辦公建筑內(nèi)部負荷擾量特性與計算方法

丁研, 王朝霞, 朱能, 楊釩

(天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072)

隨著經(jīng)濟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能耗的重要組成部分[1]。近年來，隨著建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，具有高性能圍護結(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)量主要包括機組能耗、水泵能耗、流體系數(shù)等[3-4]。隨著建筑圍護結(jié)構(gòu)保溫性能的逐步提高，室外溫度、太陽輻射等外部環(huán)境因素對建筑負荷的影響逐步減弱，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荷和建筑能耗最重要的不確定性因素[5]。隨著對系統(tǒng)的運行調(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，更加難以測量、難以分析、難以預(yù)測[6]。

為探討建筑內(nèi)部因素對建筑能耗和負荷的影響，研究人員開展了關(guān)于建筑人行為的研究。主要包括兩個方面，一是為了提升建筑能耗和負荷模擬計算的準(zhǔn)確性，精細化考慮內(nèi)部因素的設(shè)置。Yan等[7]針對人行為在建筑能耗和負荷模擬計算的現(xiàn)狀和問題進行了綜述，提出了在模擬中考慮人行為的4個步驟，分別是獲取數(shù)據(jù)、建立模型、人行為描寫、耦合和評價。Kwok等[8]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，針對香港某辦公建筑，建立了內(nèi)部負荷的計算方法，指出精確計算內(nèi)擾是提高機組選型準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。二是理解和優(yōu)化建筑能源系統(tǒng)的運行，提出按需供給的思路[9-10]。López-Rodrígue等[11]基于Time Use Survey數(shù)據(jù)，針對西班牙某居住建筑，研究典型人行為，并建立人員在室率的隨機模型。Wang等[12]利用調(diào)查問卷等方式，獲得人員、設(shè)備、照明等信息，建立負荷模型，預(yù)測天津某辦公建筑的能耗情況。

以上兩方面均是在建筑投入運行的前提下進行研究，而忽略了建筑的人員、設(shè)備、照明等內(nèi)部因素對空調(diào)負荷設(shè)計的影響。事實上，負荷設(shè)計是空調(diào)機組選型的依據(jù)，也是實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的前提，準(zhǔn)確的負荷設(shè)計直接決定空調(diào)機組的選型和系統(tǒng)運行管理的有效性。目前，關(guān)于內(nèi)部負荷的考慮還主要著眼于建筑冷負荷[13]，它是影響建筑夏季能耗的根源。目前的設(shè)計指標(biāo)中，內(nèi)擾是按照建筑類型來劃分[14]，但實際上各建筑的使用情況不盡相同，由此帶來的內(nèi)擾負荷也不盡相同[15-16]，一概而論會導(dǎo)致普遍的機組選型過大問題。同時，人行為是引起其他內(nèi)擾的核心和主要原因[17]，但目前的內(nèi)擾計算中，仍采用分別給定照明、設(shè)備的經(jīng)驗值，此種方式依據(jù)性不強，容易造成錯誤的結(jié)果。

為分析內(nèi)部負荷擾量特性和其對建筑空調(diào)負荷的影響，本文以案例建筑的實地調(diào)研測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對辦公建筑內(nèi)部負荷擾量特性進行初步探索，定量計算人員、設(shè)備、照明等室內(nèi)熱源散熱形成的冷負荷時序值，并提出以人為核心的“代表人”內(nèi)部負荷擾量的概念和計算方法，旨在為冷負荷的精細化設(shè)計提供思路和參考。

