文章简介：典型商业建筑全年动态负荷预测方法研究
摘要： 商业建筑全年动态负荷的合理预测,能够给空调蓄冷蓄热系统设计、冷热源系统选择、BCHP系统设计和设备搭配以及城市能源规划提供有力的帮助。本文首先对典型商业建筑内扰的参数及全年作息时间进行设定，接着利用建筑能耗模拟软件DeST计算各典型商业建筑的全年逐时冷热负荷，由此得到建筑全年冷热负荷逐时变化无因次曲线和单位体积新风冷热负荷逐时变化曲线。最后对各典型功能建筑的负荷组成、负荷的日变化和年变化特性作了分析和比较，为估计商业建筑的负荷估算提供了一种简单可靠的方法。
关键词： 商业建筑 负荷预测 DeST
0 引言
随着空调系统在商业建筑领域的广泛应用，如何做到合理预测全年负荷是商业建筑空调设计非常重视的一个问题。目前，商业建筑设计多数采用经验数据进行冷、热负荷估算,这种方法只提供冷热负荷的最大值，已经远远不能满足空调蓄冷蓄热系统设计、冷热源系统选择、BCHP系统设计和设备搭配以及城市能源规划对负荷全年动态变化的要求。因此,我们有必要用一种新的方法对商业建筑的全年负荷进行预测。
1 商业建筑空调负荷特征
商业建筑空调负荷主要由下面几个因素组成：1)室内热扰,包括人员、灯光和设备2) 围护结构传热3)新风负荷。在这几个因素中, 室内热扰及其动态变化过程对负荷的影响很大。同时，由于在变风量系统中，新风随人员密度的变化而变化，因此新风负荷和室内热扰的变化过程密切相关。所以,合理地预测负荷应把重点放在室内热扰的参数设定及其动态变化设计上。
2 典型商业建筑内扰的参数设计和全年作息时间的设计
2.1 商业建筑的分类
商业建筑种类繁多，功能各异。本文依据不同的使用性质，选择了典型的几种商业建筑进行了建筑内扰和全年作息的设计，如下：1)客房：分为五星级客房、四星级客房、三星级客房以及三星级以下客房；2)办公室：分为高级办公室和一般办公室；3)美容院；4)保龄球馆；5)舞厅；6)健身房；7)商场；8)餐厅：分为中餐厅、西餐厅和火锅餐厅；9)门厅；10)会议室；11)展览馆；12)影剧院；13)游泳池；14)教室；15)医院:包括病房、手术室、候诊室、门诊办公室、婴儿室和药品储存室；16)走廊；17)档案库房；18)卫生间； 19)电脑机房； 20)棋牌室。
2.2 室内参数设计
商业建筑的空调属于舒适性空调,即从人体的舒适感出发确定室内温度、湿度设计标准。
室内参数包括：1)夏季干球温度(℃)和相对湿度(%)2)冬季干球温度(℃)和相对湿度(%)。
2.3 内扰的参数设计
内扰参数主要包括：1)人员热扰2)灯光热扰3)设备热扰
各参数的具体指标如下：
1) 人员热扰： 最大人员密度(人)，人均发热量(W)，人均产湿量(kg/hr)，新风量(?人)；
2) 灯光热扰：最大功率()；
3) 设备热扰：最大功率()；
2.4 全年作息的设计
所谓全年作息是指室内热扰参数全年每一时刻的数量大小与设定的最大值的比值。由于在商业建筑中，作息基本是以一周为周期的，所以本文的设计也是以一周为基础，分开考虑工作日与休息日；同时，对于一些季节性变化比较强的商业建筑，如商场、教室等,就得考虑全年不同月份的变化。作息的设计参数主要包括：
1) 人员密度的作息：是指某时刻的人员密度和设定最大人员密度的比值；
2) 灯光的作息：是指某时刻的灯光功率和设定最大灯光功率的比值；
3) 设备的作息：是指某时刻的设备功率和设定最大设备功率的比值；
2.5 设计举例
由于篇幅原因，只选取几个典型的商业建筑举例说明设计过程。
2.5.1 办公室
办公室是组成写字楼等商业建筑的基本元素，可分为高级办公室(如经理办公室)和一般办公室，在参数设计中要求也不同。
1) 室内条件参数设定
房间使用性质
夏季
冬季
干球温度
相对湿度
干球温度
相对湿度
℃
%
℃
%
高级办公室
