办公楼空调全年逐时动态负荷计算的结果及其分析.docx

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办公楼空调全年逐时动态负荷计算的结果及其分析

办公楼空调全年逐时动态负荷计算的结果及其分析

中国建筑科学研究院空气调节研究所　汪训昌☆中国建筑科学研究院建筑物

理研究所　林海燕北京银谷大厦房地产开发有限公司　杨书渊　李　勇

摘要　以北京银谷大厦办公楼为例,介绍了全年逐时动态负荷计算的结果,并对其进行了详细分析,为指导空调系统的分系统设计、空调运行与能量管理提供定量的依据。

通过本文和以前发表的该工程第一阶段的计算结果,完整给出了对一栋办公楼进行空调全年逐时动态负荷计算的结果。

关键词　办公楼　空调全年逐时动态负荷计算　层段　累计冷热量　最大冷热负荷

Informationprovidedandquestionsansweredbyallyear

hourlydynamicloadcalculationofairconditioningsystems—calculationresultsandanalysisforanofficebuilding

ByWangXunchang★,LinHaiyan,YangShuyuanandLiYong

Abstract　WiththeexampleofBeijingYinguBuilding,givesallyearhourlydynamicloadcalculationresultsandmakesdetailedanalysis,whichwillprovidequantitativeguidanceforsystemdivision,operationandenergymanagementofairconditioningsystems.Theaboveresultsaswellasthefirststageresultspreviouslypublishedareacompleteresultofallyearhourlydynamicloadcalculationoftheairconditioningsystemforanofficebuilding.

Keywords　building,allyearhourlydynamicairconditioningloadcalculation,floorsection,accumulatedcooling/heatingquantity,maximumcooling/heatingload

★InstituteofAirConditioning,ChinaAcademyofBuildingResearch,Beijing,China

0　引言

上世纪80年代,改革开放在全国范围内首先掀起了建设旅游旅馆的高潮,由于当时涉外宾馆在使用功能与生活环境方面需要满足外国人的生活要求,促使空调成为了旅游旅馆建设中一种必备设施。

90年代,由于商品经济的发展与大量外国企业的涌入,又出现了建设与国际水平接轨的商场与办公楼的高潮,这些现代化水准商场与办公楼的主要特征之一都是需要设置全年运行的舒适性空调系统。

高水准的宾馆、商场和办公楼这三类民用空

调建筑经20多年的建设,在全国各大、中、小城市已是到处可见,其建设速度之快,规模之大,范围之广可称世界第一。

但是这种高速建设与发展,客观上也使大家放弃了曾经倡导的“精心设计,精心施工”的方针。

反映在空调设计中,不管工程规模如

☆汪训昌,男,1936年3月生,研究生,研究员

100013北京市北三环东路30号

（010）84274556收

何,复杂程度如何,在施工图设计阶段,采用负荷指标来确定每个工程的冷、热负荷,已普遍成为一种合理与合法的设计行为。

但是,不论是80年代末中国建筑科学研究院空气调节研究所对全国旅游旅馆所作的能耗调查测试,还是90年代末清华大学建筑技术科学系对北京市公共建筑的能耗调查测试,都证明了由这种负荷指标估算的设计冷负荷所确定的冷源安装容量,均比实际需要大了1/3左右。

因此,自上世纪90年代以来,全国一些研究单位与高校的专家教授一直在呼吁设计界应尽快改变这种状况,尽早采用全年的逐时动态负荷计算代替目前这种简化的估算指标方法。

这是为了对工程业主负责,也是为了节省宝贵的能源。

随着空调在民用建筑中的普及,全国能源供应形势的严峻,尤其是夏季电力供应的紧缺,已迫切需要建筑设计与空调设计采取有效的节能措施。

为此,2003年11月5日颁布的《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019—2003）中将第6.2.1,

6.2.15条款的空调逐时冷负荷计算列为强制性条文。

建设部在2001—2003年期间还先后颁布了

《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ

134—2001）与《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》（JGJ75—2003）等建筑节能标准,最近颁布了

