我国五大气候区办公建筑夜间空调冷负荷比较

肩淹f 寶；爾

7-11

REFRIGERATION AND AIR-CONDITIONING

我国五大气候区办公建筑夜间空调冷负荷比较

王永生”忍毕月虹C

陈

杰

苗

振

郭

继

萌

仏

⑩

1}(北京工业大学建工学院）31 (绿色建筑环境与节能技术北京市重点实验室）

摘

要

对全国五大气候区的16个主要城市办公建筑的白天及夜间空调冷负荷进行计算，得到夜间空调

冷负荷占白天空调冷负荷比例随气候区的南移逐渐增大的变化规律。研究结果可为不同气候区太阳能空 调系统中蓄能装置容量匹配提供设计依据，同时为制冷空调系统优化运行提供理论指导。关键词空调；太阳能制冷技术；蓄能装置；夜间冷负荷;气候分区

Comparison of air-conditioning cooling loads of office building

at night in China’s five climate regions

Wang Yongsheng1)r2) Bi Yuehong1),2) Chen Jie1)a) Miao Zhen1),2) Guo Jimengu,2)1} (Institute of Civil & Architectural Engineering, Beijing University of Technology) (Beijing Key Laboratory of Green Built Environment and Energy Eefficient Technology)

ABSTRACT The air-conditioning cooling loads of office building during the daytime and

nighttime in sixteen major cities in five climate regions of China are calculated. It is found that the ratio of the air-conditioning load during the nighttime to the one during the day­time increases gradually from north to south. The research results can provide the design basis for the match of the capacity of energy storage device for solar air-conditioning system in different climate regions? as well as the theoretical guidance for the optimal operation of refrigeration and air-conditioning system.

KEY WORDS air-conditioning ；solar refrigeration technology ； energy storage device pool­

ing load at night ； climate region

近年来化石能源紧缺，使用中污染严重[1\\ 太阳能作为清洁可再生能源已得到世界范围内普 遍重视[2^然而太阳能受气候、昼夜、季节的影 响，具有间断性和不稳定性。因此，太阳能贮存十 分必要，对于大规模利用太阳能更为重要[3],蓄 能装置作为太阳能热量的贮存装置，具有对太阳 能的能量进行存及调节作用，是保持太阳能空 调系统稳定运行必不可少的组成部分。太阳能空 调蓄能装置的基本蓄能方式分为显热蓄能、相变

蓄能和热化学蓄能3种W。在蓄能装置的设计过 程中，需要考虑白天和夜间空调冷负荷的不同，依 据夜间空调冷负荷对蓄能装置进行设计，根据白 天和夜间空调冷负荷比例对太阳能空调系统进行

合理匹配。

空调冷负荷是确定空调设备容量的基本依 据[51。夜间冷负荷指的是，在夜间，某些尚须供冷 房间所需的冷负荷，比如，办公大楼在夜间尚有部 分员工加班，此时所需冷负荷即为夜间冷负荷；又 如，商业建筑各空调房间营业时间不尽相同，夜间 某些商业用房仍须供冷即为夜间冷负荷，这些在 夜间须供冷的房间亦称为夜间冷负荷房间[6a。于 希明M针对不同功能的建筑，采用数据统计的方 法，获得不同功能建筑在不同时刻的冷负荷瞬时 系数，以此计算得到昼夜每个时刻的瞬时冷负荷， 从而确定夜间冷负荷。笔者将从中国五大热工设 计气候区域中选取典型城市，进行白天及夜间空

■闺家自然科学某佥（51376012，51776008),北克市肉然科学基金（3142003).收稿日期：2〇17-05-04

通信作者：毕月虹，教授，主要从事空调蓄能技术、热泵技术及可再生能源系统热力学研究。

•8 •第18卷

调冷负荷的计算，从而为夜间释冷的空调蓄能装 置容量确定提供设计依据。

1

热工设计气候分区及典型城市

将我国划分为严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖和 温和5个热I设计气候区域，分别规定了不同的热 工设计要求s具体划分条件和各热工设计气候区 代表城市如表1所亦。

GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》調

表1

分区名称严寒寒冷夏热冬冷夏热冬暖温和

主要指标

最冷月平均温度<-1〇 °c最冷月平均温度为-10〜0 °c最冷月平均温度为0〜10 °c

最热月平均温度为25〜30 °C最冷月平均温度高于10 °c 最热月平均温度为25〜29 °C最冷/!平均温度为0〜13 °C 最热月平均温度为18〜25 °C

建筑热工设计分区及代表城市％

辅助指标

0平均温度<5 X：的天数>145天日平均温度<5 °C的天数为90〜145天U平均温度<5 °C的天数为0〜90爱 U平均温度>25 °C的天数为40〜110天日平均温度>25 °C的天数为1()0〜200人U平均温度<5 V的天数为0〜9()天

代表城市

哈尔滨、沈阳

北京、天津、西安、郑州、石家庄上海、武汉、南昌、成都、杭州福州、广州、海口:贵阳

22. 1

分析和计算

建筑模型

笔者就北京市某办公楼进行负荷计算，图1所

示为该办公楼一层平面图，选取103房间作具体计 算，图2所示为103房间简化立体模型图。

图

2 103房间简化立体模型

2. 2计算参数

GB 501—2015《公共建筑节能设计标准》[1°]

和GB 50176—2016 81规定的各地区热工设计参数 如表2所示。

表2

气候区严寒

城市哈尔滨沈阳北京天津

寒冷

石家庄郑州西安武汉南昌

夏热冬冷

杭州成都上海

夏热冬暖温和

广州

海口福州贵阳

注：室内设计温度取26 °C。

千球温度/C

30.631.433.633.935,23535 J35.335.635.731.934.634,234.536,030.1

各城市热工设计参数湿球温度/°c

23.825.226.326.926.827.525.828.428.327.926.428.227.8

21.9

窗墙比w0.35

传热系数K墙/

(W/(m2 • K))

0.380.43

传热系数[9/

(W/(m2 * K))

2.22.3

0.350,52.4

0.30.82.6

0.30.3

0.80.8

33

28.123

第2期 王永生等：我国五大气候区办公建筑夜间空调冷负荷比较 *9 •

将办公室人数分为5级[11]，各级的人员密度 见表3,本文人员密度采用第5级。

表3

办公室人数分级人员密度/(米V人）

14

4) 人员散热引起的冷负荷

根据式(4)计算人体显热散热引起的冷负荷： Q4 = (pqtnXu-T

(4)

式中：Q4为人体显热散热形式的冷负荷（w);gi 为不同室温和劳动性质成年男子显热散热量 (w);ra为室内全部人数4为群集系数，取0.93; Xu-T为r-T时刻人体显热散热的冷负荷系数。

根据式(5)计算人体潜热散热引起的冷负荷：

Qs ~ q2nz人员密度[11]

236

47

58

5

2.3计算方法

空调冷负荷主要包括：由于室内外温差通过 围护结构传热引起的负荷、日射得热引起的负荷、 灯光照明及人员散热引起的负荷及室内设备引起 的负荷和新风引起的负荷等[5]。白天和夜间冷负 荷的主要区别是：通过围护结构的室内外温差发 生改变、夜间无日射得热引起的负荷及夜间的人 员密度较白天发生变化。笔者采用谐波反应法计 算空调冷负荷[9]，具体计算如下：

1) 外墙瞬变传热引起的冷负荷Qi ~ KiFi (tc(s) - tn)

(1)

式中为外墙瞬变传热引起逐时冷负荷(W);f\\为 外墙面积(m2);^为外墙传热系数(WAm2 • °〇)， 根据外墙的不同构造选择心为室内计算温度（°C);

为外墙冷负荷计算温度的逐时值(°C)，根据外墙 的不同类型分别查取。

2) 外玻璃窗瞬变传热引起的冷负荷

Q2: K2F2('tr—w> - tj

(5)

式中：〜为计算时刻空调区的总人数;g2为一名成 年男子小时潜热散热量（W)。

5) 照明散热形成的冷负荷

按照式(6 )计算照明散热形成的冷负荷：

Q6 = u1N

X2t-t

(6)

式中：Q6为照明设备散热形成的逐时冷负荷（w); N为灯具的安装功率(W);〜为同时使用系数，当 缺少实测数据时，可取0.6〜0.8 ;X&-T为r - 7\"时 刻灯具散热的冷负荷系数。

6) 设备散热形成的冷负荷

设备和用具显热形成的冷负荷按照式(7)计算： Q7 ~ qsX3r- T

(2)

(7)