1 內(nèi)部負荷擾量理念

1.1 負荷擾量的劃分

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，以圍護結(jié)構(gòu)為界，將室外氣象參數(shù)歸為外部擾量(簡稱外擾)，將室內(nèi)設(shè)備、照明、人員等熱濕源歸為內(nèi)部擾量(簡稱內(nèi)擾)。而開窗通風(fēng)、開啟遮陽等行為造成的室內(nèi)熱濕環(huán)境變化，受內(nèi)外因素共同影響，但這些動作都是使用建筑的人造成的，因此，以建筑中的使用人為核心，界定影響建筑負荷的內(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窗換氣、遮陽等對建筑負荷產(chǎn)生擾動的行為，上述兩方面統(tǒng)一定義為“內(nèi)擾”。設(shè)計負荷分為3部分，一部分是通過圍護結(jié)構(gòu)傳熱和透過玻璃窗的日射得熱形成的冷負荷，記為外擾負荷；一部分是室內(nèi)熱源散熱形成的冷負荷，記為內(nèi)擾負荷；另一部分是新風(fēng)負荷，這部分負荷用于新風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計，常與其他冷負荷分開考慮[18]，將其單獨列為一部分。

室內(nèi)熱源散熱在空調(diào)季形成的冷負荷是空調(diào)負荷設(shè)計中重點考慮的部分，在采暖季，室內(nèi)散熱同樣會影響供暖負荷，帶來室內(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)計計算時不做考慮。因此，研究僅以冷負荷計算中的相關(guān)項為研究對象，探討內(nèi)擾負荷的特點。

1.2 室內(nèi)熱源散熱形成的冷負荷

1.2.1 人員散熱形成的冷負荷 人員散熱形成的冷負荷如式(1)所示。

QP=QPS+QPL=φn(qnCpq+q2)

(1)

式中：QP為人員散熱形成的冷負荷，W；QPS和QPL分別為人員顯熱散熱、潛熱散熱形成的冷負荷，W；Cpq為人體顯熱散熱的冷負荷系數(shù)；q1和q2分別為不同室溫和勞動強度下成年男子的顯熱散熱量與潛熱散熱量，W；n為在室人數(shù)；φ為群集系數(shù)。

由于辦公建筑中室內(nèi)溫度變化較小，人員活動以靜坐為主，雖有一些站立和輕微走動，但帶來的散熱量變化非常有限，因此，在室人數(shù)就成為決定人員負荷的關(guān)鍵參數(shù)。

1.2.2 設(shè)備散熱形成的冷負荷 室內(nèi)設(shè)備散熱形成的冷負荷如式(2)、式(3)所示。

Qe=qe=n1e·n2e·n3e·Ne·CEQ

(2)

(3)

式中：Qe為設(shè)備散熱形成的冷負荷，W；qe為設(shè)備的散熱量，W；CEQ為設(shè)備散熱的冷負荷系數(shù)；Ne為電熱設(shè)備的總安裝功率，W；n1e、n2e、n3e分別為設(shè)備的同時使用系數(shù)、安裝系數(shù)和負荷系數(shù)；p為設(shè)備的種類數(shù)；si為第i類設(shè)備的臺數(shù)；qai為第i類設(shè)備的單臺散熱量，W。

在辦公建筑中，電熱設(shè)備通常指電熱水器，辦公電器主要包括電腦、打印機等。無論是電熱設(shè)備的計算，如式(2)，還是辦公電器設(shè)備的計算，如式(3)，均根據(jù)人員的需求而設(shè)置，因此，設(shè)備的臺數(shù)或總安裝功率必然隨著設(shè)計人員數(shù)量的增加而增加。

1.2.3 燈具散熱形成的冷負荷 使用燈具散熱形成的冷負荷如式(4)所示。

Qt=qt·CLQ=n1t·N1·CLQ

(4)

式中：Qt為燈具散熱形成的冷負荷，W；qt為燈具的散熱量，W；CLQ為燈具散熱的冷負荷系數(shù)；Nt為燈具的總安裝功率，W；n1l為燈具的同時使用系數(shù)，即使用率。

