關于空調工程冷/熱負荷計算若干問題的商榷*

楊宏軍 許岱玲 詹嘉儀 原梓鋒

(1.廣東海洋大學,湛江;2.南京佳力圖機房環境技術股份有限公司,南京; 3.深圳市天威視訊股份有限公司,深圳)

0 引言

空調工程負荷包括冷/熱負荷和濕負荷,負荷計算是空調工程設計的基礎。但是標準/規范和專業書籍對于空調工程冷/熱負荷計算方面的一些定義或表述存在明顯的差異,值得商榷。比如:空調工程負荷計算包括哪幾個環節?空調區的冷/熱負荷是維持空氣參數恒定而從室內去除/向室內供給的熱流量,這里的參數僅僅是指空氣溫度還是指空氣溫度和濕度?新風冷負荷是否屬于空調區負荷?冬季新風熱負荷按顯熱流量計算是否合理?冷熱媒輸送系統的附加冷負荷屬于空調系統的設計冷負荷,還是屬于冷熱源的設計冷負荷?夏季空調24 h逐時冷負荷計算是設計負荷計算還是動態負荷計算?針對上述問題,本文從規范/標準出發,結合專業書籍、設計手冊和專題文獻等資料,采用對比分析方法,探討相對準確合理的答案,為設計者準確把握空調工程冷/熱負荷計算的概念和原理提供參考。

1 空調工程設計負荷的計算環節

GB/T 50155—2015《供暖通風與空氣調節術語標準》(以下簡稱《術語標準》)對空調系統的定義為:“空氣調節系統(air conditioning system)是以空調為目的而對空氣進行處理、輸送、分配,并控制其參數的所有設備、管道及附件、儀器儀表的總和,簡稱空調系統。”[1]69《空調工程》教材中關于空調系統的表述為:“一個典型的空調系統應由空調冷熱源、空氣處理設備、空調風系統、空調水系統及空調自動控制和調節裝置五大部分組成。”[2]7《空氣調節》教材中關于空調系統的表述為:“空氣調節系統一般均由空氣處理設備和空氣輸送管道以及空氣分配裝置所組成”[3]114。可以看出,對于空調系統的組成要素,《術語標準》《空調工程》《空氣調節》三者的表述存在差異。圖1是典型空調工程的示意圖,其組成要素包括被控對象(一個或多個建筑空間)、輸配系統(空氣輸配系統和冷熱媒輸配系統)、空氣處理設備和冷熱源等。結合圖1可以看出,就空調工程負荷計算而言,上述3種資料關于空調系統定義的區別,主要在于其組成要素是否包括冷熱源及其輸配系統。

圖1 典型空調工程的組成要素

GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》(以下簡稱《民規》)第7.2節規定:“空調負荷計算”內容包括空調區的冷/熱負荷計算和空調系統的冷/熱負荷計算[4]46-51。GB 50019—2015《工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范》(以下簡稱《工規》)第8.2.16條規定:“空氣調節夏季設計冷負荷”計算包括3個環節,即空調區冷負荷計算、空調系統冷負荷計算和空調冷源冷負荷計算[5]69。《術語標準》中定義:“空調系統冷負荷(air conditioning system cooling load)為空調系統所承擔的冷負荷,除空調區域冷負荷外,還包括新風冷負荷、再熱冷負荷和各項附加冷負荷。”[1]67《空調工程》教材中把空調系統冷負荷計算劃分為4個環節:空調區冷負荷、空調建筑冷負荷、空調系統冷負荷和空調冷源冷負荷。《民用建筑空調設計》中用框圖揭示了空調房間的冷負荷(空調區冷負荷)與制冷系統的冷負荷的構成及兩者的區別與聯系[6]40。《實用供熱空調設計手冊》把空調計算冷負荷劃分為4個環節,即空調區的計算冷負荷、空調建筑的計算冷負荷、空調系統的計算冷負荷和空調冷源的計算冷負荷[7]1560-1561。

以上關于空調工程冷/熱負荷計算環節的表述中,有些負荷計算環節的名稱相同但計算內容卻不同,比如《民規》和《工規》中的空調系統冷負荷;有些負荷計算環節名稱不同但計算內容卻相同,比如《工規》中的空調冷源冷負荷與《民用建筑空調設計》中的制冷系統冷負荷。

根據圖1,結合設備選型的需要,筆者建議把空調工程設計負荷計算劃分為以下3個環節,即空調區設計負荷計算、空調系統設計負荷計算和冷熱源設計負荷計算。空調區設計負荷是進行系統分析、確定送風量的依據;空調系統設計負荷是選擇空氣處理設備的依據;冷熱源設計負荷是確定冷熱源容量的依據。這里的“空調系統”采用《空氣調節》教材中的定義[3]114,其組成要素不包括冷熱源及其輸配系統。

