徐 爽 周 翔 张 旭 张静思 高克文 杨 毅

(1.同济大学,上海;2.美的集团中央研究院,上海;3.浙江大学建筑设计研究院有限公司,杭州)

0 引言

多联机由于其优越的制冷制热性能、安装方便、不需要专设冷热源机房等优点,越来越受到各种用户的青睐,尤其是夏热冬冷地区特别适用。近年来,多联机系统的市场占有率已超过50%[1]。随着多联机行业的迅猛发展,许多相应的问题也凸显出来,尤其是多联机设备选型与空调负荷不匹配的问题。

设计选型时往往采用单位面积负荷指标的估算法进行设备选型,容易造成设备选型偏大,导致初投资和运行成本过高,也不利于低碳环保。若直接按照计算负荷进行选型,又存在降温时间过长的弊端。因此,合理放大空调负荷、选择合适的室内外机,有着重要的实际意义。

本文结合模拟算例,探讨不同运行工况下多联机系统空调负荷的差异,并阐述负荷对选型造成的影响,最后针对多联机设备选型问题提出一些合理建议。

1 现有多联机选型负荷计算方法

目前针对空调负荷的确定主要存在2类方法:计算法和估算法。计算法主要指谐波反应法、冷负荷系数法、Z传递函数法等,在GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[2]和《实用供热空调设计手册》[3]中都有详细的计算步骤介绍。估算法主要是根据建筑类型和房间用途给出单位面积空调负荷指标推荐值进行大致估算,仅供工程初步设计阶段使用。估算法中使用的常见办公建筑冷负荷指标的推荐值见表1。需要指出的是,GB 50736—2012明确指出,计算热负荷和逐时冷负荷是选型设计的基本依据[2]。

表1 办公建筑冷负荷指标推荐值

由于多联机可以单独调控不同房间的温湿度,每个室内机可单独运行,因此用户在离开房间时往往会关闭房间空调,末端存在间歇运行的特点。这使得墙体、家具等部件在空调停机时蓄热,从而产生附加负荷。这些附加负荷的大小可以用负荷放大系数来表示,定义如下:

(1)

式中αi为空调间歇运行i时刻的负荷放大系数;qi为空调间歇运行i时刻的负荷,kW;qci为空调连续运行i时刻的负荷,kW。

在团体标准T/CECA 20016—2022《多联机空调系统设计应用技术规程》(以下简称《多联机标准》)中给出了冷热负荷邻室传热的修正方法,并建议选型时负荷放大为基准负荷的1.2～2.0倍[8]。查阅其他相关文献及标准,将负荷放大情况汇总于表2。

表2 负荷放大情况文献汇总

根据《多联机标准》中给出的邻室空调不运行时的传热修正方法,内围护结构温差传热产生的冷负荷可按下式计算:

Qc=K1A1(t0+Δta-tn)

(2)

式中Qc为内围护结构温差传热产生的冷负荷,W;K1为内围护结构的传热系数,W/(m2·℃),取2.325 W/(m2·℃);A1为内围护结构的面积,m2;t0为夏季空调室外计算日平均温度,℃;Δta为附加温升,℃,根据《多联机标准》中邻室散热量<23 W/m2,取3 ℃;tn为供冷工况室内设计温度,℃,取26 ℃。

按《多联机标准》给出的修正方法,在办公建筑标准层4个方向上各选取1个房间进行计算,相应的围护结构参数根据2.1节中的设置选取。对基于GB 50736—2012标准方法计算得到的基准负荷进行修正,得到相应的间歇负荷及负荷放大系数,如表3所示,负荷放大系数在1.3～1.4范围内。

表3 冷负荷修正结果

已有文献中对负荷放大系数的取值存在一定的差异,本研究拟通过负荷动态模拟的方法,研究不同运行模式下对应的负荷放大系数。

2 多联机运行模式对负荷的影响

办公建筑多联机空调的使用是典型的间歇运行模式,早晨开启、夜间关闭。建筑内办公室多且杂,人员往来频繁,经常会存在同一系统房间内的空调不同时开启的情况。这些不同的多联机运行模式会导致空调负荷有较大差异,因此需要探讨负荷放大系数的合理选取。

以上海地区某办公建筑为计算对象,根据不同的运行工况,使用DeST软件对其全年负荷进行计算。根据计算结果分析负荷有关的影响因素,以及对室内机和室外机选型的影响。由于该建筑位于夏热冬冷地区,对多联机的选型以冷负荷为基准,因此在后续计算讨论中,围绕冷负荷展开。

