166利用形状因子计算夏季负荷同时使用系数

利用形状因子计算夏季空调负荷同时使用系数

武汉科技学院环境与城建学院 程向东 张昌

摘要 大多数人进行空调系统冷负荷计算时，会选择冷负荷指标法。通过冷负荷指标法算出来的负荷，应该用同时使用系数进行修正以便正确选择制冷设备。以往的方法是通过个人经验，随意选择的。本文引入形状因子这一概念来描述建筑物在空间朝向上的特征，探索了利用形状因子确定夏季空调冷负荷同时使用系数的可能性与方法。本文中，应用该因子对一个算例进过了试算，计算结果比较符合实际装机容量的值。建议对这一方法开展更深入的研究。

关键词 空调冷负荷 同时使用系数 形状因子 逐时负荷

1 引言

空调夏季冷负荷计算是空调设计中最为烦琐的内容之一，是选择制冷设备和空气处理设备必须经历的过程。空调负荷计算的正确性十分重要。只有负荷计算正确，设备选择合理，才能节省投资与运行费用。从计算原理上讲，夏季空调计算冷负荷的计算公式比较简单，但由于必须对每间房间进行十分耗时的24小时的负荷计算，加上建筑本身及建筑使用功能存在着诸多不确定的因素，从而导致纯理论计算结果的正确性与可信度让人担心。所以，从提高工作效率及保证设计结果安全的角度上，更多的设计人员偏向于采用单位面积冷指标法计算夏季空调冷负荷，而且往往取较大的值。以玻璃幕墙格局的汽车销售厅为例，通过理论计算得到的单位冷指标可能在200w/㎡附近，可是大多数设计师会选取的指标在350w/㎡附近。

建筑节能研究范畴多有关于负荷计算的研究。有的利用计算机进行模拟试验，如管厚林和赵加宁[1]利用DOE-2软件模拟了高层办公楼全年冷负荷，并指出当建筑中空调系统不分内外区时，其峰值冷负荷大于分了内外区的冷负荷；定新风方式与焓（温）控新风相比，耗冷量最大，焓控新风方式最节能；在过渡季大量引进新风有利于分了内外区空调系统的节能。一般而言，空调冷负荷选择偏大，会导致“一大三大”现象[2]，即当空调冷负荷偏大时，导致空调制冷主机偏大，管道系统偏大，末端设备偏大。

值得注意的，空调制冷负荷并不等于各房间最大冷量的和，建筑物的空调制冷负荷一般小于末端设备瞬时冷负荷最大值之和。建筑物朝向、用途、形状多不相同，内外热源都是变化的。内外热扰通过围护结构的蓄热及衰减与延迟作用进入房间空气，形成瞬时冷负荷。空调制冷负荷与建筑物瞬时冷负荷最大值之和的比值，称为同时使用系数。同时使用负荷对同一类型的建筑物，一般来说是相对稳定的。有许多研究针对寻找同时使用系数的规律展开。在对上海某住宅小区三栋居民楼的典型冷负荷[3]同时使用系数调查显示，83%时间内的同时使用系数值落在0.30-0.35之间，87%时间内的同时系数在0.50以内，93%时间内的同时使用系数在0.70以内[3]。有研究者[4]研究了位于中南地区的两户典型的单元式住宅的同时负荷系数问题并撰文指出，对具有内墙、楼板传热的住宅而言，其冷负荷指标是宾馆的3倍，各房间同时使用系数以0.63为宜。 本文作者认为，可以通过建筑物的形状、使用特点可以快速准确地确定同时负荷使用系数。对办公楼、商场一类的建筑，因其使用条件相似，只用考虑它的建筑物形状就可以了，即利用本文所述的形状因子。

2 利用形状因子计算夏季空调系统负荷同时使用系数的原理

一般情况下，相同类型的建筑物，其室内设备、人员数量、照明配置、电热及电子设备分布基本上是相同的，因此，本文认为对办公楼、商场等特定类型的空调建筑，影响其负荷同时使用系数的，是建筑物的平面形状与朝向。与平面形状与朝向相关的空调负荷，只有通过围护结构的传热引起的冷负荷。

