随着我国城市化的迅速发展,越来越多的大空间建筑不断涌现.大空间建筑由于高度高、体积大、人员居留区高度远低于室内总高,空调能耗往往远大于实际居留区所需能耗,其空调系统具有初投资高和运行能耗大的特点^[1].目前大空间建筑仅占城镇总建筑面积的5％～6％,但其用电量为100~300 kW·h·m^-2·a^-1[2].分层空调作为适用于大空间建筑的一种特殊送风形式,因其良好的舒适性和节能效果备受人们关注.分层空调是指仅对下部区域进行空调,而对上部区域不空调的方式.与全室空调相比,夏季可节省冷量30%左右^[3].

本文以某大空间建筑工程实训中心为研究对象,根据实际建筑围护结构和空调系统运行情况,利用eQUEST(the Quick Energy Simulation Tool)动态能耗模拟软件建立物理模型.目前能耗软件模拟整个房间时均以一个温度的点状态表示,无法反映大空间建筑室内温度分层特点,为此要将能耗模拟软件应用于大空间建筑负荷及其能耗分析,大空间建筑室内的一室多温便是能耗模拟软件首先要研究的内容.虽然利用eQUEST软件模拟建筑能耗特性和探讨建筑节能有很多成功案例^{[4, 5]},但结合室内温度分层、采用一室多温概念探讨大空间建筑负荷则鲜有报道.本文尝试利用eQUEST能耗模拟软件,提出按空调区和非空调区分区建模的方法,对不同分层高度的大空间建筑进行负荷模拟,以对比分析全室空调、不同高度分层空调负荷特性.

研究对象为由工业厂房改建的某工程实训中心,建筑面积2 685 m²,建筑墙体高9.6 m,双坡屋顶,无天窗的坡屋顶最高处为11.9 m,有天窗的坡屋顶最高处为14.5 m,利用eQUEST软件按实际建筑建立的建筑模型外观如图 1所示.图 2为建筑平面简图,图中:实训中心西北区域数控机床区为空调区,建筑面积约515 m²;相邻约1 350 m²的车工区为非空调区;实训中心东边办公室、南边教室均设置分体式空调器.数控机床区用空调机房位于建筑东侧,空调区东侧采用上部喷嘴送风,同侧下部回风,形成分层空调送风方式.本文主要对数控机床区的大空间进行夏季空调负荷模拟研究,不考虑其它房间的空调能耗,但物理模型以整个实训中心为对象.

图 1

Fig. 1

图 1 建筑模型外观图 Fig. 1 The appearance of the building model

图 2

Fig. 2

图 2 建筑平面简图 Fig. 2 The architectural plan

模型中模拟参数设置如表 1所示.建立全室空调模型时,整个数控机床区按一个区域划分,设成空调区,温度为空调设计温度;建立分层空调模型时,为区别数控机床区分层空调的上部区域和下部区域,将整个空间设置为中间没有隔断的上、下两个不同区域,下部区域(空调区)设为空调设计温度,上部区域(非空调区)温度不设,由模拟计算得到.

表 1 Table 1

表 1 模拟参数设置 Table 1 The setting of simulation parameters 参数名称 数值 外墙传热系数/(W·m-2·K-1) 2.05 内墙传热系数/(W·m-2·K-1) 1.66 屋顶传热系数/(W·m-2·K-1) 0.84 玻璃窗传热系数/(W·m-2·K-1) 5.802 人员密度/(m2·人-1) 17 数控机床区/车工区设备功率密度/(W·m-2) 398/365 照明功率密度/(W·m-2) 15 供冷期空调设计温度/℃ 26 空调运行时段 8:00—17:00

表 1 模拟参数设置 Table 1 The setting of simulation parameters

数控机床区空调负荷主要由照明、设备、人员及围护结构负荷等组成.假定数控机床区采用一班制空调运行模式,每天工作和空调运行时段为8:00-17:00,周末和节假日不运行,节假日设置采用2011年实际休息日数据,空调系统运行时间采用上海世博会期间的相关参数^[6],具体如表 2所示.并采用上海地区BIN气象参数作为室外参数.

表 2 Table 2

表 2 模拟用时间信息 Table 2 The time information for simulation 节假日(除周末) 日期 夏季空调运行时间 端午 6月6日 供冷期:5月17日~10月31日 中秋 9月12日 “十一” 10月3日~7日

表 2 模拟用时间信息 Table 2 The time information for simulation

利用eQUEST软件模拟空调供冷期逐时建筑负荷,可得到供冷期的峰值冷负荷.采用全室空调模型和分层空调模型分别模拟全室空调以及喷口高度为5.5 m的分层空调负荷,并选取峰值负荷进行对比分析.除建筑物理模型不同外,其它条件(运行时间、围护结构、门窗大小、内部热源等)均相同.模拟结果为:全室空调的峰值冷负荷出现在7月14日16:00,分层空调的峰值冷负荷也出现在7月14日16:00.两者夏季峰值冷负荷对比如表 3所示,其中:

表 3 Table 3

表 3 夏季峰值冷负荷对比 Table 3 The peak value comparison of cooling load in summer 负荷类别 负荷/kW 下降值/kW 下降占比/% 全室空调 分层空调 墙传热负荷 18.8 15.5 3.3 7.6 屋顶传热负荷 5.7 0 5.7 13.1 窗传热负荷 4.5 3.1 1.4 3.2 窗日射得热负荷 10.0 5.2 4.8 11.1 门传热负荷 1.2 1.2 0 0 照明负荷 6.9 6.9 0 0 人员显热负荷 2.0 2.0 0 0 人员潜热负荷 2.2 2.2 0 0 设备负荷 37.1 37.1 0 0 渗透显热负荷 13.1 2.1 11.0 25.4 渗透潜热负荷 20.5 3.3 17.2 39.6 总冷负荷 122.0 78.6 43.4 100.0

