基于DEST广州地区阴凉库冷负荷模拟计算研究

牛冰

（广州市城市规划勘测设计研究院，501800）

0 引言

近年来，随着我国医药流通规模的不断扩张，后疫情时代，人们对医药物品的需求日益扩大，医药仓储类建筑的面积也在逐年增加，医药物流呈现出一定的后发优势，医药冷链的快速增长也带动了我国建筑领域用能与排放的持续增长［1］。2018年全国建筑建造和运行用能占全国总能耗的37 %，相关CO2排放占全国社会总CO2排放量约为42 %［2］，这其中建筑运行阶段能耗占比为23 %，CO2排放占比为20 %。而在建筑运行能耗中，50 %～ 60%的能耗用于建筑的制冷或采暧［3］，能耗比较大［4］。雷博等人探讨了夏热冬暧地区空调负荷特性，认为环境内部空间大，空调使用时间长，全年的用能消耗量大，研究HVAR系统能耗特性，降低HVAR系统能耗，节能潜力巨大［5］，因此，发展节能环保的供热、供冷技术对实现建筑领域节能减排具有重要的现实意义。

阴凉库是冷库家族的一员，常被用来储藏药品，在《药品经营质量管理规范》（GSP）中规定：“阴凉库是指不超过20 ℃且太阳不能够直射到的库房位置。”即：库房温度为0～20 ℃，相对湿度保持在45～75 %Rh之间且太阳不能够直射（避光）的保存仓库被称之为阴凉库。阴凉库主要用来存放原料、药品（中药和西药）、原料药品等。故药品物体所含的物质品质影响到药品使用者的生命安全，保存药品温湿度等室内空气控制尤为重要。贮存药品的低温库、阴凉库主要用来保证药品的品质和药品使用者的用药安全，药品在低温冷藏的条件下可以延缓失效或者降解的时限［6］。

1 模拟方法及模拟软件

自1960年以来，建筑分析模拟软件出现了许多，一类称为HVAR系统仿真软件，主要用来对空调系统中各个部件控制过程的仿真；另一类是能耗模拟为主的建筑软件，这种建筑软件主要用来对特性建筑和同类事物按一定关系组成的整体进行动态的分析模拟，主要以清华大学研究开发出的DeST C Designer's Simulation Tool软件为主代表，是基于自主知识产权的建筑与系统动态模拟一类分析软件［7］。

本文采用DeST-C对医药阴凉库的空调系统进行性能模拟。该软件开发时以分阶段设计和模拟，将模拟过程分为建筑物热特性分析、建筑室内外环境全工况状态进行模拟，得出冷负荷变化分布状态［8］， 用于设计或优化建筑的能源系统［9］。软件以气象统计数据为基础，采用的模拟方法为“理想化”，在这个模拟的基础上对后续阶段的部件特性进行处理，得出并保证同类事物按一定关系组成的整体的控制效果。

2 阴凉库建筑模型边界设置

2.1 阴凉库建筑模型建筑性能设置

拟进行阴凉库空调系统性能模拟研究的建筑模型以广州地区的药品阴凉库为参照原型，采用其阴凉库假想模型，模型共3层，层高6米，每层建筑面积2500 m2，开间100 m2，进深25 m2，建筑总面积7500 m2，南北朝向。每层建筑空间分为药品仓（仓库）及库房、走道等其他空间（辅助区），其中药品仓为空调区，每层为2165 m2，库房、走道等其他空间为非空调区，每层为335 m2，总建筑空调面积为6495 m2。阴凉库建筑模型的结构参数如表1所示。

表1 阴凉库建筑模型的建筑性能参数

2.2 阴凉库室内参数设置

Dest模拟软件中，按照维护结构建立建筑模型，还需设定库内热源、人员、设备、灯光等具体工况［10］，具体详见表2所示。

表2 阴凉库热内源情况

2.3 广州市气候条件

广州属于南亚热带季风海洋性气候，温暖、多雨、湿润，夏长冬短，夏季长达半年之久。四季气候可概括为，夏少酷热，冬无冰雪，春常阴雨，秋高气爽，且高温时间持续较长。因此对广州地区的阴凉库空调系统进行研究有一定的的实用价值。选取广州地区的室外气象条件为设计边界参数进行模拟，夏季空调室外计算参数选取通风温度为31.8 ℃，湿球温度为27.8 ℃，干球温度为34.2 ℃。

2.4 系统模型建立

与一般室外湿度计算方法不同，以自然室温为桥梁，将环境控制系统和建筑物联系起来，模拟生成逐时气象参数，并对数据进行统计分析，通过对模拟结果进行整理与分析［10］，得出广州市日平均干球温度分布（如图1所示）、广州市逐时太阳辐射量（如图2所示）等参数。

