區(qū)域供冷系統(tǒng)能源站冷負(fù)荷預(yù)測及同時使用系數(shù)的確定

蘇斌，趙凱，趙本坤

（1重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶 400045；2重慶市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會，重慶 400014）

0 引言

在建筑能耗中，供冷能耗是最主要的分項能耗[1]。區(qū)域供冷系統(tǒng)因其節(jié)能、高效、自動化程度高等優(yōu)勢，越來越多地受到投資方和業(yè)主的青睞，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面:（1）區(qū)域供冷系統(tǒng)可以集中有效地利用可再生能源 （如太陽能、風(fēng)能等）[2]；（2）通過區(qū)域供冷以及熱電聯(lián)產(chǎn)等先進(jìn)技術(shù)可以提高系統(tǒng)和機組的運行效率[3]；（3）采用區(qū)域供冷系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)運行的可靠性和高效性，使供冷系統(tǒng)的運行效率、安全性和可靠性得到大幅度的提升。

盡管區(qū)域供冷系統(tǒng)有其巨大的節(jié)能優(yōu)勢，但如果缺乏適宜的能源站負(fù)荷預(yù)測方法和同時使用系數(shù)確定方法，使系統(tǒng)運行效率大幅度降低，導(dǎo)致區(qū)域供冷系統(tǒng)失去其應(yīng)有的優(yōu)勢和意義。目前，國內(nèi)外關(guān)于建筑負(fù)荷預(yù)測方法主要有統(tǒng)計回歸預(yù)測和軟件模擬預(yù)測方法。基于統(tǒng)計回歸的建筑負(fù)荷預(yù)測方法是預(yù)測建筑冷負(fù)荷的重要方法，但此方法以大量的建筑能耗審計數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，工作量大，應(yīng)用起來存在一定的困難。應(yīng)用建筑模擬軟件進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測，需要知道建筑的詳細(xì)信息（如建筑圍護結(jié)構(gòu)類型及熱工參數(shù)、房間功能、室內(nèi)熱擾、人員作息等），而在區(qū)域供冷規(guī)劃初期階段，往往只能得到地塊中建筑的高度、面積、容積率等控制性指標(biāo)，單體建筑及設(shè)施的規(guī)劃還沒有完成，即使建筑用途已經(jīng)確定，單體建筑在方案創(chuàng)作過程中變化多端，建筑物作息時間、人員密度、照明負(fù)荷以及負(fù)荷變化規(guī)律等許多方面還是不確定的。因此，在規(guī)劃初期階段難以運用動態(tài)負(fù)荷模擬軟件建模進(jìn)行精確的冷負(fù)荷計算[4]。

本文針對規(guī)劃設(shè)計階段區(qū)域供冷系統(tǒng)特點及建筑冷負(fù)荷特征，采用鴻業(yè)負(fù)荷計算軟件計算各棟建筑的逐時冷負(fù)荷以進(jìn)行能源站冷負(fù)荷預(yù)測及確定同時使用系數(shù)，為解決區(qū)域供冷能源站冷負(fù)荷預(yù)測及同時使用系數(shù)確定提供有力參考。

1 建筑負(fù)荷影響因素

建筑負(fù)荷的影響因素很多，可以將其分為建筑本身的因素、內(nèi)擾因素和外擾因素[5]。其中，建筑本身的因素由建筑的外形、布局以及建筑圍護結(jié)構(gòu)物性參數(shù)組成，包括建筑體型系數(shù)、建筑底面形狀、建筑朝向、圍護結(jié)構(gòu)（外墻、屋頂、窗戶）的材料及傳熱系數(shù)、窗墻比和遮陽設(shè)施等；內(nèi)擾因素主要由人員、照明、設(shè)備等因素組成，包括室內(nèi)人員密度、人員結(jié)構(gòu)構(gòu)成、人員逐時在室率、照明以及設(shè)備的安裝功率、安裝形式和使用率等；外擾因素主要是指室外氣象條件，包括室外空氣的溫濕度、太陽輻射強度以及新風(fēng)量等。

2 建筑負(fù)荷的確定

建筑按使用率不同又可分為:低使用率建筑和高使用率建筑[6]。其中低使用率建筑只在特殊情況下使用，如歌劇院等，平時大部分時間處于閑置狀況。因此，不同類型建筑空調(diào)負(fù)荷特點存在著較大的差別，需要針對幾種典型的建筑類型進(jìn)行負(fù)荷計算分析，得到建筑負(fù)荷逐時變化特點。根據(jù)區(qū)域發(fā)展規(guī)劃，計算得到各類建筑的建筑面積，選取各類建筑中的典型建筑，使用鴻業(yè)負(fù)荷計算軟件（諧波反應(yīng)法）進(jìn)行建筑空調(diào)設(shè)計日逐時冷負(fù)荷計算[7]。