23-25
50-60
21-23
35-40
一般办公室
24-26
50-60
20-22
35-40
2) 内扰的参数设计
房间使用性质
新风量
(.人)
人员热扰
灯光热扰
设备热扰
最多人数
(人)
人均发热量()
人均产湿量()
最大功率()
最大功率()
高级办公室
40
0.05-0.1
64
0.084
10
10
一般办公室
30
0.1
64
0.084
10
20
3) 全年作息的设计
办公室的作息基本上是以一周为周期的，有工作日和休息日的区别,而无季节性的变化。由于办公室中的设备主要是电脑，它和人的作息基本上是一致的，因此把办公室的人员和设备热扰一同考虑。对于灯光来说，它不但受到人员密度大小的限制，而且和一天中的阳光强度变化有密切的关系。白天,人们利用充沛的自然光，所以尽管白天人员密度大，但灯光的功率却不是最大。考虑到在休息日加班的情况，所以休息日的人员、设备和灯光的作息不为0。
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图1 办公室人员/设备作息(工作日) 图2 办公室灯光作息(工作日)
图3 办公室人员/设备作息(休息日) 图4 办公室灯光作息(休息日)
2.5.2 商场
商场也是一类典型的商业建筑。在商场空调负荷中, 人体冷负荷占有主导地位。人员密度取值的少许增减都会对空调能耗和投资有明显影响。
1) 室内条件参数设定
房间使用性质
夏季
冬季
干球温度
相对湿度
干球温度
相对湿度
℃
%
℃
%
商场
25-27
55-65
20-22
40-50
2) 内扰的参数设计
房间使用性质
新风量
(.人)
人员热扰
灯光热扰
设备热扰
最多人数
(人)
人均发热量()
人均产湿量()
最大功率()
最大功率()
商场
15-25
1.0
68
0.1
20
0
3) 全年作息的设计
商场的室内热扰作息随季节的变化很大。一般来说,夏季是销售淡季，人员密度小；春节期间是销售旺季，人员密度大。所以，商场人员密度作息的周期为一年，要考虑不同季节的影响。
而灯光作息随季节的变化和人员密度变化很小，并且商场的内部空间很大，只靠自然采光是无法满足室内要求的，所以灯光的作息在一天内的变化几乎是不变的，其周期也是以一天为设计标准，不需考虑工作日和休息日的变化，如图10。如图6至图9，作者把一年分为四组来设计人员密度作息: 1)12月初－2月末；2) 3月初－5月末；3) 6月初－8月末；4) 9月初－11月末。同时，对于五一、十一、春节等人员密度极大的节假日单独设计作息，如图5
图5 商场人员作息(五一、十一、春节等节假日) 图6 商场人员作息(12月初－2月末
图7 商场人员作息(3月初－5月末) 图8 商场人员作息(6月初－8月末)
图9 商场人员作息(9月初－11月末) 图10 商场灯光作息
3 全年负荷预测
3.1 全年负荷预测方法
通过对各典型商业建筑的内扰的参数设计和全年作息时间的设计, 作者利用建筑能耗模拟软件DeST计算各典型商业建筑的全年逐时冷(热)负荷，并由此得到建筑全年冷(热)负荷逐时变化无因次曲线和单位体积新风冷(热)负荷逐时变化曲线。
所谓建筑全年冷(热)负荷逐时变化无因次曲线，是指每一时刻建筑冷(热)负荷与全年最大冷(热)负荷的比值组成的一条曲线。
所谓单位体积新风冷(热)负荷逐时变化曲线，是指每一时刻单位体积的新风所产生的冷(热)负荷变化曲线。
在负荷预测过程中，只需估计单位建筑面积的最大冷(热)负荷，便可以通过建筑全年冷(热)负荷逐时变化无因次曲线，获得全年逐时单位建筑面积的冷(热)负荷；同理，如果确定了该建筑的设计新风量，便可以通过单位体积新风冷(热)负荷逐时变化曲线得到全年的新风负荷。从而为估计商业建筑的全年逐时负荷提供了一种简单的估计方法。
