广西华蓝设计（集团）有限公司 李红祥
摘要 分析空调全年动态负荷计算的重要性，介绍常用动态负荷计算软件，提供一种方案及初设阶段用的动态负荷估算方法，用度日法计算冬季热负荷，用度时法计算夏季冷负荷，并用实际的例子给出说明。
关键词 空调动态负荷估算 度日法 度时法
1 空调全年动态负荷计算的重要性
空调建筑的冷、热负荷计算是一切空调工程设计的基本依据。推广全年空调逐时冷、热动态负荷计算的必要性很多，好处与效益也很明显[1]：可以通过改善建筑外围护结构的保温隔热遮阳性能，最大限度地降低围护结构冬、夏的传热负荷；可以权衡外窗玻璃的天然照明效果与遮阳效果;可以合理确定冷、热源的容量与台数配置，及通过优化控制策略实行经济运行；可以正确、合理确定空调方式与空调水系统方案；在推广蓄冷空调、燃气空调和能量回收系统时，可以评价其经济效益、社会效益及环保效益。
《采暖通风与空气调节设计规范》中将空调需作逐时逐项冷负荷计算列为强制性条文。《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》、《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》、《公共建筑节能设计标准》等建筑节能标准规范均要求设计单位当所设计建筑的一系列与能耗有关的参数不能满足标准的刚性规定时，必须采用全年逐时动态负荷计算方法计算其空调、供暖的冷、热负荷和全年能耗，并确保空调、供暖能耗符合标准的规定。
2全年动态负荷计算软件的介绍
全国民用建筑工程设计技术措施—节能专篇/暖通空调•动力（2007）[2]其5.1.4规定，下列情况宜采用通过国际验证的计算机模拟软件进行全年动态负荷计算：a）需要对空调方案进行能耗和投资等经济分析时；b）采用利用热回收装置回收冷热量、利用室外新风作冷源调节室内负荷、冬季利用冷却塔提供空调冷水等节能措施，需要计算节能效果时；c）采用蓄热蓄冷装置，需要确定装置的容量时。
目前全年动态负荷的计算主要利用建筑能耗模拟软件，此类软件主要用于建筑和系统的动态模拟分析，国外的软件以DOE-2，EnergyPlus和ESP-r等为代表，这类软件的主要模拟目标是建筑和系统的长周期的动态热特性(往往以h 为时间步长) ，采用的是完备的房间模型和较简单的系统模型及简化的或理想化的控制模型，适于模拟分析建筑物围护结构的动态热特性，模拟出全年的空调动态负荷，进而模拟建筑物的全年运行能耗。国内的软件主要为由清华大学建筑技术科学系江亿院士主持的建筑环境设计模拟分析软件DeST，它基于“分阶段模拟”的理念，实现了建筑物与系统的连接，使之既可用于详细地分析建筑物的热特性，又可以模拟系统性能，较好地解决了建筑物和系统设计耦合的问题[3]。
利用以上软件计算其复杂性和难以入门阻碍了它的推广，尤其在我国目前这种工程设计管理体制下更是难以要求建筑设计单位进行模拟分析，一般以上软件的应用主要集中在科研院校和专业的建筑节能咨询公司，针对特定项目由上述院校或公司做相应的节能评估报告。
3 全年动态负荷的估算
目前广西的一些设计项目，除了围护结构的权衡判断利用到全年动态能耗计算分析外，以下空调及热水系统设计项目需要进行全年动态负荷的计算（包括热水需求的全年动态负荷计算）：
a)水冷冷水机组冷凝热回收生产卫生热水是采用部分热回收还是全热回收，机组如何搭配；
b)采用地源热泵供冷暖空调和卫生热水，地埋管系统需考虑输入土壤的全年冷热量是否平衡，污水源热泵系统是否满足全年的冷热需求，以及机组的搭配。
c)冰蓄冷或水蓄冷系统全年负荷及经济分析。
d)同一个项目不同方案之间技术、能耗、投资比较时，应该建立在统一的设计日负荷和全年负荷的基础上来比较。
在方案设计及初步设计阶段，建筑的窗墙比例及材料物性等方面还不够确定，设计时间也较短，没有技术条件用全年能耗分析软件来进行模拟的情况下，只能进行初步的全年动态负荷估算。
3.1 设计日负荷
设计日冷热负荷是采用历年来不保证一定天数或小时数的室外空气计算参数计算出来的，是用来选择冷热源设备大小的重要依据，如果利用计算软件如鸿业负荷计算或浩辰负荷计算软件进行热负荷和逐时逐项的冷负荷计算，则不但冬季设计日热负荷qrx（kW）和夏季设计日冷负荷qlx（kW）可以算出，而且可以算出设计日逐时的热负荷qri（kW）和逐时的冷负荷qli（kW），从而设计日总热量Qr=Σqri·li (kW· h)和设计总冷量Ql=Σqli·li (kW·h)可以得出，其中li为运行时数（h）。
但方案设计及初步设计阶段，大多套用负荷估算指标，根据建筑面积估算工程的热负荷qrx（kW）和冷负荷qlx（kW），更详细一点的话，亦可根据建筑物各空调房间面积和负荷估算指标来计算其冷热负荷。负荷指标可以参考全国民用建筑工程设计技术措施—暖通空调•动力（2003）[4]第一章。
