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浅析暖通空调设计中常见空调负荷计算问题—以CAR-ASHARE学生设计大赛为例

  • 作者:
  • 中国暖通空调网
  • 发布时间:
  • 2021-08-13

合肥工业大学  丁  宇  祝  健

       【摘  要】本文主要以参加第12届CAR-ASHARE学生设计竞赛中的7个小组参赛作品为案例,通过比较分析各小组对同一建筑进行负荷计算所产生的结果以及产生结果的差异的原因,来探究对于同一地点同一建筑使用不同的负荷分析软件所得出的结果的差异,从而得出室内设计参数的差异为次要原因而计算软件的差异性才是造成负荷计算结果差异的主要原因。此外,也可以帮助学生正确的认识到规范设计参数的重要性,提高学生对建筑物进行负荷计算的能力以及对计算结果的分析能力。

       【关键词】学生设计竞赛;室内设计参数;负荷计算软件;差异性

Abstract: This article mainly to participate in the 12th CAR - ASHARE student design competition of seven group entries as a case, through the comparative analysis of the group of the same building load calculation results and the reasons of the differences in results, to explore for the same location the same construction with different load differences in the results of the analysis software, thus draws the interior design parameters difference calculation software for secondary reason and difference is the main reason for the differences in load calculation results.In addition, it can also help students correctly understand the importance of normative design parameters, improve students' ability to carry out load calculation of buildings and the ability to analyze the calculation results.
Keywords:student design competition; Interior design parameters;load calculation software;otherness

1 引言

       由中国制冷学会、美国ASHARE(供热、通风空调学会)、住房和城乡建设部高等学校建筑环境与设备工程专业指导委员会共同主办的“CAR-ASHARE学生设计竞赛”,是本专业一最重要的且最具权威的全国性学科竞赛。自2009年至今(2020年),大赛已经举办十二届。竞赛要求参与竞赛的队伍根据组委会发布的题目在有限的时间内按规定的标准提交参赛作品。作为一名大赛的参与者,在比赛结束后,就该大赛的各参赛组的设计成果进行分析,统计发现,各小组的负荷计算结果差异明显。本文主要就各参赛小组的参赛作品结果进行统计分析,来探究负荷计算产生差异的原因。

2 工程概况与相关计算参数

       (1)工程概论

       本次大赛设计的建筑位于西南大学校园,建筑北面为西南大学大礼堂,东面及南面为学校运动场,西面为自然山体,地势西高东低,高差近13米,呈山地地形。建筑结构类型为框架6层,其中地下1层,地上5层,建筑高度23.4m,总建筑面积为28894m2,建筑占地面积6452.8m2,由校史馆、美术馆、档案馆、自然馆、文物馆、植物馆等专业储藏和展览空间等相关设施组成,相关的建筑基本信息见表1。

表1 建筑基本信息

       (2)设计条件

       空调设计的围护结构热工性能参数如表2所示。

表2 围护结构热工性能参数表

       其中,外窗(包括玻璃幕墙)东南西北四个方向传热系数限值均≤0.3,设计值均取2.60;遮阳系数东方向限值为0.5,南方向和西方向为0.4,北方向稍低为0.39.。

3 负荷计算结果分析

       (1)各小组的计算结果

       本次主要对参与大赛的其中七个小组进行负荷统计及分析,小组编号分别为A1~A7,共七组。表3为各个小组的空调负荷计算结果。我们将各小组的负荷计算结果值统计成柱状图的形式,进行各小组冷热负荷计算值的对比,如图一所示。(注:一些小组在设计说明书中未完整给出各分项负荷的计算结果,在计算书以及附录中也未给出分项负荷的计算过程,因此用“—”表示)。

表3  各小组的负荷计算结果


图1 各小组计算的冷热负荷对比

       由表3和图一可以看出,七个小组的总冷热负荷计算结果均不相同,并且部分小组之间结果存在着明显差异。全年最大冷负荷为2994.14KW,由A2组采用DeST软件计算得出,最小冷负荷是A7组用天正暖通计算得出的1292.87KW,其最大冷负荷是最小冷负荷的2.315倍;而最大热负荷是由A5组采用EnergyPlus模拟得出的1518.80KW,是最小热负荷521.58KW(A2组DeST模拟得出)的2.91倍。此外,表中发现对同一建筑采用同种软件进行模拟所产生的结果也具有很大的差异,像A2,A3和A7都通过采用DeST对该建筑进行模拟,但模拟出的最大冷负荷分别为2994.14KW,1983.59KW以及1307.26KW,结果存在着显著的差异。另外均采用鸿业计算负荷的A2,A3,A4,A5计算得出的最大冷负荷偏差却不是很大,但A4小组计算得出的最大热负荷与其余三组相差明显。从表中也可以明显的看出七个小组所计算得出的冷负荷均明显大于冬季热负荷。

