（制冷及低温工程专业论文）剧场类建筑空调设计的模拟与分析.pdf

剧场类建筑空调设计的模拟与分析 摘要 本文结合剧场空调设计实例，就空调工程设计中的一些关键技术如动态负 荷计算、高大空间空调送风模型、室内外噪声控制及风冷热泵机组的选用等， 进行了系统的分析和研究。 负荷计算是空调设计中的关键一环。本文从全年气象参数出发，利用d e s t 软件对特定建筑物进行了全年动态负荷模拟，更科学地确定了建筑物能耗，达 到了优化设计、降低耗能、节约资源、减少初期投资的目的。针对剧场这种高 大空间建筑的特点，对不同区域采取了不同的空调方式：舞台部分采用侧送侧 回，观众厅采用旋流风口上送下回。利用模拟软件f l u e n t 对舞台部分在不同送 风高度下室内速度场、温度场进行了模拟分析，得到了更为合理的气流分布形 式。剧场类建筑对噪声的要求比较严格，为减少空调机组运行对剧场内外环境 的影响，设计时候特别注意了对噪声的控制。采用隔声屏降低机组噪声，在机 组送风管段及风口处安装消声器，收到了良好的降低气流噪声的效果。风冷热 泵机组作为冷热源在空调系统上应用颇为普遍，文中对此也做了一定的讨论。 关键词：剧场建筑动态负荷计算流场数值模拟噪声控制 s i m u l a t i o n sa n d a n a l y s e so na i r - c o n d i t i o nd e s i g nf o rt h e a t r e a b s t r ac t a n a l y s i si sp r e s e n t e d 、析也t h ed e s i g no ft h et h e a t e r sa i r - c o n d i t i o n i n ge x a m p l e s r e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g i e so fd y n a m i cl o a dc a l c u l a t i o n 、v e n t i l a t i o na i r - c o n d i t i o n m o d e lo f l a r g es p a c eb u i l d i n g 、t h ei n t e r i o ra n do u t d o o rn o i s e sc o n t r o l 、a i r - c o o l e d h e a tp u m pu n i td e s i g na n dp a t t e r ns e l e c t i o n l o a dc a l c u l a t i o np l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ep r a c t i c eo f a i r - c o n d i t i o nd e s i g n ， t h i st e x t s e t so u tf r o mt h em o d e lo f a n n u a lw e a t h e rp a r a m e t e r ，t h ea n n u a ld y n a m i c l o a dc a l c u l a t i o nb a s e do nt h es p e c i a lb u i l d i n gw a sd y n a m i c a l l ys i m u l a t e d 、析mt h e s o f f w a r e - - d e s t , s c i e n t i f i c a l l ya s c e r t a i nt h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h eb u i l d i n g ， r e a c h e dd e s i g no p t i m i z a t i o n 、d e c r e a s i n g e n e r g yc o n s u m p t i o n 、e c o n o m i z i n g r e s o u r c e s 、r e d u c i n gi n i t i a li n v e s t m e n t a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fl a r g es p a c e b u i l d i n gl i k ea st h e a t r e ，d i f f e r e n ta i r - c o n d i t i o n i n gw a y so nd i f f e r e n ta r e as h o u l db e u s e