天然氣分布式供能系統冷熱負荷計算存在的關鍵問題及解決方法

楊光梅

摘 要：冷熱負荷計算準確性是天然氣分布式供能系統設計科學性及投產后運行經濟性的重要保障，然而現有分布式供能系統設計方案中，存在沿用已有設計標準和規范，采取保守測算的導向及計算方法，在負荷測算分析過程中忽視全年延時負荷曲線， 對負荷模擬簡化處理等問題，導致設計值偏大或者偏離運行規律。針對上述問題，該文提出要提高對冷熱負荷計算重要性重新認識，掌握正確的冷熱負荷計算方法，同時要根據實際需求選用相應的負荷模擬工具軟件等解決方法。

關鍵詞：分布式供能系統 冷熱負荷 問題 方法

中圖分類號：TK01 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（a）-0086-02

冷、熱負荷計算的準確性是建設天然氣分布式供能系統的基礎，是分布式供能系統投產后能否安全經濟運行的生命線，但從目前大多數分布式供能系統設計方案來看，冷、熱負荷的計算結果往往偏大或偏離運行規律，結果造成分布式供能系統投資偏大、設備閑置較高，經濟效益不容樂觀。該文旨在通過分析分布式供能系統設計方案中冷熱負荷計算的常見問題，并給出相關解決方法，以期為提高分布式供能系統冷熱負荷計算的準確性提供一定參考。由于分布式供能系統冷、熱負荷計算常見問題集中在區域性公共建筑領域，故該文所闡述的冷熱負荷均指該領域設計冷、熱負荷的計算。

1 關鍵問題

1.1 沿用已有設計標準和規范無法滿足實際需要

《公共建筑節能設計標準》（GB50189-2005）、《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB50736-2012）以及《實用供熱空調設計手冊》（第二版）等設計標準、規范、手冊是公共建筑冷熱負荷計算時最常采用的依據，因此，設計者往往根據這些標準、規范、手冊選取單位面積負荷來計算公共建筑冷熱負荷。然而，隨著國家節能力度的加大、公共建筑圍護結構、保溫材料等技術的發展以及用戶節能意識的提高，原有的單位面積負荷呈現逐漸下降的趨勢。如果設計者仍沿用標準的單位面積負荷來計算公共建筑冷熱負荷，其結果是設計負荷遠超實際運行負荷，這是分布式供能系統冷熱負荷計算中存在的核心問題。

1.2 采用的計算方法無法滿足實際運行規律的需要

在眾多向區域公共建筑供能的分布式供能系統設計方案中，設計者往往以計算的簡便為目標，甚至未理解區域公共建筑冷、熱負荷計算原則和方法，只是簡單地將所有具有相同功能的建筑面積相加后，通過單位面積負荷計算出最大、最小設計冷熱負荷，取一個同時系數，得到相同功能公共建筑的設計冷熱負荷，然后用相同的方法計算出其它相同功能公共建筑的設計冷熱負荷，再將這些已計算出的設計冷熱負荷相加后得到一個區域冷熱負荷。應該說，這種計算方法在項目論證階段用來匡算區域最大冷熱負荷時尚可適用，但不適用于計算區域平均冷熱負荷或全年冷熱負荷以及項目可研、初步設計階段，主要原因是，該計算方法忽視了不同功能建筑運行時間區間、負荷特性等要素，其計算結果往往嚴重偏離區域負荷實際運行規律，易造成項目決策失誤，這是分布式供能系統冷熱負荷計算中最主要的問題。

1.3 采取保守測算的導向往往導致設計值偏大

分布式供能系統冷熱負荷計算中，較多的設計者為提高計算結果的有效性，防止計算的冷熱負荷偏小，造成設計方案不可用。為了使項目通過審查，通過層層加碼的方式提高設計冷熱負荷，最終造成設計冷熱負荷嚴重超出實際負荷。其中，最為典型的問題是提高負荷同時系數、擴大建筑供能面積、虛化建筑內外區冷熱負荷、建筑功能錯位、同一功能建筑不同功能區負荷（如地下室負荷與地面建筑負荷相同）等同對待、提高人員密度取值、提高房間使用率等，導致分布式供能系統冷熱負荷計算中的設計值往往偏大。

1.4 負荷測算分析過程中容易忽視全年延時負荷曲線

在分布式供能系統冷熱負荷計算與分析過程中，應產生區域典型日冷熱負荷、區域全年冷熱負荷，全年延時負荷等曲線，其中，全年延時負荷直觀地反映了區域冷熱負荷的大小、特性、分布式供能系統較為客觀的年利用小時數以及設計冷熱負荷的科學性，是設計分布式供能系統最有效的依據。在冷熱負荷計算過程中，設計者往往十分重視區域典型日冷熱負荷曲線、區域全年負荷曲線，卻忽視了全年延時負荷曲線，造成分布式供能系統設計方案或運行策略設計存在較大偏差。

