关于空调工程冷/热负荷计算若干问题的商榷*

杨宏军 许岱玲 詹嘉仪 原梓锋

(1.广东海洋大学,湛江;2.南京佳力图机房环境技术股份有限公司,南京; 3.深圳市天威视讯股份有限公司,深圳)

0 引言

空调工程负荷包括冷/热负荷和湿负荷,负荷计算是空调工程设计的基础。但是标准/规范和专业书籍对于空调工程冷/热负荷计算方面的一些定义或表述存在明显的差异,值得商榷。比如:空调工程负荷计算包括哪几个环节?空调区的冷/热负荷是维持空气参数恒定而从室内去除/向室内供给的热流量,这里的参数仅仅是指空气温度还是指空气温度和湿度?新风冷负荷是否属于空调区负荷?冬季新风热负荷按显热流量计算是否合理?冷热媒输送系统的附加冷负荷属于空调系统的设计冷负荷,还是属于冷热源的设计冷负荷?夏季空调24 h逐时冷负荷计算是设计负荷计算还是动态负荷计算?针对上述问题,本文从规范/标准出发,结合专业书籍、设计手册和专题文献等资料,采用对比分析方法,探讨相对准确合理的答案,为设计者准确把握空调工程冷/热负荷计算的概念和原理提供参考。

1 空调工程设计负荷的计算环节

GB/T 50155—2015《供暖通风与空气调节术语标准》(以下简称《术语标准》)对空调系统的定义为:“空气调节系统(air conditioning system)是以空调为目的而对空气进行处理、输送、分配,并控制其参数的所有设备、管道及附件、仪器仪表的总和,简称空调系统。”[1]69《空调工程》教材中关于空调系统的表述为:“一个典型的空调系统应由空调冷热源、空气处理设备、空调风系统、空调水系统及空调自动控制和调节装置五大部分组成。”[2]7《空气调节》教材中关于空调系统的表述为:“空气调节系统一般均由空气处理设备和空气输送管道以及空气分配装置所组成”[3]114。可以看出,对于空调系统的组成要素,《术语标准》《空调工程》《空气调节》三者的表述存在差异。图1是典型空调工程的示意图,其组成要素包括被控对象(一个或多个建筑空间)、输配系统(空气输配系统和冷热媒输配系统)、空气处理设备和冷热源等。结合图1可以看出,就空调工程负荷计算而言,上述3种资料关于空调系统定义的区别,主要在于其组成要素是否包括冷热源及其输配系统。

图1 典型空调工程的组成要素

GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(以下简称《民规》)第7.2节规定:“空调负荷计算”内容包括空调区的冷/热负荷计算和空调系统的冷/热负荷计算[4]46-51。GB 50019—2015《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》(以下简称《工规》)第8.2.16条规定:“空气调节夏季设计冷负荷”计算包括3个环节,即空调区冷负荷计算、空调系统冷负荷计算和空调冷源冷负荷计算[5]69。《术语标准》中定义:“空调系统冷负荷(air conditioning system cooling load)为空调系统所承担的冷负荷,除空调区域冷负荷外,还包括新风冷负荷、再热冷负荷和各项附加冷负荷。”[1]67《空调工程》教材中把空调系统冷负荷计算划分为4个环节:空调区冷负荷、空调建筑冷负荷、空调系统冷负荷和空调冷源冷负荷。《民用建筑空调设计》中用框图揭示了空调房间的冷负荷(空调区冷负荷)与制冷系统的冷负荷的构成及两者的区别与联系[6]40。《实用供热空调设计手册》把空调计算冷负荷划分为4个环节,即空调区的计算冷负荷、空调建筑的计算冷负荷、空调系统的计算冷负荷和空调冷源的计算冷负荷[7]1560-1561。

以上关于空调工程冷/热负荷计算环节的表述中,有些负荷计算环节的名称相同但计算内容却不同,比如《民规》和《工规》中的空调系统冷负荷;有些负荷计算环节名称不同但计算内容却相同,比如《工规》中的空调冷源冷负荷与《民用建筑空调设计》中的制冷系统冷负荷。

根据图1,结合设备选型的需要,笔者建议把空调工程设计负荷计算划分为以下3个环节,即空调区设计负荷计算、空调系统设计负荷计算和冷热源设计负荷计算。空调区设计负荷是进行系统分析、确定送风量的依据;空调系统设计负荷是选择空气处理设备的依据;冷热源设计负荷是确定冷热源容量的依据。这里的“空调系统”采用《空气调节》教材中的定义[3]114,其组成要素不包括冷热源及其输配系统。