d ：t h ea i r - s u p p l ym e t h o do ft h es t a g ei sl a t e r a ls u p p l ya n dr e t u r n ，t h e a i r - s u p p l ym e t h o do ft h ea u d i t o r i u mi su p p e rs u p p l ya n db o t t o mr e t u r nb ys w i r l d i f f u s e r s s i m u l a t e st h et e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yf i e l do ft h es t a g ei nd i f f e r e n t a i r - s u p p l yh e i g h t s 诹t hf l u e n ts o f t w a r e ，t h er a t i o n a la i rf l o wd i s t r i b u t i o nh a sb e e n o b t a i n e d t h e a t r eb u i l d i n g sd e m a n dn o i s e sv e r yr i g i d l y , i no r d e rt or e d u c et h e i n f l u e n c eo nt h ei n t e r n a la n de x t e r n a le n v i r o n m e n tf r o mu n i to p e r a t i o n , t h ed e s i g n i sc h a r a c t e r i z e db yi t sn o i s e sc o n t r 0 1 n o i s ec o n t r o lf o ru n i t sb ys o u n di n s u l a t i o n s c r e e n ，i n s t a l l i n gm u f f l e r so na i rs u p p l yd u c to f u n i ta n ds w i r ld i f f u s e r s ，i tr e c e i v e d g o o de f f e c to nr e d u c i n ga e r o d y n a m i cn o i s e t h e r ea r eu n i v e r s a la p p l i c a t i o n so f t h e a i r - c o o l e dh e a tp u m pa tc o o l i n g & h e a t i n gs o u r c e so fa i rc o n d i t i o n i n g ，t h e a d v a n t a g e sa r ea l s od i s c u s s e d k e yw o r d s ：t h e a t r eb u i l d i n gd y n a m i cl o a dc a l c u l a t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o n o f f l o wf i e l dn o i s er e d u c t i o n 插图清单 图2 一1日干球温度统计图8 图2 2 各月平均干球温度图9 图2 3 最热月( 7 月) 干球温度变化图9 图2 4 最冷月( 1 月) 干球温度变化图9 图2 5 全年干球温度频数图9 图2 - - 6日平均含湿量年变化图1 0 图2 7 月平均含湿量图1 0 图2 - - 8 全年各级含湿量频数图1 0 图2 9 剧场建筑平面图1 2 图2 1 0 剧场建筑围护结构材料图1 3 图2 1 1 剧场建筑平面、轴侧模型图1 4 图2 1 2 剧场建筑房间功能设定图1 4 图3 - - 1数值模拟的计算流程图16 图3 2 舞台空气处理过程图2 0 图3 - - 3 观众厅空气处理过程图2 0 图3 4 几何模型2 1 图3 5 网格划分图2 4 图3 6 模型l 各截面速度场分布图2 5 图3 7 模型2 各截面速度场分布图2 6 图3 8 模型3 各截面速度场分布图2 6 图3 - - 9 模型1 各截面温度场分布图2 8 图3 10 模型2 各截面温度场分布图3 0 图3 1 l 模型3 各截面温度场分布图3 l 图4 1阻性消声器形式3 5 图4 2 抗性消声器形式3 5 图4 3 微穿孔消声器示意图3 6 图4 4隔声屏布置平面图3 7 图4 5 消声器布置平面图3 7 图4 6 风口处消声处理4 