上海某工程日逐時空調冷負荷分析

隨著經濟和社會發展的加快，公共交通的快速發展已經在中國各地取得了巨大的成效。特別是上海地區,綜合型高層建筑更是發展迅速。在這些高層建筑中,很大一部分都采用玻璃幕墻形式。據統計,在浦東陸家嘴金融貿易區,僅空調用電負荷一項就已占到了整個浦東新區總用電負荷的10%,而其面積僅為整個新區的0.33%,而這些所耗電能的50%以上是通過玻璃幕墻建筑消耗的。因此,對于玻璃幕墻建筑來說,空調負荷的準確計算不僅關系到舒適性問題,也是空調系統配置與運行分析的基礎。本文以上海某大廈作為空調冷負荷計算與分析的基礎,該大廈位于浦東陸家嘴金融貿易區,是座集辦公、酒店與商業為一體的綜合型建筑。建筑為鋼結構形式,外圍護結構采用雙層玻璃幕墻形式,窗墻比達70%左右。1負荷及其影響負荷空調負荷主要包括人員負荷、照明負荷、設備負荷、圍護結構負荷和新風負荷等。為了計算負荷,首先需要對圍護結構熱工參數(表1)和室內設計參數(表2)進行設定。2室、省、廳的運行模式參照《公共建筑節能設計標準》(GB50189-2005),在計算該大廈空調冷負荷時,對辦公室、賓館、商場分別設定了照明開關時間表(%)、房間人員逐時在室率(%)和電器設備逐時使用率(%)。由于貴賓室、會議室、觀光區和宴會廳所占面積不大,為了簡化計算,貴賓室和會議室采用辦公室的運行模式、宴會廳采用賓館的運行模式。辦公室、賓館、商場運行模式分別見圖1、圖2和圖3。3夏季各項冷負荷通過計算,得到夏季設計日空調冷負荷的逐時值,如圖4所示。空調冷負荷主要包括人員負荷、照明負荷、設備負荷、圍護結構負荷和新風負荷等,其組成結構如圖5。在圖4中,夏季冷負荷最大值為44055kW,出現在下午17:00;最小值為2649kW,出現在早上5:00。從早1:00到5:00之間負荷是逐時下降的,而從6:00到17:00之間逐時上升,達到峰值后又開始下降。該大廈夏季各項冷負荷占空調總冷負荷的比例如圖6所示。通過分析圖5、圖6數據,可以發現夏季冷負荷主要由新風冷負荷和圍護結構冷負荷產生,分別為39.7%和26.7%,照明負荷最小,僅占4.6%,人員負荷與設備負荷分別為15.6%和13.4%。之所以會出現這種情況,是因為該大廈的外圍護結構采用雙層玻璃幕墻,受到較強太陽輻射的影響,同時,為了保證室內空氣品質,新風量取值較大,而人員負荷與設備負荷則相對較小。4空調能耗的特點近年來,在高層建筑中,玻璃幕墻的使用越來越廣泛,在使建筑變得美觀的同時,也增加了建筑的空調能耗。本文通過定量的研究來討論玻璃幕墻的遮陽系數SC與傳熱系數k對空調負荷的影響。4.1不同陰陽系數對圍護結構冷負荷的影響遮陽系數,是指玻璃在無其他遮陽措施的情況下對太陽輻射得熱的減弱程度。其數值為透過玻璃的太陽輻射得熱與透過3mm厚普通透明玻璃的太陽輻射得熱之比。在把玻璃幕墻的傳熱系數定為2.1W/(m2·℃)的情況下,本文分別計算了遮陽系數為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7時夏季設計日圍護結構的逐時冷負荷與最大冷負荷。其中,圍護結構逐時冷負荷的計算結果如圖7所示。由圖7可以看出,圍護結構冷負荷隨著遮陽系數的增大而增大,下午17:00達到最大值。從早上6:00到14:00,冷負荷是逐時增加的。17:00到24:00,冷負荷呈快速下降的趨勢,而1:00至5:00,冷負荷數值很小,呈緩慢下降趨勢。