3 區(qū)域供冷系統(tǒng)能源站冷負(fù)荷及同時使用系數(shù)的確定

在明確了區(qū)域建筑規(guī)劃方案中各建筑的冷負(fù)荷基礎(chǔ)上，區(qū)域供冷系統(tǒng)能源站逐時負(fù)荷情況即為[6]:

Fnk-各建筑的逐時負(fù)荷，（n=0，1，2，……23），（k=住宅，商用，旅館，辦公，文體）；

Pk-各類建筑本身的同時使用系數(shù)；

Sk-各類建筑的面積。

F-區(qū)域供冷系統(tǒng)能源站負(fù)荷；

T-區(qū)域同時使用系數(shù)。

由此即可確定區(qū)域供冷系統(tǒng)能源站冷負(fù)荷以及同時使用系數(shù)。

4 計算實例

重慶市江北城CBD區(qū)域位于長江、嘉陵江兩江交匯處，江北城區(qū)域總計建筑面積為630.50萬m2，其中地上建筑面積520.50萬m2，地下建筑面積110.00萬m2。江北城共分為A、B、C三個地塊，其中A區(qū)主要為商業(yè)用地，B區(qū)為商業(yè)、娛樂、旅游等綜合用地，C區(qū)為住宅用地。由于江北城CBD區(qū)域內(nèi)各類建筑規(guī)劃面積已經(jīng)確定，確定江北城CBD區(qū)域供冷系統(tǒng)能源站負(fù)荷及同時使用系數(shù)時，可直接根據(jù)表1確定各類建筑面積。此外，江北城CBD區(qū)域供冷系統(tǒng)初步服務(wù)對象為公共建筑，住宅建筑不在服務(wù)范圍內(nèi)。

表1 江北城CBD區(qū)域規(guī)劃主要經(jīng)濟指標(biāo)（萬m2）

各類建筑冷負(fù)荷計算如下。

4.1 旅館建筑

選取江北城CBD區(qū)域某酒店作為旅館建筑模板，使用鴻業(yè)暖通負(fù)荷計算軟件7.0進(jìn)行冷負(fù)荷計算，基本參數(shù)設(shè)定如下:建筑面積為29650m2，照明標(biāo)準(zhǔn)為20W/m2，人員密度為0.05人/m2，每人新風(fēng)量為30m3/h·人，電子設(shè)備發(fā)熱量為13W/m2。圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)根據(jù)重慶市《公共建筑節(jié)能（綠色建筑）設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GBJ50-052-2013確定，并取上限值。

建筑冷負(fù)荷情況:夏季逐時最大總冷負(fù)荷（含新風(fēng)/全熱）為3115.09kW， 夏季最大總冷負(fù)荷 （含新風(fēng)/全熱）為3737.00kW，夏季最大室內(nèi)冷負(fù)荷為2664.49kW，夏季新風(fēng)冷負(fù)荷為450.08kW，夏季冷負(fù)荷同時使用系數(shù)為0.83。

4.2 辦公建筑

選取江北城CBD區(qū)域某寫字樓作為辦公建筑模板，使用鴻業(yè)暖通負(fù)荷計算軟件7.0進(jìn)行冷負(fù)荷計算，基本參數(shù)設(shè)定如下:建筑面積29650m2，照明標(biāo)準(zhǔn)30W/m2，人員密度0.1人/m2，每人新風(fēng)量30m3/h·人，電子設(shè)備發(fā)熱量5W/m2。圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)根據(jù)重慶市《公共建筑節(jié)能（綠色建筑）設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GBJ50-052-2013確定，取上限值。

辦公建筑冷負(fù)荷情況:夏季逐時最大總冷負(fù)荷（含新風(fēng)/全熱）為5614.64kW，夏季最大總冷負(fù)荷 （含新風(fēng)/全熱）為6879.00kW，夏季最大室內(nèi)冷負(fù)荷為4943.03kW，夏季新風(fēng)冷負(fù)荷為670.97kW，夏季冷負(fù)荷同時使用系數(shù)為0.82。

4.3 商業(yè)建筑

選取江北城CBD區(qū)域某商場作為商業(yè)建筑模板，使用鴻業(yè)暖通負(fù)荷計算軟件7.0進(jìn)行冷負(fù)荷計算，基本參數(shù)設(shè)定如下:建筑面積8302m2，照明標(biāo)準(zhǔn)40W/m2，人員密度0.7人/m2，每人新風(fēng)量20m3/h·人，電子設(shè)備發(fā)熱量13W/m2。圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)根據(jù)重慶市《公共建筑節(jié)能（綠色建筑）設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GBJ50-052-2013確定，取上限值。

