1、 高层办公建筑空调设计冷负荷与全年耗冷量模拟分析高层办公建筑空调设计冷负荷与全年耗冷量模拟分析 摘要：以不同的气候条件、不同的新风方式、分内外区与否为三类基本不同条件，用正 交表安排剩余因素并用 DOE-2 软件进行模拟计算，得出高层办公建筑空调系统设计冷负 荷与全年耗冷量的统计估算指标：哈尔滨、北京、上海三城市的设计冷负荷统计估算值 分别为 138.3W/m2, 143.9W/m2, 161.4W/m2； 焓控新风方式下全年耗冷量统计估算值分别 为 79.5kWh/(m2a)，114.5kWh/(m2a)，134.0kWh/(m2a)。分内外区设置空调系统及采用 焓控新风方式最为节能。 关键
2、词：高层办公建筑 设计冷负荷 全年耗冷量 模拟分析 新风方式 内外区 0 引言 现代高层办公楼在某些方面有许多不同于传统建筑的特点：窗面积与外墙面积的比 值高；使用新型的墙体材料与玻璃；内部照明、设备的散热量大；一般有周边区与内区 之分等。这些都影响着空调负荷的大小和特性。 高层办公建筑最常见的平面布局为中央型核心式布局1（核心式是指把楼梯间、电 梯间及前室、卫生间、开水间等这些交通枢纽和必要的公共服务房间集中到一起；中央 型是指核心部位位于标准层的中部） ，本文运用建筑能耗分析软件 DOE-22对哈尔滨、 北京、上海（可代表三个建筑热工分区）三城市的此类高层办公建筑空调系统设计冷负 荷与全年
3、耗冷量进行模拟与分析。考虑到高层建筑的主体是标准层，本文近似建筑的各 层功能与办公标准层相同。 1 模拟方案设计 1.1 基本条件 城市不同（代表不同的建筑热工分区） 、过渡季新风方式不同（对过渡季负荷产生重 大影响） ，设计冷负荷与全年耗冷量的计算结果就会不同。故将以不同的城市、不同的过 渡季新风方式为两类基本不同条件。 为简化起见，只研究标准层形状为方形的情形，标准层方位取正 S-N 或正 E-W。当 标准层面积较大时，把标准层分为四周型外区与内区，内外区分用两套空调系统；当标 准层面积较小时不分内外区、只用一套空调系统。是否分区也作为一类基本不同条件提 出来。 1.2 正交表安排与水平取
4、值 由于正交试验方法3具有优选安排模拟、减少模拟次数、简化分析过程、提高分析 可靠性等优点，本文将用其来安排模拟试验。 在正交试验中欲考察的因素称为因子；每个因子在考察范围内分成若干个等级，将 等级称为水平，在正交表中用“1”、 “2”等数字表示。 剩下与负荷（直接地是与逐时负荷）有关的因素共 11 个：墙类型、窗类型、室温、 人员密度、灯光散热、设备散热、新风指标、层高、窗墙比、标准层面积、进深（分内 外区时） 。 本文取各因子等水平数 2。因为不作方差分析，故不考虑交互作用，各单因子安排可 随机。正交试验安排及水平取值见表 1、表 2。 表 1 正交模拟安排 L12(211) 试验号 墙类
5、型 窗类型 室内温度 人员密度 灯光散热 设备散热 新风指标 层高 窗墙比 标准层面积 进深 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 3 1 1 2 2 2 1 1 1 2 2 2 4 1 2 1 2 2 1 2 2 1 1 2 5 1 2 2 1 2 2 1 2 1 2 1 6 1 2 2 2 1 2 2 1 2 1 1 7 2 1 2 2 1 1 2 2 1 2 1 8 2 1 2 1 2 2 2 1 1 1 2 9 2 1 1 2 2 2 1 2 2 1 1 10 2 2 2 1 1
6、1 1 2 2 1 2 11 2 2 1 2 1 2 1 1 1 2 2 12 2 2 1 1 2 1 2 1 2 2 1 注：分内外区（大标准层面积）时完全套用本表；不分内外区（小标准层面积）时无进深，第 11 列置空。 表 2 正交模拟因子与其他因素取值 因子 水平 1 水平 2 墙类型 哈尔 滨 300mm 厚页岩陶粒空心砌块，外贴 120 厚实心砖，K=0.83W/(m2K) 300mm 厚页岩陶粒空心砌块， K=1.03W/(m2K) 北京 300mm 厚页岩陶粒空心砌块， K=1.03W/(m2K) 200mm 厚加气混凝土，K=1.36W/(m2 K) 上海 200mm 厚 KM
