圍護結構冷負荷快速計算方法研究

龔光彩 尹丹 吳蓉 王平 傅沐書 龔思越

湖南大學土木工程學院

0 引言

自20世紀70年代以來，節能問題逐漸得到世界各國的重視。據預測，現代建筑中空調系統的能耗至2020年將占整個建筑物能耗的30%～50%[1]，能耗問題十分嚴重。而建筑物的負荷計算是空調系統設計的基礎，其計算是否準確直接影響著室內舒適性以及系統的初投資和運行費用。

隨著計算機技術的迅速發展，軟件計算已經成為了空調系統設計中負荷計算的主要方式。Doe-2，Energy-plus，DeST等大型能耗模擬軟件，以及鴻業，天正等負荷計算軟件得到了廣泛的應用。大型的能耗模擬軟件雖然可以得到詳細的負荷計算數據，其局限于建模和計算的時間過長，且需設計員具備熟練的操作能力。國內的負荷計算軟件，則需逐個房間設定參數計算。當房間數目過多時，操作繁瑣，在空調系統設計初期無法達到計算快速的目的。

為了完善負荷計算中的問題，國內外學者做了許多的研究。Gang W[2]等對冷負荷計算的不確定因素對建筑冷卻系統設計優化的影響做了一定的研究。Ghiaus C[3]探討了計算熱負荷和冷負荷的熱平衡法的因果關系問題。Chen T,Cui M[4]提出了一種直接連續計算間歇峰值冷負荷的RTS方法。針對我國的實際情況，張萍[5]得出了高層綜合辦公建筑的空調設計負荷概算指標體系。管厚林[6]以矩形形狀、核心式平面布局這類常見的高層辦公建筑為例給出辦公標準層的空調冷熱負荷指標等。顧小松[7]以輻射時間序列法的計算值為標準改進了太陽輻射模型及墻體得熱模型并且形成軟件。周娟[8]提出了將輻射時間序列法和頻域回歸法相結合的空調負荷計算的新方法。王朋[9]改進了輻射時間序列法構建的空調負荷分析模型，并編寫了動態負荷的計算軟件。李青燕[10]根據德國建筑節能標準闡述的建筑全年能耗簡化方法，編寫了能耗模擬軟件SCBEC。

由此可見，國內外學者在負荷計算方面做了很多研究。然而，部分研究明確地規定了建筑類型，不具有普適性。且現今大部分讀者都認為用比較簡單的單因素的方法來概括計算結果的普適規律是不可行。本文則從工程設計角度，建立了一套適用于各類建筑的，有一定準確性又快速的負荷計算方法，形成了一個快速又相對精確的軟件工具。這一工作對工程設計負荷快速計算及建筑節能都具有理論和實際意義。

1 圍護結構冷負荷快速計算方法

建筑夏季空調冷負荷包括圍護結構部分冷負荷，室內熱源及設備冷負荷和門窗滲透冷負荷，而其中計算最繁瑣的為圍護結構部分冷負荷。由于建筑內部結構復雜，存在非空調的房間和區域，各空調房間及空調區域的設計溫度也可能不同。且研究表明[5]，建筑內圍護結構部分的冷負荷僅為圍護結構總冷負荷的 5%～10%，即建筑外圍護結構的冷負荷乘上1.05～1.10的修正系數就可得到總圍護結構的冷負荷。

故本文在此提出了圍護結構冷負荷快速計算方法，該方法基于冷負荷系數法建立其理論模型，文中不再贅述，僅介紹圍護結構冷負荷快速計算方法對建筑圍護結構部分的創新性處理。圍護結構冷負荷快速計算方法將建筑外圍護結構抽象為一個整體，考慮到冷負荷空間分布的不均勻性，按朝向計算外圍護結構冷負荷，不再單獨計算內圍護結構的冷負荷。本文提出了冷負荷修正系數這一概念，用以修正圍護結構部分冷負荷計算時不單獨計算內圍護結構冷負荷的誤差，其定義如下：