《公共建筑节能设计标准》（GB50189—2005）。

上述后三项标准规范都涉及一个核心问题,即要求设计单位当所设计建筑的一系列与能耗有关的参数不能满足标准的刚性规定时,必须采用全年逐时动态负荷计算方法计算其空调、供暖的冷、热负荷和全年能耗,并确保空调、供暖能耗符合标准的规定。

这是一个规范全国建筑节能设计行为和提高建筑空调设计水平的重大举措和良好开端。

众所周知,空调建筑的冷、热负荷计算是一切空调工程设计的基本依据。

如何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、夏的传热负荷要靠它;如何权衡外窗玻璃的天然照明效果与遮阳效果要靠它;如何合理确定冷、热源的容量与台数配置,及如何通过优化控制策略实行经济运行要靠它;如何正确、合理确定空调方式与空调水系统方案要靠它;在推广蓄冷空调、燃气空调和能量回收系统时,如何评价其经济效益、社会效益及环保效益也要靠它。

总之,在建筑工程设计领域,推广全年空调逐时冷、热动态负

荷计算的必要性很多,好处与效益也很明显。

但是这种计算方法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上加难。

现在,笔者通过北京银谷大厦这一工程实例,来向建筑设计与空调设计业内人士说明采用全年逐时动态负荷计算方法的必要性与种种好处。

希望有更多有识的设计者与建筑业主加入这一行列,以提高我国建筑与空调设计的科学水平。

1　计算工具和过程

本文利用DOE2程序对银谷大厦的全年逐时空调冷、热负荷进行了模拟计算。

DOE2是美国LawrenceBerkeleyNationalLaboratory开发的建筑热过程模拟软件,该软件可以模拟建筑物全年8760h逐时的室温、系统的冷热负荷以及空调供暖能耗等。

ASHRAE在2001年曾经组织过一次各种建筑能耗动态模拟软件的评测比较,结果显示DOE2的模拟结果是可靠的[1]。

DOE2是早年开发的软件,不具备计算机Windows操作系统环境下的图形化输入输出界面,在本文的计算中,利用自己开发的前后处理接口软件,在图形方式下对建筑物进行了详细的描述,输入各种计算参数,直接调用DOE2模拟计算并处理其输出报告,得到许多详细的数据和有意义的结果。

具体的计算过程如下。

1.1　负荷计算的层段的划分与分区负荷计算的层段的划分与分区是正确处理好全年动态负荷计算的计算工作量与所要获得的数据准确度、适用性关系的关键。

它取决于设计者对全楼各层、各朝向空调房间内、外负荷来源的正确理解与设定,同时又依赖于设计者的责任感与严谨性,因为楼层划分越多,分区越细,计算工作量与耗时无疑就会越多。

笔者不认为越多越好,而是需要根据不同工程的建筑设计特点与使用功能来合理划分层段与分区,要掌握好“适度”。

北京银谷大厦在使用功能上是一栋出租办公楼,在建筑结构上和空调系统上有以下特点。

a）1～22层的楼层建筑面积在南向呈弧形收缩,13层将全楼中心部划分为上、下两个中庭（见图1）,下段从4层起,每3层在南向分设一个空中花园,上段从14层起,每3层在北向分设一个空中花园,故在负荷计算的层段划分上共划为10段:

23～25层、20～22层、17～19层、14～16层、13层、

图1　银谷大厦纵向剖面图

10～12层、7～9层、4～6层、1～3层及地下1～3

层。

b）因为各层建筑平面形状均为矩形,东、南、西、北朝向分明,内外分区明确,中庭空间也很明确,故在1～22层平面分区上一般每个层段划分为

4个外区、4个内区、3个中庭内区。

图2,3给出了

7～9层段的计算分区与外围护结构的简化模型。

c）因为全楼各层空调系统绝大部分采用了风

1～20为房间编号　括号内数字1～9为空调系统编号

图2　7～9层段的计算分区

图3　7～9层段全年能耗计算外立面简化图

机盘管加新风系统的水空气系统,为了便于确定每个新风系统处理新风的容量与全年负荷变化的规律,在本次分区负荷计算中假设其新风量均为零,而另行计算北京地区单位新风量处理的逐时、逐日、逐月的冷、热负荷,再乘以各分区、各层段的新风量,加上各分区、各层段的建筑内外空调冷、热负荷,得到总的冷、热负荷。

