用于空调系统设计的全年双负荷曲线分析法.docx
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用于空调系统设计的全年双负荷曲线分析法
用于空调系统设计的全年双负荷曲线分析法
AnnualTwinLoadCurvesAnalysisforHVACsystemdesign
提要 为了更好地节省空调系统能耗和取得更好的室内空气质量,基于建筑全年模拟分析的观点,提出了一种简单有效的建筑双负荷曲线分析法(TLCA),它不仅能给出最大的空调冷热负荷,而且能用于指导如何确信能知足全年运行要求的设备与冷热源的设备,并能确信过渡季的运行方式。
最后给出工程应用实例来讲明应用此方式的优势。
关键词 空调系统设计/负荷计算/建筑模拟/过渡季
Abstract Toreachhigherenergyefficiencyandbetterindoorairquality(IAQ),introducesasimplifiedanalysismethod,namedTwinLoadCurvesAnalysis(TLCA),basedonbuildingannualdynamicsimulationforHVACsystemdesign.Itcanbeusednotonlyforpredictingthemaximumcooling/heatingload,butalsotodeterminethereasonablenumberandsizeofchillers/heatersandotherequipment,andtodeterminetheoperationmodeinintermediateseasons.ShowswithexampleshowefficientusingTLCAinrealdesignprojects.
Keywords airconditioningsystemdesign,loadcalculation,buildingsimulation,intermediateseasons.
1引言
在全年采纳空调的建筑物的空调系统设计中,一样采纳不稳固传热方式计算夏日围护结构空调负荷,而采纳稳固传热方式计算冬季围护结构空调负荷;利用夏日室外计算温度、计算日平均温度与日较差求得夏日计算日逐时温度,并以此计算围护结构传热量与逐时新风负荷。
冬季那么利用冬季空调室外计算温度计算围护结构传热负荷与新风负荷,该计算温度是历年平均每一年不保证1天的日平均温度。
这种方式能够比较方便地求得全年运行所需要的最大供冷与加热设备的容量,从而选取设备,确信系统的配置。
现代社会的建筑业随着经济的进展而迅猛进展,显现了很多大型的公共设施建筑与商用建筑。
这些建筑由于具有内部冷热负荷分派显著不均衡,有大量无外墙外窗的内区,对空气质量要求高,有些区域的室内产热量与最大负荷时刻可能无法预测(如会议厅)等特点,其空调系统的设计与运行有其独特的地方,如某个区域在某段时刻需要同时供冷供热。
在这种情形下,如何优化系统配置,确信管网形式和最正确运行方案,使其能以最小的设备与土建初投资、最小的运行费和最高的设备利用率保证整个建筑各区域在不同季节都知足设计要求,是空调设计中更重要的步骤,而仅考虑负荷峰值是不可能知足现代建筑的空调系统设计要求的。
在一些有问题的空调系统中,尤其是多区系统,问题往往表现为过渡季室温太高或太低,由于系统最初的设计就不合理,因此这种问题无法依托改良运行方式来解决。
另外,长江流域以南地域对室内环境要求较高的建筑的冬季空调设计也是一个需要研究的问题。
成其关于一些早晚需要供热而日间需要供冷的建筑物或间歇利用的建筑物来讲,显然动态的负荷分析方式比稳固传热分析法更为合理。
综上所述上所述,在空调设计中,咱们会面临如此的问题:
如何确信冷冻机或热水锅炉的台数和规格?
如何确信供冷或供暖的开始时刻?
风机盘管加新风系统是不是能知足过渡季的要求?
有无必要采纳四水管系统?
如何幸免不合理的设计造成的优化运行无法实现?
