負(fù)荷計(jì)算

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摘要：負(fù)荷計(jì)算是空調(diào)工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它決定設(shè)備容量的選用，管網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)模以及工程總造價(jià)等，這是技術(shù)人員熟知的事實(shí)。但是近幾年來用估算的方法替代了空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算，給制定方案、工程審核造成一定的困難。本文通過實(shí)例，重提“關(guān)于負(fù)荷計(jì)算問題”，借此引起設(shè)計(jì)者進(jìn)一步的重視。

關(guān)鍵詞：瞬變傳熱估算計(jì)算程序負(fù)荷計(jì)算

七十年代末空調(diào)工程負(fù)荷用瞬變傳熱計(jì)算代替了穩(wěn)定傳熱計(jì)算，并且區(qū)分了得熱和負(fù)荷的概念。八十年代出版的所有空調(diào)書籍，如空氣調(diào)節(jié)工程、空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)手冊(cè)、暖通空調(diào)常用數(shù)據(jù)手冊(cè)、高層建筑空調(diào)與節(jié)能等皆引用了動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算。動(dòng)態(tài)負(fù)荷在圍護(hù)結(jié)構(gòu)方面的計(jì)算顯得比較繁瑣，即便是各種手冊(cè)采用了一些簡(jiǎn)化手段，計(jì)算工作量也較大。計(jì)算軟件的產(chǎn)生似乎解決了這一問題，但是應(yīng)用上也不普遍，只有估算最簡(jiǎn)便，捷徑行路，人之通性，慢慢地被它取而代之了。但是估算的根基并不堅(jiān)實(shí)，偏于保守是不可避免的，總是顧慮怕估算的小了，這也是可以理解的。

1、第一個(gè)實(shí)例

圖1是位于蘇州地區(qū)旅館建筑客房的標(biāo)準(zhǔn)層平面簡(jiǎn)圖，層高3米，共十層，24墻兩面抹灰，客房為單層塑鋼玻璃窗，面積6m2，掛淺色窗簾，屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)為1.19w/m2℃?？头恳笤O(shè)計(jì)干球溫度25℃，2人間，新鮮空氣量為30m3/人時(shí)，室內(nèi)平均用電量150w。走道與樓梯間、電梯間等公用部分，送冷風(fēng)保持27℃，客房與走道的溫差為2～3℃，可以忽略傳熱計(jì)算，因而客房的圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷只有外墻、外窗、屋頂?shù)炔糠帧膱D1可看出，客房的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的大小和朝向共有6種型式，并編號(hào)如下：1.南向，2.北向，3.西南向，4.西北向，5.東南向，6.東北向。對(duì)于頂層多了一個(gè)屋面，編號(hào)為1-頂～6-頂。

應(yīng)用動(dòng)態(tài)傳熱計(jì)算，其最大冷負(fù)荷與發(fā)生時(shí)刻列于表1。

表1客房編號(hào)冷負(fù)荷(w)發(fā)生時(shí)刻(時(shí))客房單位面積負(fù)荷值(w/m2)

12064.31373.7

21890.91467.5

32468.51388.2

42451.21787.5

52734.21397.6

62585.41492.3

1-頂2813.014100.5

2-頂2743.81698.0

3-頂3421.316122.2

4-頂3430.817122.5

5-頂3507.514125.3

6-頂3457.516123.5

從計(jì)算結(jié)果可以看出動(dòng)態(tài)計(jì)算的特點(diǎn)，西南向、西北向或者東南向、東北向的負(fù)荷差值不大，但發(fā)生時(shí)刻不同。這是因?yàn)閯?dòng)態(tài)計(jì)算是用加權(quán)或卷積的數(shù)學(xué)形式計(jì)算，計(jì)算任一時(shí)刻的傳熱必須包括其它時(shí)刻在該時(shí)刻的影響量，卷積而成。表1的數(shù)據(jù)是客房選擇末端設(shè)備的根據(jù)，客房2和客房5-頂負(fù)荷相差1616.6w，理所當(dāng)然地要選取不同容量的末端設(shè)備才合理。

