1、    用于空調(diào)系統(tǒng)設計的全年雙負荷曲線分析法            作者：佚名時間：2007-11-24 15:57:00                     Annual Twin Load Curves Analysis for

2、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，提出了一種簡單實用的建筑雙負荷曲線分析法（TLCA），它不僅能給出最大的空調(diào)冷熱負荷，而且能用于指導如何確定能滿足全年運行要求的設備與冷熱源的設備，并能確定過渡季的運行方式。最后給出工程應用實例來說明應用此方法的優(yōu)點。關(guān)鍵詞空調(diào)系統(tǒng)設計/負荷計算/建筑模擬/過渡季Abstract To reach higher energy efficiency and better indoor air quality (IAQ), introduces a simplifie

3、d 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 load, but also to determine the reasonable number and size of chillers/heaters and other equipment, and to

4、 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 在全年采用空調(diào)的建筑物的空調(diào)系統(tǒng)設計中，一般采用不穩(wěn)定傳熱方法計算夏季圍護結(jié)構(gòu)空調(diào)負荷，而采用穩(wěn)定傳熱方法計算冬季圍護結(jié)構(gòu)空調(diào)負荷；利用夏季

5、室外計算溫度、計算日平均溫度與日較差求得夏季計算日逐時溫度，并以此計算圍護結(jié)構(gòu)傳熱量與逐時新風負荷。冬季則利用冬季空調(diào)室外計算溫度計算圍護結(jié)構(gòu)傳熱負荷與新風負荷，該計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行所需要的最大供冷與加熱設備的容量，從而選取設備，確定系統(tǒng)的配置。 現(xiàn)代社會的建筑業(yè)隨著經(jīng)濟的發(fā)展而迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了很多大型的公共設施建筑與商用建筑。這些建筑由于具有內(nèi)部冷熱負荷分配顯著不均衡，有大量無外墻外窗的內(nèi)區(qū)，對空氣質(zhì)量要求高，有些區(qū)域的室內(nèi)產(chǎn)熱量與最大負荷時間可能無法預測（如會議廳）等特點，其空調(diào)系統(tǒng)的設計與運行有其獨特之處，如某個區(qū)域在某段時間

6、需要同時供冷供熱。在這種情況下，如何優(yōu)化系統(tǒng)配置，確定管網(wǎng)形式和最佳運行方案，使其能以最小的設備與土建初投資、最小的運行費和最高的設備利用率保證整個建筑各區(qū)域在不同季節(jié)都滿足設計要求，是空調(diào)設計中更重要的步驟，而僅考慮負荷峰值是不可能滿足現(xiàn)代建筑的空調(diào)系統(tǒng)設計要求的。 在一些有問題的空調(diào)系統(tǒng)中，尤其是多區(qū)系統(tǒng)，問題往往表現(xiàn)為過渡季室溫太高或太低，由于系統(tǒng)最初的設計就不合理，因此這種問題無法依靠改進運行方式來解決。 此外，長江流域以南地區(qū)對室內(nèi)環(huán)境要求較高的建筑的冬季空調(diào)設計也是一個需要研究的問題。成其對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說，顯然動態(tài)的負荷分析方法比穩(wěn)定

7、傳熱分析法更為合理。 綜上所述上所述，在空調(diào)設計中，我們會面臨這樣的問題：如何確定冷凍機或熱水鍋爐的臺數(shù)和規(guī)格？如何確定供冷或供暖的開始時間？風機盤管加新風系統(tǒng)是否能滿足過渡季的要求？有無必要采用四水管系統(tǒng)？如何避免不合理的設計造成的優(yōu)化運行無法實現(xiàn)？等等。傳統(tǒng)的設計方法無法回答這些問題。 為了解決這一問題，很有必要在現(xiàn)代建筑空調(diào)設計中采用建筑能耗全年模擬分析的方法。盡管目前國內(nèi)外已有很多成熟的軟件可供使用，但這些軟件的使用方法和輸出的結(jié)果均太復雜，不便于建筑設備工程師在設計中使用。因此必須尋求一條途徑來縮短建筑模擬研究與實際設計工作之間的距離，使設備工程師能夠把建筑動態(tài)模擬的成果用于工程設計

