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1、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I nf o r m a t i o n p r o v i d e d a
2、n d q u e s t i o n s a n s w e r e d b y a l l y e a rh o u rl y d y n a m i c l o a d c a l c u l a t i o n of a i r c o n d i t i o n i n g s y s t em sc a l c u l a t i o n r e s ul t s a n d a n a l y s i s f o r a n off i c e b u i l d i n gBy Wang Xunchang , Lin Haiyan , Yang Shuyuan and Li Y
3、ongA bs t r a c t Wi t h t he e xa mp l e of B eiji n g Yi n gu B uil di n g , gi ves all ye a r h ou rl y dy na mic l oa d c alc ul a t i o n r es ul ts a n d m a kes de t aile d a n al ysis , w hic h will p r o vi de qua n t i t a t i ve gui da nc e f o r s ys t e m di visi o n , op e r a t i o n
4、a n d e ne r gy m a na ge me nt of ai r c o n di t i o ni ng s ys t e ms . Th e a b o ve r es ul ts as w ell as t h e f i rs t s t a ge r es ul ts p r e vi o usl y p u blis he d a r e a c o mp le t e r es ul t of all ye a r h o ur l y d y n a mic l oa d c alc ul a t i o n of t h e ai r c o n di t i
5、o ni ng s ys t e m f o r a n of f ic e buil di n g .Ke yw o r ds b uil di ng , all ye a r h o url y d y n a mic ai r c o n di t i o ni n g l oa d c alc ul a t i o n , f l o o r s ec t i o n , a cc u m ul a t e d c o oli n g/ h e a t i n g qua nt i t y , m a xi m u m c o oli n g/ he a t i n g l oa d
6、Ins tit ut e of Air Conditioning , China Ac a d e my of Buil ding Re s e a rc h , Beijing , China0 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
7、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
8、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 。
9、 为此 ,2003 年 11 月 5 日颁布的采暖通风与空气 调节设计规范( GB 50019 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 (J GJ134 2001) 与夏热冬暖地区居住建筑节能设计标 准(J GJ 75 2003 ) 等建筑节能标准 ,最近颁布了公共建筑节能设计标准( GB 50189 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
10、 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
11、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 DO E 2 程序对银
12、谷大厦的全年逐时 空调冷 、热负荷进行了模拟计算 。DO E 2 是美国 L aw re nce Be r keley Natio nal L a bo rato r y 开发的建 筑热过程模拟软件 , 该软件可以模拟建筑物全年8 760 h 逐时的室温 、系统的冷热负荷以及空调供 暖能耗等 。A S H RA E 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 DO E 2 的模拟结果是可靠的 1 。DO E 2 是 早 年 开 发 的 软 件 , 不 具 备 计 算 机 Wi ndo w s 操作系 统 环 境 下 的 图 形 化 输 入 输 出 界 面 ,
13、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 DO E 2 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
14、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) 122 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 :2325 层 、20 22 层 、17 19 层 、14 16 层 、13 层 、图 1 银谷大厦纵向剖面图1012 层 、79 层 、46 层 、13
15、 层及地下 13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 122 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79 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120 为房间编号 括号内数字 19 为空调系统编号图 2 79 层段的计算分区图 3 79 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
