沈阳某办公建筑空调负荷计算分析

齐先博 张锐

山东石油化工学院 山东 东营 257061

1.建筑概况

本工程位于沈阳市，是一综合办公楼。该办公楼总建筑面积为 28616.2m2，其中地上建筑面积为 20582.62 m2，地下建筑面积为 8033.58 m2。本工程地下一层，地上九层，裙房二层。地下一层层高为 5.7m，首层层高为5.7m，二至九层层高均为4.5m；建筑高度48.15m。建筑类型为高层建筑，建筑耐火等级为一级，设计使用年限为 50 年，结构类型为框架。

建筑功能分布：地下一层主要功能为设备用房和车库，包括制冷机房、变电站、水泵房等；首层主要功能为食堂、档案室、荣誉室、办公室、休息室等；二层主要功能为羽毛球馆、健身房、大会议室、阅读室等；三层至九层主要功能为办公室、会议室等。

2.基本参数确定

2.1 建筑围护结构热工参数

沈阳市位于严寒C区，根据《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）实施细则中3.3.1条中严寒C区甲类公共建筑围护结构热工性能限值确定建筑围护结构的类型。

根据图纸提供的相关数据计算得办公楼建筑的外表面积为16403.89m2，总体积为115552.172m3，从而得出体形系数为0.14；北外墙窗墙比为0.28，南外墙窗墙比为0.307，西外墙窗墙比为0.326，东外墙窗墙比为0.33。围护结构的选取优先考虑《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）附录H中给出的13个墙体和8个屋面，其他围护结构从《实用供热空调设计手册》中选取。主要围护结构类型如表1、表2。

表1 建筑围护结构类型及热工参数

表2 窗户类型及热工参数

2.2 室外设计参数

由《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012），查得沈阳市室外气象参数如表3所示。

表3 沈阳市室外空气计算参数

2.3 室内设计参数

室内设计参数主要包括冬夏季室内设计温湿度、新风量、人员密度、灯光 密度、设备密度等。主要依据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736-2012）中规定，对于规范中未明确给出详细设计参数的房间类型，依据《全国民用建筑工程设计技术措施—暖通空调·动力（2009）》和《实用供热空调设计手册》选取。选取结果见表4、表5。

表4 沈阳办公建筑各功能分区室内设计参数

表5 建筑各功能分区人员、照明、设备密度及新风量

3.负荷计算

3.1 手工计算负荷

空调冷负荷采用冷负荷系数法计算，空调热负荷采用稳态计算方法，计算结果如表6所示，其中冷热负荷指标是按空调面积计算。

表6 手算法建筑负荷计算结果表

3.2 DeST软件计算负荷

3.2.1 模型建立

在DeST中建立建筑模型，如图1所示。

图1 沈阳综合办公建筑模型图

3.2.2 参数设置

利用建筑能耗模拟软件DeST-C中的工具修改外墙、屋顶、窗户的热工特性。针对不同的建筑构件打开内墙、外墙、屋顶、屋面、楼板及窗户库管理界面，查询并添加所需要的构件类别，设置热工特性与表1、表2（依据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）及《实用供热空调设计手册》）中的围护结构热工特性保持一致，添加完毕工件类别审核无误后完成修改。点击显示属性命令然后框选模型，在右上角选择窗，然后将楼层所有窗户显示出来，点击窗户类型，输入窗户的传热系数和遮阳系数（来自建筑节能计算书）。在属性里，将外墙和房间中的屋顶选择出来，在屋顶及左、右表面里设置太阳辐射吸收系数，同时可以对房间功能进行定义，在房间类型定义里依据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》、（GB 50736-2012）《全国民用建筑工程设计技术措施—暖通空调·动力（2009）》及《实用供热空调设计手册》选取的表4、表5中的数据进行人员、灯光、设备的作息时间，及功率值、新风量等条件参数的设置。最后打开“属性”命令，选择平面图中指北针形式的图形，修改指北针并选择沈阳市气象参数，所有设置完成后进行建筑计算预处理并保存。

3.2.3 计算结果

表7 DeST软件建筑全年冷热负荷量参数

3.3 负荷计算比较

手工计算的负荷和DeST软件计算的负荷结果进行比较，如表8所示。由于计算范围的不同，两者的空调面积不同，所以只比较以空调面积为基准的冷热负荷指标。

表8 两种方法计算的建筑负荷对比

4.负荷计算结果分析

4.1 全年动态负荷分析

从图2中可以看出自1月至5月底建筑的单位面积空调热负荷呈逐渐下降趋势，并在1月14日达到顶峰大约是68W/m2，从9月中下旬开始再次出现热负荷需求，到11月之前，建筑所需热负荷总体处于较低的水平，这一时间段内的最高值出现在10月29日约为21W/m2，此后热负荷呈现逐步上升的趋势，在12月底达到下半年最高的水平，最大热负荷与上半年的峰值68W/m2相当。