2 案例建筑與測試

選擇位于天津市的兩棟辦公建筑作為案例，進行針對空調(diào)負荷擾量因素的實地調(diào)研。其中，A建筑是超低能耗辦公建筑示范項目，是某大型建設(shè)集團的投資發(fā)展公司，該建筑于2012年竣工，并申報天津市低能耗示范項目。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。

表1 案例建筑基本信息Table 1 Basic information of case buildings

分別在2015年7月(B建筑)和2016年8月(A建筑)對選定的兩棟辦公建筑進行為期1個月的測試。首先，獲取了設(shè)計負荷計算書與施工的相關(guān)圖紙，通過走訪和分析案例建筑的使用情況后發(fā)現(xiàn)，兩棟建筑一層均為大廳和走廊，A建筑每層為一個開敞辦公區(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)為幾個開敞辦公室，北側(cè)為會議室、休息室、會客室等。測試中，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個開敞辦公區(qū)中東側(cè)的一個，兩棟案例建筑的典型層平面示意圖和典型房間的照片見圖1和圖2。

圖1 A建筑測試區(qū)域Fig.1 Testing zone of building

圖2 B建筑測試區(qū)域Fig.2 Testing zone of building

針對選定的典型房間，在辦公室內(nèi)測量了室內(nèi)溫度、CO2濃度，同時，現(xiàn)場記錄了在室人數(shù)、使用辦公設(shè)備數(shù)量和輸入功率、使用燈具數(shù)量，并同步測試建筑供冷機房內(nèi)機組供冷量情況，測試步長為1 h。具體測試變量和所用儀器見表2。

表2 測試方法Table 2 Testing method

注：樣圖摘自產(chǎn)品公開宣傳頁。

雖然，建筑的圍護結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)滿足國家節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求[19]，甚至達到優(yōu)秀水平，但是，這兩棟建筑依然存在空調(diào)機組設(shè)計容量偏大的問題。A建筑共配置兩臺熱泵機組，供冷的裝機容量為210 kW/臺，B建筑采用兩臺溴化鋰直燃機組，供冷的裝機容量分別為1 407、1 579 kW。A建筑的兩臺熱泵機組在設(shè)計負荷下為同時工作，而實際情況僅為單臺運行，B建筑的兩臺機組同時運行。測試時間段內(nèi)機組實際運行的部分負荷率如圖3所示。

圖3 測試目標(biāo)建筑中制冷機組的實際運行負荷率Fig.3 The actual load ratio of chillers in case

由圖3可知，B建筑機組長期處于部分負荷率低于50%的運行狀態(tài)，A建筑機組雖然單機負荷率多數(shù)時間在60%～90%之間，但從未有過兩臺機組同時運行的情況，實際運行時采用兩臺機組每周輪換開啟的方式。機組的部分負荷率過低會導(dǎo)致機組效率(COP)下降，極端情況下，還將造成停機保護現(xiàn)象。A建筑單臺機組即可滿足要求，但閑置的另一臺機組證明設(shè)計負荷的富余率已多達1倍，不僅帶來加倍的初投資，同時，需要大量的維護費用。因此，有必要對其設(shè)計負荷進行追溯和分析，找出設(shè)計負荷估計過高的部分，并加以修正。

3 內(nèi)部負荷擾量理論分析

內(nèi)擾主要包括人員、設(shè)備、燈具、室內(nèi)外通風(fēng)換氣、室內(nèi)溫濕度等，各擾量的作用機理并不相同。作為室內(nèi)熱源，人員、設(shè)備、燈具通過自身散熱形成冷負荷，而開窗等行為是通過改變環(huán)境參數(shù)而影響建筑負荷。為了明確不同擾量與內(nèi)擾冷負荷的相關(guān)程度，在實測典型房間的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進行相關(guān)性分析，得到影響內(nèi)擾冷負荷的最主要因素，并對各因素進行特性分析。

