祝健，丁宇，刘晓平，周沛 （合肥工业大学，安徽 合肥 230000）

0 引言

由中国制冷学会、美国ASHARE（供热、通风空调学会）、住房和城乡建设部高等学校建筑环境与设备工程专业指导委员会共同主办的“CAR-ASHARE学生设计竞赛”，是本专业最重要的且最具权威的全国性学科竞赛。竞赛要求参与竞赛的队伍根据组委会发布的题目在有限的时间内按规定的标准提交参赛作品。作为大赛一名的参与者，本文就以第十二届（2020年）竞赛的7个参赛组的负荷设计成果进行分析，探究负荷计算产生差异的原因。

1 工程概况与相关计算参数

1.1 工程概论

本次大赛设计的建筑位于西南大学校园，建筑北面为西南大学大礼堂，东面及南面为学校运动场，西面为自然山体，地势西高东低，高差近13m，呈山地地形。建筑结构类型为框架6层，其中地下1层，地上5层，建筑高度23.4m，总建筑面积为28894m2，建筑占地面积6452.8m2，由校史馆、美术馆、档案馆、自然馆、文物馆、植物馆等专业储藏和展览空间等相关设施组成，相关的建筑基本信息见表1。

建筑基本信息 表1

1.2 设计条件

空调设计的围护结构热工性能满足《公共建筑节能设计标准》（GB50189-1015）夏热冬冷地区限值要求。

2 负荷计算结果分析

2.1 各小组的计算结果

本次主要对参与大赛的七个小组进行负荷统计及分析，小组编号分别为A1～A7，共七组。表2为各个小组的空调负荷计算结果。

各小组的负荷计算结果 表2

由表2可以看出，七个小组的总冷热负荷计算结果均不相同，并且部分小组之间结果存在着明显差异。全年最大冷负荷为2994.1kW，由A2组采用DeST软件计算得出，最小冷负荷是A7组用天正暖通计算得出的1292.9kW，其最大冷负荷是最小冷负荷的2.3倍；最大热负荷是由A5组采用EnergyPlus模拟得出的1518.8kW，是最小热负荷521.6kW（A2组DeST模拟得出）的2.9倍。此外，表中发现对同一建筑采用同种软件进行模拟所产生的结果也具有很大的差异，如A2、A3和A7都采用DeST对该建筑进行模拟，但模拟出的最大冷负荷分别为2994.1kW、1983.6kW以及1307.3kW，结果存在着显著的差异，采用鸿业计算负荷的A2、A3、A4、A5组，计算得出的最大冷负荷偏差不是很大。

2.2 各小组分项负荷的计算结果

下面对各个小组的分项冷热负荷进行汇总分析。分项冷热负荷主要是由围护结构负荷、灯光照明散热负荷、设备散热负荷、人员散热负荷以及新风负荷组成，由于各个小组设计说明书以及计算书中大部分未对围护结构负荷、灯光照明散热负荷、设备散热负荷以及人员散热负荷进行整理统计，因此将着重从新风负荷进行统计分析，对于各个小组的设计说明书以及计算书中存在的数据进行统计，在说明书以及计算书中未给出的结果，这类情况在表中以“—”表示。统计结果如表3、表4所示。

夏季各小组新风冷负荷 表3

冬季各小组新风热负荷 表4

分析表3、表4的各小组新风冷热负荷统计结果，可以得到以下结论：

①各小组的新风冷热负荷大小不同。表3中最大新风冷负荷为A6组的1058.3 kW，最小新风冷负荷是A7组的288.3kW，其最大新风冷负荷是最小新风冷负荷的3.7倍，两组差异显著。而新风热负荷最大值（625.1kW，A1组）是最小新风热负荷（265.8kW，A7组）的2.35倍。

②新风冷热负荷占总负荷较高。最高A2组夏季新风冷负荷占总冷负荷的比例为50%，最小A7组夏季新风冷负荷比为21.41%。A1、A2、A4组的新风热负荷占总热负荷的比例均大于50%，最小A3组冬季新风负荷比为43%。对本项目采取适当措施减少新风负荷，是实现空调系统节能的重要途径。

3 负荷计算结果差异原因分析

3.1 室内设计参数选取的不同

室内设计计算参数的选取主要包括房间内冬夏季的设计温度、相对湿度、人员密度、照明功率密度、新风量等参数。由于该建筑房间类型、功能繁多复杂，着重选取一些主要功能房间进行比较分析。表5列出了从A1组到A7组的主要功能房间的室内设计计算参数的取值。以校史馆为例，A1、A4、A5、A7小组均取26℃为夏季室内设计温度，仅A6组取24℃。在冬季时，A4组取18℃作为冬季室内设计温度，A3小组取24℃，其他各组取20℃；另外，各小组在校史馆的人员密度与新风量的选取也相差很大，A5组的新风量为30m3/h人，而A7小组仅有15m3/h人，其他小组取值相近均在20m3/h左右。档案馆为储存档案的区域，人员密度较少，因此A3和A6小组均指定档案馆区域为2人，但A7组的人员密度较大，有0.17人/m2，因此必然导致最终计算的负荷结果产生较大的差异。由于是对同一地点同一建筑进行负荷计算，因此各小组所选取的室外设计参数均相同（表中数据均来自各参赛小组的设计说明书以及计算书，设计说明书以及计算书中未查找到的内容均用“——”表示）。