1.5 系統設計中對負荷模擬簡化處理

完整、科學的負荷模擬是優化分布式供能系統設計最為關鍵的因素，而對于一個以區域公共建筑為主要供能對象的分布式供能系統設計方案而言，最易被簡化處理的問題恰恰是負荷模擬。在眾多分布式供能系統設計方案中，有不少負荷模擬只是簡單地將建筑面積相加后，再利用單位面積空調負荷與建筑面積的乘積，對應氣候特征曲線提取出負荷模擬圖，忽視了建筑各功能區比例、不同功能建筑工作時段與人員密度、建筑圍護結構、保溫材料、窗墻比以及區域建筑開發階段等重要參數，使得分布式供能系統冷熱負荷嚴重偏離其實際變化規律，不能客觀反映區域冷熱負荷大小和特性，也就根本無從談起分布式供能系統的優化設計。

2 解決方法

2.1 正確理解冷熱負荷計算的重要意義

冷熱負荷計算是設計分布式供能系統的基礎，將直接影響分布式供能系統設備選型、運行策略、控制方案以及技術經濟分析等項目決策問題，因此，冷熱負荷在分布式供能系統的設計工作中具有非常重要的地位。

在區域性公共建筑領域，分布式供能系統冷熱負荷計算過程也是設備選型及其組合的優化過程，例如，可將多種設計和運行方案根據設備的供應能力加以優化和組合，使分布式供能系統達到不同熱力循環聯合、不同用能系統整合以及中低溫熱能的梯級利用，從而實現系統能源利用效率和經濟效益最大化的目的。因此，冷熱負荷計算也是優化設計分布式供能系統的重要途徑。

2.2 掌握科學的冷熱負荷計算方法

對于單幢建筑，冷熱負荷的計算有當量溫差法、諧波分解法、反應系數法、Z傳遞函數法、輻射時間序列法等多種方法，各種方法均有其優缺點，負荷計算時可因地制宜、因物而異選取相關方法，本文不再贅述單幢建筑的冷熱負荷計算方法。

而在以區域公共建筑為供能對象的分布式供能系統冷熱負荷計算過程中，由于建筑功能不同，其負荷特性曲線將有很大差異性，即使是具有相同功能的建筑，由于建筑功能分區、工作時段、人員密度，其負荷特性曲線也有一定的差異。因此，筆者認為在區域建筑型分布式供能系統負荷計算中，應在詳細了解單幢建筑開發商的需求后（有條件時，亦可根據項目建議書或初步設計文件），單獨計算單幢建筑與整點時間相對應的冷熱負荷，在此基礎上，再將計算得到的區域內單幢建筑冷熱負荷按照時間序列對應相加，即可得到區域公共建筑冷熱負荷。由于這種計算方法考慮了所有建筑冷熱負荷大小和特性，因此，通過該方法計算得到的區域公共建筑冷熱負荷最為接近實際運行情況。

2.3 善于利用負荷模擬工具軟件

近年來，隨著計算機和建筑節能技術的發展，涌現出了較多的空調負荷預測軟件，如DOE2.1、Energy-Plus、eQuest、DeST、TRNSYS、ECOTECT、華電源等，這些軟件都能夠對建筑進行全年負荷動態模擬，并生成相關負荷特性曲線，有助于分布式供能系統的最優設計和運行管理，但每個軟件都有其適用范圍，由于目前空調負荷預測軟件的對比應用案例較多，本文不再詳細敘述，實際應用時，應從自身的需求出發，選擇相應的軟件進行負荷模擬，在提高冷熱負荷預測準確性的同時，客觀計算出分布式供能系統年運行小時數，并結合負荷特性曲線提出更切合實際的運行策略。

3 結語

當前天然氣分布式供能系統設計過程中，其冷熱負荷計算仍存在因循守舊、計算方法錯誤、忽視負荷特性曲線等問題，造成分布式供能系統運行效率低下，節能及經濟效益較差。應提高對冷熱負荷計算重要性的認識，掌握正確的冷熱負荷計算方法，并通過選用相關負荷模擬工具軟件進行負荷模擬，提高冷熱負荷預測準確性。

致謝：感謝上海市科委11DZ1202004、13dz1202401、14dz1200601項目的支持，感謝上海市節能減排中心朱寅康對本文的悉心指導。endprint