（市政工程专业论文）大中型超市空调动态负荷研究.pdf

查! 兰苎查竺! 圭兰竺竺查 大中型超市空调动态负荷研究 摘要 本文通过超市类建筑模型的“建造”及对影响超市空调冷负荷因素的 逐一分析，建立了大中型超市空调动态负荷分析模型。该分析模型以六面 体为建筑模型，包含八个制约因子：建筑面积、围护结构、建筑朝向、窗 墙比、照明指标、客流密度、新风方式、新风量。在此基础上，运用正交 试验和方差分析的方法，使用自编的负荷计算程序s c l o a d ( s u p e r m a r k e t c o o l i n g l o a d ) 模拟得出了各种试验条件下的动态负荷分布情况，分析了对 负荷率有显著影响的因子。 同时，文中还将模拟计算得到的数据用于实际分析中，指出设计者在 超市建筑空调设计中应注意的一些问题，并提出解决建议。 关键词：超市，动态负荷，模型，分析，显著因子 夫中型l 市蔓：调动志负荷研究 a c d y n a m i cl o a dr e a c ho fs u p e r m a r k e t a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，d e s i g n i n gt h es u p e r m a r k e tc o n s t r u c t i o nm o d e la n d a n a l y z i n g t h ef a c t o r so n eb yo n et h a ta r er e l a t e dt oc o o l i n gl o m s ，t h ea n a l y z i n gm o d e lo f d y n a m i c l o a do fa i r c o n d i t i o n i n g s i n l a r g e o rm e d i u m s u p e r m a r k e t i s e s t a b l i s h e d t h i sm o d e li sc o n s t i t u t e do fo n eh e x a h e d r o nc o n s t r u c t i o nm o d e l a n de i g h tf a c t o r s ：f l o o rs p a c e ，s h a p eo f b u i l d i n g ，o r i e n t a t i o no fb u i l d i n g ，a r e a r a t i oo fw i n d o wt ow a l l ，l i g h t i n gi n d e x ，p a s s e n g e rd e n s i t y ，m o d eo ff r e s ha i r c o n t r o la n df r e s ha i r i n d e x u s i n gt h i s m o d e la n ds c l o a d ( s u p e r m a r k e t c o o l i n gl o a d ) p r o 酽a m ，d y n a m i cl o a dd i s t r i b u t i o ni na l lk i n d s o f t e s tc o n d i t i o n i ss i m u l a t e d w i t ho r t h o g o n a lt e s t i n gw a y sa n ds q u a r ee r r o ra n a l y s i s ，t h e r e m a r k a b l ef a c t o rt ot h el o a d - f a e t o ri sa n a l y z e s e d m e a n w h i l e ，t h e s ec a l c u l a t i n gd a t aa r eu s e di np r a c t i c e ，a n ds o m ep r o b l e m s a b o u ta cd e s i g no fs u p e r m a r k e ta r ep o i n t e do u ta n ds o m es u g g e s t i o n sa r e g i v e n k e y w o r d s ：s u p e r m a r k e t ，d y n a m i cl o a d ，m o d e l ，a n a l y s i s ，r e m a r k a b l e f a c t o r 一膨施4 以 太月【疆z 大掌习e 掌t 论文 符号说明 a 比例系数； a 建筑面积，爿= 建筑面积1 0 0 0 0 “导温系数 巴窗子的有效面积系数 g ：窗子的内遮阳系数 g 一窗玻璃的遮阳系数 c l n 时刻的冷负荷 c l a 。”