3.1 相關(guān)性分析

利用樣本數(shù)據(jù)計算的樣本偏相關(guān)系數(shù)，反映了兩個變量間凈相關(guān)的強弱程度。在分析變量x1和y之間的凈相關(guān)時，當(dāng)控制了變量x2后，x1和y之間的一階偏相關(guān)系數(shù)定義為

(5)

式中：ry1、ry2、r12分別表示y和x1的偏相關(guān)系數(shù)、y和x2的偏相關(guān)系數(shù)、x1和x2的偏相關(guān)系數(shù)。

利用對建筑A和建筑B兩間典型開敞辦公區(qū)的實測數(shù)據(jù)，進行內(nèi)部負荷擾量與單位面積的室內(nèi)熱源散熱形成負荷之間的偏相關(guān)分析。在室人數(shù)、設(shè)備數(shù)量、燈具數(shù)量和室內(nèi)溫度均直接采用時序測試值，通風(fēng)量通過室內(nèi)外CO2濃度和在室人數(shù)，根據(jù)式(6)計算得到。

(6)

式中：Vτ為τ時刻的通風(fēng)量，m3/h；cin為實測室內(nèi)CO2濃度，mg/m3；Vr為房間體積，m3；vp為CO2人員呼出量，L/s，與運動強度的代謝率有關(guān)，本文取靜坐和輕微走動的平均值0.004 4 L/s[18]；nτ為τ時刻的在室人數(shù)，人；co為實測室外CO2濃度，mg/m3。

相關(guān)性分析結(jié)果如表3和表4所示。

表3 建筑A典型開敞辦公區(qū)各擾量與內(nèi)擾負荷的偏相關(guān)分析結(jié)果Table 3 Partial correlation analysis of interior load and disturbances of open office zone of case building A

表4 建筑B典型開敞辦公室各擾量與其內(nèi)擾冷負荷的偏相關(guān)分析結(jié)果Table 4 Partial correlation analysis of interior load and disturbances of open office zone of case building B

從表3和表4可以看出，對于這兩間辦公室，各擾量與內(nèi)擾負荷的相關(guān)性系數(shù)和顯著性程度排序基本相同，均為在室人數(shù)>設(shè)備個數(shù)>室內(nèi)溫度>燈具個數(shù)>通風(fēng)量。從相關(guān)性來看，在室人數(shù)和設(shè)備數(shù)量與內(nèi)擾的相關(guān)性最大，相關(guān)性系數(shù)大于0.8[20]，而其他參數(shù)的相關(guān)性不足0.5，即基本不相關(guān)，說明在室人數(shù)和設(shè)備數(shù)量與內(nèi)擾的一致性最強。但從顯著性來看，除通風(fēng)量外，其他參數(shù)的顯著性均在0.01以下，即均呈現(xiàn)較強的顯著性[20]，其中，在室人數(shù)和設(shè)備數(shù)量最顯著，使用燈具數(shù)量和室內(nèi)溫度次之。因此，在內(nèi)擾計算時，需考慮在室人數(shù)、設(shè)備數(shù)量、室內(nèi)溫度和使用燈具數(shù)量，但室內(nèi)溫度作為室內(nèi)環(huán)境的一個重要參數(shù)，主要是通過人員調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)和遮陽進行控制，設(shè)計時常視為定值，因此，不再考慮。故以人員為核心，重點研究人員、設(shè)備、照明3個內(nèi)擾變量。

3.2 在室人數(shù)特性分析

兩棟辦公建筑均依照最新《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50189—2015)中有關(guān)人員在室率、照明開關(guān)控制規(guī)律以及設(shè)備使用率的規(guī)定設(shè)計，采用了如圖4所示的數(shù)據(jù)對人員、照明、設(shè)備負荷進行相關(guān)計算[17]。

圖4 節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中的人員逐時在室率與設(shè)備逐時使用率Fig.4 Occupancy rate and chiller part load ratio