0 图5 一l 水侧换热器的示意图4 4 图5 2 结霜参数关系图4 5 图5 3 风冷热泵基础布置图4 8 图5 4 风冷热泵布置平面图4 8 表格清单 表2 一l 全年逐时气象参数表1 0 表2 2 各月平均干球温度表1 1 表2 3 最热月( 7 月) 干球温度变化表1 1 表2 4 最冷月( 1 月) 干球温度变化表1 1 表2 5 全年干球温度频数表1 l 表2 6 月平均含湿量表1 l 表2 7 全年各级含湿量频数表1 l 表2 8 房间冷热负荷统计1 5 表2 - - 9 系统冷热负荷统计1 5 表2 1 0 采暖空调参数1 5 表3 一l 合肥地区基本气象参数1 8 表3 - - 2 室内设计参数l8 表3 - - 3 风管的传热系数k 。1 9 表3 4 舞台各状态点参数表2 1 表3 - - 5 观众厅各状态点参数表2 l 表3 6 控制方程组源项2 2 表4 一l 部分风冷式热泵机组的噪声频谱3 3 表4 2 隔声屏声级衰减量3 4 表4 3 直管道气流噪声各倍频带声功率级修正值3 8 表5 一l 风冷热泵型冷热水机组性能参数4 6 表5 2 制冷能力修正表4 7 表5 - - 3 制热能力修正表4 7 表5 4 风冷热泵机组投资分析4 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名： 岱易柳期叩店月节 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金筵王业太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授妣 胆王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) = i j 签字日期：厮，上月叫妇 ， 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 一名：孕 辩醐。节m 二f 日 电话： 邮编： 戮 致谢 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利 完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚 挚的谢意! 本文是在导师朱武副教授的谆谆教诲和精心指导下完成的。朱老师严谨的 治学态度，渊博的学识，开创性的思维，平易近人的作风以及对科学的执着追 求，让我受益匪浅，将永远是我学习的榜样，在此向朱老师表达我最诚挚的谢 意! 感谢我的朋友陈蓉在平时的学习和生活上给予我的大力支持，感谢卢 稳厚、方荣兆、涂庭波、范程华以及实验室所有的师弟、师妹们所给予的 帮助。由于你们的陪伴，我的生活不再孤单。 最后，我要感谢我的亲人们，感谢父母给予我的支持与鼓励，感谢远方的朋 友和同学给予的理解和建议，正是由于你们默默无闻的奉献，才使我有信心和 毅力完成全部的学业。 路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。我希望在未来的学习和工作中，以更 加丰硕的成果来答谢曾经关心、帮助和支持过我的所有领导、老师、同学和朋 友。 谨以此文献给你们! 作者：许俊杰 2 0 0 7 年1 1 月 第一章绪论 1 1 空调负荷动态计算的必要性 在建筑能耗中，暖通空调系统的能耗占据主要份额。暖通空调系统是用以保 证室内空气品质和适宜的温湿度为目的的，即通常所说的室内空气设计条件。 所以我们讨论暖通空调系统的能耗与节能都是以保证人工环境的这些条件为前 提的。 空调负荷是指为保持室内空气设计条件，单位时间内需要向室内空气输入 或排出的热量。应当指出，空调负荷并不等于空调能耗，空调能耗包括冷、热 源设备为满足空调负荷的需求制备冷( 热) 水消耗的能量、输送各种传输能量 的介质消耗的能量以及管道系统散失的能量等等l l 】。此外，随着室外气象条件 的变化和室内运行方式的不同，空调负荷也在不断变化。 暖通空调系统传统的设计方法为工况设计方法。即先选定最不利的情况作 为“设计工况”，对暖通空调系统而言，就是可能出现最大热负荷或最大冷负荷 的情况。设计工况的各种设计条件参数都看成是固定不变的，暖通空调系统设 计方案和设备的选择都是根据满足设计工况的最大负荷的需要来确定的，使用 的计算方法自然也都是静态或稳态的。然而，暖通空调系统在全年的运行过程 中，情况是不断变化的，运行过程的绝大部分时间都不是在设计工况的条件下 进行的。在设计工况的条件下选择具有较高效率的设备，在部分负荷条件下运 行效率就有可能大幅度降低。在设计决策中不能只考虑设计工况，还应当顾及 整个运行过程。暖通空调系统运行中要消耗大量能源，在技术经济比较中也不 能不把初投资和运行费用综合加以考虑，这就要求在设计过程中必须预估全年 的能耗，才能作出正确的比较。 