时刻设备总负荷 c l b 时刻人员散热总负荷 c l o 一h 时刻日射得热中对流部分形成的房间负荷 c l c a n 时刻设备对流负荷 c l c b n 。 时刻人员对流负荷 c l l ”时刻的照明负荷 c l n w n 。n 时刻新风负荷 “飓时刻日射得热中辐射部分形成的负荷 c l r a 。”时刻辐射散热负荷 c l r b 月时刻人员辐射负荷 d 度日数 d 月度日数 靠。”时刻饱和空气含湿量 f 。建筑室内空调面积 用n 室外温度r 的温频值 凡一地面第一地带面积 f m 玻璃窗面积 f ，r 墙体和窗洞的计算面积 g 新风量 h g a ”时刻室内设备散热量 i 大中型扭市空调材志鱼荷研究 h g b 。”时刻人体散热量 h g l 。”时刻室内照明设备散热量 太阳高度角 1 n 一时刻室内的空气焓值 m 时刻室外的空气焓值 ，一时刻室外空气焓值 而太阳常数 i u ( n ) 时刻室内空气焓值 如0 ) ”时刻送风空气焓值 ，太阳辐射强度 一。m 时刻宙子受到的太阳散射辐射强度 z ，夏季透过玻璃窗的最大太阳辐射热 j r ( t ) 透过玻璃窗太阳辐射热的逐时值 以。”时刻窗子受到的太阳直射辐射强度 岸玻璃窗的总传热系数 杨地亟第一地带的传热系数 女，岛墙体和玻璃窗的传热系数 三，设计条件下的，( 力 厶“。设计条件下的j ( 力 m “该地区最高室外温度 m i n 该地区最低室外温度 | v 窗子吸收的太阳辐射部分传向室内的百分比 m 单位面积的设备功率 ，照明指标 肋室内温度 轧人员群集系数 一考虑镇流器等设备的附加散热系数 考虑照明设备通风影响的通风散热系数 札。利用系数( 安装系数) 同时使用系数 一负荷系数 p 客流密度值 d 一个成年男子的全热散热量 0 。新风负荷引起的冷( 热) 耗量 仉建筑得热引起的冷( 热) 耗量 l - r 掌士掌位论文 g ”时刻温差传热量 帅锅炉的最大出力 g 按峰值条件运行( 以设计工况为准) 时，以室内 外湿球温度差计算的新风负荷 q c 全年空调冷负荷 鲰按峰值条件运行( 以设计工况为准) 时，以室内 外干球温度差计算的建筑得热负荷 舶全年空调热负荷 觚冷冻机的最大出力 鼠”时刻窗子日照面积与窗子面积，m 之比 s c o b 建筑物体形系数 s h g h 时刻透过玻璃窗的日射得热量 岛天文辐射量 s h 日照百分率 r 室外温度 玮，夏、冬季设备累计运行时间 t 时间 t u ( n ) 时刻室内空气温度 t w ( n ) 。n 时刻室外空气干球温度 基准温度 t o ，t 1 室外、室内设计干球温度 l o ( r ) f 时刻室外干球温度 h ( f ) f 时刻室外湿球温度 。“室外、室内设计湿球温度 钿一计算日的室外空气平均温度 t s 。h 时刻室外空气湿球温度 ，嘶一房间传递函数系数 v 。衰减系数 w d c 室外空调设计温度 w d h 。室外供暖设计温度 x 经过某表面的设计太阳辐射热量与最大辐射热 量之比 x 沿墙体导热方向建立坐标系统的横坐标 。窗的有效面积系数 x ：窗的遮阳系数 v 大中型 l 市空调动志鱼荷研究 蛳，o 轨分别为围护结构内、外表面与空气的综合放热系 数 c r y 日射得热中，辐射得热部分占总日射得热量的百 分比 “设备散热中辐射成分占总量的百分比 弘人员散热中辐射部分占总热量的百分比 墙内侧换热系数 4 口：( o 综合温度逐时值与口。的差 墙体的吸收系数 目0 ，n 温度函数 8 d ( t ) 当量温度 日。室外设计计算温度 口。室内设计计算温度 目。综合温度的日平均值 口。( f ) 室外设计温度的逐时值 a ”时刻3 m m 标准玻璃对日射的直射吸收率 p 窗洞的非透明体与窗洞的总面积之比 f 峰值条件的当量峰值小时数 当量( 湿球温度) 峰值小时数 靠当量( 干球温度) 峰值小时数 锄，t e b 夏、冬季当量满负荷运行时间 原m z 大掌掌位* 文 1 1课题背景 第一章绪言 1 1 1 课题的来源和煮义 我国超市的发展同许多新鲜事物的发展一样，也是率先从沿海地区导 入的。自1 9 8 4 年我国境内第一家超市在深圳蛇口创办至今，这一新生事 物如雨后春笋般在全国范围内迅猛发展。尤其是近年来许多国外的大中型 超市进入我国后，大量专门用作超市的建筑也迅速增多。 由于超市仍属发展中的新生事物，因而没有各方面的规范可循。有关 超市类建筑的空调设计，大多参照商场类建筑空调设计规范。而商场类建 筑规范本身在许多方面的取值波动范围很大，且还有一些数值的规定在各 类规范资料中很不统一。加之超市建筑有着许多异于百货商场的独特之 处，因而常常导致了设计者在进行空调设计时的茫然和无所适从。同时， 由于一些基建工作违反常规( 目前，许多采取边勘察、边设计、边施工的 作法) 进行，更导致了设计结果的不尽人意。已建成工程的实际运行情况 表明，设备容量选择过大，数量过多是较为普遍的现象，造成了能量的大 量消耗。然而，目前大的节能形势并不容乐观。近年来，随着经济的发展， 空调建筑的数量迅速增加。