不同空调冷负荷计算方法比较与分析

不同空调冷负荷计算方法比较与分析

张世将陈正顺

张世将1陈正顺2（1.合肥工业大学建筑设计研究院；2.合肥工业大学建筑设计研究院）

摘要：本文采用谐波反应法和冷负荷系数法两种负荷计算方法，对合肥某空调工程的夏季冷负荷进行计算，同时采用概算指标法简要计算，并计算出该工程在其它城市下的总冷负荷，将所得结果进行分析比较，得出几点结论，供暖通空调设计人员以参考。

关键词：冷负荷计算谐波反应法冷负荷系数法概算法

0引言

对结构已确定的建筑而言，对冷、热负荷进行准确计算，设计和配置最佳的空调系统，这是最根本和最重要的降低空调系统能耗的手段。由于建筑物冷、热负荷的形成和类型比较复杂，影响因素较多，使得大多数设计人员采用粗略估算负荷的方法，这样会导致空调系统容量配置与建筑物的负荷相差较大。如果空调系统的容量过大，则系统的初投资、能耗和运行费用都将上升；而如果空调系统的容量过小，则房间内温度和湿度的控制将无法达到设计要求，空调系统一直处于运行状态，能耗和维修费用也将上升。因此，建筑物冷、热负荷的准确计算显得十分重要，它是设计和配置与建筑负荷相匹配的空调系统的基础。

1谐波反应法和冷负荷系数法介绍

谐波反应法的基本原理[1]：在负荷计算中，得热量形成冷负荷的关键是得热中辐射部分变为冷负荷的比例，因为对流部分直接变成了冷负荷，谐波反应法中辐射扰量转化为冷负荷的过程为：辐射扰量投到板壁上，相当于引起板壁表面空气边界层温度升高，板壁吸热后温度升高会以对流的形式向房间放热，所放出的热量即为冷负荷。

冷负荷系数是建立在Z传递函数基础上的一种简化计算方法[2]。该方法把得热计算和负荷计算两步合并成一步，通过冷负荷系数直接从各种扰量源求得分项逐时冷负荷。冷负荷系数可以根据某地的标准气象、室内设计参数、不同建筑类型等典型条件事先计算成表格查用。对日射得热采用与负荷强度意义类似的冷负荷来简化计算。

谐波反应法和冷负荷系数法的简化计算公式如下。

1.1外墙和屋面传热冷负荷计算公式

外墙或屋面传热形成的计算时刻冷负荷Qτ(W)，按下式计算：

Qτ=KFΔtτ-ξ(1)

式中F—计算面积，m2；τ—计算时刻，点钟；τ-ξ—温度波的作用时刻，即温度波作用于外墙或屋面外侧的时刻，点钟；Δtτ-ξ—作用时刻下，通过外墙或屋面的冷负荷计算温差，简称负荷温差，℃。

注：例如对于延迟时间为5小时的外墙，在确定16点房间的传热冷负荷时，应计算时刻τ=16，时间延迟为ξ=5，作用时刻为τ-ξ=16-5=11。这是因为计算16点钟外墙内表面由于温度波动形成的房间冷负荷是5小时之前作用于外墙外表面温度波动产生的结果。

式（1）为谐波反应法计算方法。冷负荷计算法外墙和屋面传热冷负荷计算为：

Qτ=KFtc(τ)-tR(2)

1.2外窗的温差传热冷负荷谐波反应法中，通过外窗温差传热形成的计算时刻冷负荷Qτ按下式计算：

Qτ=KFΔtτ(3)

式中Δtτ—计算时刻下的负荷温差，℃；

K—传热系数。

冷负荷计算法外窗的传热冷负荷公式与以上相同。因为玻璃的蓄热系数可忽略不计，在计算传导得热时，可不计温度波的相位延滞，只考虑衰减度。

1.3外窗太阳辐射冷负荷透过外窗的太阳辐射形成的计算时刻冷负荷Qτ，谐波反应法根据不同情况分别按下列各式计算：

1.3.1当外窗无任何遮阳设施时

Qτ=FCsCaJwτ(4)

式中Jwτ—计算时刻下太阳总辐射负荷强度，W/m2；

1.3.2当外窗只有内遮阳设施时

Qτ=FCsCaCnJwτ(5)

1.3.3当外窗只有外遮阳板时

Qτ=[F1Jnτ+FJnnτ]CsCa(6)

1.3.4当窗口既有内遮阳设施又有外遮阳板时

Qτ=[F1Jnτ+FJnnτ]CsCnCa(7)

式中Jnτ—计算时刻下，标准玻璃窗的直射辐射照度，W/m2；Jnnτ—计算时刻下，标准玻璃窗的散热辐射照度，W/m2；F1—窗上收太阳直射照射的面积；F—外窗面积（包括窗框、即窗的墙洞面积）m2；Ca—窗的有效面积系数；Cs—窗玻璃的遮挡系数；Cn—窗内遮阳设施的遮阳系数。