節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中的人員在室率變化為：從工作時間開始，人員在室率劇增至95%，午餐時段下降到80%，下午上班時間又增加至95%，下班時間又迅速減少至30%，20:00后變?yōu)?；設(shè)備和燈具的使用率和人員在室率基本一致，但設(shè)備使用率在午餐時間降至50%。然而，建筑中實際的人員、設(shè)備、照明情況卻與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的推薦修正值存在較大差異。

調(diào)研的兩棟建筑均為辦公類建筑，人員的作息時間有制度規(guī)定。工作日最晚上班時間為9:00，B建筑和A建筑人員下班時間分別為最早16:00和17:00，午餐時間一般在1 h以內(nèi)。由于休息日或節(jié)假日的加班情況與相關(guān)人員的具體工作內(nèi)容有關(guān)，因此，研究只針對工作日的正常工作情況進行分析。以人員實際在室數(shù)量與辦公室內(nèi)設(shè)置工位數(shù)量的比例為人員在室率，兩棟建筑的具體人員在室率如圖5所示。

圖5 實測人員在室率Fig.5 The actual occupancy ratio in two

由圖5可見，相比于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的人員在室率，實際的人員在室率情況在具體數(shù)值上有較大差別。人員在室率呈現(xiàn)較明顯的雙峰分布，峰值分別出現(xiàn)在上午10:00―11:00和下午15:00左右，兩峰值間的低谷為午餐時段。平均人員在室率一般低于50%，即使是人員在室率高峰時段，兩棟建筑的最大平均人員在室率分別只有59.26%和60.13%。說明在辦公建筑中，設(shè)計的人員密度達到標(biāo)準(zhǔn)中的估算值、人員全部坐滿設(shè)計工位、全部人員均在工位這3種最大值出現(xiàn)的概率均較小，倘若按照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的面積指標(biāo)對人員數(shù)量進行估算，則僅由于人員密度的設(shè)計差別，將導(dǎo)致人員負荷估計過大。

3.3 辦公設(shè)備使用特性分析

設(shè)備使用情況的信息通過兩種手段獲得，一是測試人員的現(xiàn)場觀察和記錄，二是通過功率計等設(shè)備的現(xiàn)場測試。對于測試對象的辦公設(shè)備來說，同樣可分為兩類，一類是樣本量較大且頻繁使用的設(shè)備，如臺式機、筆記本等，采用抽樣測試方法，在工作時間每10 min記錄1次功率表讀數(shù)，以平均功率作為此類設(shè)備的代表功率。另一類屬于間歇使用且數(shù)量有限、同一區(qū)域內(nèi)共享的設(shè)備，如打印機、飲水機等，對其工作、待機兩種狀態(tài)分別記錄功率與使用時間，以時間加權(quán)的折合功率作為此類設(shè)備的代表功率，計算式為

(7)

式中：Eop、Est分別為設(shè)備使用的運行功率和設(shè)備待機的待機功率，W；top、tst分別為一天中設(shè)備使用時間與設(shè)備待機時間，min；Et為設(shè)備平均折合功率值，W。

計算得到典型辦公區(qū)的設(shè)備功率密度如表5所示。

表5 單臺設(shè)備折合功率計算Table 5 Converted power of each office equipment

根據(jù)式(2)、式(3)可計算出設(shè)備的總功率，其中，單臺設(shè)備的功率采用表5的計算值，將總功率除以房間的面積，可以計算出房間的功率密度，計算結(jié)果分別如表6、表7所示。

表6 A建筑典型房間設(shè)備功率密度計算Table 6 Power density of equipment in the typical office of building A

表7 B建筑典型房間設(shè)備功率密度計算Table 7 Power density of equipment in the typical office of building B

由于設(shè)備并不是全天均按額定功率運行，而是存在使用時的穩(wěn)態(tài)功率，由表6、表7可見，相比于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的功率密度，實際的設(shè)備散熱量明顯偏低。即使在設(shè)備全部正常使用時，兩棟建筑的最大功率只有7.49 W/m2。