8、。 本文提出一種基于建筑負荷動態(tài)模擬的全年雙負荷曲線分析法，就解決上述問題進行探討，并給出設計實例。 2 建筑物全年雙負荷曲線分析法 建筑物全年雙負荷曲線分析法簡稱TLCA（Twin Load Curves Analysis）法，它是以當?shù)厝隁庀髷?shù)據(jù)（包括溫濕度與太陽輻射照度的逐時值）為計算基礎，逐日對全年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行計算。每個區(qū)域全年計算的結(jié)果均為兩條曲線：每日最大冷負荷Qmax曲線和每項日最小冷負荷Qmin曲線。對于室內(nèi)最大與最小得熱時間無法預測的房間來說，最大冷負荷是在假定室內(nèi)產(chǎn)熱為可能的最大值條件下計算所得，最小冷負荷是在假定室內(nèi)產(chǎn)熱為可

9、能的最小值條件下求得。這樣實際的負荷必定在這兩曲線之間的范圍內(nèi)變動。如果冷負荷值為負，其絕對值的大小即代表了熱負荷的大小。因此Qmax曲線的正值部分代表了全年的逐日最大冷負荷，Qmin曲線的負值部分代表了全年逐日最大熱負荷。兩條曲線均處于0值時，則表示建筑物在該時間段內(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)域何時需要進行空調(diào)，兩條曲線間的區(qū)域代表了空調(diào)系統(tǒng)可能采取的運行狀態(tài)。例如某日的Qmax為正而Qmin為負，即意味著在這一天當中，空調(diào)系統(tǒng)既可能需要進行供冷也可能需要供暖。見圖1。圖1 A區(qū)演播室全年空調(diào)負荷 最大冷負荷Qmax是由可能的室內(nèi)產(chǎn)熱量、圍護結(jié)構(gòu)傳熱和新風得熱之和的最大

10、值決定的，而最小冷負荷Qmin是由可能的室內(nèi)產(chǎn)熱量、圍護結(jié)構(gòu)傳熱和新風得熱之和的最小值決定的。因此新風負荷是一個很重要的部分，新風量應依據(jù)最小能耗的原則根據(jù)室內(nèi)外空氣參數(shù)間的關(guān)系來確定，或根據(jù)具體情況將新風百分比確定為某個值。例如風機盤管加新風系統(tǒng)的負荷就是圍護結(jié)構(gòu)負荷、室內(nèi)產(chǎn)熱負荷加全年新風量固定的新風機組的空氣處理負荷；而全年空氣系統(tǒng)的新風負荷的確定就復雜得多，因為為了減小過渡季的能耗，全年的新風量可能是變化的。其新風量的確定原則可以是：(1) 如果touttn,houthn或有 ,采用最小新風量，則QL=Qbldg+Qint+Qv(2) 當 ，改變新回風百分比來得到合適的送風溫度，可使得

11、QL=0(3) 如果，則采用最大新風量或全新風來減小冷負荷。 上式中t代表空氣溫度，；h代表空氣焓，kJ/kg; Q代表分項負荷，kW；C是最小新風百分比；QL是總冷負荷，kW。下標out代表室外空氣，n代表室內(nèi)設計狀態(tài)，s代表送風設計狀態(tài)，bldg代表圍護結(jié)構(gòu)，int代表室內(nèi)產(chǎn)熱，v代表新風或室外滲透空氣。 建筑物的雙負荷曲線可根據(jù)應用目的與精度的不同通過不同途徑產(chǎn)生，也就是說既可以由詳細的建筑熱模擬軟件產(chǎn)生，也可以由一組簡化的公式來求得，例如用室外綜合溫度求圍護結(jié)構(gòu)負荷，用冷負荷系數(shù)法求室內(nèi)得熱冷負荷等。 求取雙負荷曲線時，每日只需獲取兩個值即最大空調(diào)冷負荷或最小空調(diào)熱負荷Qmax與最小空