2.1 建筑概况

计算建筑为多层办公建筑,体形系数为0.18,层高4.5 m,单层建筑面积为1 534 m2,窗墙面积比为0.6。主要功能房间均为办公室,标准层房间布局如图1所示,在4个方向上各选取1个房间供后续计算讨论。夏季室内计算温度为26 ℃,相对湿度为60%,新风量为30 m3/(人·h),人员密度为8 m2/人,照明负荷为18 W/m2,设备负荷为13 W/m2。

图1 标准层布局示意图

围护结构参数设置如表4所示,均满足GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》的要求。

表4 围护结构参数设置

建筑的空调运行模式对负荷有着极大的影响,尤其是峰值负荷。办公建筑作为典型的间歇使用建筑类型,采用白天使用、夜间休息的空调运行模式。因此,本文对不同的运行模式进行负荷探讨,结合实际情况定义4种运行工况,如表5所示。

表5 模拟选取的4种空调运行工况

2)工况Ⅳ中除计算房间外,周边房间空调运行时间为07:00—20:00。

2.2 计算结果

按照表5中4种工况,计算5种典型运行模式下北向房间的冷负荷,结果如图2所示,其中间歇运行(工况Ⅱ)、邻室非空调(工况Ⅲ)和长时间停机(工况Ⅳ)模式为了便于对比都采用07:00开机工况。

图2 典型运行模式下北向房间冷负荷

工况I连续运行模式随着日间人员的增加、设备的运行,负荷逐渐变大,同时受到太阳得热的影响,在傍晚时段达到负荷峰值。夜间时人员离开,大部分设备关闭,室外温度降低,负荷逐渐减小。工况II的间歇运行模式由于停机时室内积蓄的热量较多,为了在规定时间(1 h)内达到设定温度,启动负荷较大,超过连续运行模式负荷峰值。工况Ⅱ的间歇最不利模式下,由于运行时间过短,启动时间也较迟,启动负荷远超其余模式。说明空调运行时间越短,启动负荷越大。

普通办公建筑一般采用日间开启、夜间关闭的空调运行模式,一般会在06:00—07:00开启空调,与图2中间歇运行模式类似。该模式下的负荷放大系数在1.3左右,与《多联机标准》中推荐的下限值1.2较为接近。

邻室非空调模式下,计算房间存在向非空调房间传热,即邻室传热现象,冷负荷结果相比普通间歇运行模式更大。长时间空调停机导致房间外的热量进入室内,室内蓄热量增加使得房间温度上升。而空调开机后又要在规定时间内降温,所以导致启动负荷极大,普遍比其余3种模式冷负荷更大。这说明房间蓄热量是影响负荷大小的重要因素。

3 房间负荷特性与室内机选型分析

室内机的选型由房间冷负荷决定,需要考虑单独房间的空调启停运行对负荷的影响。图3显示了4个朝向的房间在不同工况下的冷负荷计算最大值和相应的负荷放大系数。工况Ⅱ由于子工况过多(231种子工况),在图中只列举出最大和最小值(Min,Max)。工况Ⅲ和Ⅳ的编号对应表5中的编号,表示不同的启停时间。

图3 不同朝向4种工况房间冷负荷和负荷放大系数

工况Ⅰ空调连续运行,计算得到的房间冷负荷最小,作为后续对比的基准负荷。工况Ⅱ采用间歇启停的空调模式,运行时间有长有短,所以较为离散地分布在各工况中。其中,运行时间越短,计算得到的冷负荷越大。工况Ⅲ的邻室空调不开,相当于增加了向室外的传热量,因此随着开机时间的推迟,负荷逐渐变大。而工况Ⅳ在开机前经历了长时间的停机,室内热量不断积攒,是最为不利的情形,负荷极大。在原本房间蓄热的基础上,还受到太阳得热影响,越靠近中午时段开机,负荷越大。

在连续运行工况下,南、北向房间冷负荷最小,在100 W/m2左右,东向房间在120 W/m2左右,而西向房间冷负荷最大,达到150 W/m2。这是由于西向日射得热出现在下午,和室外空气传热叠加,导致负荷峰值较大。在间歇运行工况下,南、北向房间负荷较小,东、西向房间负荷较大,而且东向房间由于基准负荷较低,因此冷负荷放大系数很大,许多工况超过了2.0。同时,东北、东南、西北、西南向房间的负荷放大系数与相邻的东、西、南、北向房间的分布相似。其中东北向房间的负荷放大系数较大,接近2.0。并且由于这些房间与室外接触的墙体更多,基础负荷相比中间房间更大。