2 空調區冷負荷的定義

1) 標準/規范關于空調區冷負荷的定義。

《術語標準》中定義:“空調區域冷負荷(space cooling load)是指為保持空調區域空氣參數恒定而應從空調區除去的熱流量。”[1]67空氣參數包括溫度和濕度,熱流量包括顯熱(sensible heat)流量和潛熱(latent heat)流量。保持空氣溫度恒定,需要除去多余的顯熱流量。保持空氣濕度恒定,需要除去多余的潛熱流量。可見《術語標準》中的空調區冷負荷包括顯熱冷負荷和潛熱冷負荷2種類型。《民規》第7.2.2條規定:“空調區的夏季計算得熱量,應根據下列各項確定:……8.伴隨各種散濕過程產生的潛熱量。”[4]46-47《民規》第7.2.3條規定:“空調區的夏季冷負荷,應根據各項得熱量的種類、性質以及空調區的蓄熱特性,分別進行計算。”[4]47可見《民規》中的空調區冷負荷也包括顯熱冷負荷和潛熱冷負荷2種類型。《工規》第8.2節關于空調區冷負荷計算的條文[5]64-68與《民規》第7.2節的條文基本相同,在此不再贅述。可見,《術語標準》《民規》《工規》三者關于空調區冷負荷的含義是相同的。

2) 專業書籍關于空調區冷負荷的定義。

建筑環境與能源應用工程專業本科生使用最廣泛的專業書籍和設計手冊中,常見關于冷負荷的表述,鮮有空調區冷負荷的表述。根據對室內空氣參數控制的不同,冷負荷的定義主要分為2種。一種表述為:冷負荷是指為了維持室溫恒定,某一時刻應從室內除去的熱量[2]33,[3]34。另一種表述為:冷負荷是維持室內空氣熱濕參數在一定要求范圍內時,在單位時間內需要從室內除去的熱量,包括顯熱量和潛熱量兩部分[8]8,[9]70。可見上述專業書籍和設計手冊中關于冷負荷的含義并不完全相同。

對比可以看出,專業書籍和設計手冊中的冷負荷就是標準/規范中的空調區冷負荷。由于空調工程的冷負荷還包括空調系統冷負荷和空調冷源冷負荷,為了區別,建議專業書籍和設計手冊中的“冷負荷”改用“空調區冷負荷”的表述。此外,專業書籍和設計手冊中關于冷負荷定義的第一種表述的準確性值得商榷。因為如果冷負荷的作用只是維持室內空氣溫度恒定,那么只需要除去室內多余的顯熱流量即可,這就意味著冷負荷與空調區的潛熱流量無關。這與《民規》和《工規》規定的冷負荷計算內容不符。

3 空調區熱負荷的定義

《空調工程》和《空氣調節》中定義:“空調熱負荷是指為補償房間失熱在單位時間內需要向房間供應的熱量。”[2]33,[3]20《民用建筑空調設計》中定義:“空調熱負荷是空調系統在冬季,當室外空氣溫度在設計溫度條件時,為保持室內的設計溫度,系統向房間提供的熱量。”[6]62《建筑環境學》中定義:“熱負荷是維持室內空氣熱濕參數在一定要求范圍內時,在單位時間內需要向室內加入的熱量,包括顯熱負荷和潛熱負荷兩部分。如果只考慮控制室內溫度,則熱負荷就只包括顯熱負荷。”[9]71《術語標準》中定義:“供暖熱負荷(heating load)是根據供暖房間耗熱量和得熱量的平衡計算結果,需要供暖系統供給的熱流量。”[1]22《民規》第7.2.13條規定:“空調區的冬季熱負荷,宜按本規范第5.2節的規定計算;計算時,室外計算溫度應采用冬季空調室外計算溫度”[4]51。《民規》第5.2節是關于供暖系統熱負荷計算的相關規定[4]15-18。《供熱工程》中定義:“供暖系統的設計熱負荷是指在設計室外溫度下,為達到要求的室內溫度,供暖系統在單位時間內向建筑物供給的熱量。”[10]

可以看出,《空調工程》《空氣調節》《民用建筑空調設計》中定義的“空調熱負荷”與《民規》中定義的“空調區的冬季熱負荷”計算環節相同,建議統稱為“空調區熱負荷”。《術語標準》中定義的“供暖熱負荷”與《供熱工程》中定義的“供暖系統設計熱負荷”計算環節也相同,建議統稱為“室內供暖熱負荷”。而且上述資料中的“空調區熱負荷”與“室內供暖熱負荷”都是維持室內溫度條件,因此只包括顯熱流量。《建筑環境學》中定義的“熱負荷”就是“空調區熱負荷”,但是它包括顯熱負荷和潛熱負荷兩部分,建議“空調區熱負荷”采用此定義。并且需要注意,有源散濕(如人體散濕)形成的潛熱負荷為負值,無源散濕(如室內液態水蒸發散濕)形成的潛熱負荷為正值。

