用于空调系统设计的全年双负荷曲线分析法

Annual Twin Load Curves Analysis for HVAC system design

1 引言
　　
　　 在全年采用空调的建筑物的空调系统设计中，一般采用不稳定传热方法计算夏季围护结构空调负荷，而采用稳定传热方法计算冬季围护结构空调负荷；利用夏季室外计算温度、计算日平均温度与日较差求得夏季计算日逐时温度，并以此计算围护结构传热量与逐时新风负荷。冬季则利用冬季空调室外计算温度计算围护结构传热负荷与新风负荷，该计算温度是历年平均每年不保证1天的日平均温度。这种方法可以比较方便地求得全年运行所需要的最大供冷与加热设备的容量，从而选取设备，确定系统的配置。
　　 现代社会的建筑业随着经济的发展而迅猛发展，出现了很多大型的公共设施建筑与商用建筑。这些建筑由于具有内部冷热负荷分配显著不均衡，有大量无外墙外窗的内区，对空气质量要求高，有些区域的室内产热量与最大负荷时间可能无法预测（如会议厅）等特点，其空调系统的设计与运行有其独特之处，如某个区域在某段时间需要同时供冷供热。在这种情况下，如何优化系统配置，确定管网形式和最佳运行方案，使其能以最小的设备与土建初投资、最小的运行费和最高的设备利用率保证整个建筑各区域在不同季节都满足设计要求，是空调设计中更重要的步骤，而仅考虑负荷峰值是不可能满足现代建筑的空调系统设计要求的。
　　 在一些有问题的空调系统中，尤其是多区系统，问题往往表现为过渡季室温太高或太低，由于系统最初的设计就不合理，因此这种问题无法依靠改进运行方式来解决。
　　 此外，长江流域以南地区对室内环境要求较高的建筑的冬季空调设计也是一个需要研究的问题。成其对于一些早晚需要供热而日间需要供冷的建筑物或间歇使用的建筑物来说，显然动态的负荷分析方法比稳定传热分析法更为合理。
　　 综上所述上所述，在空调设计中，我们会面临这样的问题：如何确定冷冻机或热水锅炉的台数和规格？如何确定供冷或供暖的开始时间？风机盘管加新风系统是否能满足过渡季的要求？有无必要采用四水管系统？如何避免不合理的设计造成的优化运行无法实现？等等。传统的设计方法无法回答这些问题。
　　 为了解决这一问题，很有必要在现代建筑空调设计中采用建筑能耗全年模拟分析的方法。尽管目前国内外已有很多成熟的软件可供使用，但这些软件的使用方法和输出的结果均太复杂，不便于建筑设备工程师在设计中使用。因此必须寻求一条途径来缩短建筑模拟研究与实际设计工作之间的距离，使设备工程师能够把建筑动态模拟的成果用于工程设计。
　　 本文提出一种基于建筑负荷动态模拟的全年双负荷曲线分析法，就解决上述问题进行探讨，并给出设计实例。
　　
2 建筑物全年双负荷曲线分析法
　　
　　 建筑物全年双负荷曲线分析法简称TLCA（Twin Load Curves Analysis）法，它是以当地全年气象数据（包括温湿度与太阳辐射照度的逐时值）为计算基础，逐日对全年365日建筑物与外界换热及室内产热之和的最大值与最小值进行计算。每个区域全年计算的结果均为两条曲线：每日最大冷负荷Q_max曲线和每项日最小冷负荷Q_min曲线。对于室内最大与最小得热时间无法预测的房间来说，最大冷负荷是在假定室内产热为可能的最大值条件下计算所得，最小冷负荷是在假定室内产热为可能的最小值条件下求得。这样实际的负荷必定在这两曲线之间的范围内变动。如果冷负荷值为负，其绝对值的大小即代表了热负荷的大小。因此Q_max曲线的正值部分代表了全年的逐日最大冷负荷，Q_min曲线的负值部分代表了全年逐日最大热负荷。两条曲线均处于0值时，则表示建筑物在该时间段内不需要供冷或供热。因此这两条曲线就能够反映空调区域何时需要进行空调，两条曲线间的区域代表了空调系统可能采取的运行状态。例如某日的Q_max为正而Q_min为负，即意味着在这一天当中，空调系统既可能需要进行供冷也可能需要供暖。见图1。
　　
　　　　　　　　　　　　图1 A区演播室全年空调负荷
　　
　　 最大冷负荷Q_max是由可能的室内产热量、围护结构传热和新风得热之和的最大值决定的，而最小冷负荷Q_min是由可能的室内产热量、围护结构传热和新风得热之和的最小值决定的。因此新风负荷是一个很重要的部分，新风量应依据最小能耗的原则根据室内外空气参数间的关系来确定，或根据具体情况将新风百分比确定为某个值。例如风机盘管加新风系统的负荷就是围护结构负荷、室内产热负荷加全年新风量固定的新风机组的空气处理负荷；而全年空气系统的新风负荷的确定就复杂得多，因为为了减小过渡季的能耗，全年的新风量可能是变化的。其新风量的确定原则可以是：
　　(1) 如果t_out＞t_n，h_out＞h_n或有 ，采用最小新风量，则QL=Q^bldg+Q^int+Q^v
　　(2) 当 ，改变新回风百分比来得到合适的送风温度，可使得QL=0
　　(3) 如果，则采用最大新风量或全新风来减小冷负荷。
　　 上式中t代表空气温度，℃；h代表空气焓，kJ/kg; Q代表分项负荷，kW；C是最小新风百分比；QL是总冷负荷，kW。下标out代表室外空气，n代表室内设计状态，s代表送风设计状态，bldg代表围护结构，int代表室内产热，v代表新风或室外渗透空气。
　　 建筑物的双负荷曲线可根据应用目的与精度的不同通过不同途径产生，也就是说既可以由详细的建筑热模拟软件产生，也可以由一组简化的公式来求得，例如用室外综合温度求围护结构负荷，用冷负荷系数法求室内得热冷负荷等。
　　 求取双负荷曲线时，每日只需获取两个值即最大空调冷负荷或最小空调热负荷Q_max与最小空调冷负荷或最大空调热负荷Q_min。即全年需要获取365×2个数据并形成Q_max和Q_min两条全年变化曲线。
　　 根据上述方法对整个建筑物各区域全年365天的最大与最小空调负荷进行计算，每个区域都可得出一对Q_max和Q_min曲线。则Q_max的全年最大值决定了空调机组表冷器的容量，Q_min的全年最小值决定了空调机组空气加热器的容量。将整个建筑物所有空调系统的Q_max正值部分累加可得出Q_max⁺曲线，将整个建筑物所有空调系统的Q_min负荷部分累加可得出Q_min^-曲线。两条曲线的空缺部分（例如整个建筑没有Q_min负值部分）均可用0补齐。虽然采用同样方法也可以求得Q_max^-和Q_min⁺，但实际上只有Q_max⁺和Q_min^-在全年负荷分析中有用。下文图4中给出了按上述步骤得出的两条总负荷曲线。需要注意在累加时需考虑同时使用系数。
　　 对这两条总负荷曲线进行分析，可确定建筑物的设备容量配置与运行方案。例如可以确定冷热源切换的最佳时间，水系统是否需要采用四管制，以及如何决定冷水机组的台数、大小以及型式等。实际上这是把一种简化了的全年负荷动态模拟方法用于空调系统设计，与常规的稳态的设计方法的出发点不同。

图4 空调总负荷

　
图5 内区B全年空调负荷曲线

图8 实例2的室外空气温度

图9 实例2的室外空气焓

图10 K-1系统负荷

图11 K-2 系统负荷