在辦公室，每人使用一臺電腦，其他為公用設(shè)備，正常工作時間共同使用，午餐時間也保持開啟，但全部為待機狀態(tài)，下班后關(guān)閉，由此計算A建筑和B建筑每人對應(yīng)的設(shè)備功率，最大分別為57.42、54.95 W/人。

3.4 燈具使用特性分析

燈具的使用通過現(xiàn)場測試得到，通過實地數(shù)開啟的燈具數(shù)量，問詢得到安裝燈具的額定功率，計算使用燈具的逐時瞬時散熱量。兩個案例建筑的測試區(qū)域均有多個燈具開關(guān)，分別控制一定區(qū)域的燈具，但觀察發(fā)現(xiàn)，早上上班時，燈具基本全部打開，而午飯時會逐步關(guān)閉一些燈具，下午正常工作時再開啟，晚上下班時間也會逐步關(guān)閉燈具，由于案例建筑少有加班的情況，因此，19:00后燈具全部關(guān)閉。根據(jù)以上特點，量化式(4)中的燈具同時使用系數(shù)為

(8)

式中：Plunch為午餐時段(12:00—13:00)使用燈具的比例，%；Poff-owrk為下班時段(17:00—18:00)使用燈具的比例，%；τ為時刻。

測試時間段的平均使用燈具數(shù)量和人數(shù)對照如圖6所示。

圖6 使用燈具數(shù)量與在室人數(shù)對照Fig.6 Comparison of used lamp number and

從圖6中可以看出，使用燈具數(shù)量與人數(shù)變化有一定關(guān)聯(lián)，但并不完全正相關(guān)，各個時刻的人均照明功率是變化的。最大值出現(xiàn)在午飯時間，但由于室內(nèi)人數(shù)很少，對空調(diào)系統(tǒng)的要求不高，故而舍去。在正常工作時間，人均最大照明功率出現(xiàn)在9:00和14：00—15:00，而14:00—15:00通常會出現(xiàn)負荷的最大值，此時，對應(yīng)的人均照明功率分別為164.57、95.60 W/人。

3.5 內(nèi)擾負荷隨時間的分布

根據(jù)實測值計算案例建筑的人員、設(shè)備和照明負荷如圖7所示。

圖7 內(nèi)擾負荷時序變化曲線Fig.7 Time series of interior cooling

從圖6、圖7可以看出，人員負荷與人員在室率的變化基本一致，而設(shè)備和燈具的負荷變化范圍較小。人員負荷不僅與在室人數(shù)有關(guān)，還受人員動作、性別、穿著等因素的影響，從圖6、圖7還可以看出，上、下班時刻和午休時間人員負荷波動較大，工作時間內(nèi)(除午休、開會等時間)人員負荷在一定范圍內(nèi)隨機波動。說明人員負荷雖然是隨機變化的，但總體上隨在室人數(shù)呈現(xiàn)“雙峰”分布的規(guī)律，峰值出現(xiàn)時間與持續(xù)時間的長短與室內(nèi)人員作息緊密相關(guān)。

從設(shè)備負荷上看，雖然單臺設(shè)備功率波動性大，但是多臺設(shè)備同時運行時，設(shè)備之間的功率差異可以相互抵消，使設(shè)備散熱量處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，因此，整個房間的設(shè)備負荷除上、下班時刻出現(xiàn)短暫遞增或遞減外，只在午休時間下降，其余工作時間內(nèi)基本處于較穩(wěn)定的狀態(tài)。

由于測試建筑辦公室燈具控制采用“一開全開”的模式，在正常工作時間內(nèi)，形成的照明負荷僅由于冷負荷系數(shù)不同而有所不同，但由于其關(guān)閉是階躍的，因此，在午飯時段會有所降低。