式中：cl為冷負荷修正系數；CLn為內圍護結構冷負荷，K W；CLw為外圍護結構冷負荷，kW。

1.1 建筑外圍護結構單位面積冷負荷影響因素分析

1.1.1 正交試驗安排

以長沙某辦公建筑為例，該建筑南北朝向，占地面積96m2，層高3.6m，除庫房，樓梯和走廊外，其余房間均為空調房間（圖1）。

圖1 長沙某辦公建筑平面圖

影響建筑外圍護結構冷負荷的因素主要有：建筑圍護結構朝向、外墻類型、外窗類型、建筑窗墻比、內遮陽、室內設計溫度等[11-12]。本文以該六種影響因素為分析對象設計正交試驗，通過計算建筑各個朝向外圍護結構單位面積冷負荷，來分析影響建筑外圍護結構冷負荷各因素的最佳組合及影響的主次順序。

各影響因素如表1所示，表2[13]和表3[13-14]分別為墻體和窗玻璃的參數。

表1 各影響因素及水平

表2 外墻體參數

表3 窗體參數

不考慮朝向的各因素間的交互作用，故在此選用正交表L16(45)[15]，各組合計算的結果如表4所示。

表4 正交試驗數據

1.1.2 正交試驗結果分析

試驗結果表明，第2組合為最佳組合方案，第3組合次之，第6組合為最差組合方案，其次則為第11組合。

表5表示了八個朝向下分別導致的結果之和K與極差ΔK的值。由表5可知，建筑朝向為南、北時的K值最小，即該朝向時建筑的圍護結構冷負荷有最小值。表6表示了南朝向時其他的因素對建筑外圍護結構單位面積的冷負荷值的影響。比較結果可得：因素“朝向”產生的極差ΔK最大，為1129，即建筑的朝向對其圍護結構冷負荷值的影響最大，是關鍵因素[15]。其次是外窗類型，外墻類型極差最小，為次要因素。排出各因素的主次順序為：朝向＞外窗類型＞窗墻比＞內遮陽＞室內設計溫度＞外墻類型。

表5 因素“朝向”導致結果之和與極差數據表

表6 南朝向其他因素導致結果之和與極差數據表

1.2 冷負荷修正系數的計算

本文選取規模分別為8層、16層、24層、40層的建筑。根據正交試驗得到的結果，分別計算其最優組合（2），次優組合（3），最差組合（6）和組合（11）下各個城市的冷負荷修正系數。對于某一城市而言，建筑圍護結構冷負荷修正系數=基準值+朝向修正值+層高修正值。

對于基準值的計算，針對某一城市，每種規模的建筑計算8個朝向的冷負荷修正系數，則4種規模的建筑可計算得到32個值，取其平均值為基準值。

對于朝向修正值的計算，某一指定城市，某一特定朝向時，計算4中不同規模的建筑在該朝向的冷負荷修正系數，并取其平均值，則該平均值與基準值的差值即為該朝向的修正值。

同理，對于層高修正值的計算，針對某一城市某一規模典型建筑，可計算得8個不同建筑朝向的冷負荷修正系數，該 平均值與基準值的差值即為該城市建筑圍護結構冷負荷修正系數的層高修正值。

以長沙為例，表7是在4種不同規模建筑8個朝向情況下采用最優組合（2）計算得到的32個建筑圍護結構冷負荷修正系數值，其算術平均值 1.084作為長沙的冷負荷修正系數基準值。從表7中可看出，層高修正值很小，即層高的變化對建筑圍護結構的冷負荷修正系數的影響很小。

表7 長沙冷負荷修正系數

同理，采用最優組合（2）計算出其他各城市的冷負荷修正系數，比較計算結果可知，各個城市建筑的層高修正值相對朝向修正值而言非常小。故本文在此忽略建筑層高的影響。故各城市建筑圍護結構冷負荷修正系數=基準值+朝向修正值。

