的搭配。(3)冰蓄冷或水蓄冷系统全年负荷及经济分析。(4)同一个项目不同方案之间技术、能耗、投资比较时,应该建立在统一的设计日负荷和全年负荷的基础上。在方案设计及初步设计阶段,建筑的窗墙比例及材料物性等方面还不够确定,设计时间也较短,没有技术条件用全年能耗分析软件来进行模拟的情况下,只能进行初步的全年动态负荷估算。2.1供热负荷估算指标设计日冷热负荷是采用历年来不保证一定天数或小时数的室外空气计算参数计算出来的,是用来选择冷热源设备大小的重要依据。如果利用如鸿业负荷计算或浩辰负荷计算等计算软件进行热负荷和逐时逐项的冷负荷计算,则不但冬季设计日热负荷qrx(kW)和夏季设计日冷负荷qlx(kW)可以算出,而且可以算出设计日逐时的热负荷qri(kW)和逐时的冷负荷qli(kW),从而设计日总热量Qr=Σqri·li(kW·h)和设计总冷量Ql=Σqli·li(kW·h)可以得出,其中li为运行时数(h)。但方案设计及初步设计阶段,大多套用负荷估算指标,根据建筑面积估算工程的热负荷qrx(kW)和冷负荷qlx(kW),更详细一点的话,亦可根据建筑物各空调房间面积和负荷估算指标来计算其冷热负荷。负荷指标可以参考《全国民用建筑工程设计技术措施:暖通空调·动力(2003)》第一章。冬季设计日室外气温变化不大,可以认为逐时热负荷qri=qrx,冬季设计日总热量Qr=Σqrx·li。夏季设计日室外气温变化较大,考虑太阳辐射、人员、灯光和同时使用逐时值不同,可以参照冰蓄冷设计用的系数法来估算设计日逐时冷负荷,即qli=κ·qlx,则夏季设计日总冷量Ql=Σqli·li。逐时冷负荷系数可以参考《全国民用建筑工程设计技术措施:暖通空调·动力(2003)》第6.5节。(见表1)2.2设计基本热负荷的计算度日法是美国ASHRAE标准90—75给出的估算冬季供暖建筑耗能的方法。度日,是指每日平均温度与规定的标准参考温度(或称温度基准)的离差,度日法主要基于这样一种假设,即从长期平均的观点来看,当室外温度等于某一基准温度时,太阳辐射和室内得热刚好可以弥补建筑物的热损失,因此某一温度下的热负荷可以近似地认为正比于室外温度与这一基准温度的差值。某日的度日数就是该日平均温度与标准参考温度的实际离差,即(HDD)[采暖度日数(heatingdegreedays)]=TB-T。式中,HDD—某日度日数(℃·日),当T>TB时,则(HDD)=0;TB—采暖标准参考温度,℃,一般取18℃;某日的总热量为Qir=(HDD)/(TD-TI)·Qr。式中,TD、TI—冬季供暖的室内和室外设计温度;Qr—冬季设计日总热量。根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》,可以找到供暖期室外日平均温度和采暖度日数,从而可以计算出整个冬季总热量为ΣQr。根据南宁市典型气象年12月1日～2月28日的室外日平均温度分布,计算出南宁市供暖期采暖度日数HDD18为367.6(℃·日),办公建筑考虑周末不供暖,其供暖期采暖度日数HDD18为262.6(℃·日)。2.3夏季冷负荷的计算夏季气温变化较大,影响夏季冷负荷的因素不仅仅为室外干球温度,还受到室外太阳辐射、室内热负荷及窗墙面积、材料热物性、新风量等的影响,但对于方案、初设阶段的估算,可以假设空调负荷与室内外温差大致成比例,这是参考度日法的计算方法,在不同的室外干球温度下,计算其夏季冷负荷,根据典型气象参数可以计算出整个夏季逐时冷负荷,从而可以得到整个夏季的总冷量。仿照“温频法”的概念可以对建筑冷负荷影响较大的室外干球温度的逐时出现频率进行统计,从而可以得出部分负荷分布规律及总的夏季冷负荷。某室外温度的度时数就是该室外温度与标准参考温度的实际离差,即(CDH)[空调度小时数(coolingdegreehours)]=Ti-TB′。式中,CDH—某室外温度的度时数(℃·h),当Ti<TB′时,则(CDH)=0;TB′—供冷标准参考温度,℃,一般取26℃;Ti—室外温度,℃。某室外温度对应的冷负荷为qli=(CDH)/(TI′-TD′)·qlx。式中,TI′、TD′—夏季供冷的室外和室内设计温度;qlx—夏季设计日冷负荷。根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》,可以找到供冷期室外逐时温度和供冷度时数,从而可以计算出整个夏季供冷量为Σqli·li。不同使用功能的建筑根据其空调系统间歇运行的时间不同,其空调运行时室外空气温度的频率分布有所不同,南宁市供冷期为5月1日～10月31日,共计184天,4416个小时;办公建筑空调运行时间为8:00～18:00,周末不运行;商场建筑空调运行运行时间为8:00～22:00,酒店全天运行,根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》可以统计分析出相关数据。(见表2～表3)从表3可以看出,办公建筑有63%的时间在低于50%的负荷下运行,商场建筑有67%的时间在低于50%的负荷下运行,酒店建筑有82%的时间在低于50%的负荷下运行,所以选择主机设备时要注意多台大小搭配,并且要注意部分负荷下设备的高效运行。3方案阶段全年冷、热负荷及热水南宁市某综合建筑共31700m2,其中酒店部分12400m2,办公部分19300m2,全年供冷暖空调,生产生活热水给酒店及附近生活楼用,拟采用部分回收冷凝热生产生活热水,同时拟采用地埋管地源热泵系统实现冷气、暖气和生活热水三联供,实现系统能耗达到最小化,因此方案阶段需要计算全年冷、热负荷及热水需求。根据以上的估算方法进行空调全年动态负荷估算。3.1设计日冷、年热负荷根据冷负荷指标:旅馆80W/m2～90W/m2;办公楼85W/m2～100W/m2,冬季负荷为夏季冷负荷的1/3～1/4。夏季设计日冷负荷:qlx=12400×0.085+19300×0.090=2791(kW);冬季设计日热负荷:qrx=2791/3=930(kW)。根据酒店部分和办公部分空调运行时间不同,分布计算两部分的供热量为8424kW·h和5790kW·h,计算出冬季设计日总热量Qr为14214kW·h。利用表1的冷负荷系数κ,设计日逐时冷负荷计算结果详见表4,夏季设计日总冷量Ql为30111kW·h。3.2计算冬季热负荷的因素根据2.2节的计算方法,南宁冬季空调室外计算温度为5℃,室内设计温度为20℃,冬季总供热量为ΣQr=307808kW·h。3.3采用冷量计算qlili根据2.3节的计算方法,南宁夏季空调室外计算温度为34.2℃,室内设计温度为26℃,夏季总供冷量为Σqli·li=2324491kW·h。(见表5)根据以上估算数据,同时另外计算全年生活热水,就可以初步进行系统设计及设备选型,同时通过进一步计算,分析判断冷凝热回收是否满足全年生活热水需求,地埋管在满足土壤冷热平衡的情况下如何与冷却