12、調(diào)冷負荷或最大空調(diào)熱負荷Qmin。即全年需要獲取365×2個數(shù)據(jù)并形成Qmax和Qmin兩條全年變化曲線。 根據(jù)上述方法對整個建筑物各區(qū)域全年365天的最大與最小空調(diào)負荷進行計算，每個區(qū)域都可得出一對Qmax和Qmin曲線。則Qmax的全年最大值決定了空調(diào)機組表冷器的容量，Qmin的全年最小值決定了空調(diào)機組空氣加熱器的容量。將整個建筑物所有空調(diào)系統(tǒng)的Qmax正值部分累加可得出Qmax+曲線，將整個建筑物所有空調(diào)系統(tǒng)的Qmin負荷部分累加可得出Qmin-曲線。兩條曲線的空缺部分（例如整個建筑沒有Qmin負值部分）均可用0補齊。雖然采用同樣方法也可以求得Qmax-和Qmin+，但實際上只

13、有Qmax+和Qmin-在全年負荷分析中有用。下文圖4中給出了按上述步驟得出的兩條總負荷曲線。需要注意在累加時需考慮同時使用系數(shù)。 對這兩條總負荷曲線進行分析，可確定建筑物的設備容量配置與運行方案。例如可以確定冷熱源切換的最佳時間，水系統(tǒng)是否需要采用四管制，以及如何決定冷水機組的臺數(shù)、大小以及型式等。實際上這是把一種簡化了的全年負荷動態(tài)模擬方法用于空調(diào)系統(tǒng)設計，與常規(guī)的穩(wěn)態(tài)的設計方法的出發(fā)點不同。3 工程應用實例    3.1 中央電視臺改造工程 中央電視臺為帶裙房的高層建筑，總建筑面積約3萬m2。其內(nèi)區(qū)主要用作演播、配電、錄音以及各種技術(shù)用房，外區(qū)主要

14、用作辦公室。內(nèi)區(qū)的主要熱源是設備與燈光，人員散熱散濕占比例很小，沒有圍護結(jié)構(gòu)傳熱。而外區(qū)辦公室發(fā)熱量比較小，負荷主要來源是人員散熱散濕、照明與辦公設備散熱以及圍護結(jié)構(gòu)傳熱。 由于近年負荷變動較大，不能滿足要求而需對其空調(diào)系統(tǒng)進行改造。原有冷源為冷水機組，熱源利用城市熱網(wǎng)提供的熱水，水系統(tǒng)為兩管制。城市熱網(wǎng)的供暖時間為11月15日至來年3月15日。4月份和10月份為設備維護期。增加熱水鍋爐或水系統(tǒng)改四管制均因條件限制不可行。 負責內(nèi)區(qū)的多數(shù)系統(tǒng)為全空氣系統(tǒng)，少部分內(nèi)區(qū)和外區(qū)是風機盤管加新風的空氣-水系統(tǒng)。冷源停機后這部分區(qū)域主要靠新風降溫，因新風所提供的冷量不夠 ，故這部分區(qū)域在過渡季往往出現(xiàn)室

15、溫偏高的現(xiàn)象。還有部分區(qū)域在城市熱網(wǎng)供暖流以前無法解決供暖問題。 采用上述全年雙負荷曲線分析法進行負荷分析。首先根據(jù)負荷特性、圍攻護結(jié)構(gòu)特性、空調(diào)方式、空調(diào)系統(tǒng)與水系統(tǒng)的連接關(guān)系、室內(nèi)設計標準等把全系統(tǒng)分為50個區(qū)域，對這50個區(qū)域的全年空調(diào)最大與最小負荷進行模擬計算，求得Qmax和Qmin曲線。演播室與辦公室負荷特性很不相同，其使用時間可能出現(xiàn)在一天中任何時刻，使用期限可長可短。使用時其燈光產(chǎn)熱量變動范圍可為全部燈光設計容量的30%70%。圖1至圖6為部分模擬結(jié)果。 圖1給出全空氣系統(tǒng)服務的A區(qū)1000m2演播室的雙負荷曲線。由圖可見，空氣處理設備需在3月中旬切換至供冷模式，而在10月底需切