式中：Q7为设备和用具显热形成的冷负荷（w);(?s 为热源的显热散热量（W);X3r-T为r - T时间设 备、器具散热冷负荷系数。

7) 新风负荷计算

夏季设计室内空气参数：相对湿度为60%，温 度为26 °C;夏季新风冷负荷按照式（8)计算：

Qs = M0(h0 - hR)

式中：Q2为外玻璃窗瞬变传热引起的冷负荷（W); K2为外玻璃窗传热系数（WAm2 • °C));F2为窗 口面积（m2) 值(。。）。

3) 透过玻璃窗的日射得热形成的冷负荷Q3 =C„CdCsCiF3Jwr 面

积

(3)

式中：为窗的有效面积系数，取0.6，故窗的有效

=f3 XC“Cd为地点修正系数;CS为窗

玻璃的遮挡系数;C;为窗内遮阳设施的遮阳系数； ■/ m为计算时刻下透过无遮阳设施玻璃太阳辐射的

冷负荷强度，具体数值参考文献[9]中表20.5-3。

表4

时刻

南外墙阐外街

8:00

9:001.290.839.216.9.134.8112.4830.0074.73

10:001.461.2514.107.219.134.9212.6030.0080.67

为外玻璃窗冷负荷温度的逐时

(8)

式中：Q8为夏季新风冷负荷（kW);M。为新风量 (kg/s) ; /i。为室外空气的；!：含值(kj/kg) ;/iR为室内 空气的焓值(kj/kg)。

2.4计算结果

办公楼白天工作时间为8 :00—18 :00，夜间工 作时间为19:00—23 :00，空调使用时间与工作时间

北京市白天逐时冷负荷

12:001.462.1020.947.3.135.1312.7530.0088.

13:001.462.5220.947.449.135.1912.7530.00.43

14:001.462.9418.677.449.135.1912.8830.0087.71

15:001.462.9414.507.52W

16:001.462.9410.317.5211:001.462.1018.357.299.135.0212.7530.0086.10

17:001.462.527.887.5218:001.292.525.837.52QiQ2

q3

1.150.425.676.759.134.5412.3530.0070.01

Q4Qs

照明设备新风汇总

9.135.2312.8830.0083.66

9.135.2312.8830.0079.47

9.135.2912.8830.0076.68

9.135.2912.8830.0074.46

Qe

Q7QsQ,•10 •表5

北京市夜间逐时冷负荷

W

时刻19：00

2〇iffi)21s0022：0023:00南外墙Qi1.291.151.151.150.98南外窗Q22.101.691.250.830.83q3

2.921.901,331.020.79人体q4

7.607.607.607.607,60Q5

9.139.139.139.139.13照明Qe

5.29

5.295.355355.35设备Q712.8812.8812.8812.8812.88新风Qs30.0030.0030.0030.0030.00汇总

Qz

71.21

69.

68.69

67.96

67.56

一致，北京市白天和夜间单位面积空调冷负荷逐 时值分别见表4和表5。

由表4可知，北京市白天总的单位面积空调冷 负荷最大值出现在13:00时，为.43 W。图3所 示为北京市白天各部分空调冷负荷比例&由图可 知，日射得热引起的负荷占白天总空调冷负荷比 例较大。

图3

北京市白天各部分负荷比例

由表5可知，北京市夜间总的单位面积空调冷 负荷最大值出现在19:00时，为71.21

图4所

示为北京市夜间各部分空调冷负荷比例。由此可 见，夜间空调冷负荷较白天主要差别在日射得热 引起的冷负荷，夜间空调冷负荷中灯光照明、人员 散热及室内设备引起的负荷所占比重最大。

各气候区代表城市空调冷负荷如表6所示。

3

计算结果分析与讨论

笔者对16个典型城市分别计算白天及夜间空

第18卷

表6

各气候区代表城市空调冷负荷

气候分区城市

白天单位而积夜间1 丫1位面积 夜间冷负荷/

冷负荷/W 冷负荷/Wr丨天冷负荷％

&

哈尔滨

784051^ 沈阳834149北京

7180天津

917381寒冷 石家庄917481郑州927884西安836882成都806986武汉

9484夏热冬冷南M

938490上海

9383:杭州928188福州

928290夏热冬暖广州

8090海口8090温和

贵阳

59

51

86

调冷负荷，由表6得知，各城市夜间空调冷负荷占 白天空调冷负荷比例不同，严寒地区城市哈尔滨 和沈阳较低，分别为51%和49%;夏热冬冷和夏热 冬暖地区城市普遍较高，为86%〜90%。各热工 设计气候区代表城市夜间空调冷负荷占白天空调 冷负荷比例如图5所示，可见，低纬度城市的比例 高于高纬度城市。这是由于白天日射得热引起的 负荷占白天总冷负荷的比例很大，而五大热工设 计气候区中严寒地区日射得热引起的空调冷负荷