等等。
传统的设计方式无法回答这些问题。
为了解决这一问题,很有必要在现代建筑空调设计中采纳建筑能耗全年模拟分析的方式。
尽管目前国内外已有很多成熟的软件可供利用,但这些软件的利用方式和输出的结果均太复杂,不便于建筑设备工程师在设计中利用。
因此必需寻求一条途径来缩短建筑模拟研究与实际设计工作之间的距离,使设备工程师能够把建筑动态模拟的功效用于工程设计。
本文提出一种基于建筑负荷动态模拟的全年双负荷曲线分析法,就解决上述问题进行探讨,并给出设计实例。
2建筑物全年双负荷曲线分析法
建筑物全年双负荷曲线分析法简称TLCA(TwinLoadCurvesAnalysis)法,它是以本地全年气象数据(包括温湿度与太阳辐射照度的逐时值)为计算基础,逐日对全年365日建筑物与外界换热及室内产热之和的最大值与最小值进行计算。
每一个区域全年计算的结果均为两条曲线:
每日最大冷负荷Qmax曲线和每项日最小冷负荷Qmin曲线。
关于室内最大与最小得热时刻无法预测的房间来讲,最大冷负荷是在假定室内产热为可能的最大值条件下计算所得,最小冷负荷是在假定室内产热为可能的最小值条件下求得。
如此实际的负荷必然在这两曲线之间的范围内变更。
若是冷负荷值为负,其绝对值的大小即代表了热负荷的大小。
因此Qmax曲线的正值部份代表了全年的逐日最大冷负荷,Qmin曲线的负值部份代表了全年逐日最大热负荷。
两条曲线均处于0值时,那么表示建筑物在该时刻段内不需要供冷或供热。
因此这两条曲线就能够够反映空调区域何时需要进行空调,两条曲线间的区域代表了空调系统可能采取的运行状态。
例如某日的Qmax为正而Qmin为负,即意味着在这一天当中,空调系统既可能需要进行供冷也可能需要供暖。
见图1。
图1A区演播室全年空调负荷
最大冷负荷Qmax是由可能的室内产热量、围护结构传热和新风得热之和的最大值决定的,而最小冷负荷Qmin是由可能的室内产热量、围护结构传热和新风得热之和的最小值决定的。
因此新风负荷是一个很重要的部份,新风量应依据最小能耗的原那么依照室内外空气参数间的关系来确信,或依照具体情形将新风百分比确信为某个值。
例如风机盘管加新风系统的负荷确实是围护结构负荷、室内产热负荷加全年新风量固定的新风机组的空气处置负荷;而全年空气系统的新风负荷的确信就复杂得多,因为为了减小过渡季的能耗,全年的新风量可能是转变的。
其新风量的确信原那么能够是:
(1)若是tout>tn,hout>hn或有,采纳最小新风量,那么QL=Qbldg+Qint+Qv
(2)当,改变新回风百分比来取得适合的送风温度,可使得QL=0
(3)若是,那么采纳最大新风量或全新风来减小冷负荷。
上式中t代表空气温度,℃;h代表空气焓,kJ/kg;Q代表分项负荷,kW;C是最小新风百分比;QL是总冷负荷,kW。
下标out代表室外空气,n代表室内设计状态,s代表送风设计状态,bldg代表围护结构,int代表室内产热,v代表新风或室外渗透空气。
建筑物的双负荷曲线可依照应用目的与精度的不同通过不同途径产生,也确实是说既能够由详细的建筑热模拟软件产生,也能够由一组简化的公式来求得,例如用室外综合温度求围护结构负荷,用冷负荷系数法求室内得热冷负荷等。
求取双负荷曲线时,每日只需获取两个值即最大空调冷负荷或最小空调热负荷Qmax与最小空调冷负荷或最大空调热负荷Qmin。
即全年需要获取365×2个数据并形成Qmax和Qmin两条全年转变曲线。
依照上述方式对整个建筑物各区域全年365天的最大与最小空调负荷进行计算,每一个区域都可得出一对Qmax和Qmin曲线。
那么Qmax的全年最大值决定了空调机组表冷器的容量,Qmin的全年最小值决定了空调机组空气加热器的容量。
将整个建筑物所有空调系统的Qmax正值部份累加可得出Qmax+曲线,将整个建筑物所有空调系统的Qmin负荷部份累加可得出Qmin-曲线。
两条曲线的空缺部份(例如整个建筑没有Qmin负值部份)都可用0补齐。
尽管采纳一样方式也能够求得Qmax-和Qmin+,但事实上只有Qmax+和Qmin-在全年负荷分析中有效。
下文图4中给出了按上述步骤得出的两条总负荷曲线。
