齊先博 張銳

山東石油化工學(xué)院 山東 東營 257061

1.建筑概況

本工程位于沈陽市，是一綜合辦公樓。該辦公樓總建筑面積為 28616.2m2，其中地上建筑面積為 20582.62 m2，地下建筑面積為 8033.58 m2。本工程地下一層，地上九層，裙房二層。地下一層層高為 5.7m，首層層高為5.7m，二至九層層高均為4.5m；建筑高度48.15m。建筑類型為高層建筑，建筑耐火等級為一級，設(shè)計(jì)使用年限為 50 年，結(jié)構(gòu)類型為框架。

建筑功能分布：地下一層主要功能為設(shè)備用房和車庫，包括制冷機(jī)房、變電站、水泵房等；首層主要功能為食堂、檔案室、榮譽(yù)室、辦公室、休息室等；二層主要功能為羽毛球館、健身房、大會議室、閱讀室等；三層至九層主要功能為辦公室、會議室等。

2.基本參數(shù)確定

2.1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

沈陽市位于嚴(yán)寒C區(qū)，根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2015）實(shí)施細(xì)則中3.3.1條中嚴(yán)寒C區(qū)甲類公共建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能限值確定建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的類型。

根據(jù)圖紙?zhí)峁┑南嚓P(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得辦公樓建筑的外表面積為16403.89m2，總體積為115552.172m3，從而得出體形系數(shù)為0.14；北外墻窗墻比為0.28，南外墻窗墻比為0.307，西外墻窗墻比為0.326，東外墻窗墻比為0.33。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選取優(yōu)先考慮《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50736-2012）附錄H中給出的13個(gè)墻體和8個(gè)屋面，其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)從《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》中選取。主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型如表1、表2。

表1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型及熱工參數(shù)

表2 窗戶類型及熱工參數(shù)

2.2 室外設(shè)計(jì)參數(shù)

由《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50736-2012），查得沈陽市室外氣象參數(shù)如表3所示。

表3 沈陽市室外空氣計(jì)算參數(shù)

2.3 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括冬夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫濕度、新風(fēng)量、人員密度、燈光 密度、設(shè)備密度等。主要依據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50736-2012）中規(guī)定，對于規(guī)范中未明確給出詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)的房間類型，依據(jù)《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施—暖通空調(diào)·動(dòng)力（2009）》和《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》選取。選取結(jié)果見表4、表5。

表4 沈陽辦公建筑各功能分區(qū)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

表5 建筑各功能分區(qū)人員、照明、設(shè)備密度及新風(fēng)量

3.負(fù)荷計(jì)算

3.1 手工計(jì)算負(fù)荷

空調(diào)冷負(fù)荷采用冷負(fù)荷系數(shù)法計(jì)算，空調(diào)熱負(fù)荷采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果如表6所示，其中冷熱負(fù)荷指標(biāo)是按空調(diào)面積計(jì)算。

表6 手算法建筑負(fù)荷計(jì)算結(jié)果表

3.2 DeST軟件計(jì)算負(fù)荷

3.2.1 模型建立

在DeST中建立建筑模型，如圖1所示。

圖1 沈陽綜合辦公建筑模型圖

3.2.2 參數(shù)設(shè)置

利用建筑能耗模擬軟件DeST-C中的工具修改外墻、屋頂、窗戶的熱工特性。針對不同的建筑構(gòu)件打開內(nèi)墻、外墻、屋頂、屋面、樓板及窗戶庫管理界面，查詢并添加所需要的構(gòu)件類別，設(shè)置熱工特性與表1、表2（依據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50736-2012）及《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》）中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工特性保持一致，添加完畢工件類別審核無誤后完成修改。點(diǎn)擊顯示屬性命令然后框選模型，在右上角選擇窗，然后將樓層所有窗戶顯示出來，點(diǎn)擊窗戶類型，輸入窗戶的傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)（來自建筑節(jié)能計(jì)算書）。在屬性里，將外墻和房間中的屋頂選擇出來，在屋頂及左、右表面里設(shè)置太陽輻射吸收系數(shù)，同時(shí)可以對房間功能進(jìn)行定義，在房間類型定義里依據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》、（GB 50736-2012）《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施—暖通空調(diào)·動(dòng)力（2009）》及《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》選取的表4、表5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行人員、燈光、設(shè)備的作息時(shí)間，及功率值、新風(fēng)量等條件參數(shù)的設(shè)置。最后打開“屬性”命令，選擇平面圖中指北針形式的圖形，修改指北針并選擇沈陽市氣象參數(shù)，所有設(shè)置完成后進(jìn)行建筑計(jì)算預(yù)處理并保存。

