夏熱冬冷地區辦公建筑多聯機空調系統冷負荷計算方法探討*

徐 爽 周 翔 張 旭 張靜思 高克文 楊 毅

(1.同濟大學,上海;2.美的集團中央研究院,上海;3.浙江大學建筑設計研究院有限公司,杭州)

0 引言

多聯機由于其優越的制冷制熱性能、安裝方便、不需要專設冷熱源機房等優點,越來越受到各種用戶的青睞,尤其是夏熱冬冷地區特別適用。近年來,多聯機系統的市場占有率已超過50%[1]。隨著多聯機行業的迅猛發展,許多相應的問題也凸顯出來,尤其是多聯機設備選型與空調負荷不匹配的問題。

設計選型時往往采用單位面積負荷指標的估算法進行設備選型,容易造成設備選型偏大,導致初投資和運行成本過高,也不利于低碳環保。若直接按照計算負荷進行選型,又存在降溫時間過長的弊端。因此,合理放大空調負荷、選擇合適的室內外機,有著重要的實際意義。

本文結合模擬算例,探討不同運行工況下多聯機系統空調負荷的差異,并闡述負荷對選型造成的影響,最后針對多聯機設備選型問題提出一些合理建議。

1 現有多聯機選型負荷計算方法

目前針對空調負荷的確定主要存在2類方法:計算法和估算法。計算法主要指諧波反應法、冷負荷系數法、Z傳遞函數法等,在GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[2]和《實用供熱空調設計手冊》[3]中都有詳細的計算步驟介紹。估算法主要是根據建筑類型和房間用途給出單位面積空調負荷指標推薦值進行大致估算,僅供工程初步設計階段使用。估算法中使用的常見辦公建筑冷負荷指標的推薦值見表1。需要指出的是,GB 50736—2012明確指出,計算熱負荷和逐時冷負荷是選型設計的基本依據[2]。

表1 辦公建筑冷負荷指標推薦值

由于多聯機可以單獨調控不同房間的溫濕度,每個室內機可單獨運行,因此用戶在離開房間時往往會關閉房間空調,末端存在間歇運行的特點。這使得墻體、家具等部件在空調停機時蓄熱,從而產生附加負荷。這些附加負荷的大小可以用負荷放大系數來表示,定義如下:

(1)

式中αi為空調間歇運行i時刻的負荷放大系數;qi為空調間歇運行i時刻的負荷,kW;qci為空調連續運行i時刻的負荷,kW。

在團體標準T/CECA 20016—2022《多聯機空調系統設計應用技術規程》(以下簡稱《多聯機標準》)中給出了冷熱負荷鄰室傳熱的修正方法,并建議選型時負荷放大為基準負荷的1.2～2.0倍[8]。查閱其他相關文獻及標準,將負荷放大情況匯總于表2。

表2 負荷放大情況文獻匯總

根據《多聯機標準》中給出的鄰室空調不運行時的傳熱修正方法,內圍護結構溫差傳熱產生的冷負荷可按下式計算:

Qc=K1A1(t0+Δta-tn)

(2)

式中Qc為內圍護結構溫差傳熱產生的冷負荷,W;K1為內圍護結構的傳熱系數,W/(m2·℃),取2.325 W/(m2·℃);A1為內圍護結構的面積,m2;t0為夏季空調室外計算日平均溫度,℃;Δta為附加溫升,℃,根據《多聯機標準》中鄰室散熱量<23 W/m2,取3 ℃;tn為供冷工況室內設計溫度,℃,取26 ℃。

按《多聯機標準》給出的修正方法,在辦公建筑標準層4個方向上各選取1個房間進行計算,相應的圍護結構參數根據2.1節中的設置選取。對基于GB 50736—2012標準方法計算得到的基準負荷進行修正,得到相應的間歇負荷及負荷放大系數,如表3所示,負荷放大系數在1.3～1.4范圍內。

表3 冷負荷修正結果

已有文獻中對負荷放大系數的取值存在一定的差異,本研究擬通過負荷動態模擬的方法,研究不同運行模式下對應的負荷放大系數。

2 多聯機運行模式對負荷的影響

辦公建筑多聯機空調的使用是典型的間歇運行模式,早晨開啟、夜間關閉。建筑內辦公室多且雜,人員往來頻繁,經常會存在同一系統房間內的空調不同時開啟的情況。這些不同的多聯機運行模式會導致空調負荷有較大差異,因此需要探討負荷放大系數的合理選取。

以上海地區某辦公建筑為計算對象,根據不同的運行工況,使用DeST軟件對其全年負荷進行計算。根據計算結果分析負荷有關的影響因素,以及對室內機和室外機選型的影響。由于該建筑位于夏熱冬冷地區,對多聯機的選型以冷負荷為基準,因此在后續計算討論中,圍繞冷負荷展開。