2 空调区冷负荷的定义

1) 标准/规范关于空调区冷负荷的定义。

《术语标准》中定义:“空调区域冷负荷(space cooling load)是指为保持空调区域空气参数恒定而应从空调区除去的热流量。”[1]67空气参数包括温度和湿度,热流量包括显热(sensible heat)流量和潜热(latent heat)流量。保持空气温度恒定,需要除去多余的显热流量。保持空气湿度恒定,需要除去多余的潜热流量。可见《术语标准》中的空调区冷负荷包括显热冷负荷和潜热冷负荷2种类型。《民规》第7.2.2条规定:“空调区的夏季计算得热量,应根据下列各项确定:……8.伴随各种散湿过程产生的潜热量。”[4]46-47《民规》第7.2.3条规定:“空调区的夏季冷负荷,应根据各项得热量的种类、性质以及空调区的蓄热特性,分别进行计算。”[4]47可见《民规》中的空调区冷负荷也包括显热冷负荷和潜热冷负荷2种类型。《工规》第8.2节关于空调区冷负荷计算的条文[5]64-68与《民规》第7.2节的条文基本相同,在此不再赘述。可见,《术语标准》《民规》《工规》三者关于空调区冷负荷的含义是相同的。

2) 专业书籍关于空调区冷负荷的定义。

建筑环境与能源应用工程专业本科生使用最广泛的专业书籍和设计手册中,常见关于冷负荷的表述,鲜有空调区冷负荷的表述。根据对室内空气参数控制的不同,冷负荷的定义主要分为2种。一种表述为:冷负荷是指为了维持室温恒定,某一时刻应从室内除去的热量[2]33,[3]34。另一种表述为:冷负荷是维持室内空气热湿参数在一定要求范围内时,在单位时间内需要从室内除去的热量,包括显热量和潜热量两部分[8]8,[9]70。可见上述专业书籍和设计手册中关于冷负荷的含义并不完全相同。

对比可以看出,专业书籍和设计手册中的冷负荷就是标准/规范中的空调区冷负荷。由于空调工程的冷负荷还包括空调系统冷负荷和空调冷源冷负荷,为了区别,建议专业书籍和设计手册中的“冷负荷”改用“空调区冷负荷”的表述。此外,专业书籍和设计手册中关于冷负荷定义的第一种表述的准确性值得商榷。因为如果冷负荷的作用只是维持室内空气温度恒定,那么只需要除去室内多余的显热流量即可,这就意味着冷负荷与空调区的潜热流量无关。这与《民规》和《工规》规定的冷负荷计算内容不符。

3 空调区热负荷的定义

《空调工程》和《空气调节》中定义:“空调热负荷是指为补偿房间失热在单位时间内需要向房间供应的热量。”[2]33,[3]20《民用建筑空调设计》中定义:“空调热负荷是空调系统在冬季,当室外空气温度在设计温度条件时,为保持室内的设计温度,系统向房间提供的热量。”[6]62《建筑环境学》中定义:“热负荷是维持室内空气热湿参数在一定要求范围内时,在单位时间内需要向室内加入的热量,包括显热负荷和潜热负荷两部分。如果只考虑控制室内温度,则热负荷就只包括显热负荷。”[9]71《术语标准》中定义:“供暖热负荷(heating load)是根据供暖房间耗热量和得热量的平衡计算结果,需要供暖系统供给的热流量。”[1]22《民规》第7.2.13条规定:“空调区的冬季热负荷,宜按本规范第5.2节的规定计算;计算时,室外计算温度应采用冬季空调室外计算温度”[4]51。《民规》第5.2节是关于供暖系统热负荷计算的相关规定[4]15-18。《供热工程》中定义:“供暖系统的设计热负荷是指在设计室外温度下,为达到要求的室内温度,供暖系统在单位时间内向建筑物供给的热量。”[10]

可以看出,《空调工程》《空气调节》《民用建筑空调设计》中定义的“空调热负荷”与《民规》中定义的“空调区的冬季热负荷”计算环节相同,建议统称为“空调区热负荷”。《术语标准》中定义的“供暖热负荷”与《供热工程》中定义的“供暖系统设计热负荷”计算环节也相同,建议统称为“室内供暖热负荷”。而且上述资料中的“空调区热负荷”与“室内供暖热负荷”都是维持室内温度条件,因此只包括显热流量。《建筑环境学》中定义的“热负荷”就是“空调区热负荷”,但是它包括显热负荷和潜热负荷两部分,建议“空调区热负荷”采用此定义。并且需要注意,有源散湿(如人体散湿)形成的潜热负荷为负值,无源散湿(如室内液态水蒸发散湿)形成的潜热负荷为正值。