7、 非承重空心砖，孔隙率 25%，K=1.67W/(m2K) 240mm 厚 KP 承重多孔砖，孔隙率 25%,K=1.91W/(m2K) 窗类型 哈尔 滨北 京 5F+12A+5L,K=1.96W/(m2K), Cs=0.62 5F+12A+5F,K=3.09W/(m2K), Cs=0.78 上海 10mm 镀膜热反射玻璃，K=5.45W/(m2 K)，Cs=0.49 6mm 透明浮法玻璃，K=5.78W/(m2 K)，Cs=0.89 夏季设计室温 () 24 27 人员密度 (p/m2) 0.25 0.125 灯光散热 (W/m2) 20 30 设备散热 (W/m2) 20 40 新风指标
8、(m3/ph) 17 30 层高 (m) 3.2 4 窗墙比 (%) 0.3 0.6 标准层 面积 (m2) 分内 外区 1400 2000 不分 内外 区 800 1400 进深 (m) 4 6 其他因素 取 值 标准层长宽比 1:1 标准层方位 N-S 或 W-E 非空调面积比 占整个标准层面积的 25%，位于核心区 窗内外遮阳 无 冬季设计室温 () 20 注：5F+12A+5L 表示双层中空玻璃，外层是 5mm 厚浮法玻璃，内层是 5mm 低辐射玻璃，中 间是 12mm 的空气层；Cs 是玻璃的遮挡系数 表 2 中各因子（窗墙类型除外）两水平取其常见取值范围的两端值；窗墙类型取不同城
9、市各自较常用、较具代表性的两种， “1”水平较“2”水平节能。 由于已经有了三类基本不同条件：不同城市（哈尔滨、北京、上海） 、不同新风方式 （定新风、焓控新风、温控新风） 、内外是否分区（内区、外区） ；又每次正交表需进行 12 次模拟，故一共要进行 3 3 2 12=216 次模拟，得出 216 组全年逐时冷负荷供处理成 设计冷负荷与全年耗冷量等。 1.3 系统及相关参数的选定 本文的模拟与分析针对普通集中式定风量一次回风空调系统进行。对于高层办公建 筑这样的舒适性空调，该系统一般采取变露点送风（保证室内干球温度控制精度而不保 证室内相对湿度）的方法来适应热湿负荷的变化。考虑到冷水机组的冷
10、冻水的温度一般 为 7/12，简化地设定空调系统最小允许送风温度为 14。空调系统开机时间为非节假 日的 8:0018:00。 2 模拟结果报表 空调系统模拟结果见表 3 至表 5。 表中还给出了参考用理论峰值冷负荷。 实际设计冷 负荷首先按理论峰值冷负荷的 90%取，若在此条件下，全年不保证时数超过 50 小时，则 按全年不保证 50 小时取4。全年耗冷量是对应实际设计冷负荷的统计值，同时还统计出 了空调系统全年的需供冷小时数。 表 3 哈尔滨分内外区/不分内外区空调系统模拟结果 试 验 号 全年耗冷量 实际设计冷负 荷 理论峰值冷负 荷 供冷时数 （kWh/m2a） （W/m2） （W/m
11、2） （h/a） 定新风 焓控新 风 温控新 风 各种新风方式 各种新风方式 定新风 焓控新风 温控新风 1 104/106 69/74 72/77 118.0/124.5 131.1/138.3 2383/1618 1197/1085 1197/1085 2 143/150 102/108 106/113 181.1/188.8 201.2/209.8 1815/1605 1197/1087 1197/1087 3 120/117 60/64 67/71 99.6/105.2 110.7/116.4 2610/1942 1198/1053 1198/1053 4 108 /111 72/78
12、 76/83 119.2/128.8 132.4/143.1 2580/1556 1198/1046 1198/1046 5 154/141 80/83 87/91 142.2/146.2 158.0/162.5 2610/1742 1198/1067 1198/1067 6 131/132 74/81 80/90 134.3/147.4 149.2/163.7 2610/1552 1198/978 1198/978 7 73/73 48/50 51/54 94.6/98.4 105.2/109.3 2095/1460 1198/1008 1198/1008 8 120/123 82/84 8
13、7/90 161.2/167.0 179.1/185.5 1866/1550 1198/1074 1198/1074 9 185/181 97/106 104/115 137.6/151.3 152.0/168.1 2610/2066 1197/1067 1197/1067 10 117/128 73/81 78/87 144.9/162.0 161.0/180.0 2220/1446 1198/941 1198/941 11 135/128 73/76 78/81 105.8/109.4 116.2/120.5 2610/2056 1197/1089 1197/1089 12 124/131
