2021年高級經(jīng)濟師《建筑與房地產(chǎn)經(jīng)濟》論文:辦公建筑內(nèi)部負荷擾量特性與計算方法
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關(guān)鍵詞：辦公建筑;負荷擾量;空調(diào)設(shè)計負荷;人行為
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隨著經(jīng)濟水平的不斷提高和城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，建筑能耗逐步成為全社會能耗的重要組成部分。近年來，隨著建筑設(shè)計標準不斷提高，具有高性能圍護結(jié)構(gòu)的公共建筑日趨普遍。在辦公建筑中，超低能耗建筑、被動式建筑逐步受到青睞。影響辦公建筑能耗的因素主要有3個方面：外部因素、內(nèi)部因素、供冷系統(tǒng)。其中，外部因素主要包括室外氣象條件、圍護結(jié)構(gòu)、保溫等[2]，內(nèi)部因素包括人員、設(shè)備、照明、室內(nèi)環(huán)境參數(shù)等，供冷系統(tǒng)相關(guān)量主要包括機組能耗、水泵能耗、流體系數(shù)等。隨著建筑圍護結(jié)構(gòu)保溫性能的逐步提高，室外溫度、太陽輻射等外部環(huán)境因素對建筑負荷的影響在逐步減弱，而以室內(nèi)人員行為為代表的內(nèi)部因素已成為影響建筑負荷和建筑能耗的最重要的不確定性因素。隨著人們對系統(tǒng)的運行調(diào)節(jié)和優(yōu)化控制研究的深入，發(fā)現(xiàn)由于使用者生活習(xí)慣、生理、心理需要的差異，使得建筑內(nèi)部因素變得更加復(fù)雜，更加難以測量、難以分析、難以預(yù)測[6]。
為了探討建筑內(nèi)部因素對建筑能耗和負荷的影響，研究人員開展了關(guān)于建筑人行為的研究。主要可以總結(jié)為兩個方面，一是為了提升建筑能耗和負荷模擬計算的準確性，精細化考慮內(nèi)部因素的設(shè)置。Yan等針對人行為在建筑能耗和負荷模擬計算的現(xiàn)狀和問題進行了綜述，提出了在模擬中考慮人行為的4個步驟，分別是獲取數(shù)據(jù)、建立模型、人行為描寫耦合和評價。Kwok等采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，針對香港某辦公建筑，建立了內(nèi)部負荷的計算方法，指出精確計算內(nèi)擾是提高機組選型準確性的關(guān)鍵。第2個方面是理解和優(yōu)化建筑能源系統(tǒng)的運行，提出按需供給的思路。例如，López-Rodrígue等基于Time Use Survey數(shù)據(jù)，針對西班牙某居住建筑，研究典型人行為，并建立人員在室率的隨機模型。Wang等利用調(diào)查問卷等方式，獲得人員、設(shè)備、照明等信息，建立負荷模型，預(yù)測天津某辦公建筑的能耗情況。
以上兩個方面均是在建筑投入運行的前提下進行研究，而忽略了建筑的人員、設(shè)備、照明等內(nèi)部因素對空調(diào)負荷設(shè)計的影響。事實上，負荷設(shè)計是空調(diào)機組選型的依據(jù)，也是實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的前提，準確的負荷設(shè)計直接決定空調(diào)機組的選型和系統(tǒng)運行管理的有效性。目前，關(guān)于內(nèi)部負荷的考慮還主要著眼于建筑冷負荷，它是影響建筑夏季能耗的根源。目前的設(shè)計指標中，內(nèi)擾是按照建筑類型來劃分的，但實際上，各建筑的使用情況是不盡相同的，由此帶來的內(nèi)擾負荷也不盡相同，一概而論會導(dǎo)致普遍的機組選型過大的問題。同時，人行為是引起其他內(nèi)擾的核心和主要原因，但目前的內(nèi)擾計算中，仍采用分別給定照明、設(shè)備的經(jīng)驗值，此種方式依據(jù)性不強，容易造成錯誤的結(jié)果。