2．1 因围护结构传热引起的空调冷负荷

２．１．１ 某时刻通过玻璃窗的引起的冷负荷如式（1）

,.max.max()()(())cicclncsnLQcclncsnLQQKFTTFCCDCFKTTCCDC （１）

定义单位面积玻璃冷负荷如式（２）

,.max()()ciclnsnLQqKTTCCDC （２）

２．１．２ 某时刻通过外墙的引起的冷负荷如式（3）

,,()()()WiwwlnwwiQKFTTFq （３）

,()()wiwlnqKTT （3’）

2．1．3 某朝向总负荷

,,,.()()()()()iciwiwwicciQQQFqFq （４）

定义窗墙比为/cFcFz，墙墙比为1qc

代入(4)

()izccwwQFqq （５）

式中：Ｑc,i(τ)－通过窗形成的负荷(w)，i代表朝向，τ代表计算时刻；

qc,i(τ)－通过单位面积窗形成的负荷(w/m2)，i代表朝向，τ代表计算时刻；

Qw,i(τ)－通过墙形成的负荷(w)，i代表朝向，τ代表计算时刻；

qw,i(τ)－通过单位面积墙形成的负荷(w/m2)，i代表朝向，τ代表计算时刻；

Ｋ－传热系数(w/m2)，脚标c表示窗，脚标w表示墙；

Ｆ－传热面积(m2)，脚标c表示窗，脚标w表示墙，z表示总的墙面积（含墙洞面积）；

Cs－窗构造修正系数，Cn－窗遮挡修正系数；

Dτ,max－某朝向透过窗玻璃最大得热因数(w/m2)； Tl－冷负荷计算温度(℃)，TN－室内空气设计计算温度(℃)；

CLQ－冷负荷系数。

2.2 形状因子

形状因子指的是两个方面。第一个方面，形状因子1指的是在建筑轮廓线上，某朝向i的外墙平面投影方向上的长度与整个轮廓平面投影方向周长的比值。如式（６）。

.iLCshiL （６）

第二个方面，形状因子2指的是建筑空调传热外墙面与空调服务面积的比值。如式（７）

shLDFF （７）

式中，Ｌ－建筑水平身影轮廓周长（m）；

Ｌi－建筑轮廓水平投影i朝向长度（m）；

Ｄ－某层建筑围护结构传热影响进深(m)；

Ｆ－某层建筑面积（㎡）。

Ｃsh,i可以反映出因为建筑朝向比例导致的负荷不均匀分布情况,Ｆsh能够反映出当层高不变而空调面积增加时，套用冷负荷指标出现的误差。如某建筑物层高３米，影响进深为６米，空调面积100X100=10000㎡，外墙面积只有1200㎡时，冷负荷指标为120W/㎡，需冷量为1200ＫＷ，此建筑Fsh＝0.２４,不难计算出该实际空调冷负荷只有744KW。当空调面积为50X100=5000㎡时,外墙面积为900㎡,Fsh=0.３６,空调负荷为408KW,明显可见,空调单位面积负荷不是按面积变化比例变化的。

3 利用形状因子确定冷负荷同时使用系数的方法

第一步，确定建筑物的冷负荷指标qr，方法是：当传热影响进深与建筑轮廓长度的乘积小于建筑面积时，考虑形状因子2的修正。设非影响区单位面积冷负荷指标为qn,标准冷负荷指标为qs,引入Fsh修正qs算式如下式（８）

()rshsnnqFqqq （８）

式中，qr－修正后的冷指标(w/㎡)。

利用qr乘以空调面积就可得出空调负荷Ｑ。需要说明的是，qn的选择，只考虑因围护结构传热引起的负荷，读者可经过一个简单的计算就可知，此值通常在40-55 W/㎡之间，内区qn通常为0。

