围护结构冷负荷快速计算方法研究

龚光彩 尹丹 吴蓉 王平 傅沐书 龚思越

湖南大学土木工程学院

0 引言

自20世纪70年代以来，节能问题逐渐得到世界各国的重视。据预测，现代建筑中空调系统的能耗至2020年将占整个建筑物能耗的30%～50%[1]，能耗问题十分严重。而建筑物的负荷计算是空调系统设计的基础，其计算是否准确直接影响着室内舒适性以及系统的初投资和运行费用。

随着计算机技术的迅速发展，软件计算已经成为了空调系统设计中负荷计算的主要方式。Doe-2，Energy-plus，DeST等大型能耗模拟软件，以及鸿业，天正等负荷计算软件得到了广泛的应用。大型的能耗模拟软件虽然可以得到详细的负荷计算数据，其局限于建模和计算的时间过长，且需设计员具备熟练的操作能力。国内的负荷计算软件，则需逐个房间设定参数计算。当房间数目过多时，操作繁琐，在空调系统设计初期无法达到计算快速的目的。

为了完善负荷计算中的问题，国内外学者做了许多的研究。Gang W[2]等对冷负荷计算的不确定因素对建筑冷却系统设计优化的影响做了一定的研究。Ghiaus C[3]探讨了计算热负荷和冷负荷的热平衡法的因果关系问题。Chen T,Cui M[4]提出了一种直接连续计算间歇峰值冷负荷的RTS方法。针对我国的实际情况，张萍[5]得出了高层综合办公建筑的空调设计负荷概算指标体系。管厚林[6]以矩形形状、核心式平面布局这类常见的高层办公建筑为例给出办公标准层的空调冷热负荷指标等。顾小松[7]以辐射时间序列法的计算值为标准改进了太阳辐射模型及墙体得热模型并且形成软件。周娟[8]提出了将辐射时间序列法和频域回归法相结合的空调负荷计算的新方法。王朋[9]改进了辐射时间序列法构建的空调负荷分析模型，并编写了动态负荷的计算软件。李青燕[10]根据德国建筑节能标准阐述的建筑全年能耗简化方法，编写了能耗模拟软件SCBEC。

由此可见，国内外学者在负荷计算方面做了很多研究。然而，部分研究明确地规定了建筑类型，不具有普适性。且现今大部分读者都认为用比较简单的单因素的方法来概括计算结果的普适规律是不可行。本文则从工程设计角度，建立了一套适用于各类建筑的，有一定准确性又快速的负荷计算方法，形成了一个快速又相对精确的软件工具。这一工作对工程设计负荷快速计算及建筑节能都具有理论和实际意义。

1 围护结构冷负荷快速计算方法

建筑夏季空调冷负荷包括围护结构部分冷负荷，室内热源及设备冷负荷和门窗渗透冷负荷，而其中计算最繁琐的为围护结构部分冷负荷。由于建筑内部结构复杂，存在非空调的房间和区域，各空调房间及空调区域的设计温度也可能不同。且研究表明[5]，建筑内围护结构部分的冷负荷仅为围护结构总冷负荷的 5%～10%，即建筑外围护结构的冷负荷乘上1.05～1.10的修正系数就可得到总围护结构的冷负荷。

故本文在此提出了围护结构冷负荷快速计算方法，该方法基于冷负荷系数法建立其理论模型，文中不再赘述，仅介绍围护结构冷负荷快速计算方法对建筑围护结构部分的创新性处理。围护结构冷负荷快速计算方法将建筑外围护结构抽象为一个整体，考虑到冷负荷空间分布的不均匀性，按朝向计算外围护结构冷负荷，不再单独计算内围护结构的冷负荷。本文提出了冷负荷修正系数这一概念，用以修正围护结构部分冷负荷计算时不单独计算内围护结构冷负荷的误差，其定义如下：

式中：cl为冷负荷修正系数；CLn为内围护结构冷负荷，K W；CLw为外围护结构冷负荷，kW。

1.1 建筑外围护结构单位面积冷负荷影响因素分析

1.1.1 正交试验安排

以长沙某办公建筑为例，该建筑南北朝向，占地面积96m2，层高3.6m，除库房，楼梯和走廊外，其余房间均为空调房间（图1）。

图1 长沙某办公建筑平面图

影响建筑外围护结构冷负荷的因素主要有：建筑围护结构朝向、外墙类型、外窗类型、建筑窗墙比、内遮阳、室内设计温度等[11-12]。本文以该六种影响因素为分析对象设计正交试验，通过计算建筑各个朝向外围护结构单位面积冷负荷，来分析影响建筑外围护结构冷负荷各因素的最佳组合及影响的主次顺序。