冬季设计日室外气温变化不大，可以认为逐时热负荷qri=qrx，冬季设计日总热量Qr=Σqrx·li。
夏季设计日室外气温变化较大，考虑太阳辐射、人员、灯光、同时使用逐时值不同，可以参照冰蓄冷设计用的系数法来估算设计日逐时冷负荷，即qli=κ·qlx，则夏季设计日总冷量Ql=Σqli·li 。逐时冷负荷系数可以参考技术措施—暖通空调•动力（2003）[4]第6.5节，表1为摘录的写字楼、宾馆、商场逐时冷负荷系数κ。
表1 逐时冷负荷系数κ
|
时间
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
|
写字楼
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0.43
|
0.7
|
0.89
|
0.91
|
0.86
|
|
宾馆
|
0.16
|
0.16
|
0.25
|
0.25
|
0.25
|
0.5
|
0.59
|
0.67
|
0.67
|
0.75
|
0.84
|
0.9
|
|
商场
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0.4
|
0.5
|
0.76
|
0.8
|
0.88
|
|
时间
|
13
|
14
|
15
|
16
|
17
|
18
|
19
|
20
|
21
|
22
|
23
|
24
|
|
写字楼
|
0.86
|
0.89
|
1
|
1
|
0.9
|
0.57
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
宾馆
|
1
|
1
|
0.92
|
0.84
|
0.84
|
0.74
|
0.74
|
0.5
|
0.5
|
0.33
|
0.16
|
0.16
|
|
商场
|
0.94
|
0.96
|
1
|
0.96
|
0.85
|
0.8
|
0.64
|
0.5
|
0.4
|
0
|
0
|
0
|
注：空调运行时间，写字楼按8点~18点，商场按8点~22点。
3.2 用“度日法”计算冬季热负荷
度日法是美国ASHRAE标准90—75给出的估算冬季供暖建筑耗能的方法。度日，是指每日平均温度与规定的标准参考温度（或称温度基准）的离差[5]，度日法主要基于这样一种假设，即从长期平均的观点来看，当室外温度等于某一基准温度时，太阳辐射和室内得热刚好可以弥补建筑物的热损失，因此某一温度下的热负荷可以近似地认为正比于室外温度与这一基准温度的差值。
某日的度日数就是该日平均温度与标准参考温度的实际离差，即（HDD）=TB-T
式中 HDD—某日度日数（℃·日），当T>TB时，则（HDD）=0；
TB—采暖标准参考温度。℃，一般取18 ℃；
T—某日平均温度，℃。
某日的总热量为Qir=(HDD)/(TD-TI)·Qr
式中 TD、TI为分别为冬季供暖的室内和室外设计温度；
Qr为冬季设计日总热量。
根据中国建筑热环境分析专用气象数据集[6]，可以找到供暖期室外日平均温度和采暖度日数，从而可以计算出整个冬季总热量为ΣQr。图1为南宁市典型气象年12.1~2.28的室外日平均温度分布，据此可以计算出南宁市供暖期采暖度日数HDD18为367.6（℃·日），办公建筑考虑周末不供暖其供暖期采暖度日数HDD18为262.6（℃·日）。
图1 南宁市供暖期日平均温度（℃）
3.3 用“度时法”计算夏季冷负荷
夏季气温变化较大，影响夏季冷负荷的因素不仅仅为室外干球温度，还受到室外太阳辐射，室内热负荷及窗墙面积、材料热物性、新风量等的影响，但对于方案、初设阶段的估算，可以假设空调负荷与室内外温差大致成比例，这是参考“度日法”的计算方法，在不同的室外干球温度下，计算其夏季冷负荷，根据典型气象参数可以计算出整个夏季逐时冷负荷，从而可以得到整个夏季的总冷量。仿照“温频法”[7]的概念可以对建筑冷负荷影响较大的室外干球温度的逐时出现频率进行统计，从而可以得出部分负荷分布规律及总的夏季冷负荷。
某室外温度的度时数就是该室外温度与标准参考温度的实际离差，即（CDH）=Ti-TB’
式中 CDH—某室外温度的度时数（℃·h），当Ti< TB’时，则（CDH）=0；
TB’—供冷标准参考温度。℃，一般取26 ℃；
Ti—室外温度，℃。
某室外温度对应的冷负荷为qli=(CDH)/( TI’ - TD’)·qlx
式中TI’ - TD’为分别为夏季供冷的室外和室内设计温度；
qlx为夏季设计日冷负荷。