表 3 夏季峰值冷负荷对比 Table 3 The peak value comparison of cooling load in summer

下降值为分层空调负荷比全室空调负荷减少的值;下降占比是指负荷各组成项的下降值占总冷负荷下降值的比例.从计算结果可知,分层空调与全室空调相比,渗透形成的冷负荷下降占比最大,依次下降较大的有窗日射得热和窗传热形成的冷负荷、屋顶传热形成的冷负荷,最后是墙传热形成的冷负荷.其它门、照明、人员、设备负荷相等.

图 3为冷负荷下降占比柱状图.对比分层空调与全室空调,在夏季峰值冷负荷中,渗透负荷形成的下降占比最大,为65%,窗传热负荷的下降占比为14.3%,屋顶传热负荷下降占比为13.1%,墙传热负荷的下降占比最小,为7.6%.这是因为分层模型中,建筑大部分渗透来自上部窗户、建筑孔洞等,其渗透形成的负荷处于非空调区,故分层空调负荷中渗透冷负荷较小,渗透下降占比最大.窗、墙传热形成的负荷下降是由于分层空调模型分区后,部分窗、墙在上部非空调区,而上部围护结构负荷不直接计入空调区负荷.同时,分层模型中屋顶为非空调区,故没有屋顶负荷.

图 3

Fig. 3

图 3 冷负荷下降占比柱状图 Fig. 3 Histogram of the proportions of decreased heat loads

基于负荷模拟结果,分层模型上部的非空调区对分层空调冷负荷有重要影响,决定上部非空调区范围的分层高度是影响分层空调冷负荷的关键因素.

为研究分层模型不同分层高度对峰值冷负荷的影响,在其它条件不变的前提下,分别对4.0、5.5、6.0、7.0、8.2、9.0 m六种分层高度建立物理模型进行负荷模拟,得到各分层高度下的峰值冷负荷和节能率,结果如图 4所示.从图可知,夏季峰值冷负荷随分层高度的增加而增大,其变化近似呈线性,即分层高度单位峰值冷负荷平均增加1.48 kW·m^-1.相比于全室空调模型,分层空调模型节能率随分层高度的增加呈下降趋势,分层高度在4~9 m范围内,节能率可达31%~37%,大于30％,这与《实用供热空调设计手册》^[3]中提出的分层空调与全室空调相比夏季可节省冷量约30%基本一致.

图 4

Fig. 4

图 4 夏季峰值冷负荷和节能率随分层高度的变化 Fig. 4 The relationship between the peak value of cooling load in summer and energy-saving rate with stratification

《实用供热空调设计手册》^[3]中分层空调冷负荷计算式为

式中:q_cl为空调区分层空调冷负荷,W;q_lw为通过空调区外围护结构得热形成的冷负荷,W;q_ln为空调区内部热源散热形成的冷负荷,W;q_x为空调区室外新风或渗透风形成的冷负荷,W;q_f为非空调区向空调区辐射热转移形成的冷负荷,W;q_d为非空调区向空调区对流热转移形成的冷负荷,W.

式(1)计算所得的分层空调负荷,是在空调区常规空调负荷(如围护结构负荷、室内负荷、渗透负荷等)基础上,增加了非空调区向空调区转移的辐射和对流热转移形成的冷负荷.其中:式(1)等号右边前三项按全室空调常规冷负荷计算方法计算;辐射热转移冷负荷的计算方法是,首先计算非空调区各壁面向空调区地板的辐射热转移与透过非空调区玻璃窗被地板接受的日射得热量之和,附加30%后作为非空调区向空调区转移的辐射热,利用经验数据获得辐射转移冷负荷;对流热转移负荷则根据非空调区与空调区热强度比及非空调区的排热率查阅相关实验数据计算获得,详见文献^[3].根据式(1)计算7月14日16:00时不同分层高度下的冷负荷,并与eQUEST软件分层物理模型的模拟结果对比,结果如图 5所示.

图 5

Fig. 5

图 5 计算负荷与模拟负荷对比 Fig. 5 The comparison of the loads between calculated and simulation values

由图 5可知,软件模拟结果与式(11)计算结果的最大相对误差为2.7%.这说明本文建立的大空间分层空调物理模型的模拟结果,与普遍认可的《实用供热空调设计手册》^[3]中分层空调负荷计算公式的结果非常接近.

本文采用空调区和非空调区分区的建模方法建立大空间建筑物理模型,以此分析全室空调和不同分层高度下分层空调的夏季峰值冷负荷特性.模拟结果表明,分层高度在4~9 m时,与全室空调相比,分层空调节能率可达31%~37%,夏季空调峰值负荷随分层高度增加近似呈线性增加,分层高度每增加1 m,峰值负荷增加1.48 kW.比较模拟负荷计算结果与常规分层空调负荷计算结果时发现,两者极为吻合,相对误差小于3%,说明基于能耗模拟软件分区模拟大空间分层空调负荷的方法合理.研究成果为今后利用软件分析大空间建筑全年能耗提供了方法.