高层办公建筑空调设计冷负荷与全年耗冷量模拟分析.docx
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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/（m2•a），114.5kWh/（m2•a），134.0kWh/（m2•a）。
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-2[2]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
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/（m2·K）
300mm厚页岩陶粒空心砌块，K=1.03W/（m2·K）
北京
300mm厚页岩陶粒空心砌块，K=1.03W/（m2·K）
200mm厚加气混凝土，K=1.36W/（m2·K）
上海
200mm厚KM非承重空心砖，孔隙率>25%，K=1.67W/（m2·K）
240mm厚KP承重多孔砖，孔隙率<25%,K=1.91W/（m2·K）
窗类型
哈尔滨北京
5F+12A+5L,K=1.96W/（m2·K）,Cs=0.62
5F+12A+5F,K=3.09W/（m2·K）,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（m3/p·h）
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:
00~18:
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/·m2·a）
（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
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
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
87/90
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
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/·m2·a）
（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
106/112
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
191/187
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
1512/1286
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
198.0/209.1
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/·m2·a）
（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
2610/1764
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
164.8/173.0
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
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