關(guān)于選取制冷設(shè)備的容量，有兩種方法：一是把整體客房建筑（底層是裙房不計(jì)）看成是一個(gè)孤立整體，用總的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、總的客人數(shù)和總的用電量等計(jì)算；二是把表1計(jì)算值逐層進(jìn)行疊加，再把走道東、西兩側(cè)和頂層走道屋面的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的負(fù)荷算上即可。在計(jì)算機(jī)上計(jì)算的結(jié)果列于表2。

表2計(jì)算方法總負(fù)荷(w)發(fā)生時(shí)刻(時(shí))客房單位面積負(fù)荷值(w/m2)

第一種方法650055.11362.7

第二種方法725581.570.0

從理論上講第一種方法最正確，該樓的最大負(fù)荷發(fā)生在13時(shí)，由于13時(shí)并不是所有客房的最大負(fù)荷，自然要比第二種方法計(jì)算的數(shù)值小，但是應(yīng)用第一種方法選取制冷設(shè)備的容量，空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)有良好的控制系統(tǒng)，在不同時(shí)刻應(yīng)該能夠進(jìn)行能量的調(diào)劑，當(dāng)然這方面的要求很高。用第二種方法作為選取制冷設(shè)備的容量，保守一點(diǎn)，但易于保證客房效果。從單位面積負(fù)荷值看，表2的數(shù)值比表1數(shù)值（除2號(hào)客戶）都要小，這是由于表2在計(jì)算總建筑面積時(shí)包括了走道的面積，整體建筑的走道面積為1408m2，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的負(fù)荷量在計(jì)算機(jī)上顯示只有43454.9w，走道的單位面積負(fù)荷值不足31w/m2的緣故引起。

但是在審核圖紙時(shí)?？吹竭@樣的情況，同樣面積和條件的空調(diào)房間的末端設(shè)備，不論朝向和圍護(hù)結(jié)構(gòu)如何，皆選用同一型號(hào)的末端設(shè)備，這個(gè)原因多數(shù)是由于用估算來進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算的結(jié)果。目前估算的方法有兩種方式：一種是出版的各種書籍的推薦數(shù)據(jù)，對(duì)于客房一般的范圍是80-110w/m2，與上述實(shí)例計(jì)算的表1相比較，可見對(duì)大部分客房適用，但對(duì)部分客房就不能滿足，倘若對(duì)整體建筑的主機(jī)估算，按80w/m2計(jì)其主機(jī)容量要大出約14%，按110w/m2計(jì)主機(jī)容量要大出約57%；一種是各設(shè)計(jì)單位自行的作法，如將空調(diào)房間按150kcal/m2（174w/m2）估算，而整體建筑按其70%即109kcal/m2(122w/m2)估算，則整體建筑的制冷量將是122×1036.8×10=1264896w。

估算的本身帶有很大的近似性，它與具體的建筑物的開間、進(jìn)深、人數(shù)以及用電量等因素有關(guān)，既要滿足設(shè)計(jì)條件的要求，又要達(dá)到能量合理的應(yīng)用。根據(jù)長(zhǎng)期設(shè)計(jì)的體會(huì)，作好負(fù)荷計(jì)算是一項(xiàng)基礎(chǔ)性的工作，在50、60年代作設(shè)計(jì)沒有負(fù)荷計(jì)算書是難以通過的，有了計(jì)算的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行修正或完善能做到心里有數(shù)，拿上述實(shí)例來說，表1的計(jì)算是不可缺少的，至于選取制冷設(shè)備的總?cè)萘?，若以?的第二種方法計(jì)算取值，還應(yīng)考慮到空調(diào)系統(tǒng)損耗的附加值（5%）和制冷機(jī)銘牌的附加值（10%-15%），后者是考慮到制冷機(jī)的銘牌制冷量是在特定條件下試驗(yàn)的數(shù)據(jù)以及長(zhǎng)期使用后傳熱能力的衰減。將附加值計(jì)算在內(nèi)的整體建筑單位面積負(fù)荷值應(yīng)為70×1.05×1.15=84.5w/m2，選取制冷機(jī)的總?cè)萘繎?yīng)為84.5×1036.8×10=876096w，發(fā)生時(shí)刻在13點(diǎn)，這要比估算的數(shù)值1264896w少約1/3。對(duì)蘇州市已建成的大型建筑空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)情況的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，安裝的制冷主機(jī)容量的應(yīng)用，多數(shù)在60～70%之間，不少閑擱的主機(jī)只能起到備用作用，但這是設(shè)計(jì)規(guī)范中所不允許的。近年來出現(xiàn)了一些重要或較大工程的業(yè)主要求設(shè)計(jì)者提供負(fù)荷計(jì)算資料，這是應(yīng)該贊許和支持的。