动态负荷是以谐波反应法和冷负荷系数法上加以连续的气象资料发展起来 的一种计算机辅助计算方法。在以往的设计中，往往是根据给定的室外计算温 度来确定设备负荷容量，并常对每个不确定的环节乘以一个大于1 的安全系数， 如此层层加码设计出的系统不可避免的会造成设备容量选择偏大。而实际中空 调的运行状态是动态变化的，且建筑物功能等级和业主的经济观念不同对室内 热环境的要求也不相同，因此，应根据空调负荷这一随机变量的概率分布来选 择空调设备。为了获得较准确的能耗状况及分析负荷的分布规律，对负荷进行 动态计算是很有必要的。在国内众多的能耗模拟软件、计算程序中，最具代表 性的便是d e s t ( d e s i g n e r ss i m u l a t i o nt o o l k i t s ) t 2 l 。d e s t 是由清华大学开发的建 筑模拟分析软件，可用于建筑能耗模拟分析和环境控制系统的设计校核，起到提 高设计质量、保证设计可靠性、对如何降低建筑及系统能耗、保证建筑环境质 量具有重要的指导作用。 1 2 数值模拟的发展及国内外水平 近年来的研究和经验表明，室内气流组织和温度场对人体热舒适和健康、 房间空调通风效率以及建筑物能耗有着重要的影响【3 , 4 】。众所周知，通风空调的 目的就是通过人工的方法，以经济技术合理的系统及设备实现所要求的室内气 候环境( 温湿度、气流、污染物质浓度等的分布) 在有限的空间创造一种健康、舒 适、安全、高效的空气环境。在暖通空调系统设计中，与室内空气品质关系十 分密切的气流组织的设计至关重要。室内温度场对人体热舒适性的影响是显而 易见的，设计人员不了解室内温度场的分布情况，为了达到要求的室内温度而 保守计算负荷是现在空调设计过程中浪费能源的主要原因之一。气流组织设计 得好，不仅可以将新鲜空气按质按量地送到工作区，还可及时地将污染物排出， 大大提高室内空气品质。 设计人员在传统的室内气流组织设计中，对送风口、回风口以及室内热源 等各因素，往往只能凭个人对物理现象( 气流、传热) 的理解，凭经验进行单纯的 合成( 即线性近似) ，采用集总参数的方法，房间的空调效果也用平均参数来考 察，因而往往出现房间的空调负荷过大、设备投资和运行费用过高的情况，难 以预料不同通风方式下的气流组织情况，因而导致室内空气分布不合理的现象 大量存在，这是产生室内空气品质问题的一个很重要的原因【5 】。因此空调工程 师或建筑师希望在规划设计阶段就能预测室内温度场和气流组织分布情况，不 但可以制定出最佳的通风空调方案，同时也可以避免不必要的能源浪费。而预 测参数间的相互影响，实际上是呈非线性关系，因此不能单纯合成【6 1 ，必须靠 有关的预测方法进行合理预测。 随着计算机技术和湍流模拟技术的发展，利用计算机求解室内空气温度场 和气流组织分布控制方程组的数值模拟( n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ) 预测方法即c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ) 方法有了很大的发展。c f d 具有成本低、速度快、 资料完备且可模拟各种不同的工况等独特的优点1 3 。7 1 ，故其逐渐受到人们的青 睐，c f d 方法也越来越多地应用于暖通空调领域。简单地说，该方法就是在计 算机上虚拟地作实验：依据室内空气流动的数学物理模型，将房间划分为小的 控制体，把控制空气流动的连续的微分方程组离散为非连续的代数方程组，结 合实际的边界条件在计算机上数值求解离散所得的代数方程组，只要划分的控 制体足够小，就可认为离散区域上的离散值代表整个房间内空气分布情况。c f d 方法可应用于对室内温度场和气流组织分布情况进行模拟和预测，从而得到房 间内空气各种物理量的详细分布情况。这对于保证良好的房间空调系统气流组 织设计方案、室内热舒适性，提高室内空气品质以及减少建筑物能耗都有着重 要的指导意义。 c f d 技术应用于工程中的流动问题始于7 0 年代，当时的计算机技术、数值 计算技术以及湍流模型的研究成果等都已经能胜任工程领域中一些较为复杂的 2 实际问题。1 9 7 6 年，n i e l s e n 采用如今众所周知的守恒方程的原始变量形式 ( p r i m i t i v ev 撕a b l ef o r m ) 模拟三维室内空气流动情况【8 l ，他首次提出了描述风口 入流边界条件的盒子方法( b o xm e t h o d ) 。1 9 7 9 年，n i e l s e n 首次报道了有关浮力 影响的室内非等温空气流动的数值计算情况【9 】：近年来，随着计算机容量的大 大提高，先进的数值计算技术的出现以及各种湍流模型的提出，c f d 技术己广 泛应用于暖通空调领域。 八十年代以后，国际上掀起了将c f d 技术应用于室内流场和温度场模拟的 热潮。