為修正不同組合情況產生的誤差，采用同樣方法計算組合（2），組合（3），組合（6）和組合（11）時各個城市的冷負荷修正系數。將該四種組合下計算得到的各城市的4個基準值取平均定為該城市的基準值，各朝向的 4 個修正值取平均成為對應城市該朝向的修正值。各城市冷負荷修正系數的推薦值如表8所示。

表8 各城市冷負荷修正系數推薦值

2 基于圍護結構冷負荷快速計算方法的軟件設計

根據圍護結構冷負荷快速計算方法，以Access 和VBA為工具編寫程序，制作了一個冷負荷快速計算軟件。該軟件主要包括建筑基本設置及計算、計算結果輸出兩大部分。軟件的操作簡便，具有良好的圖形化界面，輸入參數少，計算速度快，且計算結果內容豐富、用途廣泛。

2.1 建筑基本設置及計算

打開軟件即出現冷負荷計算的開始界面，而“室內設置”及“圍護結構”則在該界面的兩個選項卡上。“室內設置”界面主要包括夏季室內設計溫度、相對濕度、空調面積、室內人員、新風量、設備、照明等參數設置。“進入室內的時間”及“在室內的總時間”的數據則根據該建筑功能的選擇自動更新。室內熱源散熱形成的負荷則根據用戶的需要自行選擇是采用動態計算方法還是穩態計算方法。“圍護結構”界面如圖2所示，主要包括建筑朝向設置、外墻、屋頂、外窗、天窗等參數設置。設置完各項冷負荷對應的參數即可完成計算，不需要所有參數設置完再統一計算，這樣方便了用戶根據自己的需要來靈活運用。

圖2 “冷負荷計算”窗口—“圍護結構”選項卡

2.2 計算結果輸出

冷負荷快速計算軟件計算結果內容豐富，包括外墻、屋頂、外窗、天窗、新風、室內人員、室內照明、室內設備等分項的冷負荷，還包括夏季典型日全天逐時的冷負荷值及對應的曲線，建筑室內濕負荷、熱濕比、窗墻比等。同時，該軟件還計算了單位建筑面積的冷負荷值、單位空調面積的冷負荷值、體形系數，通過這些參數快速的對建筑能耗進行預測。其中窗墻比分析界面如圖3所示。

圖3 “窗墻分析”窗口

3 典型實例分析

以長沙市某辦公建筑為例，該建筑南北朝向，建筑面積為4680 m2，共7層，層高為3.6 m。建筑外墻和屋頂均為Ⅲ結構類型。外墻傳熱系數為0.56 W/(m2·K)，內墻為1.6 W/(m2·K)，屋頂為0.89 W/(m2·K)，外窗為3.4 W/(m2·K)，玻 璃外門為3.5W/(m2·K)。室內“極輕勞動”狀態56人，“輕 度勞動”狀態324人[13]。電子設備參數 679 21 W，電熱設備1939W，暗 裝熒光燈42129W。該建筑內工作時間為8:00～18:00。

為證明冷負荷快速計算軟件的可行性與準確性，本文從圍護結構部分冷負荷、室內熱源形成冷負荷、不含新風冷負荷的建筑冷負荷、含 新風冷負荷的建筑冷負荷這四個方面分析比較了冷負荷快速計算軟件、冷負荷系數法、鴻業軟件、DeST軟件計算所得的冷負荷值。

3.1 圍護結構冷負荷

圖4是典型日的圍護結構部分冷負荷比較曲線，表9統計了四種不同計算方法所得到典型日的建筑圍護結構逐時的冷負荷峰值以及其出現的時刻，同時分析了峰值的相對誤差。由圖4可看出，四種不同計算方法所計算得到的該建筑夏季典型日冷負荷分布趨勢基本一致。