14、 92/98 95/102 171.7/180.3 190.8/200.3 1689/1531 1198/1069 1198/1069 平均 126/127 77/82 82/88 134.2/142.4 148.9/158.1 2308/1677 1198/1047 1198/1047 表 4 北京分内外区/不分内外区空调系统模拟结果 试 验 号 全年耗冷量 实际设计冷负 荷 理论峰值冷负 荷 供冷时数 （kWh/m2a） （W/m2） （W/m2） （h/a） 定新风 焓控新 风 温控新 风 各种新风方式 各种新风方式 定新风 焓控新风 温控新风 1 140/141 101/107 106
15、/112 122.7/129.8 136.3/144.2 2610/2016 1506/1340 1506/1340 2 195/204 148/155 153/161 186.5/194.8 207.2/216.4 2503/2060 1506/1356 1506/1356 3 149/153 87/91 98/103 103.1/108.7 113.2/119.1 2610/2382 1512/1291 1512/1291 4 141/144 103/110 108/115 123.9/134.2 137.6/149.1 2610/1903 1510/1286 1510/1286 5 19
16、1/187 119/123 132/138 146.7/151.5 163.0/168.2 2610/2251 1512/1299 1512/1299 6 165/170 106/115 117/127 137.3/151.1 152.6/167.9 2610/1961 1511/1219 1511/1219 7 98/97 71/74 76/81 99.6/104.5 110.6/116.1 2596/1689 1512/1207 1512/1207 8 165/166 123/127 134/138 167.9/175.1 186.5/194.6 2537/1825 1512/1286 1
17、512/1286 9 221/230 132/143 141/151 143.5/159.1 155.6/172.2 2610/2366 1506/1304 1506/1304 10 151/162 106/116 113/123 150.6/168.8 167.3/187.5 2609/1704 1511/1142 1511/1142 11 164/164 102/106 110/112 111.8/115.8 121.9/127.2 2610/2381 1505/1329 1505/1329 12 169/179 134/143 138/146 178.2/188.2 198.0/209.
18、1 2296/1855 1510/1308 1510/1308 平均 162/166 111/118 119/126 139.3/148.5 154.2/164.3 2568/2033 1509/1281 1509/1281 表 5 上海分内外区/不分内外区空调系统模拟结果 试 验 号 全年耗冷量 实际设计冷负 荷 理论峰值冷 负荷 供冷时数 （kWh/m2a） （W/m2） （W/m2） （h/a） 定新风 焓控新 风 温控新 风 各种新风方式 各种新风方式 定新风 焓控新风 温控新风 1 154/145 124/126 127/129 139.3/147.5 154.8/163.9 261
19、0/1764 1737/1379 1737/1379 2 207/201 177/179 181/183 209.8/222.4 233.1/247.1 2610/1731 1737/1374 1737/1374 3 124/110 90/89 100/96 107.8/113.3 115.8/122.2 2610/1654 1738/1214 1738/1214 4 154/153 127/133 131/137 142.8/156.1 158.7/172.3 2610/1761 1738/1339 1738/1339 5 208/192 148/148 163/160 164.8/173.