1 9 8 0 年，g o s m a n 利用k - 模型对不同几何形状的房间进行了三维数值 模拟，发现各种情形下的湍流动能k 和湍流长度尺度l 都是一致的，并首次提 出指定速度法( p r e s c r i b ev e l o c i t ym e t h o d ) 来描述风口入口边界条件【l o j 。1 9 8 3 年， m a r k a t o s 计算了一个大空间( 电视播送室) 内的三维流动和传热问题【l 们，他提出 了利用c f d 技术来改进大空间空调系统设计的过程，首次正式用c f d 技术来 改进工程设计。1 9 8 4 年，i s h i h u 和k a n e h 利用流函数和涡旋公式数值求解非稳 态二维流动方程【1 1 1 ，预测室内污染物浓度的分布，藉此研究室内通风效率。1 9 8 8 年，j o n e s 和r e e d 报道了他们利用c f d 方法对大工厂空间空气流动和温度梯度 进行模拟预测的情况【1 2 1 。近年来，人们开始将更为高级和复杂的数值模拟技术 应用于暖通空调领域。m u r a k a m i 等人利用代数应力模型( a s m ) 和微分应力模型 ( d s 等二阶封闭模型对水平非等温射流引起的三维室内空气流动进行模拟并 与经典的i t - e 两方程模型的结果作了对比，发现利用二阶封闭模型模拟所得结 果较k - e 模型的结果要好l l 引。 1 3 噪声控制对本工程的意义 本项研究结合一个空调工程进行。该工程为剧场建筑，它的观众厅、舞台 休息室、化妆室等均为要求安静的场所，这些房间的根据剧院的级别、规模、 用途和功能，需执行不同的噪声标准【1 4 】。空调系统在运转中会产生噪声及振动， 将通过送、回风管道及建筑结构传向室内；送风口产生的噪音也将对演出效果 有负面影响。为了使噪声不超过允许标准，需要做详细的计算并采取一系列措 施降低噪声与减少振动的传递。 ， 根据g b 3 0 9 6 9 3 城市环境区域噪声标准，i i 类居住、商业、工业混杂区 及商业中心噪声标准为昼间l e q 6 0d b ( a ) ，夜间l e q 5 0d b ( a ) 。由于本工程 地处繁华地段，机组置于屋面，正对居民住宅楼仅5 m 左右，所以机组运行时 产生的噪音如果不加以处理必然影响居民日常生活。因此噪音的治理在本工程 中也有着重要的意义。 1 4 风冷热泵机组的选用 目前我国经济正在迅速发展，人民生活水平日益提高，人民对热舒适的要 3 求也愈加迫切，从而使建筑能耗尤其空调能耗快速增长，这对我国能源供应造 成了一定的压力。当前，整个社会对能源开发和利用都十分重视，因此热泵作 为一种新型节能装置，逐渐受到人们的重视。因为热泵是一种可以利用低品位 热量的系统，它可以利用大气及土壤中的太阳潜能以及地下水等的低位热能和 工业污水废热等代替商品能源，实现空调的冬季供暖和夏季供冷。而且热泵可 以利用电力驱动，采用热泵原理吸收室外热量热量向室内供暖，与利用锅炉供 暖相比，可有效减少环境污染，因此可以说热泵是一种环保且高效节能的空调 产品。 风冷热泵作为热泵机组的一种形式，是以室外空气为其热源进行供暖或供 冷的热泵型整体式空气水空调装置。其主要优点有【1 5 】： 1 ) 安装使用方便、插上电源即可使用，省去了一套复杂的冷却水系统和锅 炉加热系统； 2 ) 具有夏季供冷水和冬季供热水的双重功能，对于合肥这样的夏热冬冷地 区，冬夏季均需要空调，特别适宜选用风冷热泵冷热水机组： 3 ) 以空气作为热源和冷源可以大大节约用水，避免了对水质的污染； 4 ) 将风冷热泵机组放在建筑物顶层或室外平台即可工作，省去了专用的冷 冻机房和锅炉房。较之传统的水冷系统布置灵活，节省建筑面积，管道系 统简单，控制方便，对用地紧张用户有重要意义。 随着我国热泵技术的不断成熟，风冷热泵机组以其独特的优点正在发挥着 日益重要的作用。作为一种新型节能技术，尽管引入我国才二十年左右时间， 但在夏热冬冷地区中小型建筑中得到越来越广泛的应用。本工程正是基于以上 的这些优点，在冷热源选择时采用风冷热泵机组。 1 5 本文的主要工作 舒适性空调主要以控制房间内的温度、湿度、气流速度、洁净度以及噪声 为目的，在满足这些条件的情况下，设计还必须做到节能和高效。本文对所分 析工程涉及到的负荷动态计算、舞台区域气流流场合理性、机组运行噪声及空 调系统气流噪声控制和冷热源选择等问题，进行了详细的分析和模拟计算。本 文采用目前暖通界应用最为广泛的计算流体力学软件之一f l u e n t 为主要工 具，通过对舞台不同送风高度情况下的多次模拟，比较其气流分布方式，得到 了最为科学合理的送风高度以及舞台部分的气流分布形式，以达到优化空调效 果的目的。为类似工程的设计计算积累了经验，具有积极的参考价值。 4 第二章剧场空调负荷的模拟分析 对建筑物进行能耗分析，都要以空调负荷计算为基础。