作为建筑能耗中的大户空调系统的节 能一直是人们所关注的课题，国家的相关法律、法规也对此作了要求【2 】【3 1 。 据调查，在公共建筑能耗中，空调能耗占了最大比例【4 】。因此，建筑节能 主要是空调节能，空调系统的合理设计已愈来愈受到业内人士的广泛重 视。 这样，对建筑物进行全年空调动态负荷计算及能耗分析，优选空调方 大中黜超市空调动志负荷研究 案及设备，实现对系统的动态控制等工作l = 1 益成为暖通空调界研究的热 点。而这些工作均是以建筑物进行全年动态负荷模拟、计算和分析为基础 和依据展开的。因而，作者选择了大中型超市空调动态负荷作为研究的课 题。 i i 2 动惑受稀研究韵意义 动态负荷研究的意义主要表现在以下几个方面： 1 用于建筑空调能耗分析 动态负荷规律的研究是建筑空调能耗分析的基础，用动态负荷来进行 空调能耗分析的方法已被发达国家广泛采用，采用动态负荷计算软件可以 对建筑物提前进行能耗预测。 2 用于空调设备系统优选 目前，国内外空调设计都广泛存在比较大的富裕量。空调设计过程中 往往对每个不确定的环节乘以一个大于1 的安全系数，以防万一，如此层 层加码设计出的系统不可避免会造成设备容量选择偏大。然而实际中，空 调系统的运行是随机变化的，静态冷负荷出现频率较小，导致一年中的大 部分时间，系统设备均在部分负荷甚至低负荷下运转，设备出力低，造成 了能量的大量消耗。有资料调查表明，国内或国外设计的北京、广州等地 的一些饭店和宾馆空调系统选用的制冷机，在一般季节只运行不到装机容 量的一半，最热季节也不到三分之二，有三分之一的制冷机几乎不需要用 到l3 1 。然而，如何进行设备的优选，使之运行更为经济，是必然要以动态 负荷计算分析为依据的。 掌握建筑物的动态负荷规律，也将有助于空调系统形式的确定。根据 建筑物内负荷的特点及变动情况可决定是采用集中系统亦或是局部机组。 如负荷变化较小或间歇供冷风、供热风的大型建筑内区、影剧院、商场等， 太原理i 掌女掌* 女 宜采用单风管集中式系统；小面积或认为经济合理时，亦可采用带风管的 整体式空调机组。 3 用于自动控制方案确定 这里所谈及的自动控制和调节，是从节能角度出发的，主要包括：调 节水阀、风阀的开度，保持系统内各房间的参数稳定：工况的自动转换； 以及中央监控与管理等。自动控制与调节的实施是以实际采集的各种参数 为依据和动作指令的，而自动控制调节方案则是依据建筑的空调负荷情况 及特点而定的。例如，商场、超市建筑内以人员负荷为主，可依据人员数 量在确保最小换气次数的基础上，依据人员调节进入室内的新风量。 实现空调系统调节自动化，不仅可以提高空调质量，降低冷热量的消 耗，节约能量，还可以保证系统设备的运行安全，减轻工作人员的劳动强 度，提高劳动生产率和技术管理水平。空调系统自动化程度，同时也是反 映空调技术先进性的一个重要方面。目前，我国的智能化建筑不断增多， 自动调节技术和电子技术的不断发展，既促进空调自动控制系统广泛应用 和发展，也对之提出了更高的要求。为确定合理有效的自控方案，必须依 据负荷的不同特点，合理确定自控系统的各个设定点，实现对空调系统的 动态控制，这同样要以动态负荷规律为基本依据。 综上所述，进行全年空调负荷计算和分析是一项与实际建筑物及其空 调制冷系统密切相联的工作，它不仅仅是运行模拟，能耗分析的基础，通 过它还可以使设计人员及运行操作人员对建筑物全年负荷情况有一个形 象的量化认识，以便在考虑建筑物能耗，设备选择，运行方案及操作控制 时，提供可靠依据，从而摆脱一味纯经验判断的不合理因素。 i 1 3 动态负荷研究现状 空调动态负荷计算【6 】就是对任意变动的气象条件计算其逐时的负荷 大中型 i 市空调静态负荷 究 值。在建筑物空调动态负荷的研究方面，国外大多采用已十分成熟的软件 进行，国内由于软件的普及程度及气象资料的不完善等方面的原因则更多 地运用计算来完成这方面的工作。在原有的传递函数法和谐波反应法的基 础上提出了许多改进型的方法，如丁国良、张春路等提出的新型谐波法5 ”、 动态负荷变步长计算法【5 6 l ；及一些新型计算法，如谭良才提出的神经网络 计算法等。 具体到对商业建筑负荷规律的研究，作者基本未查到国外相关方面的 研究资料( 文献 5 4 用神经网络法分析商业建筑能耗) ，国内有一些学者 作了相关方面的工作，其中主要的有： 李百战、田胜元结合我国空调建筑的构造和使用特点，对日本标准动 态负荷计算程序( ( h a s p a c l d ) ) 进行改编，采用模块化覆盖等技术移植到 i b m - p c 机上，经过编译汇编成应用软件v c d - i ) ) 6 1 。对桂林榕城饭店进行 实验验证，并用其对北京兆龙饭店、昆仑饭店、上海新苑饭店和广州白天 鹅宾馆、中国国际酒家等已建成的饭店进行了逐时( 最热天和最冷天) 、 逐只( 最热日和最冷日) 和逐月( 全年) 共五种空调冷负荷的计算。在此 基础上，又对北京和上海两建筑设计院提出的六种可行的外围结构改进方 案进行了能耗分析对比计算。