图2 建筑全年空调负荷变化图

建筑所需的冷负荷从6月开始发生显著变化，从6月初到9月中下旬，处在一个波动且不稳定的变化期，分别在6月下旬，8月上旬下旬和9月初的个别日期有一个短时间内的低峰值，但是总体还是保持了先上升后下降的趋势，其中整个冷负荷的最高点出现在8月3日左右，约为67W/m2左右，7-8月是冷负荷需量高峰期整体日均值在可维持在15W/m2以上，值得注意的是由于该建筑的一些内区空调房间没有外围护结构向室外散热，而只有内部人员活动、照明和设备等向室内散热导致其余时间包括冬季在内仍然存在极少量的冷负荷需量，整体来看处于较低水平并在9月中下旬之后保持在3W/m2以下的负荷量。

如图3所示，建筑全年逐时平均湿负荷在1月到6月中旬这一时段逐渐下降，最大点在2月15日19时约为19g/（h.m2），同样的在整个9月至12月份之间湿负荷的变化范围与1至6月相同且从图中可以看出从初始的较低日湿负荷量逐步增加到与第一季度负荷量最高值相当的水平，其余日期的24小时内的湿负荷变化不显著，最大湿负荷接近于0，主要表现在7、8月份。

图3 建筑全年湿负荷变化图

4.2 负荷分布特性分析

从表9和图2可以看出该建筑的全年总供冷时数约为2160h依据规范最大供冷负荷指标，其中全年中的3、4、5、9、10、11月份属于过渡月份，其供冷时数与额定指标的差值占比低于40%，总计1152h，月平均供冷为192h，至于6、7、8月份空调季平均供冷336h。在最大冷负荷规范依据下冷源设计量比较富裕，供冷时数百分比超过75%的仅占总指标的3%，大部分（超过64%)的冷源能耗效率维持在25%到75%之间。

表9 制冷季部分负荷分布情况表

如表10所示，该建筑总供暖时数约6480h，总供暖时数中约77%可以达到规范最大供热负荷指标的25%以上，其中在负荷量需求较大的月份中（比如11、12月）有31%的供暖时数（2040h)在＞75%的情况下接近最大负荷运行，另有其余23%的时间处于较低的负荷供给需求指标内。

表10 制热季部分负荷分布情况表

4.3 设计日负荷变化特性

（1）设计日负荷变化趋势

图4展示了所选取的非过渡月某典型冬季时日的热负荷变化趋势，可以看到最高的热负荷值出现在8h约为2122.06kW，6h到8h热负荷不断上升继而下降进入一个负荷值在950到1300kW之间波动的一个稳定时间段，全天约10个小时维持在较小波动且有较高负荷需求的时间段，在此之后负荷数值发生陡降最低可达到日最大负荷的6%以下。

图4 冬季某日热负荷变化图

图5 夏季某日冷负荷变化图（软件算法）

夏季日冷负荷的变化相比冬季热负荷更加的曲折，更具复杂性，从图像中发现在一天内早期的几小时之内建筑冷负荷值属于较低水平，然而从8h至21h这一时间区间内两次出现接近最大日负荷约2000kW左右，中间12h和20h都分别爆发一个小的冷负荷峰值，也都达到最大日负荷的70%以上，在21h之间冷负荷数值变化但是不会低于最大日负荷的50%，而21h以后负荷量快速下降，这一变化在21-22、22-24之间尤为明显，在23时后会达到一天内冷负荷的最小值。

（2）最大时刻负荷构成

图6为最大时刻冷负荷的构成图，可见，新风冷负荷占比最大，为44%，依次为人体冷负荷、设备冷负荷、围护结构冷负荷、照明冷负荷。新风冷负荷占比最大，主要是因为办公建筑的服务对象主要是人员，人员所需的新风量较大导致新风量较大。而围护结构冷负荷占比不大是因为围护结构是按照公共建筑节能标准选取的节能材料，传热系数较小，传热量也较小。

图6 建筑最大时刻冷负荷构成图

5.总结

（1）手算负荷和DeST软件计算负荷，发现冷热误差分别为11.91%和7.23%，均小于15%，认为误差在接受范围内，互相验证了其准确性。由于计算方法不同，DeST内部围护结构可选库的局限性和房间划分的误差等多方面因素从而导致两种计算方法的计算结果有一定的出入，但总体上，二者还是相符的。DeST软件模拟的结果是可以接受的。

（2）对DeST软件计算得到的全年动态负荷进行了分析，并分析了冷热负荷的部分负荷特性，对冷热源的选型有一定的指导作用。