3.2.3 計(jì)算結(jié)果

表7 DeST軟件建筑全年冷熱負(fù)荷量參數(shù)

3.3 負(fù)荷計(jì)算比較

手工計(jì)算的負(fù)荷和DeST軟件計(jì)算的負(fù)荷結(jié)果進(jìn)行比較，如表8所示。由于計(jì)算范圍的不同，兩者的空調(diào)面積不同，所以只比較以空調(diào)面積為基準(zhǔn)的冷熱負(fù)荷指標(biāo)。

表8 兩種方法計(jì)算的建筑負(fù)荷對比

4.負(fù)荷計(jì)算結(jié)果分析

4.1 全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷分析

從圖2中可以看出自1月至5月底建筑的單位面積空調(diào)熱負(fù)荷呈逐漸下降趨勢，并在1月14日達(dá)到頂峰大約是68W/m2，從9月中下旬開始再次出現(xiàn)熱負(fù)荷需求，到11月之前，建筑所需熱負(fù)荷總體處于較低的水平，這一時(shí)間段內(nèi)的最高值出現(xiàn)在10月29日約為21W/m2，此后熱負(fù)荷呈現(xiàn)逐步上升的趨勢，在12月底達(dá)到下半年最高的水平，最大熱負(fù)荷與上半年的峰值68W/m2相當(dāng)。

圖2 建筑全年空調(diào)負(fù)荷變化圖

建筑所需的冷負(fù)荷從6月開始發(fā)生顯著變化，從6月初到9月中下旬，處在一個(gè)波動(dòng)且不穩(wěn)定的變化期，分別在6月下旬，8月上旬下旬和9月初的個(gè)別日期有一個(gè)短時(shí)間內(nèi)的低峰值，但是總體還是保持了先上升后下降的趨勢，其中整個(gè)冷負(fù)荷的最高點(diǎn)出現(xiàn)在8月3日左右，約為67W/m2左右，7-8月是冷負(fù)荷需量高峰期整體日均值在可維持在15W/m2以上，值得注意的是由于該建筑的一些內(nèi)區(qū)空調(diào)房間沒有外圍護(hù)結(jié)構(gòu)向室外散熱，而只有內(nèi)部人員活動(dòng)、照明和設(shè)備等向室內(nèi)散熱導(dǎo)致其余時(shí)間包括冬季在內(nèi)仍然存在極少量的冷負(fù)荷需量，整體來看處于較低水平并在9月中下旬之后保持在3W/m2以下的負(fù)荷量。

如圖3所示，建筑全年逐時(shí)平均濕負(fù)荷在1月到6月中旬這一時(shí)段逐漸下降，最大點(diǎn)在2月15日19時(shí)約為19g/（h.m2），同樣的在整個(gè)9月至12月份之間濕負(fù)荷的變化范圍與1至6月相同且從圖中可以看出從初始的較低日濕負(fù)荷量逐步增加到與第一季度負(fù)荷量最高值相當(dāng)?shù)乃?，其余日期?4小時(shí)內(nèi)的濕負(fù)荷變化不顯著，最大濕負(fù)荷接近于0，主要表現(xiàn)在7、8月份。

圖3 建筑全年濕負(fù)荷變化圖

4.2 負(fù)荷分布特性分析

從表9和圖2可以看出該建筑的全年總供冷時(shí)數(shù)約為2160h依據(jù)規(guī)范最大供冷負(fù)荷指標(biāo)，其中全年中的3、4、5、9、10、11月份屬于過渡月份，其供冷時(shí)數(shù)與額定指標(biāo)的差值占比低于40%，總計(jì)1152h，月平均供冷為192h，至于6、7、8月份空調(diào)季平均供冷336h。在最大冷負(fù)荷規(guī)范依據(jù)下冷源設(shè)計(jì)量比較富裕，供冷時(shí)數(shù)百分比超過75%的僅占總指標(biāo)的3%，大部分（超過64%)的冷源能耗效率維持在25%到75%之間。