各影响因素如表1所示，表2[13]和表3[13-14]分别为墙体和窗玻璃的参数。

表1 各影响因素及水平

表2 外墙体参数

表3 窗体参数

不考虑朝向的各因素间的交互作用，故在此选用正交表L16(45)[15]，各组合计算的结果如表4所示。

表4 正交试验数据

1.1.2 正交试验结果分析

试验结果表明，第2组合为最佳组合方案，第3组合次之，第6组合为最差组合方案，其次则为第11组合。

表5表示了八个朝向下分别导致的结果之和K与极差ΔK的值。由表5可知，建筑朝向为南、北时的K值最小，即该朝向时建筑的围护结构冷负荷有最小值。表6表示了南朝向时其他的因素对建筑外围护结构单位面积的冷负荷值的影响。比较结果可得：因素“朝向”产生的极差ΔK最大，为1129，即建筑的朝向对其围护结构冷负荷值的影响最大，是关键因素[15]。其次是外窗类型，外墙类型极差最小，为次要因素。排出各因素的主次顺序为：朝向＞外窗类型＞窗墙比＞内遮阳＞室内设计温度＞外墙类型。

表5 因素“朝向”导致结果之和与极差数据表

表6 南朝向其他因素导致结果之和与极差数据表

1.2 冷负荷修正系数的计算

本文选取规模分别为8层、16层、24层、40层的建筑。根据正交试验得到的结果，分别计算其最优组合（2），次优组合（3），最差组合（6）和组合（11）下各个城市的冷负荷修正系数。对于某一城市而言，建筑围护结构冷负荷修正系数=基准值+朝向修正值+层高修正值。

对于基准值的计算，针对某一城市，每种规模的建筑计算8个朝向的冷负荷修正系数，则4种规模的建筑可计算得到32个值，取其平均值为基准值。

对于朝向修正值的计算，某一指定城市，某一特定朝向时，计算4中不同规模的建筑在该朝向的冷负荷修正系数，并取其平均值，则该平均值与基准值的差值即为该朝向的修正值。

同理，对于层高修正值的计算，针对某一城市某一规模典型建筑，可计算得8个不同建筑朝向的冷负荷修正系数，该 平均值与基准值的差值即为该城市建筑围护结构冷负荷修正系数的层高修正值。

以长沙为例，表7是在4种不同规模建筑8个朝向情况下采用最优组合（2）计算得到的32个建筑围护结构冷负荷修正系数值，其算术平均值 1.084作为长沙的冷负荷修正系数基准值。从表7中可看出，层高修正值很小，即层高的变化对建筑围护结构的冷负荷修正系数的影响很小。

表7 长沙冷负荷修正系数

同理，采用最优组合（2）计算出其他各城市的冷负荷修正系数，比较计算结果可知，各个城市建筑的层高修正值相对朝向修正值而言非常小。故本文在此忽略建筑层高的影响。故各城市建筑围护结构冷负荷修正系数=基准值+朝向修正值。

为修正不同组合情况产生的误差，采用同样方法计算组合（2），组合（3），组合（6）和组合（11）时各个城市的冷负荷修正系数。将该四种组合下计算得到的各城市的4个基准值取平均定为该城市的基准值，各朝向的 4 个修正值取平均成为对应城市该朝向的修正值。各城市冷负荷修正系数的推荐值如表8所示。

表8 各城市冷负荷修正系数推荐值

2 基于围护结构冷负荷快速计算方法的软件设计

根据围护结构冷负荷快速计算方法，以Access 和VBA为工具编写程序，制作了一个冷负荷快速计算软件。该软件主要包括建筑基本设置及计算、计算结果输出两大部分。软件的操作简便，具有良好的图形化界面，输入参数少，计算速度快，且计算结果内容丰富、用途广泛。

2.1 建筑基本设置及计算

打开软件即出现冷负荷计算的开始界面，而“室内设置”及“围护结构”则在该界面的两个选项卡上。“室内设置”界面主要包括夏季室内设计温度、相对湿度、空调面积、室内人员、新风量、设备、照明等参数设置。“进入室内的时间”及“在室内的总时间”的数据则根据该建筑功能的选择自动更新。室内热源散热形成的负荷则根据用户的需要自行选择是采用动态计算方法还是稳态计算方法。“围护结构”界面如图2所示，主要包括建筑朝向设置、外墙、屋顶、外窗、天窗等参数设置。设置完各项冷负荷对应的参数即可完成计算，不需要所有参数设置完再统一计算，这样方便了用户根据自己的需要来灵活运用。

图2 “冷负荷计算”窗口—“围护结构”选项卡

2.2 计算结果输出

冷负荷快速计算软件计算结果内容丰富，包括外墙、屋顶、外窗、天窗、新风、室内人员、室内照明、室内设备等分项的冷负荷，还包括夏季典型日全天逐时的冷负荷值及对应的曲线，建筑室内湿负荷、热湿比、窗墙比等。同时，该软件还计算了单位建筑面积的冷负荷值、单位空调面积的冷负荷值、体形系数，通过这些参数快速的对建筑能耗进行预测。其中窗墙比分析界面如图3所示。