由表3知A1组和A7组均采用了斯维尔软件进行负荷计算分析，结果却差异明显。A1组全年总冷负荷达到2072.2 kW，是A7组的1.54倍，全年总热负荷A1组是A7组的1.6倍。由于采用同一软件进行负荷计算，故排除了由于负荷软件差异所引起的结果不同。因此房间室内参数取值成为了两组计算负荷差异的关键。以展览馆为例，两组主要区别之处在于冬季室内温度的设定以及人员密度及最小新风量。根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012），室内温度设计范围为18～24℃[1]，A1组取20℃，A7小组则取下限值18℃作为设计参数。据研究表明，冬季室内设计温度取值每降低1℃，最大单位面积热负荷会降低7%～10%[2]。A1组与A7组的展览馆室内热负荷相差39.8kW，超过室内设计温度相差2℃所产生的影响，故继续分析是除了室内温度设计参数的差异外，其他室内参数取值的影响。经过查看A1小组与A7小组的最小新风量的取值分别为20m3/h人和15m3/h人，由此得到新风量的取值大小对空调总负荷的影响很大，新风量每增加5%，总负荷将加大10%～14%左右。综上，对于人员密度较小、偶尔停留的场所，室内温度设计参数应当尽量选取满足人体热舒适指标的最低值，能够有效的降低冬季热负荷，降低空调能耗，最小新风量可以适当的减少，但不应低于《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）规定的最小值。

3.2 负荷计算软件选取不同

目前全世界计算建筑负荷与能耗的软件已经超过了100种，如美国的Ener⁃gyPlus、BLAST、英国的 ESP-r、以及中国的DeST、PKPM、华电源、斯维尔等。天正暖通负荷计算软件或鸿业负荷计算软件，因其拥有简单的工作界面，易于操作，工程设计人员可以快速完成负荷计算，但随着精细化设计与优化运维的要求，建筑全年空调动态负荷模拟已经不可或缺。为在软件操作过程中准确的输入设置参数，使用者应对不同软件的工作机理有所了解与掌握，如天正暖通负荷计算软件采用冷负荷系数法，鸿业计算软件采用谐波反应法，斯维尔BECH则采用图形输入的思想，可自动提取AutoCAD工作图中的围护结构数据，建立建筑的热工计算模型，实现可视化计算，而DeST则采用状态空间法计算不透明围护传热，一次性的求解房间的传热特征系数，同时采用多房间联立求解的方法，计算出各房间的温度或投入的冷热量,EnergyPlus则采用热平衡法，将房间热平衡分为围护结构热平衡和空气热平衡两部分，在求解不透明围护传热时，EnergyPlus则采用 CTF（Conduc⁃tion Transfer Function)或有限差分法[3]。即使计算方法相同的各软件，对负荷计算各个环节的处理与简化程度也有不同，其中DeST和EnergyPlus在计算围护结构内表面的对流换热和长波辐射换热时，DeST采用固定的对流换热系数，而EnergyPlus中的对流换热系数则随时间步长发生变化。其次，DeST和En⁃ergyPlus中表面对流换热系数分别采用缺省设置，导致输入的参数不一致，并且在长波辐射换热、照射到围护结构外表面的太阳辐射强度、室内太阳辐射分配、窗户模型等方面的简化处理也存在着差异[4]。鸿业负荷计算软件忽略了不同的建筑形式以及不同围护结构热工性能下的长波辐射换热的差异，对室内长波辐射取定值进行计算。因此对于相同的建筑，在进行全年负荷模拟计算时，负荷计算软件选取的不同以及人工输入参数的差异，由此产生的负荷计算差异可能是明显的。相较于EnergyPlus，其余软件在国内对工程设计均具有一定的便捷性，而EnergyPlus在学术研究上的应用更易于被国际认可[5]。

4 结论

综上所述，在对参与CARASHARE大赛的参赛小组的负荷统计结果分析来看，产生负荷计算结果差异的原因是多样的。

①在对建筑进行负荷计算时，室内设计参数以及人为数据处理的差异是造成建筑负荷结果不同的原因之一，但仅仅是次要原因，室内设计参数的不同会导致负荷计算结果不同，但这样的原因是可以人为控制的。当严格遵循设计规范进行设计时，负荷计算结果的差异不复存在。其次，人为数据处理的问题是人的主观性问题，可以在计算过程中避免。

②当控制所有设计参数、气象参数以及空调房间的设计面积均相同时，采用不同的负荷计算软件对同一个建筑进行分析计算时，由于各软件的计算方法不同，所产生的结果也不相同，甚至差异性很大。这是对同一地点、同一建筑进行负荷计算产生结果差异的主要原因，是客观的，也是人为不可更改的。所谓的不同软件在特定情况下的适应性则指部分软件擅长建筑负荷的计算，部分软件则以建筑能耗模拟为长，即不同的模拟软件分别具有在不同操作条件下的优势，也分别对环境模拟的状态表达着不同的方法。

5 建议

正确理解和采用标准规范是对工程进行设计的最基本要求。应精准理解各标准规范中的总则条款，注重其适用范围，了解各标准规范间的关系及方法，了解不同标准的意义与作用，仔细分析进行负荷计算的建筑类型，根据建筑类型进行相应标准规范的引用。其次，应认识到设计计算参数的取值对于计算建筑物负荷的重要性。标准设计规范中大多给定的是设计参数的取值范围，对于不同的小组，取上限和取下限或者取中间值所计算出来的结果必然会有差异，但结果仍然是正确的，但每个工程都存在着不同的环境以及不同的约束条件，应根据不同的情况进行分析论证确定取值[10]。

要始终清楚对建筑进行负荷计算的目的，是为了更好的选择一个尽量小但能够满足建筑所需的设备，负荷计算偏小或过大，都是不容许的。因此建议各软件最好能够以规范的形式给出各软件用的计算方法以及使用中明确要求用户输入或者允许用户修改的数据、系数，让各软件的计算过程更加透明化。这样，设计者在用不同的软件对同一建筑进行负荷计算时，负荷计算结果的差异也将有迹可循。