主要成果是分析了外围护结构性能对空调负 荷及能耗的影响，提出了对旅馆设计中某些指标的建议 7 1 。 汪训昌、王来、沈晋明等采用日本h a s p a c l d 8 0 0 1 程序，在微机上 对上海锦江俱乐部3 号楼的全年动态负荷进行了计算。在此基础上得出对 于保温性良好的轻型围护结构办公楼其冷热负荷的比例关系，及其热负荷 与冷负荷指标1 8 j 。 清华大学热能工程系朱颖心、江亿提出了一种基于建筑负荷动态模拟 的全年双负荷曲线分析法，该分析法以当地全年气象数据为基础，对建筑 物逐日2 4 小时内与外界换热及室内产热之和的最大值与最小值进行计算。 太最理z 大掌士掌位论文 每个区域全年进行计算的结果均为两条曲线，对这两条曲线进行分析，可 以确定该区域的设备容量配置与运行方案，冷热源的配置与运行方案，确 定冷热源的切换时间。并对某彩电中心空调系统进行实例分析【9 1 。 建科院空调所的张雅锐、单寄平对北京地区旅馆类建筑物的全年空调 动态负荷进行了粗略的分析，并得出了空调冷负荷时间频数曲线及部分负 荷时间频数累积曲线。 何天祺、牙候专、张萍研究了办公建筑设计冷负荷，初步确立建筑热 过程计算机模拟和确定负荷概算指标所必须的模型【5 引。 李本强、赵加宁研究了商场空调动态负荷，得出影响商场负荷因子的 作用规律。 以上的研究有下列一些特点： 1 ) 研究的地域非常有限，主要集中在北京、上海地区； 2 ) 研究的都是以一个或某几个具体建筑为对象，无普遍性。 因而作者认为，如能建立一个某类型建筑物具有代表性的模型，会使 得动态负荷研究工作更有意义。 1 1 4 本文的主要i 作 在各类型的建筑中，本课题选定以商业建筑中的大中型超市建筑作为 研究对象，主要进行了以下工作： 1 分析大中型超市与商场建筑空调设计的异同； 2 建立大中型超市空调动态负荷分析模型； 3 引入正交试验设计方法设计大中型超市类建筑全年空调动态负荷 模拟方案； 4 用f o r t r a n 语言编制了s c l o a d 程序计算某年各种方案超市全 年空调动态负荷： 大中鹫 l 市空 m l 喇r 志负荷研究 5 根据正交试验设计方差分析的原理，利用f 一检验分析得出了各 个因素的重要性，从而筛选出对超市全年负荷产生显著影响的主要因素； 6 从主要因素入手绘制超市全年动态负荷图，并对负荷规律进行分 析，指导实际设计与运行管理。 1 2 超级市场概述 1 ，2 1 超级布场的产生秘发曩 超级市场是继百货商店后又一次零售业的革命，它的产生具有一定的 背景条件。1 9 3 0 年8 月美国人迈克尔库伦( m i c h a e lc u l l e n ) 在美国纽 约州长岛的牙买加开设了一家名为金库伦的联合商店( k i n g k u l l e n ) ，这是 全世界第一家超级市场。1 9 3 0 年美国正处在经济大危机时期，这时期美 国人的个人消费所得减少和2 5 的失业率，使美国人的购买力大幅下降。 然而，就是在这样的经济背景条件下迈克尔库伦开设的超级市场却成功 了。他首创的自助式销售方式，把处在经济大危机时期的消费者从时时刻 刻紧逼性的推销中解放出来，消费者在超市购物十分轻松，在选购商品时 无货币支付的压力，从而大大刺激了顾客的购买力。世界上第一家超级市 场金库伦在这样的背景下成功，创新是它的突破。 超级市场在不同国家和地区的发展是不同的。在我国超市的发展可谓 几起几落。早在7 0 年代末我国就有类似超级市场的自选商场开设，但很 快就由于商品的缺乏和高失窃率而夭折。1 9 8 4 年我国境内第一家超市在深 圳蛇1 5 1 创办，从而在沿海地区及一些发达的大城市掀起了第一次超市热， 结果失败者居多，这一时期成为我国超市发展的酝酿期。9 0 年代初，超级 市场在我国才真正起步，它的起步阶段多为中小型连锁超市，近几年开始 向大型化发展，上海市已经开张的大型超市( 建筑面积两万多平方米以上) 6 太最班z 大掌硕掌论文 已达二十多家。 l 2 2 a - 串型超市与百货商场的异同 大中型超市与百货商场同属大型商业建筑，有着许多相似之处。然而， 由于业态、商业文化等方面的影响，它们之间又有许多不同之处。作为空 调设计者，应该清楚两者的相似与相异，抓住各自特点，才能做出更优秀 的设计。 1 两类建筑空调设计中的相同之处 两类建筑的相同之处，自然是由于其本身性质与功能上的极其相似所 导致的。 1 ) 空调的性质与目的。两类建筑的空调设计同属舒适性空调设计， 即主要是从人体的舒适感出发确定室内温度、湿度设计标准，一般不提精 度要求1 1 】。空调设计的目的是为了给消费者创造一个舒适的购物环境和为 工作人员提供一个良好的工作环境。 2 ) 建筑类型。大凡专门用作超市与商场的建筑物大多属于一些大空 间建筑。 3 ) 负荷比例。超市与商场类建筑空调负荷中各部分所占的比例极其 相似。在总负荷中人体负荷与新风负荷所占比例很大，二者之和占到总负 荷的6 5 以上( 见表1 1 ) 。这也从根本上决定了两类建筑空调设计重点与 设计方法的相似性。 