20、0 180.3/192.2 2610/2007 1738/1353 1738/1353 6 169/159 127/131 138/138 153.7/170.4 168.5/184.3 2610/1669 1738/1211 1738/1211 7 107/94 85/83 91/87 110.5/118.2 122.8/131.3 2610/1433 1738/1161 1738/1161 8 187/178 155/154 165/162 196.4/204.2 218.2/226.9 2610/1693 1738/1319 1738/1319 9 192/171 139/143 148
21、/149 148.5/163.8 157.1/172.7 2610/1813 1737/1313 1737/1313 10 155/157 125/131 132/137 167.5/188.2 184.2/204.7 2610/1476 1738/1114 1738/1114 11 171/165 123/125 131/132 123.0/128.8 131.1/137.1 2610/2269 1737/1448 1737/1448 12 204/204 174/180 177/183 204.7/220.0 227.4/244.5 2607/1810 1737/1395 1737/139
22、5 平均 169/161 133/135 140/141 155.7/167.2 171.0/183.3 2610/1757 1738/1302 1738/1302 表 3表 5 中的模拟结果可供统计分析，同时，还可供工程设计参考之用。 将各城市分内外区与否对应的两个多算例的平均“设计冷负荷”再作平均，所得数 值就是某城市的设计冷负荷的统计估算值， 哈尔滨、 北京、 上海三城市分别为 138.3W/m2， 143.9W/m2， 161.4W/m2。 焓控新风方式下全年耗冷量统计估算值分别为 79.5kWh/(m2 a)， 114.5kWh/(m2 a)，134.0kWh/(m2 a)。 需要指
23、出的是：全年耗冷量、设计冷负荷、峰值冷负荷这三个指标是按单位空 调面积给出的，若要改用单位建筑面积给出，由于本文设定的非空调面积比为 25%，则 以上三个指标都要乘以系数 0.75。 表中给出的各项指标是在理想的设定下得出的，实际运行管理中较少符合这种 理想设定。具体应用时要根据专业知识对报表的有关指标酌情作一些变动。如模拟计算 时，设定人员密度、照明散热量、设备散热量在工作时间内不随时间变化、保持稳定， 实际使用中是有较大变动的；模拟计算时设定 100%使用空调面积，实际上空调空间的使 用率（或出租率）不可能一直维持在 100%；模拟计算时设定工作时间内空调系统总是开 机，总是保证设定的最小
24、新风量，实际使用中业主很可能为了减少运行费用而少开机、 关小新风阀。考虑到空调空间的出租率、空调系统的开机率这两个影响较大的因素，一 般来说模拟指标要作相应处理后应用。 3 模拟结果分析 本文的正交试验设计中，对于分内外区与不分内外区两种情况，除了建筑面积 不一致外，相同试验号的其他共有因素的取值完全一致，故我们可对是否分内外区的影 响进行分析。同理我们也将对地区、新风方式对模拟结果的影响进行分析。 剩下的影响负荷的 11 个因素是作为因子安排在正交表中的；这些因素各自的影 响程度可通过设计更多次数的、且考虑交互作用的正交表来模拟计算，最后对模拟结果 进行正交方差分析考察得出；限于篇幅，本文不