商業(yè)建筑冷負(fù)荷情況:夏季逐時最大總冷負(fù)荷（含新風(fēng)）為2242.39kW， 夏季最大總冷負(fù)荷 （含新風(fēng)/全熱）為2585.00kW，夏季最大室內(nèi)冷負(fù)荷為1518.27kW，夏季新風(fēng)冷負(fù)荷為724.12kW，夏季冷負(fù)荷同時使用系數(shù)為0.87。

4.4 文娛建筑

選取江北城CBD區(qū)域某圖書館作為文娛建筑模板，使用鴻業(yè)暖通負(fù)荷計算軟件7.0進(jìn)行冷負(fù)荷計算，基本參數(shù)設(shè)定如下:建筑面積8540m2，照明標(biāo)準(zhǔn)30W/m2，人員密度0.3人/m2，每人新風(fēng)量30m3/h·人，電子設(shè)備發(fā)熱量5W/m2。圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)根據(jù)重慶市《公共建筑節(jié)能（綠色建筑）設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GBJ50-052-2013確定，取上限值。

文娛建筑冷負(fù)荷情況:夏季逐時最大總冷負(fù)荷（含新風(fēng)）為1248.88kW， 夏季最大總冷負(fù)荷 （含新風(fēng)/全熱）為1261.00kW，夏季最大室內(nèi)冷負(fù)荷為791.87kW，夏季新風(fēng)冷負(fù)荷為457.01kW，夏季冷負(fù)荷同時使用系數(shù)為0.99。

根據(jù)圖1中各建筑逐時冷負(fù)荷計算結(jié)果，計算出各建筑單位面積逐時冷負(fù)荷后，再乘以各建筑相應(yīng)規(guī)劃建筑面積和同時使用系數(shù)，并逐時求和，得到區(qū)域供冷全天逐時冷負(fù)荷情況:

圖1 不同建筑類型夏季總冷負(fù)荷逐時變化曲線

圖2 區(qū)域供冷系統(tǒng)全天逐時冷負(fù)荷變化趨勢圖

表2 區(qū)域供冷系統(tǒng)最大總冷負(fù)荷表（kW）

由圖2和表2可知，區(qū)域供冷系統(tǒng)夏季冷負(fù)荷最大時刻為15:00，即區(qū)域供冷系統(tǒng)能源站設(shè)計冷負(fù)荷為500943.00kW。區(qū)域各類建筑最大總冷負(fù)荷之和為729470.90kW，代入公式（3）可得江北城CBD區(qū)域供冷系統(tǒng)冷負(fù)荷同時使用系數(shù)T值為:

5 結(jié)語

區(qū)域供冷系統(tǒng)因其運行效率高、安全可靠和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于區(qū)域性建筑中。而區(qū)域供冷系統(tǒng)能源站負(fù)荷預(yù)測和同時使用系數(shù)的確定對于系統(tǒng)的經(jīng)濟、節(jié)能運行至關(guān)重要。借助鴻業(yè)負(fù)荷計算軟件對重慶市江北嘴區(qū)域供冷項目各終端建筑的總冷負(fù)荷進(jìn)行逐時計算分析得到其能源站設(shè)計總冷負(fù)荷為500943.00kW，進(jìn)而計算出其冷負(fù)荷的同時使用系數(shù)為0.69。此法簡單、快捷、需要區(qū)域供冷項目信息量少且具有普適性，可為今后區(qū)域供冷系統(tǒng)能源站負(fù)荷預(yù)測及同時使用系數(shù)的確定提供參考。

[1]畢崇寧.暖通空調(diào)水系統(tǒng)效率優(yōu)化策略研究[D].濟南:山東大學(xué),2008.

[2]Wetterlund E,Sderstm M.Biomass gasification in district heating systems–the effect of economic energy policies[J].Applied Energy,2010,87(9):2914-2922.

[3]Fumo N,Mago P J,Chamra L M.Emission operational strategy for combined cooling,heating,and power systems[J].Applied Energy,2009,86(11):2344-2350.

[4]夏令操.淺析日本區(qū)域供冷供熱的負(fù)荷預(yù)測[J].暖通空調(diào),2009,39(2):93-95.

[5]韓傳忠.一種區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)能耗模擬方法的研究[D].大連理工大學(xué),2011.

[6]張心剛.城市街區(qū)區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)優(yōu)化研究[D].上海:同濟大學(xué),2007.

[7]陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.