       (2)各小组分项负荷的计算结果

       总的计算负荷主要是由各分项计算负荷构成,因此总计算负荷不同必然是由于各分项计算负荷不同导致。下面对各个小组的分项冷热负荷进行汇总分析。分项冷热负荷主要是由围护结构负荷,灯光照明散热负荷,设备散热负荷,人员散热负荷以及新风负荷组成,由于各个小组设计说明书以及计算书中大部分未对围护结构负荷,灯光照明散热负荷,设备散热负荷以及人员散热负荷进行整理统计,因此将着重从新风负荷进行统计分析,对于各个小组的设计说明书以及计算书(附录)中存在的数据进行的统计,对于在说明书以及计算书中未给出的结果,这类情况我们在表中以“—”表示。统计结果如表4,表5所示。

表4 各小组新风冷负荷

表5 各小组新风热负荷


图2 新风负荷占总负荷的比例

        分析表4、表5的各小组新风冷热负荷统计结果,可以得到以下结论:

       (1)各小组的新风冷热负荷大小不同。表4中最大新风冷负荷为A6组的1058.3Kw,最小新风冷负荷是A7组的288.285Kw,其最大新风冷负荷是最小新风冷负荷的3.67倍,两组差异显著。而新风热负荷最大值(625.07Kw,A1组)是最小新风热负荷(265.773Kw,A7组)的2.35倍。

       (2)新风冷热负荷占总负荷的比例如图二所示,由图二可以看出A1,A2,A4组的新风热负荷占总热负荷的比例均大于50%,成为了冬季空调热负荷的主要构成;而A7组的夏季新风冷负荷所占总冷负荷的比例只为21.41%,表明该组中除新风冷负荷外,其余各分项负荷在夏季冷负荷中占有很大的比重;而A2组夏季新风冷负荷占总冷负荷的比例为49.95%,近50%,成为了夏季总冷负荷的重要组成部分,该比例是A7组夏季新风冷负荷比例的2.3倍。

4 负荷计算结果差异原因分析

        (1)室内设计参数选取的不同

       室内设计计算参数的选取主要包括房间内冬夏季的设计温度,设计相对湿度,人员密度,照明功率密度,新风量等一系列参数,由于该建筑房间类型,功能繁多复杂,着重选取一些主要功能房间进行比较分析。表6列出了从A1组到A7组的主要功能房间的室内设计计算参数的取值。以校史馆为例,A1,A4,A5,A7小组均取26℃为夏季室内设计温度,仅A6组取24℃。在冬季时,A4组取18℃作为冬季室内设计温度, A3小组取24℃,其他各组取20℃;另外,各小组在校史馆的人员密度与新风量的选取也相差很大,A5组的新风量为30m3/h人,而A7小组仅有15m3/h人,其他小组取值相近均在20m3/h左右。档案馆为储存档案的区域,人员密度较少,因此A3和A6小组均指定档案馆区域为2人,但A7组的人员密度较大,有0.17人/m2,因此必然导致了最终计算的负荷结果产生较大的差异。(表中数据均来自各参赛小组的设计说明书以及计算书,设计说明书以及计算书中未查找到的内容均用“——”表示)。由于是对同一地点同一建筑进行负荷计算,因此各小组所选取的室外设计参数均相同。

表6 各小组主要功能房间的室内设计参数取值

       其中,统计发现,A1组和A7组均采用了斯维尔软件进行负荷计算分析,结果却差异明显。A1组全年总冷负荷达到2072.2Kw,是A7组(1346.59Kw)的1.54倍,全年总热负荷A1组是A7组的1.61倍。由于都选用了斯维尔负荷软件进行负荷计算,故排除了由于负荷软件差异所引起的计算结果的不同,因此主要功能房间的室内参数取值成为了两组计算负荷差异的关键。以展览馆为例,两组主要区别之处在于冬季室内温度的设定以及人员密度及最小新风量。根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012,室内温度设计范围为18~24℃[1],A1组取20℃,而A7小组则取下限值18℃做为设计参数。据研究表明,冬季室内设计温度取值不同会对室内负荷产生影响,室内设计温度每降低1℃,最大单位面积热负荷会降低7%~10%。根据计算书,A1组与A7组的展览馆室内热负荷相差39.8Kw,超过室内设计温度相差2℃所产生的影响,原因是除了室内温度设计参数的差异外,对房间的人员密度和最小新风量的设置也存在差别。A1小组与A7小组的最小新风量的取值分别为20m3/h人和15m3/h人,而新风量的大小对空调总负荷的影响很大,新风量每增加5%,总负荷将加大10%~14%左右,当新风量占总送风量的百分比从10%增加到30%时,空调总负荷增加53%。因此,在对建筑进行负荷计算时,对于室内人员最小新风量的设定至关重要。可见,室内设计参数取值的差异会对两组的负荷计算结果产生很大影响。