4 負荷修正

4.1 冷負荷特性分析

上述以典型層的典型房間為研究對象，重點分析了內(nèi)擾特性。本節(jié)利用其特性，計算整個建筑的冷負荷。首先，統(tǒng)計同樣性質(zhì)房間的數(shù)量，并考慮不常用的休息室、會議室、走廊等情況，將內(nèi)擾負荷擴大到整個建筑，并分析案例建筑的各項冷負荷所占比例。

人員作為內(nèi)擾負荷的核心，首先定義人員在室率為

(9)

n=np·OPmax

(10)

式中：ORmax為最大人員在室率，%；np為設(shè)計人員密度，人/m2；m為房間數(shù)。將ORmax作為修正系數(shù)，n為修正后的設(shè)計人員密度，人/m2。

外擾負荷由兩部分組成：通過導(dǎo)熱傳入熱量和通過輻射傳入熱量，計算式為

Qt=Qtr+Qts

(11)

(12)

(13)

式中：Qt、Qtr、Qts分別為外擾負荷、圍護結(jié)構(gòu)傳熱形成的冷負荷、輻射得熱形成的冷負荷，W/m2；Xg、Xa、Xz分別為窗戶的構(gòu)造修正系數(shù)、地點修正系數(shù)、遮擋系數(shù)；tn、tτ分別為室外空氣溫度、室內(nèi)設(shè)計溫度，℃；U為圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Jr為太陽輻射強度，W/m2；nexp為窗戶數(shù)量；nusf為圍護結(jié)構(gòu)種類。

新風(fēng)負荷是新風(fēng)進入建筑物所造成的冷負荷，可以分為顯熱負荷與潛熱負荷，其計算式為

Qf=Qfs+Qft

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(15)

(16)

式中：Qf、Qfs、Qft分別為新風(fēng)負荷、顯熱負荷、潛熱負荷，W/m2；to為室外逐時溫度，℃；do、dn分別為室外空氣相對濕度、室內(nèi)空氣相對濕度，kg/kg；Cp為空氣比熱容，1.01 kJ/kg；ρ為空氣密度，g/m3；V為新風(fēng)量，m3/h；rt為水的汽化潛熱，1 718 kJ/kg。

A、B兩棟建筑使用功能雖然都為辦公類型，但由于在室人數(shù)、設(shè)備型號略有不同，加之圍護結(jié)構(gòu)性能差異，導(dǎo)致內(nèi)擾負荷所占的比例并不相同。通過對調(diào)研基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行計算分析，得到A、B兩棟建筑各項負荷所占的比例，如圖8所示。

圖8 內(nèi)擾負荷分布比例Fig.8 The ratio of cooling loads

從圖8可以看出，不同圍護結(jié)構(gòu)性能情況下各項負荷占比不同，對于A建筑，由于其圍護結(jié)構(gòu)性能達到了低能耗水平，使得室內(nèi)熱源散熱形成的內(nèi)擾冷負荷所占的比重最大，為44.12%；其次為新風(fēng)負荷，占36.25%，這是由于新風(fēng)量的計算方法也需要依照人員數(shù)量來判定，而圍護結(jié)構(gòu)為代表的外擾冷負荷所占比重最小，不足20%。對于B建筑，仍然是外擾負荷所占比例最大，接近50%，但內(nèi)擾負荷也占30%以上。據(jù)此判斷，隨著圍護結(jié)構(gòu)保溫性能的進一步提高，以人員為中心的內(nèi)擾負荷占比還將進一步增加。

