暖通空調設計中常見空調負荷計算問題分析
——以CAR-ASHARE學生設計大賽為例

祝健，丁宇，劉曉平，周沛 （合肥工業大學，安徽 合肥 230000）

0 引言

由中國制冷學會、美國ASHARE（供熱、通風空調學會）、住房和城鄉建設部高等學校建筑環境與設備工程專業指導委員會共同主辦的“CAR-ASHARE學生設計競賽”，是本專業最重要的且最具權威的全國性學科競賽。競賽要求參與競賽的隊伍根據組委會發布的題目在有限的時間內按規定的標準提交參賽作品。作為大賽一名的參與者，本文就以第十二屆（2020年）競賽的7個參賽組的負荷設計成果進行分析，探究負荷計算產生差異的原因。

1 工程概況與相關計算參數

1.1 工程概論

本次大賽設計的建筑位于西南大學校園，建筑北面為西南大學大禮堂，東面及南面為學校運動場，西面為自然山體，地勢西高東低，高差近13m，呈山地地形。建筑結構類型為框架6層，其中地下1層，地上5層，建筑高度23.4m，總建筑面積為28894m2，建筑占地面積6452.8m2，由校史館、美術館、檔案館、自然館、文物館、植物館等專業儲藏和展覽空間等相關設施組成，相關的建筑基本信息見表1。

建筑基本信息 表1

1.2 設計條件

空調設計的圍護結構熱工性能滿足《公共建筑節能設計標準》（GB50189-1015）夏熱冬冷地區限值要求。

2 負荷計算結果分析

2.1 各小組的計算結果

本次主要對參與大賽的七個小組進行負荷統計及分析，小組編號分別為A1～A7，共七組。表2為各個小組的空調負荷計算結果。

各小組的負荷計算結果 表2

由表2可以看出，七個小組的總冷熱負荷計算結果均不相同，并且部分小組之間結果存在著明顯差異。全年最大冷負荷為2994.1kW，由A2組采用DeST軟件計算得出，最小冷負荷是A7組用天正暖通計算得出的1292.9kW，其最大冷負荷是最小冷負荷的2.3倍；最大熱負荷是由A5組采用EnergyPlus模擬得出的1518.8kW，是最小熱負荷521.6kW（A2組DeST模擬得出）的2.9倍。此外，表中發現對同一建筑采用同種軟件進行模擬所產生的結果也具有很大的差異，如A2、A3和A7都采用DeST對該建筑進行模擬，但模擬出的最大冷負荷分別為2994.1kW、1983.6kW以及1307.3kW，結果存在著顯著的差異，采用鴻業計算負荷的A2、A3、A4、A5組，計算得出的最大冷負荷偏差不是很大。

2.2 各小組分項負荷的計算結果

下面對各個小組的分項冷熱負荷進行匯總分析。分項冷熱負荷主要是由圍護結構負荷、燈光照明散熱負荷、設備散熱負荷、人員散熱負荷以及新風負荷組成，由于各個小組設計說明書以及計算書中大部分未對圍護結構負荷、燈光照明散熱負荷、設備散熱負荷以及人員散熱負荷進行整理統計，因此將著重從新風負荷進行統計分析，對于各個小組的設計說明書以及計算書中存在的數據進行統計，在說明書以及計算書中未給出的結果，這類情況在表中以“—”表示。統計結果如表3、表4所示。

夏季各小組新風冷負荷 表3

冬季各小組新風熱負荷 表4

分析表3、表4的各小組新風冷熱負荷統計結果，可以得到以下結論：

①各小組的新風冷熱負荷大小不同。表3中最大新風冷負荷為A6組的1058.3 kW，最小新風冷負荷是A7組的288.3kW，其最大新風冷負荷是最小新風冷負荷的3.7倍，兩組差異顯著。而新風熱負荷最大值（625.1kW，A1組）是最小新風熱負荷（265.8kW，A7組）的2.35倍。