16、換至供暖模式。 圖2 是為門廳和咖啡廳服務的空調(diào)系統(tǒng)的雙負荷曲線。該區(qū)域有大面積的玻璃外墻，使用時間比辦公室長（員工上班前或下班后均可能在些此逗留）。因此該區(qū)域在4月份和10月份既需要供冷又需要供暖。 圖2 門廳和咖啡廳全年空調(diào)負荷 圖3 C區(qū)辦公室的全年冷負荷 圖3 是采用風機盤管的C區(qū)外區(qū)的辦公室雙負荷曲線。模擬結(jié)果說明該區(qū)域冬季仍需要少量供冷。雖然冬季沒有冷源，但由于該區(qū)域有外窗，冬季可以靠打開外窗來調(diào)節(jié)室溫。 圖4為冷、熱源的全年負荷曲線。從曲線可見，主要供暖期間是從11月1日至來年3月15日，主要供冷期間是3月15日至10月31日。這說明冷源開動的期間應盡可能地延長，但原冷水機組的設

17、計容量比圖中的最大冷負荷少1000kW。盡管供暖期限有部分區(qū)域還需要冷量，但這些區(qū)域多數(shù)都是類似C區(qū)的外區(qū)，可以通過打開外窗獲得冷量而不需要人工冷源提供。關(guān)鍵的問題是要避免內(nèi)區(qū)房間出現(xiàn)這種情況。圖5和圖6所示就是這樣一個例子。圖4 空調(diào)總負荷圖5 內(nèi)區(qū)B全年空調(diào)負荷曲線 此外，4月份和10月份有些區(qū)域還需要供暖。解決這種問題的最好辦法是采用四水管系統(tǒng)，但確因條件所限無法實現(xiàn)。筆者認為采用局部風冷式熱泵機組是最好的解決辦法。不過必須全盤統(tǒng)一考慮局部熱泵系統(tǒng)的設置以使其既能滿足過渡季的供暖負荷又能夠補足夏季冷負荷最大時冷源能力的不足。 B區(qū)是內(nèi)區(qū)技術(shù)用房，原來由風機盤管加新風系統(tǒng)控制。實際上該區(qū)的

18、冬季熱負荷僅僅是新風熱負荷。由于新風量有限，故冬季無法降溫，因此只能將其改為全空氣系統(tǒng)，使其冬季能依靠大量新風降溫。這種方法的缺點是改造期間該房間不能使用。圖5和圖6分別是改造前后的雙負荷曲線。而改造后的冷熱源負荷曲線基本上如圖4，沒有大變化。圖6 內(nèi)區(qū)B的全年空調(diào)負荷 該工程的一期部分已經(jīng)竣工，二期部分正在進行。整個工程的方案設計勻是以全年雙負荷曲線分析法的結(jié)論為依據(jù)進行的。3.2華中地區(qū)某商用建筑工程 該建筑由裙房和兩座塔樓組成，裙房用作購物中心和娛樂場所。采用雙負荷曲線分析法可用于解決這種夏季僅需要供冷，而冬季部分時間需要供熱、部分時間需要供冷的建筑的空調(diào)設計問題。 購物中心處于裙房一層，總面積2500m2，營業(yè)時間為8:0020:00。室外空調(diào)計算參數(shù)為干壞溫度35.7，濕球溫度28.2。室內(nèi)夏季設計參數(shù)為干球溫度27，相對濕度60%；冬季設計參數(shù)為干球溫度18，濕度無要求。 根據(jù)防火分區(qū)原則，該購物中心被分為兩個區(qū)域，見圖7。每個區(qū)均用一空調(diào)箱處理一次回風。K-1空調(diào)箱負責1區(qū)，K-2空調(diào)箱負責2區(qū)。采用冷負荷系數(shù)法求得的冷負荷為： QLk-1=402kW,QLk-2=350kW圖7 購物中心平面 采用單點室外參數(shù)求得的冬季熱負荷為： Qhk-1=88kW, Qhk-2=62 kW 上述負荷包括室內(nèi)產(chǎn)熱、圍護結(jié)構(gòu)傳熱、風機