基于以上分析，由于設(shè)備和燈具的使用與人相關(guān)，因此，通過假設(shè)“代表人”負荷來簡便計算內(nèi)擾，即通過人員數(shù)量來反映人員負荷與設(shè)備、燈具負荷之和。設(shè)備功率與人數(shù)直接相關(guān)，在案例建筑中，分別約為57 W/人和55 W/人。由于目前照明控制方式的原因，導(dǎo)致燈具負荷與人員相關(guān)性差，無法折合到“代表人”負荷中，但從原理上，燈具的使用也是由人行為產(chǎn)生的，A、B建筑中，人均照明功率分別約為165 W/人和96 W/人，但此值與具體案例建筑有關(guān)。目前標(biāo)準(zhǔn)中，照明功率取值在11 W/m2左右，與實際情況比較接近，根據(jù)3.4節(jié)的分析，采用人均最大照明功率折合到“代表人”冷負荷中。由此，做出定義

Qr=(Qro+Qre+Qrl)·nτ

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(19)

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式中：Qr為“代表人”冷負荷，W/人；Qro為“代表人”人員部分所產(chǎn)生的冷負荷，W/人；Qre為“代表人”設(shè)備部分所產(chǎn)生的冷負荷，W/人；Qrl為“代表人”燈具部分所產(chǎn)生的冷負荷，W/人；A為建筑面積，m2；nτ為τ時刻的在室人數(shù)，人。

4.2 驗證與討論

以上分別采用“代表人”的方式計算兩棟案例建筑的冷負荷，下面采用富余率分析修正的有效性。富余率定義為

(21)

式中：θd為修正后的設(shè)計負荷富余率，%；Qm,max為修正后的設(shè)計冷負荷，W/m2；Qo,max為測試中的最大實際負荷，W/m2。

富余率越小，說明修正后的設(shè)計負荷與實際負荷越接近。倘若富余率為負值，說明將可能出現(xiàn)依據(jù)修正后的設(shè)計負荷選型得到的機組不能保證實際負荷的情況，因此，定義富余率為正值，即修正后的冷負荷比實測最大負荷高出部分在10%以內(nèi)為有效修正，即考慮10%以內(nèi)的富余量[18,21-22]。具體結(jié)果如表8所示。

表8 修正設(shè)計負荷驗證Table 8 Verification of modified design loads

根據(jù)表8的冷負荷數(shù)據(jù)，修正后的富余率分別達到8.76%和7.47%，滿足要求?；趯嶋H案例分析，認為“代表人”的概念是針對采用負荷面積指標(biāo)法的有效修正措施，不僅可為建筑負荷模擬的設(shè)定參數(shù)提供依據(jù)，同時，也對負荷設(shè)計方法的修正提供參考。

5 結(jié)論

人員行為的隨機性，直接導(dǎo)致了建筑負荷分布的差異，通過對實測數(shù)據(jù)的分析得到以下結(jié)論：

1)考慮人行為對建筑空調(diào)負荷的影響，將建筑空調(diào)負荷分為內(nèi)擾負荷、外擾負荷和新風(fēng)負荷，發(fā)現(xiàn)內(nèi)擾負荷占總冷負荷比例超過30%，正確衡量內(nèi)擾負荷對于提高設(shè)計負荷的準(zhǔn)確性，以及減小制冷機組設(shè)計體量具有重要意義。

2)當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)中給定的內(nèi)部負荷擾量經(jīng)驗取值普遍偏大，實際中的人員在室率和設(shè)備功率配置低于設(shè)計值。案例建筑的最大人員在室率約為60%，設(shè)備功率密度比設(shè)計指標(biāo)小50%以上，普遍低于設(shè)計指標(biāo)(20 W/m2)。以上取值是造成空調(diào)系統(tǒng)裝機功率偏大的原因，亟需進行修正。

3)辦公建筑室內(nèi)人員的作息方式呈明顯的“雙峰”分布，而非標(biāo)準(zhǔn)中的作息方式，交通、工作需求等多種因素都會影響人員在室率。辦公建筑內(nèi)的人員、設(shè)備和照明負荷在一天內(nèi)呈現(xiàn)小幅度的隨機波動，但均與人員在室率相關(guān)，采用“代表人”的方法，可有效綜合各項內(nèi)擾負荷，提高負荷設(shè)計的準(zhǔn)確性。