2021年高級(jí)經(jīng)濟(jì)師《建筑與房地產(chǎn)經(jīng)濟(jì)》論文:辦公建筑內(nèi)部負(fù)荷擾量特性與計(jì)算方法

關(guān)鍵詞：辦公建筑;負(fù)荷擾量;空調(diào)設(shè)計(jì)負(fù)荷;人行為

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隨著經(jīng)濟(jì)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(huì)能耗的重要組成部分。近年來(lái)，隨著建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，具有高性能圍護(hù)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(dòng)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(gè)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(hù)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(jī)組能耗、水泵能耗、流體系數(shù)等。隨著建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的逐步提高，室外溫度、太陽(yáng)輻射等外部環(huán)境因素對(duì)建筑負(fù)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(fù)荷和建筑能耗的最重要的不確定性因素。隨著人們對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)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(cè)量、難以分析、難以預(yù)測(cè)[6]。

為了探討建筑內(nèi)部因素對(duì)建筑能耗和負(fù)荷的影響，研究人員開(kāi)展了關(guān)于建筑人行為的研究。主要可以總結(jié)為兩個(gè)方面，一是為了提升建筑能耗和負(fù)荷模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，精細(xì)化考慮內(nèi)部因素的設(shè)置。Yan等針對(duì)人行為在建筑能耗和負(fù)荷模擬計(jì)算的現(xiàn)狀和問(wèn)題進(jìn)行了綜述，提出了在模擬中考慮人行為的4個(gè)步驟，分別是獲取數(shù)據(jù)、建立模型、人行為描寫(xiě)耦合和評(píng)價(jià)。Kwok等采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)香港某辦公建筑，建立了內(nèi)部負(fù)荷的計(jì)算方法，指出精確計(jì)算內(nèi)擾是提高機(jī)組選型準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。第2個(gè)方面是理解和優(yōu)化建筑能源系統(tǒng)的運(yùn)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(duì)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(jī)模型。Wang等利用調(diào)查問(wèn)卷等方式，獲得人員、設(shè)備、照明等信息，建立負(fù)荷模型，預(yù)測(cè)天津某辦公建筑的能耗情況。

以上兩個(gè)方面均是在建筑投入運(yùn)行的前提下進(jìn)行研究，而忽略了建筑的人員、設(shè)備、照明等內(nèi)部因素對(duì)空調(diào)負(fù)荷設(shè)計(jì)的影響。事實(shí)上，負(fù)荷設(shè)計(jì)是空調(diào)機(jī)組選型的依據(jù)，也是實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的前提，準(zhǔn)確的負(fù)荷設(shè)計(jì)直接決定空調(diào)機(jī)組的選型和系統(tǒng)運(yùn)行管理的有效性。目前，關(guān)于內(nèi)部負(fù)荷的考慮還主要著眼于建筑冷負(fù)荷，它是影響建筑夏季能耗的根源。目前的設(shè)計(jì)指標(biāo)中，內(nèi)擾是按照建筑類型來(lái)劃分的，但實(shí)際上，各建筑的使用情況是不盡相同的，由此帶來(lái)的內(nèi)擾負(fù)荷也不盡相同，一概而論會(huì)導(dǎo)致普遍的機(jī)組選型過(guò)大的問(wèn)題。同時(shí)，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(jì)算中，仍采用分別給定照明、設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)值，此種方式依據(jù)性不強(qiáng)，容易造成錯(cuò)誤的結(jié)果。

為了分析內(nèi)部負(fù)荷擾量特性和其對(duì)建筑空調(diào)負(fù)荷的影響，本文以案例建筑的實(shí)地調(diào)研測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)辦公建筑內(nèi)部負(fù)荷擾量特性進(jìn)行初步探索，定量計(jì)算人員、設(shè)備、照明等室內(nèi)熱源散熱形成的冷負(fù)荷的時(shí)序值，并提出以人為核心的“代表人”內(nèi)部負(fù)荷擾量的概念和計(jì)算方法，旨在為冷負(fù)荷的精細(xì)化設(shè)計(jì)提供思路和參考。