超市与商场空调负荷中各项负荷所占比例( )表1 1 名称人体负荷新风负荷照明负荷建筑负荷 太原某大型超市 3 83 01 81 4 广东某中型商场 4 04 51 31 2 注：表中两项数据分别摘自文献 1 2 】、f 1 3 】 大中型 i 市i 1 1 1 动志负荷n 究 2 两类建筑空调设计中的相异之处 超市与商场毕竟属于不同的事物，因而有着各自区别于他事物的特 征。 1 ) 建筑结构。建筑类型的相似并不能掩盖超市与商场两类建筑由于 商业文化及其他原因带来的建筑结构的差异。 建筑层数：超市类建筑层数为1 3 层；而商场类建筑层数一般为3 一 1 0 层不等。 单层建筑面积：超市类建筑一般而言单层面积较大，几千至上万平方 米不等，每层有若干个防火分区；商场类建筑单层面积多为几千平方米， 一般一层只有一个或两个防火分区。 窗墙面积t g ：从防盗要求出发，超市建筑大部分区域是无窗的封闭建 筑，有些大型超市根本就无窗，即窗墙比为0 ；商场类建筑为了美观要求， 往往都有大面积的玻璃幕墙，大大增加了围护结构的太阳得热负荷。 2 ) 布局与分配。由于销售方式的不同，超市中柜台销售面积占总营 业面积的1 5 以下；商场柜台销售面积占总面积的2 5 - - 4 0 。由于结算 方式的不同，超市内有集中的收银区，占到卖场面积的6 - - 8 ；商场分 散结算，银台布置不集中，收银区面积相对较小，只占总面积的不到1 。 集中结算导致了超市收银区附近人员停留时间较长，密度相对较大。由于 目标顾客的不同，超市卖场内有大面积的熟食、生鲜区及食品加工区；商 场内几乎没有这些销售品种。而这一区域在空调设计中往往需给予特殊处 理。 3 ) 客流规律。超市与商场的客流情况有明显的不同( 具体说明见3 3 节) ，这是由于它们所满足的人们的需求不同所致。而且超市的客流变化 受地区及人们生活节奏的不同影响很大，如在很多大城市，中午不休息， 下午下班早，因此两个客流高峰均分布在下午1 6 ：0 0 - - 1 8 ：0 0 和1 9 ：0 0 太原理z 大掌掌位论女 - - 2 0 ：0 0 ；中小城市两个高峰分别出现在上午1 0 ：0 0 - - 1 2 ：0 0 和下午1 8 0 0 - - 2 0 ：0 0 ；但商场的客流变化却受此影响不很大。 1 2 3 超南空调设计中韵特殊问题 1 超市卖场内空调冷、热负荷的大小主要取决于人员密度，不同地 方的取值与变化规律不同，应根据实际市场调研，或超市主办者提供的调 研资料确定。 2 要特别注意速冻食品区、生鲜区及食品加工区的空调风口布置， 风量调控及排风问题。 3 办公、库房等非营业场所与营业场所内空调运行时段不同，必须 考虑另外的系统。 4 卖场内所售种类很多，且布局有调整的可能，因而空调方式和设 备应具有灵活性以适应不同的要求。 1 3基本概念 研究负荷，首先必须搞清楚几个含义不同而又相互关联的概念。图1 1 为负荷计算用名词的简化示意图，以便对负荷有一明确认识。该图反映了 空调系统克服内外扰量，对房间热湿状况的影响过程及相互关系。 图1 - 1空气调节过程 大中型超市空调动患负荷研究 1 得热( h e a tg a i n ) 得热的定义为：当室内空气连续保持一定基准( 设计条件) 的温湿度 时，在内外扰作用下，某n 时刻进入房间的总热量，以符号h g 俐表示之。 所谓进入房间的总热量系指所获得的全部热量，即在内外扰量作用下，以 空气交换、对流换热和辐射换热形式传给房间的全部热量。得热量为负值 时，意味着房间损失热量，也就是房间需供热量。 2 冷负荷( c o o l i n g l o a d ) 为了连续保持室内空气为一定基准( 设计条件) 温湿度需要的冷量， 定义为冷负荷。n 时刻的冷负荷用符号c e 俐表示之。某时刻的房间得热量 并不能在该时刻立即、全部传给室内空气，其中只有通过空气交换传递的 热量，板壁围护结构内表面与空气之间的对流换热量，和各种内扰的对流 部分以及潜热得热量，才能立即传给室内空气，原封不动地形成该时刻的 冷负荷，故又称为瞬态冷负荷。而围结构内表面吸收的辐射热量和在各表 面之间以辐射形式传递的热量，则要经过一定的时间延迟，才能逐渐传给 室内空气，形成房间的冷负荷。在它们未传递给室内空气之前，只是作为 房间得热量的一部分，蓄存在房间内各部位物体材料之中。因此，冷负荷 不等于得热，有时会大于得热，有时还可能小于得热。 3 除热量( h e a t e x t r a c t i o n ) 房间空调系统送风，或房间冷排管实际除去的热量，定义为除热量， n 时刻的房间除热量以符号h e 向) 表示。除热量为负值时，则称为加热 量。除热量可以等于冷负荷，也可以不等于冷负荷，这与空调系统的运行 制度有关，而且与房间的供热、降温等设备有关。 当房间空气温湿度经常保持在基准值时，对于全空气系统的空气调节 系统，某时刻所除去的热量应该等于该时刻的冷负荷。但是，如果房间直 接采用冷盘管除热，或用散热器采暖时，由于它们与房间的热量交换中既 太原理z 大掌掌m 论女 有对流成分也有辐射成分，而其中辐射热部分同样也不能立即影响到房间 的温度，所以，这种情况下除热量也不等于该时刻的冷负荷。 