圖4 圍護結構冷負荷曲線比較

表9 圍護結構冷負荷峰值比較

從表9中可看出，圍護結構冷負荷的峰值及出現的時間均存在一定的誤差，其中峰值的最大誤差為2.8%。各種計算方法計算結果的誤差主要是由各方法的計算原理和采用的氣象數據不同所導致的。

3.2 室內熱源散熱形成的冷負荷

圖5為室內熱源散熱所形成的冷負荷的典型日逐時冷負荷比較曲線，表10統計了四種不同計算方法所得到的該部分負荷的峰值及其出現的時間。由圖 5可看出，各計算結果趨勢一致，且冷負荷快速計算軟件與冷負荷系數法所得的值一致，兩曲線已重合。從表10可看出四種方法存在著誤差，且最大誤差已達到7.3%。誤差主要原因為：對于室內熱源部分，鴻業軟件和DeST對室內設備及人員數量進行了一定的處理。

圖5 室內熱源散熱形成冷負荷曲線比較

表10 室內熱源散熱所形成冷負荷的峰值比較

3.3 建筑總冷負荷（不含新風冷負荷）

圖6為各計算方法對于不包括新風冷負荷的建筑冷負荷的典型日逐時計算結果比較曲線。由圖可看出，各計算結果趨勢基本一致，且由于該建筑為辦公建筑，室內熱源的散熱量所占比例較大，該曲線與圖5的趨勢基本一致。

表11為對應的典型日負荷峰值及出現的時間，且同時分析了峰值的相對誤差。由表可看出，冷負荷快速計算軟件與鴻業軟件相比有最大誤差，已達到5.9%。該部分誤差主要是各計算方法處理圍護結構和室內熱源散熱的冷負荷的方法不同所致。

圖6 建筑總冷負荷（不含新風冷負荷）曲線比較

表11 建筑總冷負荷（不含新風冷負荷）峰值比較

3.4 建筑總冷負荷（含新風冷負荷）

圖7是各計算方法從 8:00～18:00 時刻計算所得總冷負荷值曲線。表11為對應的負荷峰值及誤差分析。從圖表中可看出，冷負荷快速計算軟件與其它軟件及方法計算所得結果趨勢一致，以冷負荷系數法計算結果為參照，得本軟件的誤差為5.2%。誤差產生的原因除前述，在該部分還因為對新風負荷的處理方法不同。鴻業計算軟件、冷負荷快速計算軟件、DeST 軟件采用的是逐時動態計算方法，而冷負荷系數法采用的為穩態計算方法。

圖7 建筑總冷負荷（含新風冷負荷）8∶00～ 18∶00 曲線比較

表12 建筑總冷負荷（含新風冷負荷）峰值比較

總體來講，通過上述比較，可看出本文的冷負荷快速計算軟件與其它各軟件和算法計算結果差別不大，整體趨勢基本一致，可以為工程所接受，故本軟件是可行的。

4 結論

本文以冷負荷系數法為基礎，提出了圍護結構冷負荷快速計算方法。主要結論如下：

1）將建筑外圍護結構視為一個整體，以簡化圍護結構冷負荷計算為重點，提出了冷負荷修正系數的概念，同時計算了各個城市推薦值。以此編寫了一個冷負荷快速計算軟件，該軟件操作簡便、計算結果內容豐富，實現了冷負荷計算快速準確的目的。

2）以長沙某辦公建筑為例，比較了冷負荷快速計算軟件與鴻業軟件，DeST 軟件以及冷負荷系數法在冷負荷計算方面的誤差。結果表明存在著一定的誤差，但誤差在允許的范圍內，證明了軟件的可行性。

3）本文所涉及的建筑模型要求相對規整，對某些外形復雜建筑如復雜中庭建筑等可開展進一步的研究，冷負荷修正值系數的數值及樣本也可在工程實踐中進一步豐富和完善。