《暖通空調》中指出:對于全空氣系統,當冬季設計工況室內有穩定濕負荷時,室內全熱負荷應是顯熱負荷(正值)與潛熱負荷(負值)的代數和[8]146。為了便于后期空調系統分析計算,建議計算空調區冬季熱負荷時,宜對顯熱負荷與潛熱負荷分類匯總。如大連某體育館中的附屬游泳館空調區冬季設計熱負荷[11]計算結果為:圍護結構傳熱耗熱量612 000 kJ/h(170.0 kW),池水蒸發散濕潛熱得熱量342 360 kJ/h(95.1 kW)。采用地板輻射系統和散熱器系統承擔圍護結構耗熱量形成的熱負荷,采用除濕熱泵系統承擔池水蒸發散濕潛熱得熱量形成的冷負荷,冬季空調區設計熱負荷為-95.1 kW;采用全空氣系統,則冬季空調區設計熱負荷為170.0 kW-95.1 kW=74.9 kW。

4 新風冷/熱負荷

《術語標準》中定義:“新風冷負荷(cooling load from outdoor air)是指空調房間或系統由于引入必要的室外空氣而形成的冷負荷。”[1]67《空調工程》中說明:風機盤管加新風系統中的新風,是指經空調設備集中處理達到一定的參數要求,有組織地送入室內承擔空調負荷的室外空氣[2]193。夏季新風冷負荷可用式(1)計算[2]59,[6]60：

QCW=GW(hWX-hNX)

(1)

式中QCW為新風冷負荷,kW;GW為新風量,kg/s;hWX和hNX分別為夏季室外新風比焓和室內空氣比焓,kJ/kg(《空氣調節》中對這2個參數的含義說明不同,hWX和hNX分別為夏季室外新風進入系統和排出(空調區)時的比焓[3]119)。

目前國內一些空調負荷計算軟件,夏季空調區設計冷負荷計算統計結果分為含新風負荷和不含新風負荷2種情況,筆者認為這種處理方法值得商榷,因為新風冷負荷不屬于空調區的負荷。主要理由如下:1) 新風冷負荷大小與新風量有關,而新風量大小與空調系統類型有關,空調區設計冷負荷計算階段有些空調系統(比如溫濕分控空調系統)的新風量還不能確定,此時無法計算新風冷負荷;2) 空調區冷負荷是由于外擾和內擾熱源作用形成的,集中處理引入的新風,作為介質承擔室內負荷,因此它本身并不屬于空調區外擾熱源;3) 對于定風量一次回風系統空氣處理設備提供的冷量,按其構成性質分析,《暖通空調》中表述它包括室內冷負荷和新風冷負荷[8]146,《空氣調節》中表述它包括室內冷負荷、新風冷負荷和再熱冷負荷[3]119。可見,新風冷負荷不屬于空調區(室內)冷負荷。

需要區別的是,滲透空氣(包括從室外或其他空調區滲入計算空調區的空氣)屬于外擾熱源,其形成的冷負荷屬于空調區冷負荷[4]47,[5]65,[7]1515。

對于冬季空調新風熱負荷,可用式(2)計算[6]60,[8]24：

QRW=GWcp(tWD-tND)

(2)

式中QRW為冬季新風熱負荷,kW;cp為空氣的比定壓熱容,1.01 kJ/(kg·℃);tWD和tND分別為冬季室外空氣計算溫度和室內空氣設計溫度,℃。

可以看出,式(2)計算的是把室外空氣加熱到室內溫度所需要的熱量,只包括新風顯熱負荷。而冬季空調系統,往往需要對新風進行加熱和加濕處理,這種情況用式(2)計算冬季新風熱負荷是否合理值得商榷。林艷艷等人的研究結果表明,對于一次回風空調系統,新風無論采用等溫加濕還是等焓加濕,空調系統的熱負荷都大于室內熱負荷與新風顯熱負荷之和[12]。這說明對于有加濕的空調系統,僅考慮新風顯熱負荷會導致計算結果偏小。筆者建議冬季新風負荷宜按全熱計算。但是需要注意,冬季新風如果采用蒸汽加濕方式,而且新風加熱和加濕熱源分別單獨設置,這種情況宜分別計算新風加熱和加濕所需熱量。