根据中国建筑热环境分析专用气象数据集[6]，可以找到供冷期室外逐时温度和供冷度时数，从而可以计算出整个夏季供冷量为Σqli·li。
不同使用功能的建筑根据其空调系统间歇运行的时间不同，其空调运行时室外空气温度的频率分布有所不同，南宁市供 冷期为5.1~10.31，共计184天，4416个小时；办公建筑空调运行时间为8~18点，周末不运行；商场建筑空调运行运行时间为8~22点，酒店全天运行，根据中国建筑热环境分析专用气象数据集[6]可以统计分析出如下数据，表2为夏季室外温度频率分布及度时数，表3为夏季部分负荷运行时间分布。
表2 南宁市夏季室外温度频率分布及度时数
|
建筑类型
|
室外温度分布（℃）
|
26~28
|
28~30
|
30~32
|
32~34
|
34~36
|
36~38
|
38~
|
合计
|
|
办公
|
时间数(h)
|
575
|
326
|
299
|
188
|
46
|
1
|
0
|
1436
|
|
度时数
|
407.7
|
1377.3
|
2075.0
|
1789.7
|
560.7
|
20.4
|
0.0
|
6230.7
|
|
商场
|
时间数(h)
|
1171
|
619
|
456
|
264
|
64
|
2
|
0
|
2576
|
|
度时数
|
599.7
|
1853.6
|
2252.3
|
1796.2
|
560.7
|
20.4
|
0.0
|
7082.8
|
|
酒店
|
时间数(h)
|
2904
|
722
|
460
|
264
|
64
|
2
|
0
|
4416
|
|
度时数
|
1047.8
|
2119.7
|
2271.2
|
1796.2
|
560.7
|
20.4
|
0.0
|
7816.0
|
表3 南宁市夏季部分负荷运行时间分布
|
建筑类型
|
室外温度分布（℃）
|
26~28
|
28~30
|
30~32
|
32~34
|
34~
|
合计
|
|
部分负荷
|
25%
|
50%
|
75%
|
90%
|
100%
|
|
|
办公
|
时间数(h）
|
575
|
326
|
299
|
188
|
47
|
1436
|
|
部分负荷时间分布
|
0.40
|
0.23
|
0.21
|
0.13
|
0.03
|
1
|
|
商场
|
时间数(h）
|
1171
|
619
|
456
|
264
|
68
|
2576
|
|
部分负荷时间分布
|
0.45
|
0.24
|
0.18
|
0.10
|
0.03
|
1
|
|
酒店
|
时间数(h）
|
2904
|
722
|
460
|
264
|
66
|
4416
|
|
部分负荷时间分布
|
0.66
|
0.16
|
0.10
|
0.06
|
0.01
|
1
|
从表3可以看出，办公建筑有63%的时间在低于50%的负荷下运行，商场建筑有67%的时间在低于50%的负荷下运行，酒店建筑有82%的时间在低于50%的负荷下运行，所以选择主机设备时要注意多台大小搭配，并且要注意部分负荷下设备的高效运行。
4 计算举例
南宁市某综合建筑共31700㎡，其中酒店部分12400㎡，办公部分19300㎡，全年供冷暖空调，生产生活热水给酒店及附近生活楼用，拟采用部分回收冷凝热生产生活热水，同时拟采用地埋管地源热泵系统实现冷气、暖气和生活热水三联供，实现系统能耗达到最小化，因此方案阶段需要计算全年冷、热负荷及热水需求。根据以上的估算方法进行空调全年动态负荷估算。
4.1 设计日负荷计算
根据冷负荷指标[4]：旅馆 80~90W/㎡；办公楼85~100W/㎡，冬季负荷为夏季冷负荷的1/3~1/4。夏季设计日冷负荷：qlx=12400*0.085+19300*0.090=2791（kW）；冬季设计日热负荷：qrx=2791/3=930（kW）。
根据酒店部分和办公部分空调运行时间不同，分布计算两部分的供热量为8424 kW·h和5790 kW·h，计算出冬季设计日总热量Qr为14214 kW·h。
利用表1的冷负荷系数κ，设计日逐时冷负荷计算结果详表4，夏季设计日总冷量Ql为30111 kW·h。
表4 设计日逐时冷负荷
|
时间
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
|
酒店部分
|
169
|
169
|
264
|
264
|
264
|
527
|
622
|
706
|
706
|
791
|
885
|
949
|
|
办公部分
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