《暖通空调》中指出:对于全空气系统,当冬季设计工况室内有稳定湿负荷时,室内全热负荷应是显热负荷(正值)与潜热负荷(负值)的代数和[8]146。为了便于后期空调系统分析计算,建议计算空调区冬季热负荷时,宜对显热负荷与潜热负荷分类汇总。如大连某体育馆中的附属游泳馆空调区冬季设计热负荷[11]计算结果为:围护结构传热耗热量612 000 kJ/h(170.0 kW),池水蒸发散湿潜热得热量342 360 kJ/h(95.1 kW)。采用地板辐射系统和散热器系统承担围护结构耗热量形成的热负荷,采用除湿热泵系统承担池水蒸发散湿潜热得热量形成的冷负荷,冬季空调区设计热负荷为-95.1 kW;采用全空气系统,则冬季空调区设计热负荷为170.0 kW-95.1 kW=74.9 kW。

4 新风冷/热负荷

《术语标准》中定义:“新风冷负荷(cooling load from outdoor air)是指空调房间或系统由于引入必要的室外空气而形成的冷负荷。”[1]67《空调工程》中说明:风机盘管加新风系统中的新风,是指经空调设备集中处理达到一定的参数要求,有组织地送入室内承担空调负荷的室外空气[2]193。夏季新风冷负荷可用式(1)计算[2]59,[6]60：

QCW=GW(hWX-hNX)

(1)

式中QCW为新风冷负荷,kW;GW为新风量,kg/s;hWX和hNX分别为夏季室外新风比焓和室内空气比焓,kJ/kg(《空气调节》中对这2个参数的含义说明不同,hWX和hNX分别为夏季室外新风进入系统和排出(空调区)时的比焓[3]119)。

目前国内一些空调负荷计算软件,夏季空调区设计冷负荷计算统计结果分为含新风负荷和不含新风负荷2种情况,笔者认为这种处理方法值得商榷,因为新风冷负荷不属于空调区的负荷。主要理由如下:1) 新风冷负荷大小与新风量有关,而新风量大小与空调系统类型有关,空调区设计冷负荷计算阶段有些空调系统(比如温湿分控空调系统)的新风量还不能确定,此时无法计算新风冷负荷;2) 空调区冷负荷是由于外扰和内扰热源作用形成的,集中处理引入的新风,作为介质承担室内负荷,因此它本身并不属于空调区外扰热源;3) 对于定风量一次回风系统空气处理设备提供的冷量,按其构成性质分析,《暖通空调》中表述它包括室内冷负荷和新风冷负荷[8]146,《空气调节》中表述它包括室内冷负荷、新风冷负荷和再热冷负荷[3]119。可见,新风冷负荷不属于空调区(室内)冷负荷。

需要区别的是,渗透空气(包括从室外或其他空调区渗入计算空调区的空气)属于外扰热源,其形成的冷负荷属于空调区冷负荷[4]47,[5]65,[7]1515。

对于冬季空调新风热负荷,可用式(2)计算[6]60,[8]24：

QRW=GWcp(tWD-tND)

(2)

式中QRW为冬季新风热负荷,kW;cp为空气的比定压热容,1.01 kJ/(kg·℃);tWD和tND分别为冬季室外空气计算温度和室内空气设计温度,℃。

可以看出,式(2)计算的是把室外空气加热到室内温度所需要的热量,只包括新风显热负荷。而冬季空调系统,往往需要对新风进行加热和加湿处理,这种情况用式(2)计算冬季新风热负荷是否合理值得商榷。林艳艳等人的研究结果表明,对于一次回风空调系统,新风无论采用等温加湿还是等焓加湿,空调系统的热负荷都大于室内热负荷与新风显热负荷之和[12]。这说明对于有加湿的空调系统,仅考虑新风显热负荷会导致计算结果偏小。笔者建议冬季新风负荷宜按全热计算。但是需要注意,冬季新风如果采用蒸汽加湿方式,而且新风加热和加湿热源分别单独设置,这种情况宜分别计算新风加热和加湿所需热量。