       综上,对于人员密度较小,偶尔停留的场所,室内温度设计参数应当尽量选取满足人体热舒适指标的最低值,能够有效的降低冬季热负荷,降低空调能耗,对于最小新风量可以适当的减少,但不应低于《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012的最小值。

       (2)负荷计算软件选取不同

       随着时代和经济的快速发展,目前全世界计算建筑负荷与能耗的软件已经超过了100种,如美国的EnergyPlus,BLAST,英国的ESP-r,以及中国的DeST,PKPM,华电源,斯维尔等[2]。以往,负荷计算软件主要分为两种:用于能耗分析的软件和用于设备选型的负荷计算软件,而现在大多数软件将二者结合,既可用于负荷分析设备选型,也可用于能耗模拟研究。本文中所列举的负荷计算软件主要有斯维尔BECH负荷计算软件(A1,A7小组),鸿业计算软件(A2,A3,A4,A5小组),DEST能耗模拟软件(A2,A3,A7小组),EnergyPlus负荷模拟软件(A5小组)以及天正暖通负荷计算软件(A6,A7小组)。其中国内暖通工程设计界,设计人员大多采用天正暖通负荷计算软件或鸿业负荷计算软件,它们拥有简单的工作界面,易于操作,工程设计人员可以快速完成负荷计算,进行设备选型。但随着设计要求的提高,掌握建筑全年动态负荷特性,进行更精确的设备选型以及降低能耗成为首要任务。因此,了解不同软件的工作机理的异同成为了重中之重。天正暖通负荷计算软件其计算负荷方法采用冷负荷系数法,鸿业计算软件则采用的是谐波反应法[3],斯维尔BECH则采用的是图形输入的思想,可自动提取AutoCAD工作图中的的围护结构数据,建立建筑的热工计算模型,实现可视化计算,而DeST则采用状态空间法计算不透明围护传热,一次性的求解房间的传热特征系数,同时采用多房间联立求解的方法,同时计算出各房间的温度或投入的冷热量,EnergyPlus则采用热平衡法,将房间热平衡分为围护结构热平衡和空气热平衡两部分,在求解不透明围护传热时,EnergyPlus则采用CTF(Conduction Transfer Function)或有限差分法[4]

       即使计算方法相同的各软件,对负荷计算各个环节的处理与简化程度也有不同[5]。其中DeST和EnergyPlus在计算围护结构内表面的对流换热和长波辐射换热时,DeST采用固定的对流换热系数,而EnergyPlus中的对流换热系数则随时间步长发生变化。其次,DeST和EnergyPlus中表面对流换热系数分别采用缺省设置,导致输入的参数不一致,并且在长波辐射换热、照射到围护结构外表面的太阳辐射强度、室内太阳辐射分配、窗户模型等方面的简化处理也存在着差异。然而鸿业负荷计算软件忽略了不同的建筑形式以及不同围护结构热工性能下的长波辐射换热的差异,对室内长波辐射取定值进行计算。因此对于相同的建筑,在进行全年负荷计算时,负荷计算软件选取的不同以及人工输入参数的差异,由此产生的负荷计算差异可能是明显的。各软件的差异见表7,其中对各软件的学习难易程度用★表示,星数越多则越难操作。此外,相较于EnergyPlus,其余软件在国内对工程设计上均具有一定的便捷性,而EnergyPlus在学术研究上的应用更易于被国际认可。

表7 各负荷分析计算软件的比较

       (3)人为数据处理的差异

       A4组,A5组,A6组,A7组空调设计面积均统计在20000m2以上,A1组接近20000m2,但A3组最小,空调设计面积只有16748m2,具体数值见表8所示。

表8 各小组负荷设计面积

       在对建筑进行负荷计算时,虽然建筑图纸相同,但是不同的小组在进行负荷计算统计以及对于空调区域的选择与划分确定空调面积的方式方法有所差异,造成了空调设计面积不同。其中A6组取值与其余6组取值偏差较为明显,与其余6组不具备共性。