再者，如果房问的温湿度允许在一定范围内上下波动，或空气调节系 统为间歇运行制度，各时刻的室内空气参数并不能保持恒定。因此，各时 刻的除热量均不会等于相应时刻的冷负荷。 4 需热量( h e a t 眈m a n d ) 1 4 l 供给空调、制冷设备的冷( 热) 量，称为需热量。作为连续运行的空 调系统，其值为空调负荷与设备负荷之和；对于间歇运行的空调系统，其 值为除热量与设备负荷之和。 5 空调设备负荷 空气调节装置中空气冷却器和空气加热器所需的冷量和热量，称为空 调设备负荷。空调设备负荷中除了空调系统的除热( 或冷) 量以外，还包 括处理室外新鲜空气、送风机的温升、空气的再热以及风道系统的冷热损 失等方面所需要向空气多提供的冷量和热量。 6 装置负荷 装置负荷是指服务于采暖和空调系统的制冷机和锅炉应供给的冷量 和热量。装置负荷除了应包括空调设备负荷外，还应包括管网冷热损失、 管网的漏损等因素所导致增加的冷热量，而且还应考虑制冷机与锅炉设备 的性能，以及所服务对象同时需要冷热量的情况。 犬中型超市空调动志鱼i v j - r , 女- 究 第二章空调动态负荷计算方法 2 1 空调负荷计算理论的发展 人们为创造舒适的室内环境进行了长时期的努力，但对房间围护结构 和室内热量变化规律的了解是随着近代空调技术的发展而逐步深入的。关 于房间热量变化过程的研究最终反映在墙体传热、房间冷负荷和室内空气 温度等的计算之中，其中尤以夏季房间冷负荷的计算最具代表性。 2 1 1 国内建筑空调负菊讨翼方法发曩概况 我国建筑物空调负荷计算方法是在吸收、引进前苏联和加拿大、美国 等学者研究成果的基础上发展起来的。其发展过程大致经历了以下三个阶 段。 1 、第一阶段稳定状态计算法时期 这个阶段包括建国初期到5 0 年代，当时主要依靠学习苏联经验，其 典型计算公式主要有【1 5 】： 墙体： q i = 毛e ( 铭一o n ) + o 0 4 7 k l e s ， ( 2 - 1 ) 夕h 窗： q 2 = k 2 f 2 ( o g o r ) + x j l 6 0 0 ( 1 一p ) ( 2 - 2 ) 式中：k ik ：墙体和玻璃窗的传热系数，w m 2 ； e ，墙体和窗洞的计算面积，m 2 ； 曰。室外设计计算温度，； 以室内设计计算温度，； 1 2 太最理z 大掌硕士掌位论文 占墙体的吸收系数； ，太阳辐射强度； 石经过某表面的设计太阳辐射热量与最大辐射热量之比； 一夏季透过玻璃窗的最大太阳辐射热； p 窗洞的非透明体与窗洞的总面积之比。 式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 是属于静态的稳定传热计算，它不仅没考虑室 外温度和太阳辐射热随时间变化的因素，而且计算出的是设计参数下得热 量的最大值。虽然也提到：要考虑围护结构热惰性系数d 值和传热温度波 延迟时间，如屋顶为5 h 左右，墙体依材料、厚度等不同，由数小时到十 几小时不等。但总的来说，这是只考虑定常状态的计算法。计算办法简单， 但与实际出入比较大。 2 、第二阶段周期热作用下的不稳定传热计算法时期 这个阶段包括整个6 0 年代直到7 0 年代前期。大约在5 0 年代后期， 由于苏联什克洛维尔，福金等人的著作传入我国，所以带来这种不稳定传 热计算法( 即谐波法) b 6 。其计算公式主要有： 墙体：q 1 ( f ) = k l f , 阮( f ) 一统】( 2 - 3 ) 式中：o s ( f ) 当量温度，随时间而变的逐时值，o s ( f j = o z p + 惫p ：r f j ： 口。综合温度的日平均值，常数； 4 臼：( f ) 综合温度逐时值与0 。的差； 口。墙内侧换热系数； v 衰减系数。 夕 窗：幺( ，) = 七：最p ：( ，) 一a o + f ：x 。石：一( ，) 犬中裂超7 1 r 空调动志负荷研究 吐g i g ( t ) 一半一醵l ( 2 - 4 ) 式中：p 。( f ) 室外设计温度的逐时值，随时间而变； x 。窗的有效面积系数； x ，窗的遮阳系数； 以( f ) 透过玻璃窗太阳辐射热的逐时值，随时间而变。 计算墙体传热的式( 2 3 ) ，考虑了热流传递过程中的衰减和时间上的 延迟，实际上是属于动态的传热计算，较之式( 2 1 ) 有了明显的进展，但 是计算外窗传热的式( 2 4 ) ，虽然考虑了随时间变化的因素，但其计算结 果仍然是计算时刻的得热，并认为得热就是负荷，仍然没有考虑建筑结构 和家具等对太阳辐射热的贮蓄因素。 3 、第三阶段动态负荷计算时期 这个阶段从7 0 年代前期至现在。自七十年代开始，借鉴加拿大、美 国等国外研究成果，我国开始探讨空调工程负荷的动态计算方法。这种方 法明确了得热和负荷这两个完全不同的概念，把得热看成是扰量函数，而 把负荷看成是在外扰函数作用下的输出，实际上是应用了控制论的方法计 算空调工程负荷。