為了分析內(nèi)部負荷擾量特性和其對建筑空調(diào)負荷的影響，本文以案例建筑的實地調(diào)研測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對辦公建筑內(nèi)部負荷擾量特性進行初步探索，定量計算人員、設(shè)備、照明等室內(nèi)熱源散熱形成的冷負荷的時序值，并提出以人為核心的“代表人”內(nèi)部負荷擾量的概念和計算方法，旨在為冷負荷的精細化設(shè)計提供思路和參考。
一、內(nèi)部負荷擾量理念
1、負荷擾量的劃分
建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境形成的最主要原因是各種外擾和內(nèi)擾的影響，以圍護結(jié)構(gòu)為界將室外氣象參數(shù)歸為外部擾量(簡稱外擾)，將室內(nèi)設(shè)備、照明、人員等熱濕源歸為內(nèi)部擾量(簡稱內(nèi)擾)。而開窗通風、開啟遮陽等行為造成的室內(nèi)熱濕環(huán)境變化，受內(nèi)外因素共同影響，但這些動作都是使用建筑的人造成的，因此，本文以建筑中的使用人為核心，界定影響建筑負荷的內(nèi)部因素，不僅包括人員、設(shè)備、照明等，還包括由人員行為引起的開窗換氣、遮陽等對建筑負荷產(chǎn)生擾動的行為，上述兩方面統(tǒng)一定義為“內(nèi)擾”。設(shè)計負荷分為3部分，一部分是通過圍護結(jié)構(gòu)傳熱和透過玻璃窗的日射得熱形成的冷負荷，記為外擾負荷;一部分是室內(nèi)熱源散熱形成的冷負荷，記為內(nèi)擾負荷;另一部分是新風負荷，這部分負荷用于新風系統(tǒng)的設(shè)計，常與其他冷負荷分開考慮，將其單獨列為一部分。
室內(nèi)熱源散熱在空調(diào)季形成的冷負荷是空調(diào)負荷設(shè)計中重點考慮的部分，在采暖季，室內(nèi)散熱同樣會影響供暖負荷，帶來室內(nèi)溫度偏高的情況，但由于室內(nèi)熱源散熱屬于有利于保證室內(nèi)溫度的因素，目前在設(shè)計計算時不做考慮。因此，研究僅以冷負荷計算中的相關(guān)項為研究對象，探討內(nèi)擾負荷的特點。
2、室內(nèi)熱源散熱形成的冷負荷
二、案例建筑與測試
選擇位于天津市的兩棟辦公建筑作為案例，進行針對空調(diào)負荷擾量因素的實地調(diào)研。其中，A建筑是超低能耗辦公建筑示范項目，是某大型建設(shè)集團的投資發(fā)展公司，該建筑于2012年竣工，并申報天津市低能耗示范項目。B建筑為一棟普通辦公建筑，于2010年建成，并于2012年完全投入使用。兩棟建筑的基本信息如表1所示。
對選定的兩棟辦公建筑，分別在2015年7月(B建筑)和2016年8月(A建筑)進行為期1個月的測試。首先，獲取了設(shè)計負荷計算書與施工的相關(guān)圖紙。在走訪和分析案例建筑的使用情況后發(fā)現(xiàn)，該建筑一層均為大廳和走廊，A建筑每層為一個開敞辦公區(qū)，頂層為單人辦公室，但基本不用。B建筑二層為休息區(qū)和會議室，頂層為設(shè)備用房，其他層主要為辦公區(qū)。B建筑的南側(cè)為幾個開敞辦公室，北側(cè)為會議室、休息室、會客室等。測試中，選擇典型層的典型房間，獲取使用數(shù)據(jù)，A建筑選擇3層的辦公區(qū)，B建筑選擇7層的3個開敞辦公區(qū)中東側(cè)的一個，兩棟案例建筑的典型層平面示意圖和典型房間的照片見圖1和圖2。
針對選定的典型房間，在辦公室內(nèi)測量了室內(nèi)溫度、CO2濃度，同時，現(xiàn)場記錄了在室人數(shù)、使用辦公設(shè)備數(shù)量和輸入功率、使用燈具數(shù)量，同步測試建筑供冷機房內(nèi)機組供冷量情況，測試步長為1 h。具體測試變量和所用儀器見表2。
雖然建筑的圍護結(jié)構(gòu)性能指標滿足國家節(jié)能標準的要求，甚至達到優(yōu)秀水平，但是，這兩棟建筑依然存在空調(diào)機組設(shè)計容量偏大的問題。A建筑共配置兩臺熱泵機組，供冷的裝機容量為210 kW/臺，B建筑采用兩臺溴化鋰直燃機組，供冷的裝機容量分別為1 407、1 579 kW。A建筑的兩臺熱泵機組，在設(shè)計負荷下為同時工作，而實際情況僅為單臺運行，B建筑的兩臺機組同時運行。
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