2、第二個(gè)實(shí)例

用估算代替負(fù)荷計(jì)算偏于保守是常見的現(xiàn)象，但對(duì)一些特殊造型的建筑就很難說，圖2是蘇州市某單位的外資審批中心，建筑面積約為210m2，外形為六角形，圍護(hù)結(jié)構(gòu)全是深褐色的玻璃窗，層高約5m，內(nèi)掛淺色窗簾，周圍雖然有花卉草坪綠化，但起不到外遮陽作用。這是一個(gè)辦公所在地，室內(nèi)人數(shù)30人，新風(fēng)按30m3/人時(shí)計(jì)，照明與辦公設(shè)備平均用電約4200w，室內(nèi)設(shè)計(jì)要求干球溫度22℃相對(duì)濕度55-60%。設(shè)計(jì)者對(duì)這樣的建筑進(jìn)行估算就感到困難，查推薦資料辦公室最大值為140w/m2，由于室內(nèi)溫度要求較低，又全是玻璃窗作圍護(hù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)者想的第一個(gè)辦法，將140w/m2作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的負(fù)荷，額外加上人員、新風(fēng)、用電負(fù)荷。后三項(xiàng)，人體為30×133=3990w，新風(fēng)為30×30×10=9000w，總計(jì)為3990+9000+4200=17190w，合單位面積負(fù)荷值17190/210=81.9w/m2。此值與140w/m2相加得221.9w/m2。但估算者仍感到不足。最后以300w/m2作為取值，計(jì)算出該建筑的冷負(fù)荷為300×210=63000w。

圖2平面圖(1：200)建筑面積210m2

對(duì)于這樣一座特殊外形的建筑，用估算的方法是難以得到正確的答案，用動(dòng)態(tài)傳熱的方法在計(jì)算機(jī)上計(jì)算，屋頂取第三類結(jié)構(gòu)，傳熱系數(shù)為1.19w/m2℃，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的負(fù)荷應(yīng)為56242.2w，再加上人員、新風(fēng)、用電負(fù)荷17190w，其總的冷負(fù)荷為73432.2w，發(fā)生時(shí)刻在14時(shí)，比估算的數(shù)值要大10432.2w，顯然估算小了。

3、關(guān)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷的計(jì)算

建筑物的冷負(fù)荷計(jì)算包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷以及人體負(fù)荷、新風(fēng)負(fù)荷、用電負(fù)荷等等，新風(fēng)負(fù)荷即為瞬時(shí)冷負(fù)荷，而人體負(fù)荷和用電負(fù)荷應(yīng)先求出得熱而后轉(zhuǎn)化為冷負(fù)荷，從得熱轉(zhuǎn)化為負(fù)荷主要是針對(duì)輻射得熱，對(duì)于對(duì)流換熱即可看成瞬時(shí)冷負(fù)荷。由于人體的表面溫度較低，民用建筑的照明，辦公設(shè)備等用電量不大，若將其得熱近似地作為冷負(fù)荷，影響并不大，即可免除了得熱轉(zhuǎn)化為負(fù)荷的繁瑣過程。只有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算不能忽視，它占總負(fù)荷的比重較大，民用建筑在2/3左右。要解決這個(gè)問題應(yīng)該借助于計(jì)算機(jī)，雖然計(jì)算過程比較繁瑣，但可以先就本地區(qū)下手，例如蘇州地區(qū)墻體基本上是24墻加兩面抹面，屋面的作法傳熱系數(shù)基本上控制在1.20w/m2℃左右，皆屬于動(dòng)態(tài)傳熱計(jì)算中的三類墻體。窗絕大多數(shù)是單層玻璃金屬窗。簡(jiǎn)化了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的類型工作量就減少了許多，但這只適用于蘇州地區(qū)應(yīng)用，地方設(shè)計(jì)院多數(shù)也是為本地區(qū)服務(wù)的。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算的內(nèi)容大體如下：