冷( 热) 负荷是选取空 调设备、运行调节、系统评价等方面的基础资料。冷( 热) 负荷的大小直接关系到 空调能耗的多少。冷( 热) 负荷大，系统耗电量大，能量消耗大：冷( 热) 负荷小，系统 耗电量小，能量消耗小。剧场属于大空间建筑，由于其特殊性，更应该对每一个 项目都要进行认真的负荷计算。因为用途和结构的差异，套用指标会产生巨大 的误差，甚至会造成相反的结果【1 6 1 。 然而，建筑构成诸因素中，哪些是影响冷( 热) 负荷的主要因素，哪些是次要因 素，各个因素对冷( 热) 负荷的影响程度又是多大，是比较复杂的问题。在众多 的工程能耗分析中，空调负荷计算存在许多不合理的地方。这样得到的负荷对 空调系统的运行管理、设备容量的确定及初投资带来了一些问题。 2 1 能耗分析的基础 国内有许多文献对一些建筑物的空调冷负荷做过统计调查【l7 1 ，这些调查表 明，在供冷季中，空调峰值负荷( 负荷率大于7 0 ) 出现的时间很短，一般不到供 冷季的1 0 ，而中、低负荷( 负荷率在7 0 以下) 出现的时间占供冷季的9 0 。 这就充分表明，设备选型时应对此给予重点考虑。不仅要考虑建筑物峰值负荷 时的设备效率，而且要考虑建筑物中、低负荷时设备的效率。然而如何合理选 择设备，怎样使运行管理更为经济以及进行全年能耗分析，都需要以全年空调 负荷计算为基础。所以对建筑物进行空调全年动态负荷计算及分析是一项与建 筑物及其空调系统运行管理紧密相关的工作。通过它可以使设计人员对建筑物 全年负荷的变化情况有一个数量化的概念，以便在考虑建筑物能耗和为设备选 择而做方案比较时，得以从那些错误的经验做法中摆脱出来，做出更加合理的 判断和选择，实现对系统的动态控制，使空调系统的设计更趋合理。本课题的 空调系统经济分析，也是以动态负荷计算为依据的。 动态负荷的计算，一类是粗略估算法：有度日法、温频法等；另一类是大 型的逐时负荷模拟程序，如美国d o e 2 ，b l a s t ；英国的e n e r g y 2 ，s e r i - r e ；国 内建筑工程软件中的空调负荷计算程序b d p 】删a c 从c l 以及清华大学开发的 d e s tt 2 1 。 为了获得较准确的能耗状况及分析负荷的分布规律，应当采用模拟软件。 d e s t 可用于建筑能耗模拟分析和环境控制系统的设计校核，对提高设计质量、 保证设计可靠性、如何降低建筑及系统能耗、保证建筑环境质量具有重要的指 导作用。 2 1 1 常用空调负荷计算方法 ( 1 ) 粗略估算方法 5 粗略估算方法主要用途是计算建筑全年( 或季节) 的总空调负荷。下面介绍 两种常用的估算方法【1 引。 度日法：度日指每日平均温度与规定的基准温度每日l 某日度日数就是该天的日平均温度与基准温度的差值： h d d = | j 一| 嘟 式中月= d d 一某日度日数，当t p j t j 时，则脚= 0 ； t j 一基准温度，一般取1 8 ； 白一某日平均温度，。 的离差。因此， ( 2 1 ) 温频法( b i i l 法) ：温频法是美国广为使用的方法，称为b i nm e t h o d ，这种 方法是建立在空调负荷与室内外温差大致成比例这一假设基础上的该方法根 据计算地点室外空气干球温度出现的年频率数( 用于全年运行的空调系统) 或 季节频率数( 用于季节性空调系统) 和空调系统的全年或季节运行工况计算出 不同室外空气状态下的加热量和冷却量季节冷负荷或热负荷的计算公式如下： q = k k - t n ) f x j ( 2 - - 2 ) 式中9 一建筑物季节冷负荷或热负荷，k j ； k - - - 建筑物综合传热系数，k j h ； 一某一时刻室外空气的干球温度，； ，一室内设计状态的干球温度( ) ： 磊一某一室外空气干球温度值的年( 或季节) 小时频率值，h 。 ( 2 ) 详细模拟方法 详细模拟方法就是借助于计算机程序计算建筑物全年的逐时负荷。基于围 护结构对外界气象扰动的时域或频域的动态响应，利用房间反应系数或房间平 衡法，求取建筑物的冷热负荷。与有限差分及有限元法等这些近似解法不同， 反应系数法是导热方程式的精确解，而且，反应系数法的解总是存在的，不必 象有些有限差分法，存在着计算稳定性的判断问题【1 9 1 。 近3 0 年来，建筑和空调系统的模拟被广泛地应用于学术领域，出现了许多 的模拟模型、模拟方法以及模拟应用工具。目前的模拟工具可以划分成两大类： 一类是基于功能的，以d o e 一2 为主要代表；另一类是基于模块的，以 t r a n s y s l 3 0 1 ，h v a c s l m + 3 为代表。基于功能的模拟工具从满足某种功能要 求出发来设计模拟系统；基于模块的模拟工具注重于构建系统的灵活性，其特 点是采用通用的模块接口和统一的非线性求解核心。本文采用的模拟计算计算 软件为d e s t 。