【摘要】深圳文化中心特殊的功能、复杂的拓扑结构和重要的地位使得需要对它进行全年冷热工况的分析，空调系统需满足夏季最热、冬季最冷以及过渡季的舒适性要求和节能运行的要求。传统的负荷计算方法只能得到夏季最热、冬季最冷时的负荷，无法得到其它时间建筑的冷热需求，尤其无法分析过渡季利用新风给室内降温这一重要的节能措施，难以满足该工程的要求。只有对建筑全年冷热工况逐时进行分析，才能达到预期目的，满足工程要求。建筑热环境设计模拟软件包DeST能够对建筑物全年8760 小时冷热工况的进行模拟分析，本文采用DeST对深圳文化中心的全年的冷热工况进行了模拟分析，研究了其全年冷热负荷的特点，从节省能源消耗的角度给出了空调系统划分建议和全年新风运行策略。
【关键词】模拟分析 DeST 全年冷热工况 节能运行
1. 工程特点
深圳文化中心是深圳文化局筹建的工程项目，建筑方案由日本矶崎新设计室设计，施工图由北京市建筑设计院深圳分院设计。深圳文化中心由两个单体建筑组成，一个是图书馆，建筑面积40885 m2，另一个是音乐厅，建筑面积22436 m2，建筑共八层，高40m。下图是深圳文化中心的总平面图。
图1. 深圳文化中心总平面图
深圳文化中心是功能特殊、空间结构复杂、有着重要地位的建筑，它的下述特殊之处使得有必要对它的冷热工况进行特殊计算和分析：
- 使用功能特殊。深圳文化中心由图书馆和音乐厅两栋建筑组成，这两种使用功能都比较特殊，不是常见的商业建筑类型，其冷热需求也有着与众不同的特殊性。例如，音乐厅总照明配电功率为300kw，其面积为2173m2，平均141w/m2，远超过常规商业建筑20～40 w/m2的照明配电功率。直接把这300kw看成室内的余热量是不合理的，因为这些照明设备并不同时使用，并且有一半左右的热量以辐射方式散出，这些辐射热量并不直接形成冷负荷，有一定滞后。
- 空间拓扑结构复杂。图书馆和音乐厅东向外墙为曲线形并且向内倾斜的玻璃幕墙，入口门厅为从2层到7层贯通的高大中庭，门厅的屋顶由多个多面锥形的玻璃顶组成。音乐厅为从2层到6层向外伸展的碗状空间。音乐厅和阅览室的屋顶是带架空隔热层的悬链梁保温屋面，并且自东向西成弧形升高。
- 地位重要。深圳文化中心是深圳文化局筹建的重要文化设施，是当地的标志性建筑之一，有非常重要的地位。
上述的特殊性使得难以用传统的计算方法分析深圳文化中心的冷热特性，并且其重要地位需要对它的全年冷热工况进行详细分析，只计算最大冷热负荷难以满足工程要求。因此北京市建筑设计研究院委托清华大学分析深圳文化中心的全年冷热特性，我们采用清华大学空调教研室开发的建筑热环境设计模拟软件包DeST[1]模拟分析深圳文化中心的全年冷热工况，希望能对空调系统设计提供建议和指导。
2. DeST及模拟分析简介
2.1.DeST简介
DeST（Designer’s Simulation Toolkit）是采用清华大学江亿教授提出的状态空间法[2]为模拟算法，采用典型的室外气象条件来模拟分析建筑热环境。DeST以AutoCAD R14.0为操作平台描述建筑拓扑结构，对于已知信息采用实际参数，对于未知信息采用理想参数，这样不需用户输入太多参数，并能解决方案阶段许多未知信息无法处理的问题。分析建筑物全年的冷热工况，并在此基础上得到建筑物的能耗和空调系统的全年运行策略，是传统方法得不到的，而模拟分析则可以弥补传统计算方法的这一不足，提供设计所需要的数据。
2.2. 采用DeST模拟分析的步骤
2.2.1. 建立建筑模型
首先在DeST界面内按照建筑的尺寸和形状输入外墙、内墙，添加门窗，描述建筑的拓扑结构。下图显示了DeST建立建筑模型过程中的一个图片：
图2. DeST建模界面
用DeST建立建筑模型时，可以用复制生成楼层的按钮生成新的楼层，并且最好尽量使用该命令生成新楼层，一是可以加快绘图速度，二是可以减少不必要的错误。绘图时还需尽可能地将功能相同的相邻房间合并一个大房间，这样可以减少房间数目，加快模拟计算的速度，而又不影响计算结果的准确性。下图显示了使用DeST建立的音乐厅模型的一个平面图和轴侧图。
图3. DeST建筑模型示例
对于音乐厅这种高大空间，我们在建立模型时进行了适当的简化，以求较为准确的反映实际情况。简化的方法是将音乐厅按照周围房间的楼层高度分成多层，相邻层之间设置了比较接近实际自然对流工况的2次/h 的换气次数。
2.2.2. 设定计算参数
建筑模型建立完成后需要设定计算参数，包括定义建筑物的地理位置、维护结构类型、室内热扰参数、房间功能、室内设计参数、全年内扰及空调作息模式等。对于该工程，我们采用如下参数进行计算：
|
|
室内温度
（℃） |
相对湿度
（％） |
人员密度
（人/m2） |
照明功率
(W/m2) |
设备散热量
（W/ m2） |
新风量
(m3/h.人) |
|
音乐厅 |
20～24 |
40～60 |
2000人 |
300KW |
3KW |
15 |
|
多功能厅 |
20～24 |
40～60 |
450人 |
420KW |
0 |
15 |
|
演员休息厅 |
20～24 |
40～60 |
0.2 |
40 |
0 |
20 |
|
办公室 |
20～24 |
40～60 |
0.16 |
40 |
20 |
20 |
|
餐厅 |
20～24 |
40～60 |
0.5 |
40 |
0 |
20 |
|
厨房 |
20～24 |
40～60 |