表9 制冷季部分負(fù)荷分布情況表

如表10所示，該建筑總供暖時(shí)數(shù)約6480h，總供暖時(shí)數(shù)中約77%可以達(dá)到規(guī)范最大供熱負(fù)荷指標(biāo)的25%以上，其中在負(fù)荷量需求較大的月份中（比如11、12月）有31%的供暖時(shí)數(shù)（2040h)在＞75%的情況下接近最大負(fù)荷運(yùn)行，另有其余23%的時(shí)間處于較低的負(fù)荷供給需求指標(biāo)內(nèi)。

表10 制熱季部分負(fù)荷分布情況表

4.3 設(shè)計(jì)日負(fù)荷變化特性

（1）設(shè)計(jì)日負(fù)荷變化趨勢

圖4展示了所選取的非過渡月某典型冬季時(shí)日的熱負(fù)荷變化趨勢，可以看到最高的熱負(fù)荷值出現(xiàn)在8h約為2122.06kW，6h到8h熱負(fù)荷不斷上升繼而下降進(jìn)入一個(gè)負(fù)荷值在950到1300kW之間波動(dòng)的一個(gè)穩(wěn)定時(shí)間段，全天約10個(gè)小時(shí)維持在較小波動(dòng)且有較高負(fù)荷需求的時(shí)間段，在此之后負(fù)荷數(shù)值發(fā)生陡降最低可達(dá)到日最大負(fù)荷的6%以下。

圖4 冬季某日熱負(fù)荷變化圖

圖5 夏季某日冷負(fù)荷變化圖（軟件算法）

夏季日冷負(fù)荷的變化相比冬季熱負(fù)荷更加的曲折，更具復(fù)雜性，從圖像中發(fā)現(xiàn)在一天內(nèi)早期的幾小時(shí)之內(nèi)建筑冷負(fù)荷值屬于較低水平，然而從8h至21h這一時(shí)間區(qū)間內(nèi)兩次出現(xiàn)接近最大日負(fù)荷約2000kW左右，中間12h和20h都分別爆發(fā)一個(gè)小的冷負(fù)荷峰值，也都達(dá)到最大日負(fù)荷的70%以上，在21h之間冷負(fù)荷數(shù)值變化但是不會低于最大日負(fù)荷的50%，而21h以后負(fù)荷量快速下降，這一變化在21-22、22-24之間尤為明顯，在23時(shí)后會達(dá)到一天內(nèi)冷負(fù)荷的最小值。

（2）最大時(shí)刻負(fù)荷構(gòu)成

圖6為最大時(shí)刻冷負(fù)荷的構(gòu)成圖，可見，新風(fēng)冷負(fù)荷占比最大，為44%，依次為人體冷負(fù)荷、設(shè)備冷負(fù)荷、圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷、照明冷負(fù)荷。新風(fēng)冷負(fù)荷占比最大，主要是因?yàn)檗k公建筑的服務(wù)對象主要是人員，人員所需的新風(fēng)量較大導(dǎo)致新風(fēng)量較大。而圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷占比不大是因?yàn)閲o(hù)結(jié)構(gòu)是按照公共建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)選取的節(jié)能材料，傳熱系數(shù)較小，傳熱量也較小。

圖6 建筑最大時(shí)刻冷負(fù)荷構(gòu)成圖

5.總結(jié)

（1）手算負(fù)荷和DeST軟件計(jì)算負(fù)荷，發(fā)現(xiàn)冷熱誤差分別為11.91%和7.23%，均小于15%，認(rèn)為誤差在接受范圍內(nèi)，互相驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。由于計(jì)算方法不同，DeST內(nèi)部圍護(hù)結(jié)構(gòu)可選庫的局限性和房間劃分的誤差等多方面因素從而導(dǎo)致兩種計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果有一定的出入，但總體上，二者還是相符的。DeST軟件模擬的結(jié)果是可以接受的。

（2）對DeST軟件計(jì)算得到的全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷進(jìn)行了分析，并分析了冷熱負(fù)荷的部分負(fù)荷特性，對冷熱源的選型有一定的指導(dǎo)作用。