它充分考虑了设计过程的阶段性，是基于功能的模拟软件，对应 设计的不同阶段、提供相应的功能性模块。其任务是在设计的整个过程中，通 过建筑模拟、方案模拟、系统模拟、水力模拟等手段对设计进行校核，并根据 模拟的数据结果对设计进行验证，从而保证设计的可靠性【2 0 】 6 2 1 2 能耗分析的方法d e s t 1 d e s t 是在状态空间建筑热模型的基础上，开发出的建筑热过程动态模拟程 序，是采用典型的室外气象条件来模拟分析建筑热环境的辅助设计计算软件。 其求解过程分为三步：首先是计算多个房间室温或用户定义的环境温度分别对 外温、室内热源、透过窗户的太阳辐射、外墙吸收的太阳辐射以及暖通空调系 统对各种扰动的反应系数：其次是计算房间在无暖通空调设备时的基础室温( 成 为自然室温) ；最后计算不同暖通空调控制方案下房间的人工温度，它与自然室 温叠加在一起就是实际的室温，并迸一步计算建筑物热负荷。 d e s t 是以a u t o c a d r 1 4 为操作平台描述建筑拓扑结构，对于已知信息采 用实际参数，对于未知信息采用理想参数，这样不需要用户输入太多参数，并 能解决方案阶段许多未知信息无法处理的问题。可分析建筑物全年的冷热工况， 并在此基础上得到建筑物的能耗和空调系统的全年运行策略，提供设计所需数 据。 d e s t 所需要的气象数据由m e d p h a 产生。m e d p h a 是根据逐时气象模型原 理以3 0 年实测气象数据为基础，运用随机过程的时序分析方法计算逐日气象数 据，进一步采用a r m a 模型和m a r k o v 转移矩阵等方法在逐日气象数据基础上 进行逐时计算，考虑了各种气象参数的相互作用关系和时序关系，并对全国各 种地形特征进行了修正。计算机辅助建筑描述程序c a b d 把用户绘制的建筑物 的相关数据自动传输给建筑分析模拟模块b a s 。b a s 对建筑物热特性进行详细 的逐时模拟，它负责计算逐时的房间基础室温，即在没有空调系统影响下的房 间温度。 2 2 剧场空调负荷特点 剧场空调负荷与其他民用、公用建筑有着很大不同，可以总结出如下一些 特点【1 4 】： 1 ) 剧场是一个封闭的具有一定蓄热性能的建筑物，运转是间歇性的，因而 往往有较大的预热( 或预冷) 负荷。 2 ) 观众厅部分为人员密集场所，人体湿负荷较大，总热负荷中潜热负荷比 较大，热湿比较小，人体发热负荷大，故人体负荷取值和计算应力求正确。 观众厅往往被包围在其他附属房间之间，温差传热量和太阳辐射得热量很 小。且因建筑声学处理需要，墙壁、顶棚等大量使用吸声材料，使围护结 构隔热性能较好，减少了建筑围护结构传热的冷热负荷。 3 ) 高大空间的观众厅，地面前低后高。室内温度也是前低后高，在垂直方 向有较大温度梯度，下部温度低上部温度高。 4 ) 观众厅、休息厅人员密集，为满足卫生要求，所需新风量大，新风负荷 也随之增加。剧场属短时间停留，新风量可设为1 5 m 3 m 人) 。 7 5 ) 舞台灯光、设备发热是舞台部分主要负荷，负荷大而且变化也很大。舞 台顶棚一般较高，不需处理这些滞留在顶部的负荷，仅在上部设排风即可。 2 3 基础资料调查与模型建立 为了模拟分析空调系统的能耗，首先需要对建筑的室内热环境进行模拟， 计算建筑的各个功能区域逐时需要的耗冷量耗热量。 2 3 1 气象参数的d e s t 模拟 ( 1 ) 模拟计算的理论基础 对于一个建筑物而言，室内人员设备发热量、太阳辐射等这类不加以控制 的热扰，可以认为是建筑物的属性，他们不随设计的改变而变化，因此在不加 以控制热扰作用下的房间温度体现了建筑物各房间固有热特性，在d e s t 里称 为基础室温。基础室温只与建筑物本身的属性有关，与空调系统无关。 在系统设计时，建筑设计参数都已确定，基础室温也随之确定。由于基础 室温包括了各种已知的扰量( 太阳辐射、内部发热量等) 的作用，因此系统模拟时 只需在其基础上叠加空调系统的扰量即可。这样做一方面避免了大量的重复计 算，另一方面因为基础室温不含有对于设定值、送风参数的假设，因此在进行 系统计算时是精确的。采用基础室温可以具有简单的形式，但无近似假设，是 严格准确的模型。 ( 2 ) 模拟计算的条件设定 d e s t 气象数据采用清华大学建筑技术科学系开发的逐时气象数据生成软 件m e d p h a 产生的全年逐时气象数据。其原理是基于中国国家气象局对1 9 3 个 城市3 0 年的气象实测数据，通过随机算法模拟计算生成包括全年8 7 6 0 小时的 逐时干球温度、湿球温度、含湿量、水平面总辐射强度和水平面散射辐射强度 等的气象参数。 合肥地区的气象参数田】见图2 1 图2 8 和表2 一l 表2 7 。 