这种计算方法揭示了外扰、蓄热、热流反应之间的客观 规律，最大限度地体现了与实测的一致性。动态负荷计算依赖解一维导热 偏微分方程，它的形式如下【”1 ： 丁a o ( x , t ) = aa 2 0 缸( x 2 , t ) ( 2 - 5 )丁2 缸2 j 式中：o ( x ，f ) 温度函数； 口导温系数，仅取决于材料的导热系数九，热容c 以及容重y ； 太原理i 大掌掌位论文 x 沿墙体导热方向建立坐标系统的横坐标； ，时间。 其实，式( 2 - 5 ) 是由经典的传热学微分理论建立起来的方程，方程的 本身早为空调工程技术人员所熟知，但由于气象外扰的多变性和建筑材料 的多样性，使得求方程( 2 5 ) 的定解并非易事。只是在计算机诞生和广泛 应用之后，诸如此类问题方得到圆满地解决。 从6 0 年代后期开始，加拿大、美国、同本对计算方法进行了卓有成 效的研究，部分中间成果陆续出现。例如，加拿大s t e p h e n s o n 和m i t u l a s 所提出的反应系数法( 1 9 6 7 年) 和传递函数法( 1 9 7 1 年) 【1 8 】：美国c a r r i e r 公司的蓄热系数法( 1 9 6 5 年) 0 9 1 ；日本空气调节卫生工程学会也在1 9 7 2 年3 月发表空调负荷中间科研成果报告( 手算法和电算法) 2 0 1 2 “。各国学 者的积极探索，为空调负荷计算实现全面步入动态计算时代的伟大变革准 备了条件。 这段时期，国内若干工程引入上述计算方法，试算结果表明，它们与 国内原有方法之间存在较大出入。如1 9 7 3 北京市建筑设计院用c a r r i e r 公 司的蓄热系数法等对所设计的北京饭店新楼计算结果，一间标准客房的冷 负荷比我国原有方法要小2 0 - - 4 0 1 6 1 ；1 9 7 4 年清华大学在作北京饭店旧 楼空调设计时，也发现国内外方法之间约差1 0 2 0 【1 6 】。 通过对一些高层宾馆的实际检验，同样发现了不少问题。北京市建筑 设计院提供的1 9 7 5 年至1 9 7 8 年北京新楼四个夏季运行结果说明，按设计 考虑设置的6 台制冷量为1 1 6 3 万w 的制冷机，只需运行一半( 3 台) 即 可满足最热天客房客满时空调要求。而根据逐年对客房实测结果表明，实 际负荷只及原来我国现有方法计算出的负荷的4 0 左右。湖北工业建筑设 计院对武钢第四招待所1 9 9 7 年和1 9 9 8 年两年夏季观察及测定结果表明， 原设置的四台制冷机只需运行两台；而在制冷机开机两、三个小时之后， 大中皿趣市空调动态直荷* 究 只需一台运行即能满足要求。建科院空调所、北京市建筑设计院、总后营 房设计院、西安冶金建筑学院、有色冶金设计总院及暖通空调规范管理组 等1 9 7 8 年夏季对京西宾馆的实测表明，制冷机只需半数量运行即够。 由8 月2 0 日的测定数据可以看出，西会议室瞬时最大得热量为3 2 3 0 w ， 实际空调负荷最大值为1 6 6 2 w ，而用我国现行计算方法计算结果为3 6 5 0 w ( 峰值) ；可以得知，计算值与实测空调负荷差为1 1 7 ，而与得热量之差 为1 3 4 左右( 室内瞬时得热比室内实际冷负荷约大9 4 ) 。 我国工业建筑空调负荷计算也同样存在问题。由于对设备、照明等发 热量没有考虑建筑物的蓄热作用，以及对不同行业的工艺设备负荷系数和 同时使用系数缺乏系统的调研和实测数据，过去的计算也往往偏大。 为了解决这些问题，得出我国适用的比较先进的建筑物冷负荷计算方 法，国内于1 9 7 8 年4 月开始组成由中国建筑科学研究院空调研究所、同 济大学、重庆建工学院、北京市建筑设计院、西安冶金建筑学院、哈尔滨 建工学院、北京建工学院和贵州省建筑设计院八个单位协作的建筑物冷热 负荷计算方法研究课题组。随着研究工作的开展，先后又有西北建筑设计 院、西安冶金建筑设计院、西北电力设计院、纺织工业部设计院、有色冶 金设计院总院、南京大学气象系和广州市建筑设计院陆续参加了这项课题 的研究工作。作为一项正式研究任务，曾由国家建委以( 7 8 ) 建发科学第 3 1 5 号文件下达，并被列为国家建筑工程总局的重点科研项目，由中国建 筑科学研究院空调所为负责单位【1 6 l 。课题组经过多年的努力，在借鉴国外 同类计算方法的基础上，研究出一套符合我国国情的实用“冷负荷系数 法”。1 9 8 0 年以后经过更多的实测和运行效果检验，又对这一方法不断进 行改进和完善，并于1 9 8 2 年通过国家验收。同期，我国部分学者又提出 了具有同样实用价值的“谐波反应法”；另有部分学者则为我国能在解决 以全年或期间能耗分析及节能运行管理为目的的建筑物冷负荷动态计算 1 6 太原理z 掌士掌位论文 领域赶超世界先进水平而进行辛勤的探索。 2 1 2 国外建筑空调负荷讨算方法发展撬况 国外建筑物空调冷热负荷计算方法经历了三个历史时期，现分述如 下。 