图1 广州市日平均干球温度

图2 逐时太阳辐射量

将全年分为空调季与非空调季，如图1可以看出， 广州市7月和8月份的气温最高，1月和2月份温度最低，存在明显的季节特征。从图3和图4中可以看出，广州市最高温度在7月，温度最高可达36 ℃，最低温度在1月，最低达6 ℃左右，说明存在明显的季节特征。

图3 广州市最热月温度

图4 广州市最冷月温度

从广州市全年温度分布图（图5所示）中可以看出广州地区温度处于25～30 ℃的时间超过2500个小时，温度处于20～25 ℃的时间可达2300个小时，而温度处于10～15℃和15～20℃的时间也比较长，分别超过1300个小时和1400个小时，属于典型的夏热冬暧气候。另外，夏热冬暧地区湿度较大，相对湿度一般为75 %～95 %，广州市年最热月平均相对湿度达到了83 %。由此可见，广州市相对湿度较大，空调降温的时间较长，对其需求较大，用来室内降温和除湿的用电能耗将是建筑能耗中的最主要的部分。

图5 广州市全年温度分布

2.3 阴凉库建筑模型室内通风模型设置

本模拟中，通风类型分为三种，分别为辅助区与仓库之间的通风、仓库与室外之间的通风以及辅助区与室外之间的通风。辅助区与仓库之间的通风全年设为定值，为基准0.5次/h。仓库与室外之间的通风为可调节的方式，调节范围为1次/h至4次/h。在负荷计算时，当室外空气小于室内要求温度时，有限采用通风的方式排除余热、降温。辅助区与室外之间的通风通过定义逐时换气次数的方式进行设定，其在夏季夜间换气次数设定为2次/h，其余时间均为0.5次/h。

3 阴凉库建筑模型负荷模拟计算

建筑物的边界和参数指标设置完成后，可以对生成的建筑进行预措置和解决，然后进行建筑物体背光一面及其影子解决和建筑物体采光的措置和解决，最后进行建筑能耗模拟计算与定性分析。通过DeST中输出的计算结果，阴凉库全年8761个小时的逐日最大冷负荷，分析如图6所示。

图6 模型全年逐日最大冷负荷分布

图6可以分析得出，阴凉库模型的全年逐日最大冷负荷波动不大，主要负荷率在90 %以上的时间基本都集中6月，7月8月和9月的负荷率基本都在90 %以上，日最大冷负荷率在70 %-90 %的时间出现在6月中旬、7月中旬、8月中旬和9月，负荷率在50 %-70 %的时间主要在4月下旬，5月上旬和10月中上旬，基本无非空调季节。

从图7中可以看到，模型大部分时间处于部分负荷的情况下，在全年范围内，负荷率不到10 %的时间最长，有2151个小时，占全年24.6 %的时间，其次是20 %～30 %和30 %～40 %，时间基本上都在1130个小时左右，占全年13 %的时间。而负荷率在90 %～100 %的时间最短，只有100个小时，仅占全年的1 %。

图7 模型全年冷负荷分布图

4 结论与分析

本文全年用冷能耗模拟计算采用DeST软件，通过气象边界的设定和负荷模拟计算的分析与总结，得出以下结论：

（1）从DeST对气象边界模拟分析可以看出，药品阴凉库全年制冷所需的负荷波动较大，但药品阴凉库内所需消耗的制冷能量变化与室外基础温度变化维持大约一致，由此可知库内所需消耗的制冷能量变化和室外基础环境的变化存在某些密切联系。药品仓库库内所需消耗的制冷能量变化的特征在一定程度上决定了仓库的能量消耗特点，为了提高阴凉库的节能效率和节碳量，有必要分析阴凉库的的负荷特征变化。

（2）在大部分时间状态下，空调系统运行冷负荷小于全年负荷最大值的50 %，按以往工程设计中参照最大逐时负荷决策所需冷源设备的大小，实际运营所需的制冷负荷却远小于参照的最大值，故合理决策用能设备大小有利于降低能源消耗，有利于降低碳排放量。

（3）通过对阴凉库进行模拟计算，具体模拟包括自然室温、室外温度、自然相对湿度以及全年逐日最大冷负荷分布和全年冷负荷分布图进行模拟，通过对模拟结果的数据进行统计分析发现，发现药品阴凉库建筑物的负荷特征，为今后工程设计选择空调制冷系统形式、制冷系统主机的制冷方案、以及节能系统节能点的分析提供参考依据。