一、內(nèi)部負(fù)荷擾量理念

1、負(fù)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(hù)結(jié)構(gòu)為界將室外氣象參數(shù)歸為外部擾量(簡(jiǎn)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(jiǎn)稱內(nèi)擾)。而開(kāi)窗通風(fēng)、開(kāi)啟遮陽(yáng)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(dòng)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(fù)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(kāi)窗換氣、遮陽(yáng)等對(duì)建筑負(fù)荷產(chǎn)生擾動(dòng)的行為，上述兩方面統(tǒng)一定義為“內(nèi)擾”。設(shè)計(jì)負(fù)荷分為3部分，一部分是通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱和透過(guò)玻璃窗的日射得熱形成的冷負(fù)荷，記為外擾負(fù)荷;一部分是室內(nèi)熱源散熱形成的冷負(fù)荷，記為內(nèi)擾負(fù)荷;另一部分是新風(fēng)負(fù)荷，這部分負(fù)荷用于新風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，常與其他冷負(fù)荷分開(kāi)考慮，將其單獨(dú)列為一部分。

室內(nèi)熱源散熱在空調(diào)季形成的冷負(fù)荷是空調(diào)負(fù)荷設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮的部分，在采暖季，室內(nèi)散熱同樣會(huì)影響供暖負(fù)荷，帶來(lái)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(jì)計(jì)算時(shí)不做考慮。因此，研究?jī)H以冷負(fù)荷計(jì)算中的相關(guān)項(xiàng)為研究對(duì)象，探討內(nèi)擾負(fù)荷的特點(diǎn)。

2、室內(nèi)熱源散熱形成的冷負(fù)荷

二、案例建筑與測(cè)試

選擇位于天津市的兩棟辦公建筑作為案例，進(jìn)行針對(duì)空調(diào)負(fù)荷擾量因素的實(shí)地調(diào)研。其中，A建筑是超低能耗辦公建筑示范項(xiàng)目，是某大型建設(shè)集團(tuán)的投資發(fā)展公司，該建筑于2012年竣工，并申報(bào)天津市低能耗示范項(xiàng)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(duì)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(jìn)行為期1個(gè)月的測(cè)試。首先，獲取了設(shè)計(jì)負(fù)荷計(jì)算書(shū)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(gè)開(kāi)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(huì)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(gè)開(kāi)敞辦公室，北側(cè)為會(huì)議室、休息室、會(huì)客室等。測(cè)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(gè)開(kāi)敞辦公區(qū)中東側(cè)的一個(gè)，兩棟案例建筑的典型層平面示意圖和典型房間的照片見(jiàn)圖1和圖2。

針對(duì)選定的典型房間，在辦公室內(nèi)測(cè)量了室內(nèi)溫度、CO2濃度，同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)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(cè)試建筑供冷機(jī)房?jī)?nèi)機(jī)組供冷量情況，測(cè)試步長(zhǎng)為1 h。具體測(cè)試變量和所用儀器見(jiàn)表2。

雖然建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)滿足國(guó)家節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求，甚至達(dá)到優(yōu)秀水平，但是，這兩棟建筑依然存在空調(diào)機(jī)組設(shè)計(jì)容量偏大的問(wèn)題。A建筑共配置兩臺(tái)熱泵機(jī)組，供冷的裝機(jī)容量為210 kW/臺(tái)，B建筑采用兩臺(tái)溴化鋰直燃機(jī)組，供冷的裝機(jī)容量分別為1 407、1 579 kW。A建筑的兩臺(tái)熱泵機(jī)組，在設(shè)計(jì)負(fù)荷下為同時(shí)工作，而實(shí)際情況僅為單臺(tái)運(yùn)行，B建筑的兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行。

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