②新風冷熱負荷占總負荷較高。最高A2組夏季新風冷負荷占總冷負荷的比例為50%，最小A7組夏季新風冷負荷比為21.41%。A1、A2、A4組的新風熱負荷占總熱負荷的比例均大于50%，最小A3組冬季新風負荷比為43%。對本項目采取適當措施減少新風負荷，是實現空調系統節能的重要途徑。

3 負荷計算結果差異原因分析

3.1 室內設計參數選取的不同

室內設計計算參數的選取主要包括房間內冬夏季的設計溫度、相對濕度、人員密度、照明功率密度、新風量等參數。由于該建筑房間類型、功能繁多復雜，著重選取一些主要功能房間進行比較分析。表5列出了從A1組到A7組的主要功能房間的室內設計計算參數的取值。以校史館為例，A1、A4、A5、A7小組均取26℃為夏季室內設計溫度，僅A6組取24℃。在冬季時，A4組取18℃作為冬季室內設計溫度，A3小組取24℃，其他各組取20℃；另外，各小組在校史館的人員密度與新風量的選取也相差很大，A5組的新風量為30m3/h人，而A7小組僅有15m3/h人，其他小組取值相近均在20m3/h左右。檔案館為儲存檔案的區域，人員密度較少，因此A3和A6小組均指定檔案館區域為2人，但A7組的人員密度較大，有0.17人/m2，因此必然導致最終計算的負荷結果產生較大的差異。由于是對同一地點同一建筑進行負荷計算，因此各小組所選取的室外設計參數均相同（表中數據均來自各參賽小組的設計說明書以及計算書，設計說明書以及計算書中未查找到的內容均用“——”表示）。

由表3知A1組和A7組均采用了斯維爾軟件進行負荷計算分析，結果卻差異明顯。A1組全年總冷負荷達到2072.2 kW，是A7組的1.54倍，全年總熱負荷A1組是A7組的1.6倍。由于采用同一軟件進行負荷計算，故排除了由于負荷軟件差異所引起的結果不同。因此房間室內參數取值成為了兩組計算負荷差異的關鍵。以展覽館為例，兩組主要區別之處在于冬季室內溫度的設定以及人員密度及最小新風量。根據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB50736-2012），室內溫度設計范圍為18～24℃[1]，A1組取20℃，A7小組則取下限值18℃作為設計參數。據研究表明，冬季室內設計溫度取值每降低1℃，最大單位面積熱負荷會降低7%～10%[2]。A1組與A7組的展覽館室內熱負荷相差39.8kW，超過室內設計溫度相差2℃所產生的影響，故繼續分析是除了室內溫度設計參數的差異外，其他室內參數取值的影響。經過查看A1小組與A7小組的最小新風量的取值分別為20m3/h人和15m3/h人，由此得到新風量的取值大小對空調總負荷的影響很大，新風量每增加5%，總負荷將加大10%～14%左右。綜上，對于人員密度較小、偶爾停留的場所，室內溫度設計參數應當盡量選取滿足人體熱舒適指標的最低值，能夠有效的降低冬季熱負荷，降低空調能耗，最小新風量可以適當的減少，但不應低于《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB50736-2012）規定的最小值。