5 结论

       综上所述,在对参与CAR-ASHARE大赛的参赛小组的负荷统计结果分析来看,产生负荷计算结果差异的原因是多样的。

       (1)在对建筑进行负荷计算时,室内设计参数以及人为数据处理的差异是造成建筑负荷结果不同的原因之一,但仅仅是次要原因,室内设计参数的不同会导致负荷计算结果不同,但这样的原因是可以人为控制的。当严格的遵循设计规范进行设计时,这些负荷计算结果的差异不复存在。其次人为数据处理的问题是人的主观性的问题,这种问题在计算过程中都可以避免。但是,当采用同一种软件对建筑进行负荷计算时,其室内外参数的设定的准确性便成了导致负荷计算结果差异的主要原因。

       (2)当控制所有设计参数,气象参数以及空调房间的设计面积均相同时,采用不同的负荷计算软件对同一个建筑进行分析计算时,由于各软件的计算方法不同,所产生的结果也不相同,甚至差异性很大。这是对同一地点,同一建筑进行负荷计算产生结果差异的主要原因,是客观的,也是人为不可更改的。所谓的不同软件在特定情况下的适应性则指部分软件擅长建筑负荷的计算,部分软件则以建筑能耗模拟为长,即不同的模拟软件分别具有着在一些不同的操作条件下的优势,也分别对环境模拟的状态表达有着不同的方法。

6 建议

       (1)正确的理解和采用标准规范是对工程进行设计的最基本的能力之一。对于空调设计可采用的设计标准规范种类繁多,首先,应精准理解各标准规范中的总则条款,注重其适用范围,了解各标准规范间的关系以及方法,以及了解不同标准的意义与作用,随后仔细分析进行负荷计算的建筑的类型,根据相应的建筑类型进行相应标准规范的引用。其次,正确的认识到设计计算参数对于计算建筑物负荷的重要性。标准设计规范中大多给定的是设计参数的取值范围,对于不同的小组,取上限和取下限或者取中间值所计算出来的结果必然会有差异,但结果仍然是正确的结果,但每个工程都存在着不同的环境以及不同的约束条件,应根据不同的条件进行分析论证确定取值[9]

       (2)要始终清楚对建筑进行负荷计算的目的,是为了更好的选择一个尽量小但能够满足建筑所需的设备。负荷计算结果偏小,则选出的设备不能保证室内的舒适度,负荷计算结果过大,则不符合节能的趋势。因此,在负荷计算上,建议各软件官方最好能够以规范的形式给出各软件用的计算方法以及软件上明确要求用户输入或者允许用户修改的数据、系数,让各软件的计算过程更加的透明化。这样,我们在用不同的软件对同一建筑进行负荷计算时,负荷计算结果的差异也将有迹可循。

参考文献:

       [1] 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范GB50736-2012[J].建设科技,2015(10):31-32.
       [2] 朱丹丹,燕达,王闯,洪天真.建筑能耗模拟软件对比:DeST、EnergyPlus and DOE-2[J].建筑科学,2012,28(S2):213-222.
       [3] 庄伟晨,吕文隆.空调冷负荷计算软件对比分析[J].山西建筑,2017,43(07):112-114.
       [4] 简毅文,王瑞锋.EnergyPlus与DeST的对比验证研究[J].暖通空调,2011,41(03):93-97.
       [5] 孙德宇,徐伟,邹瑜,陈曦.空调冷负荷计算方法及软件比对及改进研究[J].暖通空调,2012,42(07):54-60.
       [6] 李骥,邹瑜,魏峥.建筑能耗模拟软件的特点及应用中存在的问题[J].建筑科学,2010,26(02):24-28+79.
       [7] 李准. 基于EnergyPlus的建筑能耗模拟软件设计开发与应用研究[D].湖南大学,2009.
       [8] 李骥,邹瑜,骆婉婧. 建筑能耗模拟软件的特点及应用中存在的问题[A]. 中国建筑学会暖通空调分会、中国制冷学会空调热泵专业委员会.全国暖通空调制冷2008年学术年会论文集[C].中国建筑学会暖通空调分会、中国制冷学会空调热泵专业委员会:中国制冷学会,2008:1.
       [9] 付祥钊,杜燕鸿,钱成功.从CAR-ASHRAE学生设计竞赛谈负荷计算的指导问题[J].暖通空调,2014,44(01):73-79.

       备注:本文收录于《建筑环境与能源》2021年4月刊 总第42期(第二十届全国暖通空调模拟学术年会论文集)。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。