所占比例最大，夏热冬暖地K日射得热引起的空 调冷负荷所占比例最小％各代表城市日射得热引 起的空调冷负荷所占比例如图6所示。

庄

图5

各气候区代表城市夜间空调冷负荷占 白天空调冷负荷比例

从五大气候分区各取一个典型城市，图7所示 为各代表城市8:00—23:00瞬时空调冷负荷变化

曲线，由图可见，8: 00—13: 00空调冷负荷呈明显 上升趋势，在13:00左右达到最大值，之后逐渐下 降，18:00—19:00下降明显，19:00之后下降趋势

第2期王永生等:我国五大气候区办公建筑夜间空调冷负荷比较•11 •

10 -5 -u

哈沈北天石郑西成武南上杭福广海贵

尔阳京津家州安都汉昌海州州州口 阳 滨 庄图6

各气候区代表城市日射得热引起的 空调冷负荷所占比例

9

o

8

o

7

o

6

o

5

o

0000:10:—oo:a00:1o00o

6u0oo:a00寸181oo白

o0000

o :o Nl

J ocsscs s图7

各气候分区代表城市瞬时空调冷负荷变化 情况

减缓。其中升及下降主要是由于日射得热引 起的冷负荷变化所导致，

4

结论

1)不同地区城市的夜闾空调冷负荷占白天空 调冷负荷比例不同，因此对于蓄能装置而言，需要 针对不词地区的夜间空调冷负荷所占比例设计蓄 能罐的体积，.从而降低成本。

夜同空姆冷负荷占白夫:参调:冷食荷比例.脊

在规律性，自产寒地区C高纬度）城市到夏热冬暖 地K(低纬度)城市总体呈现逐渐升高的趋势。这 与太阳辐射有直接关系，高纬度地区日射得热引起

的空调冷负荷'占总空：调冷鱼荷比例较太，故前雜度地区夜间空调冷负荷占白天空调冷负荷的比值

较小。

3) —天中，瞬时空谪冷负荷墨抛物线形状，先

增后减.，.翁13丨00;金;右达到最大值.，.夜间瞬时塞冷负荷的变化趋于

参考文献

[1] JI J, LUO C L, SUN W, et al. Effect of a dual-function

solar collector integrated with building on the cooling load of building in summer[J], Chinese Science Bulletin，

2010, 31:3626-3632.

[2] STRIK P,HAMELERS V,BUISMAN J. Solar energy

powered microbial fuel cell with a reversible bioelectrode

[J]. Environmental Science Technology ,2009,44(1)：

532-537.

[3] TEMPLETON J, HASSANI F. Effect of a dual-function

solar collector integrated with building on the cooling load of building in summer [J], Chinese Science Bulletin,

2010,31:3626-3632.

[4] QI R H,LU L, YANG H X. Impact of energy-conser­

vation measures on cooling load and air-conditioning plant capacity [J]. Energy and Buildings, 2012 , 49 ：

509-518

[5] 赵荣义，范存养，薛殿华，等.空气调节[M].北京：中

国建筑工业出版社，2009.

[6] 黄章星.水蓄冷-解决夜间冷负荷的有效节能措施之

一[C]#中国制冷学会全国暖通空调制冷2010年学 术年会资料集.杭州，2010.

Cl]手_賴.冰蓄冷:在办公.瘘鹿,筑空衡中猶豫菌_

安::西安建筑科技太学,2珊6.

〇]:民甩建筑热工设计规猶5dl76—3016[S].

D»]陆耀舆.翁=S供热空调设计#,跡:[m].北:京：中_建

筑X金出版祿_.2〇通

建筑—能设计标准遍a

_2〇15_

Dfl潘异铜-对北寒.地.区:办酱建.筑读计冷集:荷与病冷量

分析[J]. _通空貨，ao.o.6