第二步，利用形状因子Csh,i确定冷负荷同时使用系数。首先需要计算一定窗墙比条件下各朝向面积上窗与墙单位面积上的冷负荷，然后计算出各朝向的形状因子Csh,i，用此Csh,i得出各个朝向对应时刻的最大值之和Q1，用Q1/Q即得出该类型建筑的同时负荷使用系数。 4 利用朝向因子确定冷负荷同时使用系数算例

建筑物位于武汉，朝向只有东南西北四个方向，轮廓为矩形，外墙为ＩＩ型墙体，传热系数0.9，玻璃窗为钢框普通玻璃，窗墙比为0.3。本算例选取的是外墙传热影响整个建筑面积的情况，即不考虑形状因子2。通过式（2）和式（3’）可以计算出其各朝向单位面积冷负荷。按窗墙比φc=0.3, φq=0.7将图1 中各朝向的窗负荷值乘φc,墙负荷乘以φq,并将窗乘积结果和墙的乘积结果相加，得到各朝向单位面积综合冷负荷，如图1。

各向负荷0204060801001200246810121416182022时间(h)负荷(W)东向北向西向南向

图1 窗墙比0.3时的各朝向单位面积负荷

从图1 可知，各朝向单位面积最大负荷时间相差明显，东向最大负荷出现在11时，西向17时，南向14时，北向14时。对建筑物而言，总的冷负荷最大值及出现时间，与建筑物在东西南北朝向上外墙面积的比例有关。如果东西向面积远大于南北向面积，则最大冷负荷值出现时间取决于东西面积，以及东西向负荷的各自的大小。笔者应用图1 的结果，对一栋东西30.6米，南北12.5米，层高3米的单层建筑进行了计算，其围护结构负荷如图2。

负荷分析图0500010000150000246810121416182022时间(h)负荷(W)东西南北总

图2 某建筑物瞬时负荷

该建筑形状因子Csh,东=Csh,西=0.14,Csh,南=Csh,北=0.36。传热影响进深为6米，所以不用考虑形状因子Fsh。若只考虑建筑围护结构的负荷，则其冷负荷指标为50W/㎡，系统总冷负荷为12.5×30.6×50=19125(W),由图2可知最大负荷为14071(W),负荷同时使用系数为0.73，如果办公楼冷指标为100(W/㎡),则换算可得主机负荷相当于单位面积冷指标为73（W/㎡）。通过文献[5]可知， 83％的工程的实际开机容量的冷负荷指标只在58—93（W/㎡）之间，与本文计算的结果吻合。

通过分析，可以将类似建筑按形状因子1（东西向的值之和）从10%到90%进行计算，并将结果用于工程实践。图3 是办公类建筑（没有内区）时的同时使用系数与形状因子1的关系图。从图5知，当东西外墙面积比例超过80%时，负荷同时使用系数将大于1，而不是传统知识告诉的小于1。

5 结论与建议

通过上述分析可知，建筑物外形与朝向的不同将使建筑物的单位面积冷负荷指标值发生较大的变化，或者说按相关手册给出的单位冷负荷指标应该进行修正，体现出来的结果便是负荷同时使用系数的不同。对办公类建筑物，其范围从0.60到1.03范围内变化。

建议进一步深入研究因形状因子2及人员、新风变化导致的同时负荷系数的变化，以便于设计人员设计时做到心中有底，使空调系统投资更节约，运行更节能。

参考文献

[1] 管厚林，赵加林，高层办公楼设计冷负荷与全年耗冷量模拟分析；建筑建筑能通风空调，2004年第23卷第6期：49-73

[2] 张遵宇，关于空调设计经济合理性若干问题的思考;工程设计与研究，2005年3期：42-46

[3] 蔡龙俊。欧阳生春，区域供冷供热住宅建筑空调负荷同时使用系数的计算；能源技术，2006年27卷3期：130-132

[4] 陈刚、刘泽华、宁勇飞，住宅建筑空调负荷分析与同时使用系数的计算；流体机械，2003年31卷7期：47-49