冷负荷系数法用一个总的公式：

Qτ=FDjmaxCLQCsCnCa(8)

Djmax—最大日射得热因数；CLQ—窗玻璃冷负荷系数。

1.4内围护结构的传热冷负荷

1.4.1当邻室为通风良好的非空调房间时，通过内窗的温差传热负荷，可按式(3)计算。

1.4.2当邻室为通风良好的非空调房间时，通过内墙和楼板的温差传热负荷，可按式(1)计算。

1.4.3当邻室有一定发热量时，通过空调房间内窗、隔墙、楼板或内门等内围护结构的温差传热负荷，按下式计算：

Q=KF(twp+Δtls-tn)(9)

式中Q—稳态冷负荷，W；twp—夏季空气调节室外计算日平均温度，℃；tn—夏季空气调节室内计算温度，℃；Δtls—邻室温升，可根据邻室散热强度采用，℃。

1.5灯光、人员和设备得热的得热量这三种得热在其使用期都为一常数，两种方法计算结果一致。

2谐波反应法、冷负荷系数法和概算法计算结果比较

本文选择了合肥地区某公共建筑的一楼进行计算。空调总面积2117.4m2，层高4.5m，建筑朝向，正面正南方。围护结构参数：外墙，K＝0.85W/m2·K；外窗，K＝2.49W/m2·K。

4冷负荷情况分析

分别利用谐波反应法和冷负荷系数法计算，对所得结果进行统计和比较，并与概算法进行比较，计算所得总冷负荷最大时刻出现在16：00。表中冷负荷系数法和谐波反应法所得的数据均取16：00时的值。

各方法计算所得总冷负荷最大时刻均出现在16：00。总冷负荷最大值分别为：概算法424kw，冷负荷系数法252kw，谐波反应法255kw。总的来说，冷负荷系数法和谐波反应法计算结果相当，其中谐波反应法稍微偏大，概算法计算结果远远大于冷负荷系数法和谐波反应法，为冷负荷系数法的1.68倍，谐波反应法的1.66倍。

通过对冷负荷系数法和谐波反应法所得结果进行详细分析，可以看出：①绝大部分房间的谐波反应法所得冷负荷指标高于冷负荷系数法，且最大差值接近30w/m2；②仅4个房间的谐波反应法所得冷负荷指标低于冷负荷系数法，其中悬殊最大的是宴会厅的冷负荷，谐波法为193w/m2，冷负荷系数法为224w/m2，由于宴会厅在所有房间中面积最大，导致两种方法的总冷负荷指标相当；③概算法指标过大，一般为谐波法和冷负荷系数法的1.5倍以上。

假设该工程位于其它城市，计算其总冷负荷并进行比较。选取其它典型的省会城市（纬度＞40、35～40、25～30、＜25），用冷负荷系数法计算出总冷负荷，见表3。可以看出，以上计算结果东南部偏高，西北部偏低，与建筑热工分区相一致。

5结语

通过利用这两种计算方法的软件对南京地区某空调工程在相同计算参数的情况下进行冷计算，同时采用概算指标简要计算，并将所得结果进行分析比较，概算法远远大于谐波法和冷负荷系数法，为1.6倍多，谐波法和冷负荷系数法计算结果相当。所以在实际的负荷计算中不宜采用概算指标，概算法只能在系统初步方案确定时用来参考。对于各城市的计算，该结果与建筑热工分区相符合。

根据国家规范要求，空气调节区的空调冷负荷应按所服务空气调节区同时使用情况、空气调节系统的类型及调节方式，按各空气调节区逐时冷负荷的综合最大值或各空气调节夏季冷负荷的累计值确定，并应计入各项有关的附加冷负荷。一般设计人员在计算夏季冷负荷时大多利用负荷计算软件进行计算，这些软件一般也按照规范中所给公式计算围护结构传热、外窗日射得热、室内热源散热及新风冷负荷等附加冷负荷，而忽略了空气调节系统的类型及调节方式对夏季冷负荷的影响。这些因素对冷负荷的影响一般只能通过人工计算，建筑物逐时空调负荷应在软件计算结果的基础上加以人工计算调整才能更加准确。[3-5]所以，即使软件使用者非常准确地输入各项数据，所得结果也不一定可以作为进一步空调系统设计的依据，有时仍需要考虑不同的空调系统对空调冷负荷的影响和特殊区域的空调冷负荷而进一步手工计算。

参考文献：

[1]单寄平.空调负荷实用计算法[M].中国建筑工业出版社.1989.

[2]陆亚俊.暖通空调[M].中国建筑工业出版社.2002.

[3]魏大俊.软件计算空调冷负荷中应注意的问题[J].广东建材.2006.9:137-138.

[4]顾小松，傅俊萍.空调动态负荷计算软件开发[J].制冷与空调.2005.5(1):21-24.

[5]顾小松.用谐波反应法计算空调负荷应注意的问题.暖通空调[J].2004.34(4):79-81.