747
|
1216
|
1546
|
1581
|
1494
|
|
合计
|
169
|
169
|
264
|
264
|
264
|
527
|
622
|
1453
|
1922
|
2336
|
2466
|
2442
|
|
时间
|
13
|
14
|
15
|
16
|
17
|
18
|
19
|
20
|
21
|
22
|
23
|
24
|
|
酒店部分
|
1054
|
1054
|
970
|
885
|
885
|
780
|
780
|
527
|
527
|
348
|
169
|
169
|
|
办公部分
|
1494
|
1546
|
1737
|
1737
|
1563
|
990
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
合计
|
2548
|
2600
|
2707
|
2622
|
2449
|
1770
|
780
|
527
|
527
|
348
|
169
|
169
|
4.2 冬季热负荷计算
根据3.2节的计算方法，南宁冬季空调室外计算温度为5℃，室内设计温度为20℃， 冬季总供热量为ΣQr=307808kW·h。冬季逐日供热量详图2（由于周末办公不开空调，预设12.1日为周一）。
图2 冬季逐日供热量(kW·h)
4.3 夏季冷负荷计算
根据3.3节的计算方法，南宁夏季空调室外计算温度为34.2℃，室内设计温度为26℃，夏季总供冷量为Σqli·li=2324491 kW·h，表5为夏季室外温度频率分布及供冷量。
表5为夏季室外温度频率分布及供冷量
|
建筑类型
|
室外温度分布（℃）
|
26~28
|
28~30
|
30~32
|
32~34
|
34~36
|
36~38
|
合计
|
|
办公部分
|
时间数(h）
|
575
|
326
|
299
|
188
|
46
|
1
|
1436
|
|
供冷量（kW·h）
|
86369
|
291742
|
439537
|
379115
|
118777
|
4313
|
1319853
|
|
酒店部分
|
时间数(h）
|
2904.0
|
722
|
460.00
|
264.00
|
64.00
|
2
|
4416
|
|
供冷量（kW·h）
|
134684
|
272455
|
291928
|
230880
|
72073
|
2617
|
1004638
|
根据以上估算数据，同时另外计算全年生活热水，就可以初步的系统设计及设备选型，同时通过进一步的计算，分析判断冷凝热回收是否满足全年生活热水需求，地埋管在满足土壤冷热平衡的情况下如何与冷却塔系统搭配以满足全年供冷、供暖要求等等。
4结论
在建筑工程设计领域，推广全年空调逐时冷、热动态负荷计算很重要，一些建筑能耗分析软件起到了很大的作用，但较为复杂，其软件的应用主要集中在科研院校和专业的建筑节能咨询公司。在方案设计及初步设计阶段，没有技术条件用全年能耗分析软件来进行模拟的情况下，利用度日法及度时法可以估算全年空调动态热负荷和冷负荷，用于初步的系统设计及能耗分析。
参考文献
[1] 汪训昌，林海燕，杨书渊，等. 空调全年逐时动态负荷计算能提供什么信息和回答什么问题？—一栋办公楼空调全年逐时动态负荷计算的结果及其分析[J].暖通空调，2005，35（10）:44~53
[2] 建设部工程质量安全监督与行业发展司，中国建筑标准设计研究院. 全国民用建筑工程设计技术措施：节能专篇：2007.暖通空调、动力[M].北京：中国计划出版社，2007.3
[3] 燕达，谢晓娜，宋芳婷，江亿.建筑环境设计模拟分析软件DeST—第一讲建筑模拟技术与DeST发展简介[J].暖通空调，2004，34（7）：48~56
[4] 建设部工程质量安全监督与行业发展司，中国建筑标准设计研究院. 全国民用建筑工程设计技术措施 暖通空调、动力[M].北京：中国计划出版社，2003.2
[5]: 赵荣义，钱以明，范存养等编.简明空调设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1998
[6]:中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京：中国建筑工业出版社，2005
[7]:龙惟定.用BIN参数做建筑物能耗分析[J].暖通空调，1992，（2）
(作者简介： 李红祥（1977~），男，硕士，工程师；南宁市华东路39号办公大楼水暖电设计所（530011）；0771-2424025；
E-mail：lihongxiang77@126.com )