2.1 建筑概況

計算建筑為多層辦公建筑,體形系數為0.18,層高4.5 m,單層建筑面積為1 534 m2,窗墻面積比為0.6。主要功能房間均為辦公室,標準層房間布局如圖1所示,在4個方向上各選取1個房間供后續計算討論。夏季室內計算溫度為26 ℃,相對濕度為60%,新風量為30 m3/(人·h),人員密度為8 m2/人,照明負荷為18 W/m2,設備負荷為13 W/m2。

圖1 標準層布局示意圖

圍護結構參數設置如表4所示,均滿足GB 50189—2015《公共建筑節能設計標準》的要求。

表4 圍護結構參數設置

建筑的空調運行模式對負荷有著極大的影響,尤其是峰值負荷。辦公建筑作為典型的間歇使用建筑類型,采用白天使用、夜間休息的空調運行模式。因此,本文對不同的運行模式進行負荷探討,結合實際情況定義4種運行工況,如表5所示。

表5 模擬選取的4種空調運行工況

2)工況Ⅳ中除計算房間外,周邊房間空調運行時間為07:00—20:00。

2.2 計算結果

按照表5中4種工況,計算5種典型運行模式下北向房間的冷負荷,結果如圖2所示,其中間歇運行(工況Ⅱ)、鄰室非空調(工況Ⅲ)和長時間停機(工況Ⅳ)模式為了便于對比都采用07:00開機工況。

圖2 典型運行模式下北向房間冷負荷

工況I連續運行模式隨著日間人員的增加、設備的運行,負荷逐漸變大,同時受到太陽得熱的影響,在傍晚時段達到負荷峰值。夜間時人員離開,大部分設備關閉,室外溫度降低,負荷逐漸減小。工況II的間歇運行模式由于停機時室內積蓄的熱量較多,為了在規定時間(1 h)內達到設定溫度,啟動負荷較大,超過連續運行模式負荷峰值。工況Ⅱ的間歇最不利模式下,由于運行時間過短,啟動時間也較遲,啟動負荷遠超其余模式。說明空調運行時間越短,啟動負荷越大。

普通辦公建筑一般采用日間開啟、夜間關閉的空調運行模式,一般會在06:00—07:00開啟空調,與圖2中間歇運行模式類似。該模式下的負荷放大系數在1.3左右,與《多聯機標準》中推薦的下限值1.2較為接近。

鄰室非空調模式下,計算房間存在向非空調房間傳熱,即鄰室傳熱現象,冷負荷結果相比普通間歇運行模式更大。長時間空調停機導致房間外的熱量進入室內,室內蓄熱量增加使得房間溫度上升。而空調開機后又要在規定時間內降溫,所以導致啟動負荷極大,普遍比其余3種模式冷負荷更大。這說明房間蓄熱量是影響負荷大小的重要因素。

3 房間負荷特性與室內機選型分析

室內機的選型由房間冷負荷決定,需要考慮單獨房間的空調啟停運行對負荷的影響。圖3顯示了4個朝向的房間在不同工況下的冷負荷計算最大值和相應的負荷放大系數。工況Ⅱ由于子工況過多(231種子工況),在圖中只列舉出最大和最小值(Min,Max)。工況Ⅲ和Ⅳ的編號對應表5中的編號,表示不同的啟停時間。

圖3 不同朝向4種工況房間冷負荷和負荷放大系數

工況Ⅰ空調連續運行,計算得到的房間冷負荷最小,作為后續對比的基準負荷。工況Ⅱ采用間歇啟停的空調模式,運行時間有長有短,所以較為離散地分布在各工況中。其中,運行時間越短,計算得到的冷負荷越大。工況Ⅲ的鄰室空調不開,相當于增加了向室外的傳熱量,因此隨著開機時間的推遲,負荷逐漸變大。而工況Ⅳ在開機前經歷了長時間的停機,室內熱量不斷積攢,是最為不利的情形,負荷極大。在原本房間蓄熱的基礎上,還受到太陽得熱影響,越靠近中午時段開機,負荷越大。

在連續運行工況下,南、北向房間冷負荷最小,在100 W/m2左右,東向房間在120 W/m2左右,而西向房間冷負荷最大,達到150 W/m2。這是由于西向日射得熱出現在下午,和室外空氣傳熱疊加,導致負荷峰值較大。在間歇運行工況下,南、北向房間負荷較小,東、西向房間負荷較大,而且東向房間由于基準負荷較低,因此冷負荷放大系數很大,許多工況超過了2.0。同時,東北、東南、西北、西南向房間的負荷放大系數與相鄰的東、西、南、北向房間的分布相似。其中東北向房間的負荷放大系數較大,接近2.0。并且由于這些房間與室外接觸的墻體更多,基礎負荷相比中間房間更大。