25、作研究。 3.1 分内外区的影响 由模拟结果可知，各城市分内外区时的供冷时数都大于不分内外区的数值，这 是因为分内外区设置空调系统时，当外区在过渡季已不需供冷时，内区一般仍需较长时 间的小负荷供冷。 各城市不分内外区的设计冷负荷（或峰值冷负荷）都大于分内外区的数值，这 是因为标准层面积较小的建筑不分内外区，因此围护结构负荷占总负荷的比例较大。 各城市是否分内外区时的全年耗冷量大小没有规律。从耗冷量最小的焓控新风 方式来看，分内外区时的全年耗冷量总体上要少一些。 3.2 气候条件的影响 由于气候条件的不同， 3 城市在相同试验条件下得到的结果也不同， 计算其之比 （不同城市的供冷时数之比意义不大
26、，不考虑） ，再把 12 个试验的模拟结果之比作平均 （不同于对表 3表 5 中列出的“平均”项再作有关比值处理，下同） ，所得的结果具有 统计性、代表性，可使设计人员对城市（可代表不同建筑热工分区）间差异有一个宏观 上的数量概念，见表 6。 表 6 不同城市空调系统模拟结果平均比值 全年耗冷量之比 设计冷负荷之比 峰值冷负荷之比 定新风 焓控新风 温控新风 各种新风方式 各种新风方式 分内外区 北京/哈尔滨 129% 145% 145% 104% 104% 上海/哈尔滨 136% 173% 172% 116% 114% 不分内外区 北京/哈尔滨 132% 144% 143% 104% 104
27、% 上海/哈尔滨 128% 165% 161% 117% 116% 3.3 新风方式的影响 由模拟结果可知，各种新风方式下的设计冷负荷或峰值冷负荷是完全相同的。 这是因为新风方式不同主要影响过渡季负荷，而设计冷负荷或峰值冷负荷一般都发生在 最热月。焓控和温控两种新风方式下的全年供冷时数几乎完全相同，而且这两种新风方 式下的供冷时数都比定新风方式下的供冷时数少得多。 与气候条件的影响一样，可求出不同新风方式下模拟结果平均比值，见表 7。 表 7 不同新风方式下模拟结果平均比值 城市 分内外区空调系统 不分内外区空调系统 全年耗冷量之比 供冷时数之比 全年耗冷量之比 供冷时数之比 焓/定 温/定
28、焓/定 温/定 焓/定 温/定 焓/定 温/定 哈尔滨 61.7% 65.6% 53.2% 53.2% 64.9% 69.7% 63.2% 63.2% 北京 68.6% 73.5% 58.9% 58.9% 70.9% 75.9% 63.7% 63.6% 上海 78.4% 82.9% 66.6% 66.6% 84.1% 87.8% 74.6% 74.5% 注：“焓”、“温”、“定”分别指“焓控新风”、“温控新风”、“定新风” 考察表 7，可以进一步得出以下结论： 定新风方式下的全年耗冷量最大，而焓控新风要略小于温控新风，说明焓控新风 方式最为节能。 与不分内外区相比，分内外区的空调系统在过渡季大
29、量使用新风更能减少耗 冷量与供冷时数。 采用焓控新风与温控新风时，哈尔滨空调系统全年耗冷量、供冷时数减小得 最多，而上海则最少。 4 结论 本文对高层办公建筑空调设计冷负荷与全年耗冷量等进行了模拟分析，得到了 如下结论。 哈尔滨、北京、上海三城市的设计冷负荷统计估算值分别为 138.3W/m2, 143.9W/m2, 161.4W/m2；焓控新风方式下全年耗冷量统计估算值分别为 79.5kWh/(m2 a)， 114.5kWh/(m2 a)，134.0kWh/(m2 a)。 分内外区与采用不同的新风控制方式对设计冷负荷与全年耗冷量的影响是： （a）分内外区时供冷时数大于不分内外区时的，设计冷负荷小于不分内外区时 的； （b）定新风方式下全年耗冷量比全新风方式（焓控、温控）时大很多；焓控新 风方式最为节能； （c）分内外区的空调系统在过渡季大量使用新风较不分内外区系统更能减少耗 冷量与供冷时数； （d）与采用定新风相比，采用焓控新风与温控新风时，在哈尔滨、北京、上海 三城市中，哈尔滨空调系统全年耗冷量、供冷时数减小得最多，而上海则最少。
