091办公建筑间歇冷负荷系数的简化计算方法

办公建筑间歇冷负荷系数的简化计算方法

北京市建筑设计研究院林坤平徐宏庆

摘要：越来越多的办公建筑使用冰蓄冷系统，其设计和运行策略的制定需准确计算全天逐时负荷，而现有负荷计算方法中缺少楼板、内墙、家具蓄热造成的间歇冷负荷的计算。因此，本文探讨了这部分负荷的产生过程，通过模拟板状结构的传热过程，分析了各因素对其冷负荷的影响特点，给出了多种建筑材料楼板、内墙、家具的逐时冷负荷系数，将其加入冷负荷系数法计算表格，便于实际工程应用，最后通过一个典型办公建筑的计算演示了如何使用此计算结果。本文的分析和计算结果对应用冰蓄冷系统的设计提供了参考，具有较强的实用意义。

关键词：冷负荷系数办公建筑冰蓄冷热容

1. 前言

为了充分利用峰谷电价差以节省运行费用，越来越多的办公建筑使用冰蓄冷系统[1~3]。与常规空调不同，冰蓄冷空调系统的设计需要计算设计日全天的逐时冷负荷，从而在满足使用要求的前提下选用最经济有效的冰蓄冷设备和运行策略[4]。因此，准确计算建筑的逐时冷负荷成为冰蓄冷系统设计的前提和基础。“冷负荷系数法”是设计单位常用的建筑冷负荷计算方法，具有简便、快速、物理意义直观的特点，且经过多年的实践检验，在我国的工程设计中应用广泛。然而，冷负荷系数法是基于连续空调的计算得到，对于间歇使用的办公建筑，其楼板、内墙和家具的热容会在早上开启空调后形成附加冷负荷。

文献[5]中用热平衡法计算了不同建筑的‘间歇负荷系数’（在最大负荷上乘以1.0～1.3的系数）以计算建筑的尖峰负荷，可满足一般办公建筑设计的需要。但随着建筑形式的变化、节能的要求、冰蓄冷系统的广泛应用，实际设计中需要更精确的计算建筑逐时冷负荷；ASHRAE 手册[6, 7]中对建筑内热容引起的间歇负荷阐述很少，只给出某种情况下，间歇采暖的建筑其负荷应增加10％的建议。在工程设计中，往往采用根据经验估计的方法计算预冷负荷。因此，现有计算方法无法满足冰蓄冷系统的设计、选型和控制要求。

商业逐时负荷模拟软件一般包括楼板和内墙的负荷计算，有些还包括了家具的逐时负荷计算，如清华大学的Dest建筑能耗逐时模拟软件[8, 9]，但其计算与整个建筑围护结构耦合求解，无法得知其所占比例，且因其计算较复杂在空调设计中应用较少。把楼板、内墙、家具的间歇逐时附加冷负荷计算与冷负荷系数法结合，使用更加方便。

本文从板状围护结构的传热特性和负荷产生的物理过程入手，研究办公建筑中各种蓄热建筑构件

（楼板、内墙、家具）逐时负荷的计算方法，并以实际工程设计为例，给出典型办公建筑中楼板、内墙、家具对应的冷负荷系数，完善冷负荷系数法，从而提高办公建筑冷负荷计算的准确性，为冰蓄冷空调系统的设计与运行提供准确的依据。

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* 林坤平，女，1978.8，博士，工程师；单位：北京市建筑设计研究院，邮编：100045，地址：北京市西城区南礼士路62号，电话：88042596，email ：linkp@

2. 平板传热模型

2.1 楼板、内墙、家具传热分析

图1分别为楼板、内墙、家具的表面传热示意图。可见，它们都可以等效成水平或竖直的平板传热。空调开启后先冷却室内空气，再由对流换热使围护结构内表面同时降温，各表面温差相对较小，因此本文忽略各内表面辐射的影响。当平板温度高于周围空气温度时，根据Dest 提供的经验数据，各表面的对流换热系数分别为：垂直表面 3.5W/(m 2 .o C)，热面朝上水平面上表面4.0 W/(m 2 .o C)、下表面1.0 W/(m 2 .o C)，并根据其辐射换热情况进行一定修正。