5 空调系统设计冷负荷

关于空调系统设计冷负荷的计算,《民规》第7.2.11条第3款规定:“应计入新风冷负荷、再热负荷以及各项有关的附加冷负荷。”第7.2.12条规定:“空调系统的夏季附加冷负荷,宜按下列各项确定:1) 通过风机、风管温升引起的附加冷负荷;2) 冷水通过水泵、管道、水箱温升引起的附加冷负荷。”[4]51《工规》第8.2.16条第2款规定:“空气调节系统冷负荷计算应符合下列规定:……3) 应计入风机温升、风管温升、再热量等附加冷负荷。”[5]69《工规》第8.2.16条的条文说明指出:“空调冷源附加冷负荷,包括冷水通过水泵、水管、水箱的温升引起的冷负荷。”[5]430

对于“冷水通过水泵、管道、水箱温升引起的附加冷负荷”,《民规》中规定它属于空调系统的附加冷负荷,《工规》中规定它属于冷源的附加冷负荷。这2种表面看起来似乎矛盾的规定,是由于2种规范对空调系统组成要素定义不同所导致的。结合图1,《民规》中空调系统组成要素包括冷源及其冷媒输配系统,而《工规》中空调系统组成要素却不包括它们。《民规》中空调系统冷负荷计算的目的是确定冷源容量,《工规》中空调系统冷负荷计算的目的是确定空气处理设备的冷量。笔者建议空调系统设计冷负荷计算采用《工规》的规定,不计入“冷水通过水泵、管道、水箱温升引起的附加冷负荷”。而且宜根据所服务的空调建筑中各分区的同时使用情况、空调系统类型及控制方式等,经过焓湿图分析和计算确定[2]50。

6 设计负荷计算与动态负荷计算的区别

从总的概念上通常把空调负荷分为2类:一类是供设计用的空调负荷,另一类是用于模拟建筑全年能耗的空调负荷[13],也分别称为设计负荷与动态负荷。

设计负荷计算是计算建筑空调系统在设计工况下的负荷或设计日的峰值负荷,用于确定空调系统的形式、设备容量、空调机房面积、系统参数、控制方案等[13-14]。空调区的夏季设计冷负荷以标准设计日室外气象参数为条件,按非稳态传热或稳态传热方法计算空调区的各项得热量形成的24 h逐时冷负荷,并按各项逐时冷负荷的综合最大值确定。空调系统设计负荷按所负担区域的综合最大计算负荷确定,集中冷热源的设计负荷应按整个系统实际可出现的最大负荷确定,并考虑各系统各部分形成负荷的时间差,在计算负荷的基础上乘以同时使用系数[14]。设计日24 h逐时冷负荷计算就是动态负荷计算,这种观点是不正确的。

动态负荷计算也称长期负荷计算,是计算建筑系统在一段时间内(通常是全年)的负荷分布情况,又称为建筑能耗模拟,主要用于建筑能耗评估、围护结构热工特性分析、系统方案比较和优化、空调自动化运行方案制定、建筑节能措施评价等[13]。如:赵亚楠等人运用DeST模拟建筑全年动态负荷,研究了建筑物朝向、体形系数及窗墙面积比对建筑全年总能耗的影响[15]。杨佳等人利用HDY-SMADv3.5进行了全年8 760 h的负荷计算,根据全年动态负荷分析结果,合理选择冷热源机组类型,并制定相应的运行策略,使得冷热源机组能长时间工作在高效区,保证了冷热源方案选择的合理性、高效性和节能性[16]。汪训昌等人利用DOE-2程序对某大厦的全年逐时空调冷、热负荷进行了模拟计算,以选择合理的空调方案,确定最经济的空调方式与系统,达到全年最省能的运行目的;根据全楼的逐时冷、热负荷数据,准确统计出全年的冷负荷与热负荷分布的累计时间规律,制订出全楼全年冷热源设备优化控制的策略[17]。

7 结束语

本文探讨了空调工程冷/热负荷计算相关的若干问题,根据其产生原因可分为2类:一类是由于各种资料对相关概念定义不统一所导致的,这类问题的解决应以专业相关的最新标准/规范的表述为准,因为其在专业领域具有法定地位;另一类是由于空调工程负荷计算相关内容和术语在演变过程中,各时期的表述差异所导致的,需要相关专业书籍和设计手册再版时,能及时更新相关内容,采用最新的定义和表述。对于学者来说,需要多关注专业发展动态,多种资料相结合,批判性分析,才能尽可能得到准确合理的结论。