考虑到实际房间的使用情况,将工况Ⅲ的子工况6(计算房间空调12:00开机、20:00关机,周边房间不开空调)纳入普通办公建筑房间应满足的情况范围内。因为考虑到实际建筑中会存在部分较为独立的房间,周边是储藏室或工具室,存在中午人员才来上班的可能性。而工况Ⅳ长时间停机的情况在办公建筑中较为少见,暂不考虑。其主要可能出现在部分小办公室,因人员多日缺席,墙体、家具蓄热量较大,导致空调启动负荷偏大。

根据本研究多种工况模拟的结果,对于使用情况较为规律的房间(固定时间开启、关闭,空调运行时间较长),室内机选型使用的负荷放大系数可选择1.2～1.6;对于空调使用频率较少、不规律或运行时间较短的房间,如休息室可取2.0左右,会议室由于人员密度大导致基准负荷较大,可取1.6左右;东向和东北向房间建议在其他朝向基础上适度加大负荷放大系数。

4 系统负荷特性与室外机选型分析

室外机的选型由系统负荷决定,系统负荷为各空调房间逐时冷热负荷累积的综合最大值。本次计算中,考虑到建筑体量不大,选取标准层中外圈所有办公房间作为一个系统。在部分房间空调间歇运行的工况Ⅲ和Ⅳ中,虽然房间的负荷增大,但由于存在空调未开启的房间,系统负荷并不高;最不利工况存在于系统内所有空调在某一时刻全部开启的间歇运行工况,因此此处主要对工况Ⅰ和Ⅱ的结果进行讨论,即所有房间均连续运行或间歇运行。

图4显示了标准层不同开机-停机工况组合的系统冷负荷计算结果,每一个方块代表对应的开机-停机工况计算结果。可以发现:系统冷负荷计算值在100～250 W/m2之间;从左到右颜色加深,颜色最深的部分集中在对角线上。表明开机时间越晚、运行时间越短,计算得到的冷负荷越大。因为运行时间越短,建筑围护结构的蓄热量越大,导致启动负荷越大;开机时间越晚,由于透过围护结构的得热延迟,因此负荷越大。

图4 标准层不同开机-停机工况系统冷负荷计算结果

对于普通办公建筑而言,空调白天开启、夜间关闭,运行时间长且规律。参照图4中虚线框给出的空调运行工况范围,用于室外机选型的负荷放大系数在1.2～1.6范围内。对于部分有特殊功能和需求的建筑或楼层,如会展类建筑,具有空调开启时间不固定、运行时间短的特点,需要结合实际情况考虑。以全会议室楼层为例,计算得到的负荷放大系数为1.7～2.4,超出了《多联机标准》所给的范围。极端情况时(如空调运行时间过短,只开启3～4 h,且开机时间较迟),负荷放大系数会超过《多联机标准》推荐范围上限值2.0,甚至达到2.2～2.5。图4可针对不同运行时间工况给出对应的推荐负荷放大系数。

5 结论

在多联机空调系统设计中通常使用的单位面积负荷指标估算法往往会造成选型容量过大,《多联机标准》给出了2种建议的负荷计算方法,可以使用邻室传热修正公式计算,或直接按1.2～2.0的负荷放大系数计算。本文以上海某办公建筑为例,通过动态负荷计算,分析多联机运行模式对负荷的影响,得到如下结论:

1) 参照《多联机标准》提出的邻室传热修正公式,计算得到的修正冷负荷在100～150 W/m2之间,负荷放大系数在1.3～1.4左右。目前相关标准和规范的推荐负荷指标差异较大,该修正结果与部分指标吻合较好。

2) 间歇运行导致负荷特性差异巨大,即使是相同的空调开停机工况,不同的周边条件也会存在巨大差异。空调间歇运行时间、邻室传热及房间蓄热量对房间负荷影响很大,尤其是蓄热量。

3) 室内机选型时需要考虑不同房间单独运行的情况,存在着邻室传热问题,因此在选型时需要合理放大,保障在规定时间内将室温控制到规定温度。对于使用规律的办公房间,除了东向和东北向房间(1.6～2.0),可以选择负荷放大系数为1.2～1.6;而部分单独房间,空调启停不规律,推荐负荷放大系数为2.0及以上。

4) 室外机选型时考虑系统内室内机全部运行的情况。对于使用规律的办公建筑,负荷放大系数在1.2～1.6范围内;对于使用时间不固定、频率少或空调运行时间较短的房间,负荷放大系数在1.7～2.4左右。个别极端工况则需要具体分析,图4为办公建筑不同运行工况下的室外机选型提供了可供参考的负荷放大系数。