图1 楼板、内墙、家具的表面传热示意图

要计算空调开启后楼板、内墙、家具的逐时冷负荷，即在已知其导热系数k 、热容p c ρ、对流换热系数h 、等效厚度L 、等效面积S 、开空调前温度T 0、设计室温T s ，预冷时间τ0的情况下，计算其逐时散热速率Q (τ)。

2.2 数学模型

一维平板传热控制方程为：

2

2x

T

k T c p ∂∂=∂∂τρ (1) 边界条件为：

L

x x

T k

T T h q =∂∂=-+)(in s,in in in r, (2)

out s,out

out out r,)(=∂∂

-=-+x x

T

k T T h q (3)

初始条件为：

init 0|),(T x T ==ττ

(4)

楼板

内墙

家具

外侧辐射q r,out 外侧对流T out 图2 墙表面传热状况示意图

其中，ρ为密度（kg m -3），p c 为定压比热容（J kg -1 o C -1），T 为温度（o C ），τ为时间（s ），

k 为导热系数（W m -1 o C -1），q 为热流密度（W m -2），h 为对流换热系数（W m -2 o C -1

），L 为厚度（m ）。下标in 为内侧，out 为外侧，s 为表面，init 为初始时刻。

以上方程用全隐式差分格式求解，可通过多次循环计算消除初始值引起的误差。模型的求解、验证过程和更多分析详见文献[10]。

3. 影响因素分析

影响平板表面散热速率的因素较多，通过研究不同因素的影响特点，可以抓住主要因素，简化分析和计算。计算的影响因素包括材料导热系数k 、热容p c ρ、等效厚度L 、等效面积S 、空调室温与开空调前楼板、内墙、家具之间的温度差ΔT ，太阳辐射强度Q r 。这些因素对附加冷负荷的影响特点不同，根据产生影响的程度不同，可分为主要因素和次要因素。因此，需要分析不同因素的影响特点。其中k 和p c ρ为材料热物理特性，只要建筑材料确定便可得到确定的值； L 会对建筑的蓄热量产生影响，在实际应用中会在一定的范围内；S 与附加负荷可认为是正比例关系；ΔT 是传热产生的动力，对不同的建筑其取值可能不同；Q r 会影响开空调前楼板、家具的温度，在部分朝东的房间中应根据需要适当考虑。

假设空调开启时，室温、楼板、内墙、家具的温度皆为29℃，室内温度在一个小时内降低到24℃并保持稳定，见图3。楼板、内墙、家具由不同材料构成，有不同的热容和导热系数，计算办公建筑使用材料的厚度和热物性参数见表1。

表1 某办公建筑楼板、内墙、家具热物性参数

等效厚度L （mm ） 热容p

c ρ（MJ/m 3℃） 导热系数k （W/m ℃）

楼板 120 2.09 1.70 内墙 100 1.32 0.55 家具

25

0.73

0.11

图4（a ）（b ）（c ）分别为楼板、内墙、家具逐时散热速率Q (τ)随不同热容p c ρ、导热系数k 、室内

昼夜温差ΔT 、厚度L 、太阳辐射的变化曲线。

图3 空调办公建筑昼夜室温变化

10

20

30

40

6

121824

30

时间（小时）

室温（o C ）

-40

-200200612182430时间（小时）表面热流（W /m 2）

热流（ρcp＝1.5MJ/m3℃）

热流（ρcp＝2.1MJ/m3℃）

热流（ρcp＝2.5MJ/m3℃）-40

-200

200612182430

时间（小时）

表面热流（W /m 2）

热流（k＝1.0W/m2℃）热流（k＝1.5W/m2℃）热流（k＝2.0W/m2℃）-40-20

20

6

121824

30

时间（小时）

表面热流（W /m 2）

热流（ΔT＝2℃）

热流（ΔT＝3℃）热流（ΔT＝4℃）

-20

20面热流（W /m 2）

热流（L＝100mm）-20

020面热流（W /m 2）

热流（有太阳辐射）