1 第一阶段稳定传热计算时期 最先为现代空调理论打下基础的是被称为“空调之父”的美国人w i l l i s h c a r r i e r ( 1 8 7 6 1 9 5 0 ) ，1 9 1 1 年c a r r i e r 发表了合理的温湿度公式和绝热 饱和理论，这些公式和温湿度表成为现代空调理论的基础，但是直到二次 世界大战前后，在研究室内热过程和保持室内舒适环境的空调计算中并没 有区分房间得热量和冷负荷两个不同概念，把稳定传热计算作为房问负荷 计算的主要方法。 2 第二阶段准稳态传热计算时期 以1 9 4 6 年美国的c 0 m a c k e y 和工t w r i t 发表当量温差法为 标志开始了第二阶段，他们以得出的当量温差( e z d ) 来计算负荷。这个 方法被a s h r a e 采纳，成了此后2 0 年内美国和西方国家的主要计算方法。 5 0 年代初，苏联的4 t o obej d 等人提出了谐波分解的类似 方程，并用衰减速度和延迟时间来表示。这一方法对我国的影响很大，一 直被用到7 0 年代甚至更晚。 3 第三阶段动态负荷计算时期 从1 9 7 6 年加拿大的d g s t e p h e n s o n 和g p m i t a l a s 发表反应系 数法至今。反应系数法发表后立即被a s h r a e 接受，1 9 7 1 年s t e p h e n s o n 和m i t a l a s 又用z 传递函数改进了反应系数法，并产生了适合于手算的冷 负荷系数法，我国在1 9 7 2 年已有人注意，并引用了部分数据，1 9 7 4 年暖 通规范组编译了空气调节房间热负荷计算的资料，介绍了日、美等国 大中型超市空调动惩负荷研究 的计算方法，1 9 7 8 年成立了全国性的“建筑物冷热负荷计算方法研究”课 题组，到1 9 8 2 年6 月评议通过了课题组的推荐方法。 尽管早在1 9 5 9 年c ，0 m a c k r y 和r g a y 已提出了得热量并不 是冷负荷的观点，但直到1 9 6 7 年提出反应系数法时才使得热和负荷的区 别在计算方法中体现出来，由于计算方法得以实现，房间热过程的研究才 进入到现代阶段。特别是6 0 、7 0 年代，由于计算机的普及和计算技术的 发展，产生了反应系数法等几种新的负荷计算方法。 2 2常用空调动态负荷计算方法 现有的空调动态负荷计算方法很多，大体可分为估算法和详细计算法 两类。就估算法来说，又有简单估算法、度日法、当量满负荷运行时间法、 当量峰值小时数法、温频法、焓频法等，详细计算方法有传递函数法和谐 波反应法，这两种方法又可简化为反应系数法和负荷温差法。另外，一些 美国和日本的学者还提出了许多其它负荷计算方法，这些方法都已经用计 算软件实现了，著名的大型逐时模拟软件有：美国d o e - 2 口、d e r o b 、 b l a s t f 5 3 1 、n b s l d 、n e c a p ；日本的动态负荷标准程序，h a s p a c l d 8 0 0 1 ； 瑞典的b k l 、j u l o t t a ；英国的e n e r g y l 0 【5 3 】，s e r i r e s 芬兰的t a s e ；法 国的c l i m 2 0 0 0 ；国内的v c d ( 重庆建筑大学田胜元、李百战在h a s p a c l d 基础上修改补充而成) 、e h l ，以及建筑工程软件包暖通空调软件中的空调 负荷计算程序b d p h v a c a c l 等许多。 2j 2jl 常甬估算方法 估算法的主要用途是计算空调系统全年( 或季节) 的总能耗量。下面 简单介绍一些常用估算法。 1 8 太原理z 夭掌司! 女掌位论文 1 度日( d e g r e ed a y s ) 法 该法是美国a s h r a e 标准9 0 7 5 给出的估算冬季供暖建筑耗能的方 法。采暖期度日数，指整个采暖期间每日平均温度低于室内基准温度的差 值总和 2 2 1 。基于以下假设：采暖供热量与室内基准温度同室外温度的差 成线性关系。 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，而一 个月的度日数，就是该月逐日度日数的总和。因此， d = t j 一 ( 2 - 6 ) b = 心一，。) ( 2 - 7 ) f = l 式中，d 度日数； f 基准温度； f 。日平均温度； d 。月度日数。 根据( 2 6 ) 、( 2 7 ) 即可统计出相应的度日数。 有了度日数的数据，再从相应的手册中查取供暖天数、供暖期室外的 平均温度，便可进行供暖总能耗量的估算。由于在需加热时室内外温差远 大于需要制冷时的室内外温差，且冬季太阳辐射等因素，在建筑热耗中所 占份额较小。而在夏季太阳辐射等因素对建筑耗冷量影响很大，因此度日 法对夏季建筑耗冷量的分析结果，不能令人满意。 2 温频法( b i n 法) t 2 3 1 b i n 方法，全称温度频率法，是在充实“度日法”的基础上发展起来 的。基本的b i n 方法是在不同的室外干球温度条件下完成能耗计算