為了表征玻璃幕墻的遮陽系數SC對設計日圍護結構冷負荷的影響,圖8列出了不同遮陽系數水平下對應的圍護結構設計日最大冷負荷。據圖8,可得到在玻璃幕墻的傳熱系數定為2.1W/(m2·℃)時,遮陽系數SC與圍護結構冷負荷的對應關系,如表3所示。分析表3數據,遮陽系數每增加0.1,圍護結構的空調冷負荷就增加約1600kW,平均增幅達19.2%。這就說明,對于采用玻璃幕墻作為圍護結構的建筑來說,玻璃幕墻的遮陽系數SC對圍護結構的冷負荷有很大的影響。隨著圍護結構冷負荷的增加,空調總冷負荷也隨之增加。圖9表達了空調總冷負荷及圍護結構冷負荷占總冷負荷的比例與遮陽系數的關系。圖9表明,遮陽系數SC越小,空調總冷負荷越小,且圍護結構冷負荷占總冷負荷的比例也越小。當SC為0.1時,空調總冷負荷為35918kW,圍護結構冷負荷占總冷負荷的比例僅為10.19%,而SC為0.7時,空調總冷負荷為45682kW,圍護結構冷負荷占總冷負荷的比例達到了29.31%。4.2圍護結構冷負荷把玻璃幕墻的遮陽系數SC定為0.6,在傳熱系數分別為1.7W/(m2·℃)、1.9W/(m2·℃)、2.1W/(m2·℃)、2.3W/(m2·℃)、2.5W/(m2·℃)、2.9W/(m2·℃)以及3.1W/(m2·℃)時計算夏季設計日圍護結構的逐時冷負荷與最大冷負荷。其中,圍護結構逐時冷負荷的計算結果如圖10所示。由圖10可以發現,當玻璃幕墻的遮陽系數SC一定時,圍護結構的冷負荷隨著傳熱系數的增大而增大,但增幅很小。從早上6:00到14:00,冷負荷是逐時增加的,14:00達到最大。17:00到24:00,冷負荷呈快速下降的趨勢,而1:00至5:00,冷負荷數值很小,呈緩慢下降趨勢。為了表征玻璃幕墻的傳熱系數k對設計日圍護結構冷負荷的影響,圖11列出了不同傳熱系數水平下對應的圍護結構設計日最大冷負荷。據圖11,可得到在玻璃幕墻的遮陽系數SC定為0.6時,傳熱系數k與圍護結構冷負荷的對應關系,如表4所示。分析表4,當傳熱系數每增加0.2W/(m2·℃)時,圍護結構的冷負荷增加量約為200kW,平均增幅僅為1.6%。這就說明,對于采用玻璃幕墻作為圍護結構的建筑來說,玻璃幕墻的傳熱系數對圍護結構冷負荷的影響有限。隨著圍護結構冷負荷的減少,空調總冷負荷也隨之減少。圖12為空調總冷負荷及圍護結構冷負荷占總冷負荷的比例與傳熱系數的關系。圖12表明,傳熱系數k越大,空調總冷負荷越大,且圍護結構冷負荷占空調總冷負荷的比例也越大。當k為1.7W/(m2·℃)時,圍護結構冷負荷占總冷負荷的比例為26.04%,而k為3.1W/(m2·℃)時,為28.32%。通過以上分析,不難發現,相比于傳熱系數k,玻璃幕墻的遮陽系數SC對圍護結構的冷負荷有更大的影響。根據以上計算數據,遮陽系數SC每增加0.1,圍護結構的空調冷負荷平均增幅達19.2%,而傳熱系數每增加0.2W/(m2·℃),圍護結構的空調冷負荷平均增幅僅為1.6%。5空調負荷的節能通過上文分析研究,可以得出以下幾點結論:1)該大廈的空調冷負荷主要由新風負荷和圍護結構負荷組成,兩者占到空調總冷負荷的66.4%。因此,要減少該建筑的空調能耗,應該首先考慮這兩部分的節能問題。2)在計算空調負荷時,參照《公共建筑節能設計標準》(GB50189-2005),分別設定了照明開關時間表(%)、房間人員逐時在室率