1.2　各种计算设定条件在本工程的全年空调冷、热负荷计算中,对各

层段与各分区的空调供冷、供暖的运行时间,室内的冬、夏季温湿度,外围护结构的建筑热工参数都作了统一规定,详细列于文献[2]附件二的4张附表中,其中附表11给出了银谷大厦全年能耗计算中的节假日设定;附表12给出了银谷大厦全年能耗计算中的内负荷发生率的时间设定;附表13给出了各种房间内负荷计算中的各项设定;附表14给出了各层段建筑外围护结构保温隔热遮阳性能的设定。

鉴于本文篇幅所限,上面4张附表从略。

2全楼各层段各分区计算数据的归纳与整理

3由于在本次全年逐时动态总负荷计算中,将整栋办公楼划分为10个层段,每个层段又划分为

9～11个分区,而且又将处理室外新风的空调负荷单独计算,所以从计算结果中可以获取大量信息与数据,通过各种不同的分时、分类统计,可以进行各种问题的分析,以指导我们的设计与未来的运行管理。

全楼各层段、各分区计算结果的数据,从最初的原始程序计算的数据,经中间摘录归纳,到最后汇总整理,形成了可供分析用的以下25张统计汇总表。

表21a为北京地区办公楼每m3新风处理全年能耗分析（t=22℃,φ=40%）;表21b为北京地区办公楼每m3新风处理全年能耗分析（t=15℃,φ=30%）;表22a为各层段新风处理逐月的累计冷、热量（t=22℃,φ=40%）;表22b为各层段新风处理逐月的累计冷、热量（t=15℃,φ=30%）;表23a为各层段新风处理逐月的最高小时冷、热负荷（t=22℃,φ=40%）;表23b为各层段新风处理逐月的最高小时冷、热负荷（t=15℃,φ=30%）;表41为7～9层各供暖供冷系统的月累计冷热量与最大负荷汇总表;表42为13层各供暖供冷系统的月累计冷热量与最大负荷汇总表;

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表43为17～19层各供暖供冷系统的月累计冷热量与最大负荷汇总表;表44为1～3层各供暖供冷系统的月累计冷热量与最大负荷汇总表;表45a为23～25层各供暖供冷系统的月累计冷热量与最大负荷汇总表（有阳光顶）;表45b为23～25层各供暖供冷系统的月累计冷热量与最大负荷汇总表

（无阳光顶）;表46为B1～B3层各供暖供冷系统的月累计冷热量与最大负荷汇总表;表71a为3个标准层段传热与内热逐月最大负荷汇总表;表

71b为3个非标准层段传热与内热逐月最大负荷汇总表;表72a为3个标准层段传热与内热逐月累计供热、供冷量汇总表;表72b为3个非标准层段传热与内热逐月累计供热、供冷量汇总表;表73a为各层段全年逐月最大负荷汇总表（t=22

℃,φ=40%）;表73b为各层段全年逐月最大负荷汇总表（t=15℃,φ=30%）;表74a为各层段全年逐月累计供热供冷量汇总表（t=22℃,φ=40%）;表74b为各层段全年逐月累计供热供冷量汇总表

（t=15℃,φ=30%）;表75a为全年累计供热供冷量汇总表（t=22℃,φ=40%）;表75b为全年累计供热供冷量汇总表（t=15℃,φ=30%）;表76a为各层段冬、夏季最大热、冷负荷汇总表（t=22℃,φ=40%）;表76b为各层段冬、夏季最大热、冷负荷汇总表（t=15℃,φ=30%）。