對(duì)于墻體（包括屋面）

計(jì)算日逐時(shí)的空氣溫度→計(jì)算日不同朝向逐時(shí)的綜合溫度→計(jì)算或引進(jìn)日逐時(shí)墻體的周期性加權(quán)系數(shù)→計(jì)算日不同朝向逐時(shí)墻體的冷負(fù)荷計(jì)算溫度→計(jì)算日不同朝向逐時(shí)的冷負(fù)荷qwall。

對(duì)于外窗

計(jì)算日逐時(shí)空氣溫度向室內(nèi)的傳熱qc→查出日不同朝向逐時(shí)透過玻璃窗的太陽輻射強(qiáng)度→計(jì)算或引進(jìn)日逐時(shí)外窗的周期性加權(quán)系數(shù)→計(jì)算日逐時(shí)透過玻璃窗太陽輻射熱形成的冷負(fù)荷qd和qf→計(jì)算日逐時(shí)通過外窗進(jìn)入室內(nèi)的冷負(fù)荷qwindow=qc+qd+qf。

對(duì)于內(nèi)墻、樓板

計(jì)算日逐時(shí)空氣溫度加上附加值（負(fù)值或正值）向空調(diào)間的傳熱量qin-wall。由于當(dāng)前的民用建筑皆為整體空調(diào)設(shè)計(jì)，內(nèi)墻和樓板負(fù)荷可以忽略，或者按簡(jiǎn)單傳熱計(jì)算。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的日逐時(shí)負(fù)荷應(yīng)為q（0：23）=qwall（0：23）+qwindow（0：23）+qin-wall然后再找出最大負(fù)荷及其發(fā)生時(shí)刻。

將以上內(nèi)容在計(jì)算機(jī)上編成程序，其程序（蘇州地區(qū)）如圖3所示?？驁D中的符號(hào)分別為數(shù)據(jù)處理框和特殊處理框，每一個(gè)框內(nèi)都要用上選擇和循環(huán)等語句進(jìn)行計(jì)算。

4、簡(jiǎn)單小結(jié)

用估算來進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算只是一個(gè)時(shí)期的一個(gè)過程，最后還是要走向正規(guī)化，有的工程人員一直堅(jiān)持做負(fù)荷計(jì)算而不采用估算的方法是應(yīng)該支持的。現(xiàn)在電腦應(yīng)用達(dá)到十分廣泛的程度，費(fèi)一些時(shí)間對(duì)本地區(qū)的氣象條件和計(jì)算手段編成程序，這是一勞永逸的事情。當(dāng)然直接應(yīng)用現(xiàn)成的"計(jì)算軟件"更好，只是通用的"計(jì)算軟件"適用于全國(guó)性，顯得稍為麻煩一些，但應(yīng)用得多了也就熟練了，關(guān)健在于認(rèn)真地去用。程序計(jì)算出來的數(shù)值一般比估算的要小一些，不必?fù)?dān)憂，負(fù)荷計(jì)算是一門科學(xué)，在計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行某些調(diào)整也是情理之中的事，這樣必然會(huì)使設(shè)計(jì)工作做得踏實(shí)，有把握和有說服力。寫成本文的目的也在于此，并與同仁們共勉之。

參考資料

［1］暖通空調(diào)常用數(shù)據(jù)手冊(cè)（第二版）建筑工程常用數(shù)據(jù)系列手冊(cè)編寫組中國(guó)建筑工業(yè)出版社2002.2

［2］空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)手冊(cè)中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院編中國(guó)建筑工業(yè)出版社1983.5

［3］高層建筑空調(diào)與節(jié)能錢以明編著同濟(jì)大學(xué)出版社1990.2

［4］空調(diào)工程負(fù)荷計(jì)算與程序匯編金顯明編著天津大學(xué)出版社1986.3