3.2 办公类建筑全年负荷预测举例
下面以办公类建筑这一典型商业建筑为例说明。本次模拟的地点是北京,图11是办公楼的模型图,这是一个以办公室为主的建筑。
3.2.1 办公楼冬(夏)季典型日负荷变化无因次曲线
图12是办公楼冬季典型日负荷变化无因次曲线； 图13是办公楼夏季典型日负荷变化无因次曲线。从图中可以看到，冬季全天的建筑负荷最大值出现在刚开启空调的时刻，即所谓的尖峰负荷，这是由于夜间建筑内温度下降，冷量积蓄的缘故；夏季全天的建筑负荷最大值出现在下午，由于北京夜间比较凉爽，建筑内的蓄热得以散出,因此在空调开启时刻并没有出现尖峰负荷。
3.2.2 建筑全年冷(热)负荷逐时变化无因次曲线
图14是建筑全年冷(热)负荷逐时变化无因次曲线，横轴表示全年8760个小时。从图中可以看到，热负荷出现在11月中旬至第二年的3月中旬，并在1月初达到最大值；冷负荷全年都存在,并在7月中旬达到最大值。对比这两条曲线，可以看到冬季办公楼一天中同时存在冷热负荷，这是由于外区受气候影响需要供热，而内区几乎没有围护结构传热，只存在着内部发热，所以需要供冷的原因。
3.2.3 单位体积新风冷(热)负荷逐时变化曲线
图15是单位体积新风冷(热)负荷逐时变化曲线。新风负荷与外界环境密切相关。从图14我们可以确定在3月中旬至11月中旬建筑只有冷负荷，从图15我们可以确定在4月下旬至9月下旬这段时间内,以新风冷负荷为主，所以，在3月中旬至4月下旬，九月下旬至11月中旬期间，可以利用通入新风直接除去建筑的热负荷，避免了空调带来的能源浪费。
3.2.4 负荷预测
使用者只需估计单位建筑面积的最大负荷，便可以通过办公类建筑负荷的无因次曲线，获得全年逐时单位建筑面积的负荷，并可根据自己的需要得到全年累计，冬夏季累计等数值；同理，如果确定了该建筑的设计新风量，便可以通过单位体积新风冷热负荷逐时变化曲线得到全年的新风负荷逐时变化量。
图11 办公楼模拟图
图12 办公楼冬季典型日负荷变化无因次曲线
图13 办公楼夏季典型日负荷变化无因次曲线
图14 建筑全年冷热负荷逐时变化无因次曲线
图15 单位体积新风冷(热)负荷逐时变化曲线
4 结语
4.1 在商业建筑中，室内热扰(人员、灯光和设备)及其动态变化过程对负荷的影响很大。所以，合理地预测负荷应把重点放在室内热扰的参数设定及其动态变化设计上。
4.2 利用建筑能耗模拟软件DeST可得到建筑全年冷(热)负荷逐时变化无因次曲线和单位体积新风冷(热)负荷逐时变化曲线，大大简化了负荷的计算过程，为估计商业建筑的负荷估算提供了一种简单可靠的方法。
4.3 商业建筑的外形千变万化，内部结构也千差万别，但功能类型相同的商业建筑必然在负荷趋势上有着共同点，本文的预测方法重点不在于单个建筑之间的差异性，而是着眼于作为某类商业建筑的共同特性, 从而为空调蓄冷蓄热系统设计、冷热源系统选择、BCHP系统设计和设备搭配以及城市能源规划等提供设计参考和依据。
4.4 最大冷热负荷的预测方法不是本文的主要论述对象。
4.5 由于气象条件不同，其它城市的商业建筑也可利用这种方法得到一系列的不同商业建筑的负荷变化曲线，这必然会给设计者带来极大的便利。
参考文献：
(1) 四机械工业部第十设计研究院.空气调节设计手册.1983
(2) 上海节能建筑设计标准
(3) 邹建忠. 商场空调设计中客流量和新风量取值的探讨，长春工程学院学报，2001（2）
(4) 郑万兵. 医院空调设计中几个问题探讨，制冷空调与电力机械，2002(3)
(5) 郑锦民. 福建医科大学附属第一医院门诊空调设计，福建建设科技，2002(4)
(6) 张继薇，火锅餐厅的产热产湿量与空调负荷，暖通空调，2002(1)
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