图3 “窗墙分析”窗口

3 典型实例分析

以长沙市某办公建筑为例，该建筑南北朝向，建筑面积为4680 m2，共7层，层高为3.6 m。建筑外墙和屋顶均为Ⅲ结构类型。外墙传热系数为0.56 W/(m2·K)，内墙为1.6 W/(m2·K)，屋顶为0.89 W/(m2·K)，外窗为3.4 W/(m2·K)，玻 璃外门为3.5W/(m2·K)。室内“极轻劳动”状态56人，“轻 度劳动”状态324人[13]。电子设备参数 679 21 W，电热设备1939W，暗 装荧光灯42129W。该建筑内工作时间为8:00～18:00。

为证明冷负荷快速计算软件的可行性与准确性，本文从围护结构部分冷负荷、室内热源形成冷负荷、不含新风冷负荷的建筑冷负荷、含 新风冷负荷的建筑冷负荷这四个方面分析比较了冷负荷快速计算软件、冷负荷系数法、鸿业软件、DeST软件计算所得的冷负荷值。

3.1 围护结构冷负荷

图4是典型日的围护结构部分冷负荷比较曲线，表9统计了四种不同计算方法所得到典型日的建筑围护结构逐时的冷负荷峰值以及其出现的时刻，同时分析了峰值的相对误差。由图4可看出，四种不同计算方法所计算得到的该建筑夏季典型日冷负荷分布趋势基本一致。

图4 围护结构冷负荷曲线比较

表9 围护结构冷负荷峰值比较

从表9中可看出，围护结构冷负荷的峰值及出现的时间均存在一定的误差，其中峰值的最大误差为2.8%。各种计算方法计算结果的误差主要是由各方法的计算原理和采用的气象数据不同所导致的。

3.2 室内热源散热形成的冷负荷

图5为室内热源散热所形成的冷负荷的典型日逐时冷负荷比较曲线，表10统计了四种不同计算方法所得到的该部分负荷的峰值及其出现的时间。由图 5可看出，各计算结果趋势一致，且冷负荷快速计算软件与冷负荷系数法所得的值一致，两曲线已重合。从表10可看出四种方法存在着误差，且最大误差已达到7.3%。误差主要原因为：对于室内热源部分，鸿业软件和DeST对室内设备及人员数量进行了一定的处理。

图5 室内热源散热形成冷负荷曲线比较

表10 室内热源散热所形成冷负荷的峰值比较

3.3 建筑总冷负荷（不含新风冷负荷）

图6为各计算方法对于不包括新风冷负荷的建筑冷负荷的典型日逐时计算结果比较曲线。由图可看出，各计算结果趋势基本一致，且由于该建筑为办公建筑，室内热源的散热量所占比例较大，该曲线与图5的趋势基本一致。

表11为对应的典型日负荷峰值及出现的时间，且同时分析了峰值的相对误差。由表可看出，冷负荷快速计算软件与鸿业软件相比有最大误差，已达到5.9%。该部分误差主要是各计算方法处理围护结构和室内热源散热的冷负荷的方法不同所致。

图6 建筑总冷负荷（不含新风冷负荷）曲线比较

表11 建筑总冷负荷（不含新风冷负荷）峰值比较

3.4 建筑总冷负荷（含新风冷负荷）

图7是各计算方法从 8:00～18:00 时刻计算所得总冷负荷值曲线。表11为对应的负荷峰值及误差分析。从图表中可看出，冷负荷快速计算软件与其它软件及方法计算所得结果趋势一致，以冷负荷系数法计算结果为参照，得本软件的误差为5.2%。误差产生的原因除前述，在该部分还因为对新风负荷的处理方法不同。鸿业计算软件、冷负荷快速计算软件、DeST 软件采用的是逐时动态计算方法，而冷负荷系数法采用的为稳态计算方法。

图7 建筑总冷负荷（含新风冷负荷）8∶00～ 18∶00 曲线比较

表12 建筑总冷负荷（含新风冷负荷）峰值比较

总体来讲，通过上述比较，可看出本文的冷负荷快速计算软件与其它各软件和算法计算结果差别不大，整体趋势基本一致，可以为工程所接受，故本软件是可行的。

4 结论

本文以冷负荷系数法为基础，提出了围护结构冷负荷快速计算方法。主要结论如下：

1）将建筑外围护结构视为一个整体，以简化围护结构冷负荷计算为重点，提出了冷负荷修正系数的概念，同时计算了各个城市推荐值。以此编写了一个冷负荷快速计算软件，该软件操作简便、计算结果内容丰富，实现了冷负荷计算快速准确的目的。

2）以长沙某办公建筑为例，比较了冷负荷快速计算软件与鸿业软件，DeST 软件以及冷负荷系数法在冷负荷计算方面的误差。结果表明存在着一定的误差，但误差在允许的范围内，证明了软件的可行性。

3）本文所涉及的建筑模型要求相对规整，对某些外形复杂建筑如复杂中庭建筑等可开展进一步的研究，冷负荷修正值系数的数值及样本也可在工程实践中进一步丰富和完善。