在后面的计算结果分析中,笔者将充分利用这些统计汇总表中的数据来说明问题。

由于篇幅所限,在下面的分析中只能按需要列出其中的几张汇总表。

3　计算结果分析

第二阶段的主要工作是针对整栋办公楼的全年累计供冷量、累计供热量与最大小时冷负荷、最大小时热负荷进行计算与分析。

根据北京银谷大厦的使用功能要求与建筑结构设计特点,在本次全年逐时动态负荷计算中,利用所获得数据与信息,主要可以进行以下几类问题的分析。

a）根据整个大楼逐月与全年的最高冷、热负荷数据,可以校核与确定该工程空调冷、热源设备的设计容量;

b）根据全楼各个内、外区冬、夏季热、冷负荷与累计冷、热量的数据,对空调水系统的划分与空调方式提出改进调整建议;

c）根据全楼内、外区冬季白天都存在冷负荷的特点,降低新风送风状态参数,达到减少冬季新风处理热负荷与供热量的目的;

d）根据单位新风量全年处理的累计供冷供热量与最高小时冷、热负荷的资料,不但便于划分新风处理系统和准确选择新风处理机组,而且能准确掌握处理新风全年所需的冷、热量,以及采用空气

空气热回收装置后所能获得的节能效果;

e）根据全楼逐月累计冷、热量数据,可以进一步准确推算该工程的逐月供热、供冷的电能消耗与天然气消耗,从而准确计算出逐月的能耗费用,对照该工程逐月的实际能耗费用,以便寻找节能潜力和采取有效的节能措施;

f）根据全楼的逐时冷、热负荷数据,可以准确统计出全年的冷负荷与热负荷分布的累计时间规律,从而可以制订出全楼全年冷、热源设备优化控制的策略。

3.1　对于空调冷、热源设备设计容量的校核银谷大厦原设计夏季空调冷负荷指标取100

W/m2,空调总设计冷负荷为8100kW,选用了2台2990kW制冷量和1台2280kW制冷量的离心式冷水机组,冷源设备的总制冷能力为8260kW;冬季空调热负荷指标取80W/m2,空调总设计热负荷为6480kW,选用了5台1400kW额定制热量的燃气供热锅炉,其总制热能力为7000kW。

表1（原表73b）为各层段全年逐月最大冷、热负荷汇总表（冬季送风t=15℃,φ=30%）。

从表中可以看出,全楼夏季空调最大计算总冷负荷为6999kW,是原设计总冷负荷8100kW的86%,是现有制冷设备制冷能力8260kW的85%,现有制冷设备的安装容量富余了15%;全楼冬季空调最大计算总热负荷为5684kW,是原设计总热负荷6480kW的87.7%,是现有燃气供热锅炉总制热能力7000kW的81.2%,现有燃气供热锅炉的安装容量富余了18.8%。

表2（原表76b）为各层段冬、夏季最大热、冷负荷汇总表。

从表中可以看出,对于各项负荷指标,其全楼冬季最高小时热负荷指标为73.8W/m2,为原设计负荷指标的92.3%;夏季最高小时冷负荷指标为95W/m2,为原设计冷负荷指标的95%;冬季最高小时冷负荷指标为26W/m2,是夏季的

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表1　各层段全年逐月最大负荷汇总kW/层段

层段负荷来源1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月

大最最大

大最最大

大最最大

大最最大

大最最大最大

大最最大

大最最大

大最最大最大最大

热负荷冷负荷热负荷冷负荷热负荷冷负荷热负荷冷负荷冷负荷冷负荷冷负荷冷负荷冷负荷热负荷冷负荷热负荷冷负荷热负荷

冷负荷

23～25传热与内热190161741946119217022524822322518912160539412734

新风处理2833042071331662032623001663232275

20～22传热与内热22422249229162933322375385352379365133611627819231

新风处理3643912671722142613383852144298353

17～19传热与内热22422249229162933322375385352379365133611627819231

新风处理3643912671722142613383852144298353

14～16传热与内热22422249229162933322375385352379365133611627819231

新风处理3643912671722142613383852144298353

13传热与内热848416840112012213814313114213601340107589

新风处理182195133861071311691921072149176

10～12传热与内热2622141392102429123314354373343374358113592328140227

新风处理3613882651702122603353832124296351

7～9传热与内热2622141392102429123314354373343374358113592328140227

新风处理3613882651702122603353832124296351

4～6传热与内热2622141392102429123314354373343374358113592328140227

新风处理3613882651702122603353832124296351

1～3传热与内热29418312217316306033745847146646141543711929781203

新风处理5145523772423023694775443026421499

B1～B3传热与内热71462046304820524609597577586116056705210483

新风处理4334653172042543114024592545355420

合计5684205347252058281227701773306057236313681274705132893436