0.2 |
30 |
60 |
25 |
|
阅览室 |
20～24 |
40～60 |
0.11 |
30 |
0 |
20 |
|
报告厅 |
20～24 |
40～60 |
450人 |
120KW |
1.5KW |
15 |
|
职工活动室 |
20～24 |
40～60 |
0.5 |
30 |
0 |
40 |
|
书库 |
20～24 |
40～60 |
0.05 |
30 |
0 |
20 |
|
会议室 |
20～24 |
40～60 |
0.5 |
20 |
0 |
30 |
|
职工食堂 |
20～24 |
40～60 |
1 |
15 |
0 |
20 |
音乐厅、音乐厅小厅、图书馆报告厅的照明按照功率特别大，折算到平米指标音乐厅为140 w/m2，音乐厅小厅为840 w/m2，图书馆报告厅260 w/m2。如果直接按照此照明功率数计算，显然是不合理的，因此我们参考《影剧院空调设计》[3]并考虑了排风直接带走热量的影响作用，按照实际照明安装功率乘以相关系数，如下式：
N＝B1 B2 B3 B4∑n
式中：
N——照明计算功率；
B1——灯具同时使用系数，取0.7；
B2——灯具调光系数，取0.6；
B3——灯具位置系数，取0.4；
B4——排风影响系数，考虑灯具散热量中的50％为对流散热，这部分热量集中在吊顶处，对于从上部回排风的系统，有一部分对流散热量直接被排风带走，一般空调系统的排风比为20％，故该系数取0.9；
∑n——照明安装功率。
2.2.3.模拟计算
完成上述工作后，DeST就可以模拟计算出建筑物全年的冷热工况，包括全年逐时基础室温（指房间没有空调时在外扰和内扰作用下将达到的温度值）、逐时冷热负荷、空调箱逐时冷热耗量、全年逐时最佳的新风比。这正是该工程所需要而使用传统计算方法不能得到的数据。
3. 计算结果分析
3.1. 全年负荷曲线
我们将音乐厅全年逐时负荷统计出每天的平均负荷，绘成曲线如下图所示。同时我们统计出空调箱平均每天的需冷机提供的冷热负荷，也绘成曲线列在下图中，以方便比较。
图4. 音乐厅冷负荷与 制冷量的比较
从上面的曲线可以看出两点结论：
- 在过渡季空调箱几乎不需要提供冷量，完全用新风就可以使室内温度降到设计温度。从全年总耗冷量来看，需要的供冷量只占房间需冷量的50％左右，其余50％的冷量可由室外低温新风供给。所以过渡季充分利用新风，不仅可以降低能耗，而且可提供室内空气质量。而许多工程在设计时未考虑到过渡季全新风运行的工况，而只是按照夏季最热工况，按最小新风量设计新风管道和空调系统，使得过渡季无法充分利用新风，并且这种情况的工程实例还比较多，所以在这里要提醒设计人员注意一定要设计可以按全新风工况运行的空调系统。
- 全年平均负荷只为最大负荷的50％，而空调设备是按照最大负荷选择的，空调设备大部分时间是运行在低负荷工况，空调系统设计时要充分注意一点，需要考虑系统的可调节性，让系统在低负荷工况下仍可较高效率运行。
3.2. 冬季供热需求
从全年热负荷计算结果来看，从3月初到11月底基本没有热负荷，其余时期最大热负荷只有16～31W/m2，下表为不同供热指标时室内温度小于20℃的小时数所占的百分数。
音乐厅供热不满足率变化表
|
供热指标(W/M2) |
20 |
10 |
5 |
1 |
0.5 |
|
不满足率(%) |
0.05 |
0.26 |
0.79 |
5.41 |
9.33 |
图书馆供热不满足率变化表
|
供热指标(W/M2) |
10 |
5 |
1 |
0.5 |
0.1 |
|
不满足率(%) |
0.05 |
0.16 |
2.29 |
3.88 |
7.48 |
由上表可看出，音乐厅每平方米供热量为1W/m2时，只有5.41%的时间室温低于20℃，图书馆每平方米供热量为0.5W/m2时，只有3.88%的时间室温低于20℃。
3.3. 全年新风运行策略
当室外新风焓值小于室内设计值时，就应充分利用新风为室内降温，而不应维持只满足卫生要求的最小新风量。下图显示了音乐厅充分利用新风实现节能运行时模拟计算得到的全年新风运行策略。
图5. 音乐厅全年新风曲线
从上图可看出，全年只有10％左右的时间按最小新风量运行，约有20％的时间可以全新风运行，因此空调系统一定要设计成能按全新风运行的系统。
4. 结论
通过以上的分析，可以总结出以下结论：
- 全年平均负荷只有最大冷负荷的50％左右，空调系统设计一定要考虑到低负荷运行的情况，保证空调系统在低负荷下仍保持较高效率。
- 在深圳地区，室内需冷量的50％可以通过利用室外低温新风来供给，这样可大大降低冷机制冷量，减少能耗。
5. 参考文献
[1] 陈锋，邓宇春，薛志峰，吴如宏，建筑人工环境设计模拟工具包DeST， 暖通空调，1999年第4期，pp58~63
[2] Jiang Yi, State-space Method for the Calculation of Air-conditioning Loads and the Simulation of Thermal Behavior of the Room, ASHRAE Transactions, 1981,Vol.88(2)，pp122-132
[3]李惠风，王鸿章，影剧院空调设计，中国建筑工业出版社，北京，1991
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