需要注意在累加时需考虑同时利用系数。
对这两条总负荷曲线进行分析,可确信建筑物的设备容量配置与运行方案。
例如能够确信冷热源切换的最正确时刻,水系统是不是需要采纳四管制,和如何决定冷水机组的台数、大小和型式等。
事实上这是把一种简化了的全年负荷动态模拟方式用于空调系统设计,与常规的稳态的设计方式的起点不同。
3工程应用实例
中央电视台改造工程
中央电视台为带裙房的高层建筑,总建筑面积约3万m2。
其内区要紧用作演播、配电、录音和各类技术用房,外区要紧用作办公室。
内区的要紧热源是设备与灯光,人员散热散湿占比例很小,没有围护结构传热。
而外区办公室发烧量比较小,负荷要紧来源是人员散热散湿、照明与办公设备散热和围护结构传热。
由于最近几年负荷变更较大,不能知足要求而需对其空调系统进行改造。
原有冷源为冷水机组,热源利用城市热网提供的热水,水系统为两管制。
城市热网的供暖时刻为11月15日至来年3月15日。
4月份和10月份为设备保护期。
增加热水锅炉或水系统改四管制均因条件限制不可行。
负责内区的多数系统为全空气系统,少部份内区和外区是风机盘管加新风的空气--水系统。
冷源停机后这部份区域要紧靠新风降温,因新风所提供的冷量不够,故这部份区域在过渡季往往显现室温偏高的现象。
还有部份区域在城市热网供暖流以前无法解决供暖问题。
采纳上述全年双负荷曲线分析法进行负荷分析。
第一依照负荷特性、围攻护结构特性、空调方式、空调系统与水系统的连接关系、室内设计标准等把全系统分为50个区域,对这50个区域的全年空调最大与最小负荷进行模拟计算,求得Qmax和Qmin曲线。
演播室与办公室负荷特性很不相同,其利历时刻可能出此刻一天中任何时刻,利用期限可长可短。
利历时其灯光产热量变更范围可为全数灯光设计容量的30%~70%。
图1至图6为部份模拟结果。
图1给出全空气系统效劳的A区1000m2演播室的双负荷曲线。
由图可见,空气处置设备需在3月中旬切换至供冷模式,而在10月底需切换至供暖模式。
图2是为门厅和咖啡厅效劳的空调系统的双负荷曲线。
该区域有大面积的玻璃外墙,利历时刻比办公室长(员工上班前或下班后都可能在些此停留)。
因此该区域在4月份和10月份既需要供冷又需要供暖。
图2门厅和咖啡厅全年空调负荷
图3C区办公室的全年冷负荷
图3是采纳风机盘管的C区外区的办公室双负荷曲线。
模拟结果说明该区域冬季仍需要少量供冷。
尽管冬季没有冷源,但由于该区域有外窗,冬季能够靠打开外窗来调剂室温。
图4为冷、热源的全年负荷曲线。
从曲线可见,要紧供暖期间是从11月1日至来年3月15日,要紧供冷期间是3月15日至10月31日。
这说明冷源开动的期间应尽可能地延长,但原冷水机组的设计容量比图中的最大冷负荷少1000kW。
尽管供暖期限有部份区域还需要冷量,但这些区域多数都是类似C区的外区,能够通过打开外窗取得冷量而不需要人工冷源提供。
关键的问题是要幸免内区房间显现这种情形。
图5和图6所示确实是如此一个例子。
图4空调总负荷
图5内区B全年空调负荷曲线
另外,4月份和10月份有些区域还需要供暖。
解决这种问题的最好方法是采纳四水管系统,但确因条件所限无法实现。
笔者以为采纳局部风冷式热泵机组是最好的解决方法。
只是必需通盘统一考虑局部热泵系统的设置以使其既能知足过渡季的供暖负荷又能够补足夏日冷负荷最大时冷源能力的不足。
B区是内区技术用房,原先由风机盘管加新风系统操纵。
事实上该区的冬季热负荷仅仅是新风热负荷。
由于新风量有限,故冬季无法降温,因此只能将其改成全空气系统,使其冬季能依托大量新风降温。
这种方式的缺点是改造期间该房间不能利用。
图5和图6别离是改造前后的双负荷曲线。
而改造后的冷热源负荷曲线大体上如图4,没有大转变。
图6内区B的全年空调负荷
该工程的一期部份已经完工,二期部份正在进行。
整个工程的方案设计匀是以全年双负荷曲线分析法的结论为依据进行的。
华中地域某商用建筑工程
该建筑由裙房和两座塔楼组成,裙房用作购物中心和娱乐场所。
采纳双负荷曲线分析法可用于解决这种夏日仅需要供冷,而冬季部份时刻需要供热、部份时刻需要供冷的建筑的空调设计问题。