8 图2 2 各月平均干球温度图 图2 3 最热月( 7 月) 干球温度变化图 图2 4 最冷月( 1 月) 干球温度变化图 全年各级干球温度频敦 1 1 o 隧 1 阂 一1 枷 圜 嬲 瞄蜀 臻jl豳 - & - 1 0 圈i 一 鑫蛳 翻_薯簟 囊一 墨ll 霆 薯删 翻嚣 目 冒嘲ii 瞄l_嗣疆嬲 目i_绷 圜豳目 i !i 啊豳爱jl缀 狮 幽豳 豳i目豳翻 1 0 1 0 - 66 一o55 1 0 1 0 1 51 5 - , - 2 02 0 2 52 5 3 03 0 3 5 3 5 誊敏干尊重度( ) 图2 5 全年干球温度频数图 9 图2 6日平均含湿量年变化图 月平均台蠢t 螽 圜圜 暑侣 圈 曩豳豳 一 0一圜 搦 翟豳滋山豳 囡豳豳罄 豳 豳函 1235o791 01 11 2 月份 图2 7 月平均含湿量图 全年各级含涅量频数 2 0 0 0 圈图圉一圉翻网 乏1 湖 苫 螽 嘲 哥 蛳橱 豳 0 - - - 33 8o 口口1 2 2 1 51 5 4 1 81 8 - - 2 1 - 2 1 备圾合涅量( s k s 干空气) 图2 8 全年各级含湿量频数图 表2 1 全年逐时气象参数表 时干球温含湿量总辐射总散射 湿球温 露点温 日期小时焓值 刻度度度 1 月1 日 o0 0 7 3 0 50 0 0o 0 0o 62 58 4 1 月1 日 1l- o 13 0 50 0 00 0 01 12 57 5 1 月1 日 221 03 0 00 0 00 o o1 72 76 5 1 月1 日 3 3 1 82 9 40 0 00 0 02 32 95 5 1 月1 日 442 52 8 80 0 0o 。0 02 73 14 。7 1 月1 日 552 72 8 50 0 00 0 0 2 93 34 4 1 月1 日 662 82 7 73 1l1 _ 3 13 13 64 1 1 2 月3 l2 28 7 5 82 44 0 9 0 0 00 0 01 91 21 2 6 1 2 月3 l 2 38 7 5 91 53 8 60 0 00 0 01 10 4 1 1 2 1 0 表2 - - 2 各月平均干球温度表 月份l234567891 01 11 2 月平均干球 3 05 49 51 6 32 2 12 5 42 8 02 7 32 3 91 7 81 0 84 5 温度 表2 - - 3 最热月( 7 月) 干球温度变化表 日期 日平均温度日最高温度日最低温度 7 月1 日 2 9 13 2 52 6 4 7 月2 日 3 1 13 5 02 7 1 7 月3 日 3 1 13 4 92 7 2 7 月3 0 日 2 9 63 4 92 7 5 7 月3 1 日3 1 1 3 5 62 6 5 表2 4 最冷月( 1 月) 干球温度变化表 日期日平均温度日最高温度日最低温度 1 月1 日 4 91 3 o2 8 1 月2 日 7 41 6 1 0 8 1 月3 日4 6 9 2o 5 1 月3 0 日 5 51 1 80 4 1 月3 1 日 5 21 0 6 1 8 表2 5 全年干球温度频数表 分段序号 l23456 7 8 9l o 段节点 1 05o5 1 01 52 02 53 03 5 一1 05 0 o 55 一l o1 0 5l 51 0 1 51 0 1 51 0 一1 51 0 1 5 3 5 o03 2 31 2 2 21 3 5 39 1 51 2 2 4 1 7 6 41 4 l l5 0 84 0 表2 6 月平均含湿量表 月份 l 2345678 91 01 11 2 月平均 6 63 9 含湿量 3 4 3 95 98 31 1 91 5 91 9 41 9 1 1 5 09 7 表2 7 全年各级含湿量频数表 分段序号 123 4s678 段节点 036 91 21 5 1 82 1 00 - 3 3 - - - , 66 99 1 21 2 1 51 5 1 8 1 8 2 l 2 1 06 7 02 2 5 01 2 6 61 2 6 3 1 0 7 29 9 17 9 74 5 l 2 3 2 模型的建立与计算结果 剧场建筑平面图见图2 9 。建筑面积为5 7 3 4 m 2 ，层高为1 6 8 m 。建筑围护 结构参数见图2 1 0 。舞台和观众厅设置中央空调，其它房间采用分体空调。利 用建筑热环境设计模拟工具包d e s t c ，计算出舞台和观众厅的负荷和系统负 荷。在d e s t 界面里按照舞台和观众厅的尺寸和形状，输入外墙、内墙、楼板、 屋面等参数，描述建筑的拓扑结构。舞台和观众厅的d e s t 计算模型见图2 1 1 ， 房间功能设置见图2 1 2 。根据建筑模型可进行模拟计算，计算结果见表2 8 2 1 0 。 网 倒台 隧幢 i 、一垂丑 i -錾悃 詹 _ j 。l i 一 一 7 p偌脚 乓 i 1 r 骊祥。 ) 、刈i _ 亡i 。 1 - l缈 一b f 屈众誊 n 斤休田区 _ _ 一 mn 1