考慮到實際房間的使用情況,將工況Ⅲ的子工況6(計算房間空調12:00開機、20:00關機,周邊房間不開空調)納入普通辦公建筑房間應滿足的情況范圍內。因為考慮到實際建筑中會存在部分較為獨立的房間,周邊是儲藏室或工具室,存在中午人員才來上班的可能性。而工況Ⅳ長時間停機的情況在辦公建筑中較為少見,暫不考慮。其主要可能出現在部分小辦公室,因人員多日缺席,墻體、家具蓄熱量較大,導致空調啟動負荷偏大。

根據本研究多種工況模擬的結果,對于使用情況較為規律的房間(固定時間開啟、關閉,空調運行時間較長),室內機選型使用的負荷放大系數可選擇1.2～1.6;對于空調使用頻率較少、不規律或運行時間較短的房間,如休息室可取2.0左右,會議室由于人員密度大導致基準負荷較大,可取1.6左右;東向和東北向房間建議在其他朝向基礎上適度加大負荷放大系數。

4 系統負荷特性與室外機選型分析

室外機的選型由系統負荷決定,系統負荷為各空調房間逐時冷熱負荷累積的綜合最大值。本次計算中,考慮到建筑體量不大,選取標準層中外圈所有辦公房間作為一個系統。在部分房間空調間歇運行的工況Ⅲ和Ⅳ中,雖然房間的負荷增大,但由于存在空調未開啟的房間,系統負荷并不高;最不利工況存在于系統內所有空調在某一時刻全部開啟的間歇運行工況,因此此處主要對工況Ⅰ和Ⅱ的結果進行討論,即所有房間均連續運行或間歇運行。

圖4顯示了標準層不同開機-停機工況組合的系統冷負荷計算結果,每一個方塊代表對應的開機-停機工況計算結果。可以發現:系統冷負荷計算值在100～250 W/m2之間;從左到右顏色加深,顏色最深的部分集中在對角線上。表明開機時間越晚、運行時間越短,計算得到的冷負荷越大。因為運行時間越短,建筑圍護結構的蓄熱量越大,導致啟動負荷越大;開機時間越晚,由于透過圍護結構的得熱延遲,因此負荷越大。

圖4 標準層不同開機-停機工況系統冷負荷計算結果

對于普通辦公建筑而言,空調白天開啟、夜間關閉,運行時間長且規律。參照圖4中虛線框給出的空調運行工況范圍,用于室外機選型的負荷放大系數在1.2～1.6范圍內。對于部分有特殊功能和需求的建筑或樓層,如會展類建筑,具有空調開啟時間不固定、運行時間短的特點,需要結合實際情況考慮。以全會議室樓層為例,計算得到的負荷放大系數為1.7～2.4,超出了《多聯機標準》所給的范圍。極端情況時(如空調運行時間過短,只開啟3～4 h,且開機時間較遲),負荷放大系數會超過《多聯機標準》推薦范圍上限值2.0,甚至達到2.2～2.5。圖4可針對不同運行時間工況給出對應的推薦負荷放大系數。

5 結論

在多聯機空調系統設計中通常使用的單位面積負荷指標估算法往往會造成選型容量過大,《多聯機標準》給出了2種建議的負荷計算方法,可以使用鄰室傳熱修正公式計算,或直接按1.2～2.0的負荷放大系數計算。本文以上海某辦公建筑為例,通過動態負荷計算,分析多聯機運行模式對負荷的影響,得到如下結論:

1) 參照《多聯機標準》提出的鄰室傳熱修正公式,計算得到的修正冷負荷在100～150 W/m2之間,負荷放大系數在1.3～1.4左右。目前相關標準和規范的推薦負荷指標差異較大,該修正結果與部分指標吻合較好。

2) 間歇運行導致負荷特性差異巨大,即使是相同的空調開停機工況,不同的周邊條件也會存在巨大差異。空調間歇運行時間、鄰室傳熱及房間蓄熱量對房間負荷影響很大,尤其是蓄熱量。

3) 室內機選型時需要考慮不同房間單獨運行的情況,存在著鄰室傳熱問題,因此在選型時需要合理放大,保障在規定時間內將室溫控制到規定溫度。對于使用規律的辦公房間,除了東向和東北向房間(1.6～2.0),可以選擇負荷放大系數為1.2～1.6;而部分單獨房間,空調啟停不規律,推薦負荷放大系數為2.0及以上。

4) 室外機選型時考慮系統內室內機全部運行的情況。對于使用規律的辦公建筑,負荷放大系數在1.2～1.6范圍內;對于使用時間不固定、頻率少或空調運行時間較短的房間,負荷放大系數在1.7～2.4左右。個別極端工況則需要具體分析,圖4為辦公建筑不同運行工況下的室外機選型提供了可供參考的負荷放大系數。