购物中心处于裙房一层,总面积2500m2,营业时刻为8:
00~20:
00。
室外空调计算参数为干坏温度℃,湿球温度℃。
室内夏日设计参数为干球温度27℃,相对湿度60%;冬季设计参数为干球温度18℃,湿度无要求。
依照防火分区原那么,该购物中心被分为两个区域,见图7。
每一个区均用一空调箱处置一次回风。
K-1空调箱负责1区,K-2空调箱负责2区。
采纳冷负荷系数法求得的冷负荷为:
QLk-1=402kW,QLk-2=350kW
图7购物中心平面
采纳单点室外参数求得的冬季热负荷为:
Qhk-1=88kW,Qhk-2=62kW
上述负荷包括室内产热、围护结构传热、风机温升、新风负荷,不利用再热。
依照以上计算,设计人员选择了两台溴化锂直燃式冷热水机组,额定供冷量为465kW,额定供热量为370kW。
模拟所采纳的气象数据由气象模拟软件包QXSWM[2]产生的代表年气象数据。
图8和图9别离是该城市气象代表年天天作息时刻内室外干球温度和焓的最大值与最小值全年转变曲线。
图8实例2的室外空气温度
图9实例2的室外空气焓
图10和图11是K-1和K-2空调箱的全年双负荷曲线。
图中所示的最大热负荷与最大冷负荷均大于前面的设计值,例如,K-1的冷负荷是440kW,比设计值高38kW。
其缘故是受夏日不保证50h和冬季不保证一天的室外设计参数的阻碍。
图10K-1系统负荷
图11K-2系统负荷
尽管与设计负荷有误差,但双负荷曲线仍然反映了全年负荷转变的情形。
能够看到该购物中心从2月份至11月中旬都需要供冷,11月中旬至来年平均月份都需要供热,即在2,3月份早、晚需要加热新风,而中午需要制冷,因为新风带入的冷量已不能知足要求。
图12是总负荷曲线。
依照图12,可确信更好的溴化锂真燃机配置方式,即选择一台349kW冷量/270kW热量,一台581kW/465kW热量的机组。
前者在2,3月份依照需要供冷或供热,10月份至11月中旬期间供冷,11月中旬至年1月份供暖,7,8月份部份时刻制冷运行,后者在4月份至9月份制冷运行。
如此在各个期间,两台机组都能发挥最大效劳。
图12冷热源总负荷
该配置需要的问题是冷热模式的转换问题,在一天中,直燃机组可能需要进行两次冷热转换。
若是这种转换会给管带来麻烦或阻碍设备寿命,那么需要增设一个热水器,在2,3月份专站提供热水。
另一种配置方式确实是选用800kW的水冷式冷水机组和100kW风冷式冷水机组。
风冷式冷水机组在11月份中旬到3月份供暖,在7,8月份作补充水冷水机组冷量不足部份用。
水冷式冷水机组可选用300kW和500kW冷量的各一台。
4结论
建筑物全年双负荷曲线分析法是基于建筑物动态模拟的观点研究建筑物的全年负荷特性,并应用于空调系统负荷计算的方式。
它为利用建筑热模拟来辅助空调系统负荷计算的方式。
它为利用建筑热模拟来辅助空调系统设计提供了一种比较简单的处置和分析方式。
这种方式能够使设备工程师清楚地了解系统的运行,并通过度析进行系统设计。
通过上述例子的介绍可知,与常规负荷计算方式相较,该方式在以下几方面有其优越性:
(1)可给出天天最大与最小负荷的全年转变;
(2)依照全年总负荷转变的两条曲线,可确信冷热源的种类、总装机容量、适合的机组数量与每台机组适当的容量;
(3)依照全年总负荷转变的两条曲线,可确信冷热源的冷热切换时刻;
(4)依照总负荷双曲线与每支供水骨干管的双负荷曲线,能够分析供水总管与骨干管采纳四管制的必要性并决定采纳双水管仍是四水管;
(5)依照各灰空调区域的双负荷曲线,能够确信各空调系统适合的类型、装机容量、处置方案和全年运行方案。
5参考文献
1电子工业部第十设计研究院,主编.空气调剂设计手册.北京:
中国建筑工业出版社,1983.
2TianzhenHong,YiJian.StochasticWeatherModelBuildingHVACSystems.BuildingandEnvironment,1995,30(4).
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- 用于 空调 系统 设计 全年 负荷 曲线 分析