5 空調系統設計冷負荷

關于空調系統設計冷負荷的計算,《民規》第7.2.11條第3款規定:“應計入新風冷負荷、再熱負荷以及各項有關的附加冷負荷。”第7.2.12條規定:“空調系統的夏季附加冷負荷,宜按下列各項確定:1) 通過風機、風管溫升引起的附加冷負荷;2) 冷水通過水泵、管道、水箱溫升引起的附加冷負荷。”[4]51《工規》第8.2.16條第2款規定:“空氣調節系統冷負荷計算應符合下列規定:……3) 應計入風機溫升、風管溫升、再熱量等附加冷負荷。”[5]69《工規》第8.2.16條的條文說明指出:“空調冷源附加冷負荷,包括冷水通過水泵、水管、水箱的溫升引起的冷負荷。”[5]430

對于“冷水通過水泵、管道、水箱溫升引起的附加冷負荷”,《民規》中規定它屬于空調系統的附加冷負荷,《工規》中規定它屬于冷源的附加冷負荷。這2種表面看起來似乎矛盾的規定,是由于2種規范對空調系統組成要素定義不同所導致的。結合圖1,《民規》中空調系統組成要素包括冷源及其冷媒輸配系統,而《工規》中空調系統組成要素卻不包括它們。《民規》中空調系統冷負荷計算的目的是確定冷源容量,《工規》中空調系統冷負荷計算的目的是確定空氣處理設備的冷量。筆者建議空調系統設計冷負荷計算采用《工規》的規定,不計入“冷水通過水泵、管道、水箱溫升引起的附加冷負荷”。而且宜根據所服務的空調建筑中各分區的同時使用情況、空調系統類型及控制方式等,經過焓濕圖分析和計算確定[2]50。

6 設計負荷計算與動態負荷計算的區別

從總的概念上通常把空調負荷分為2類:一類是供設計用的空調負荷,另一類是用于模擬建筑全年能耗的空調負荷[13],也分別稱為設計負荷與動態負荷。

設計負荷計算是計算建筑空調系統在設計工況下的負荷或設計日的峰值負荷,用于確定空調系統的形式、設備容量、空調機房面積、系統參數、控制方案等[13-14]。空調區的夏季設計冷負荷以標準設計日室外氣象參數為條件,按非穩態傳熱或穩態傳熱方法計算空調區的各項得熱量形成的24 h逐時冷負荷,并按各項逐時冷負荷的綜合最大值確定。空調系統設計負荷按所負擔區域的綜合最大計算負荷確定,集中冷熱源的設計負荷應按整個系統實際可出現的最大負荷確定,并考慮各系統各部分形成負荷的時間差,在計算負荷的基礎上乘以同時使用系數[14]。設計日24 h逐時冷負荷計算就是動態負荷計算,這種觀點是不正確的。

動態負荷計算也稱長期負荷計算,是計算建筑系統在一段時間內(通常是全年)的負荷分布情況,又稱為建筑能耗模擬,主要用于建筑能耗評估、圍護結構熱工特性分析、系統方案比較和優化、空調自動化運行方案制定、建筑節能措施評價等[13]。如:趙亞楠等人運用DeST模擬建筑全年動態負荷,研究了建筑物朝向、體形系數及窗墻面積比對建筑全年總能耗的影響[15]。楊佳等人利用HDY-SMADv3.5進行了全年8 760 h的負荷計算,根據全年動態負荷分析結果,合理選擇冷熱源機組類型,并制定相應的運行策略,使得冷熱源機組能長時間工作在高效區,保證了冷熱源方案選擇的合理性、高效性和節能性[16]。汪訓昌等人利用DOE-2程序對某大廈的全年逐時空調冷、熱負荷進行了模擬計算,以選擇合理的空調方案,確定最經濟的空調方式與系統,達到全年最省能的運行目的;根據全樓的逐時冷、熱負荷數據,準確統計出全年的冷負荷與熱負荷分布的累計時間規律,制訂出全樓全年冷熱源設備優化控制的策略[17]。

7 結束語

本文探討了空調工程冷/熱負荷計算相關的若干問題,根據其產生原因可分為2類:一類是由于各種資料對相關概念定義不統一所導致的,這類問題的解決應以專業相關的最新標準/規范的表述為準,因為其在專業領域具有法定地位;另一類是由于空調工程負荷計算相關內容和術語在演變過程中,各時期的表述差異所導致的,需要相關專業書籍和設計手冊再版時,能及時更新相關內容,采用最新的定義和表述。對于學者來說,需要多關注專業發展動態,多種資料相結合,批判性分析,才能盡可能得到準確合理的結論。