3.2 負荷計算軟件選取不同

目前全世界計算建筑負荷與能耗的軟件已經超過了100種，如美國的Ener?gyPlus、BLAST、英國的 ESP-r、以及中國的DeST、PKPM、華電源、斯維爾等。天正暖通負荷計算軟件或鴻業負荷計算軟件，因其擁有簡單的工作界面，易于操作，工程設計人員可以快速完成負荷計算，但隨著精細化設計與優化運維的要求，建筑全年空調動態負荷模擬已經不可或缺。為在軟件操作過程中準確的輸入設置參數，使用者應對不同軟件的工作機理有所了解與掌握，如天正暖通負荷計算軟件采用冷負荷系數法，鴻業計算軟件采用諧波反應法，斯維爾BECH則采用圖形輸入的思想，可自動提取AutoCAD工作圖中的圍護結構數據，建立建筑的熱工計算模型，實現可視化計算，而DeST則采用狀態空間法計算不透明圍護傳熱，一次性的求解房間的傳熱特征系數，同時采用多房間聯立求解的方法，計算出各房間的溫度或投入的冷熱量,EnergyPlus則采用熱平衡法，將房間熱平衡分為圍護結構熱平衡和空氣熱平衡兩部分，在求解不透明圍護傳熱時，EnergyPlus則采用 CTF（Conduc?tion Transfer Function)或有限差分法[3]。即使計算方法相同的各軟件，對負荷計算各個環節的處理與簡化程度也有不同，其中DeST和EnergyPlus在計算圍護結構內表面的對流換熱和長波輻射換熱時，DeST采用固定的對流換熱系數，而EnergyPlus中的對流換熱系數則隨時間步長發生變化。其次，DeST和En?ergyPlus中表面對流換熱系數分別采用缺省設置，導致輸入的參數不一致，并且在長波輻射換熱、照射到圍護結構外表面的太陽輻射強度、室內太陽輻射分配、窗戶模型等方面的簡化處理也存在著差異[4]。鴻業負荷計算軟件忽略了不同的建筑形式以及不同圍護結構熱工性能下的長波輻射換熱的差異，對室內長波輻射取定值進行計算。因此對于相同的建筑，在進行全年負荷模擬計算時，負荷計算軟件選取的不同以及人工輸入參數的差異，由此產生的負荷計算差異可能是明顯的。相較于EnergyPlus，其余軟件在國內對工程設計均具有一定的便捷性，而EnergyPlus在學術研究上的應用更易于被國際認可[5]。

4 結論

綜上所述，在對參與CARASHARE大賽的參賽小組的負荷統計結果分析來看，產生負荷計算結果差異的原因是多樣的。

①在對建筑進行負荷計算時，室內設計參數以及人為數據處理的差異是造成建筑負荷結果不同的原因之一，但僅僅是次要原因，室內設計參數的不同會導致負荷計算結果不同，但這樣的原因是可以人為控制的。當嚴格遵循設計規范進行設計時，負荷計算結果的差異不復存在。其次，人為數據處理的問題是人的主觀性問題，可以在計算過程中避免。

②當控制所有設計參數、氣象參數以及空調房間的設計面積均相同時，采用不同的負荷計算軟件對同一個建筑進行分析計算時，由于各軟件的計算方法不同，所產生的結果也不相同，甚至差異性很大。這是對同一地點、同一建筑進行負荷計算產生結果差異的主要原因，是客觀的，也是人為不可更改的。所謂的不同軟件在特定情況下的適應性則指部分軟件擅長建筑負荷的計算，部分軟件則以建筑能耗模擬為長，即不同的模擬軟件分別具有在不同操作條件下的優勢，也分別對環境模擬的狀態表達著不同的方法。

5 建議

正確理解和采用標準規范是對工程進行設計的最基本要求。應精準理解各標準規范中的總則條款，注重其適用范圍，了解各標準規范間的關系及方法，了解不同標準的意義與作用，仔細分析進行負荷計算的建筑類型，根據建筑類型進行相應標準規范的引用。其次，應認識到設計計算參數的取值對于計算建筑物負荷的重要性。標準設計規范中大多給定的是設計參數的取值范圍，對于不同的小組，取上限和取下限或者取中間值所計算出來的結果必然會有差異，但結果仍然是正確的，但每個工程都存在著不同的環境以及不同的約束條件，應根據不同的情況進行分析論證確定取值[10]。

要始終清楚對建筑進行負荷計算的目的，是為了更好的選擇一個盡量小但能夠滿足建筑所需的設備，負荷計算偏小或過大，都是不容許的。因此建議各軟件最好能夠以規范的形式給出各軟件用的計算方法以及使用中明確要求用戶輸入或者允許用戶修改的數據、系數，讓各軟件的計算過程更加透明化。這樣，設計者在用不同的軟件對同一建筑進行負荷計算時，負荷計算結果的差異也將有跡可循。