負荷計算
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摘要：負荷計算是空調工程設計的基礎，它決定設備容量的選用，管網系統的規模以及工程總造價等，這是技術人員熟知的事實。但是近幾年來用估算的方法替代了空調冷負荷計算，給制定方案、工程審核造成一定的困難。本文通過實例，重提“關于負荷計算問題”，借此引起設計者進一步的重視。
關鍵詞：瞬變傳熱估算計算程序負荷計算
七十年代末空調工程負荷用瞬變傳熱計算代替了穩定傳熱計算，并且區分了得熱和負荷的概念。八十年代出版的所有空調書籍，如空氣調節工程、空氣調節設計手冊、暖通空調常用數據手冊、高層建筑空調與節能等皆引用了動態負荷計算。動態負荷在圍護結構方面的計算顯得比較繁瑣，即便是各種手冊采用了一些簡化手段，計算工作量也較大。計算軟件的產生似乎解決了這一問題，但是應用上也不普遍，只有估算最簡便，捷徑行路，人之通性，慢慢地被它取而代之了。但是估算的根基并不堅實，偏于保守是不可避免的，總是顧慮怕估算的小了，這也是可以理解的。
1、第一個實例
圖1是位于蘇州地區旅館建筑客房的標準層平面簡圖，層高3米，共十層，24墻兩面抹灰，客房為單層塑鋼玻璃窗，面積6m2，掛淺色窗簾，屋頂的傳熱系數為1.19w/m2℃?？头恳笤O計干球溫度25℃，2人間，新鮮空氣量為30m3/人時，室內平均用電量150w。走道與樓梯間、電梯間等公用部分，送冷風保持27℃，客房與走道的溫差為2～3℃，可以忽略傳熱計算，因而客房的圍護結構負荷只有外墻、外窗、屋頂等部分。從圖1可看出，客房的圍護結構的大小和朝向共有6種型式，并編號如下：1.南向，2.北向，3.西南向，4.西北向，5.東南向，6.東北向。對于頂層多了一個屋面，編號為1-頂～6-頂。
應用動態傳熱計算，其最大冷負荷與發生時刻列于表1。
表1客房編號冷負荷(w)發生時刻(時)客房單位面積負荷值(w/m2)
12064.31373.7
21890.91467.5
32468.51388.2
42451.21787.5
52734.21397.6
62585.41492.3
1-頂2813.014100.5
2-頂2743.81698.0
3-頂3421.316122.2
4-頂3430.817122.5
5-頂3507.514125.3
6-頂3457.516123.5
從計算結果可以看出動態計算的特點，西南向、西北向或者東南向、東北向的負荷差值不大，但發生時刻不同。這是因為動態計算是用加權或卷積的數學形式計算，計算任一時刻的傳熱必須包括其它時刻在該時刻的影響量，卷積而成。表1的數據是客房選擇末端設備的根據，客房2和客房5-頂負荷相差1616.6w，理所當然地要選取不同容量的末端設備才合理。
關于選取制冷設備的容量，有兩種方法：一是把整體客房建筑（底層是裙房不計）看成是一個孤立整體，用總的圍護結構、總的客人數和總的用電量等計算；二是把表1計算值逐層進行疊加，再把走道東、西兩側和頂層走道屋面的圍護結構的負荷算上即可。在計算機上計算的結果列于表2。
表2計算方法總負荷(w)發生時刻(時)客房單位面積負荷值(w/m2)
第一種方法650055.11362.7
第二種方法725581.570.0
從理論上講第一種方法最正確，該樓的最大負荷發生在13時，由于13時并不是所有客房的最大負荷，自然要比第二種方法計算的數值小，但是應用第一種方法選取制冷設備的容量，空調系統應有良好的控制系統，在不同時刻應該能夠進行能量的調劑，當然這方面的要求很高。用第二種方法作為選取制冷設備的容量，保守一點，但易于保證客房效果。從單位面積負荷值看，表2的數值比表1數值（除2號客戶）都要小，這是由于表2在計算總建筑面積時包括了走道的面積，整體建筑的走道面積為1408m2，其圍護結構的負荷量在計算機上顯示只有43454.9w，走道的單位面積負荷值不足31w/m2的緣故引起。
但是在審核圖紙時常看到這樣的情況，同樣面積和條件的空調房間的末端設備，不論朝向和圍護結構如何，皆選用同一型號的末端設備，這個原因多數是由于用估算來進行負荷計算的結果。目前估算的方法有兩種方式：一種是出版的各種書籍的推薦數據，對于客房一般的范圍是80-110w/m2，與上述實例計算的表1相比較，可見對大部分客房適用，但對部分客房就不能滿足，倘若對整體建筑的主機估算，按80w/m2計其主機容量要大出約14%，按110w/m2計主機容量要大出約57%；一種是各設計單位自行的作法，如將空調房間按150kcal/m2（174w/m2）估算，而整體建筑按其70%即109kcal/m2(122w/m2)估算，則整體建筑的制冷量將是122×1036.8×10=1264896w。
估算的本身帶有很大的近似性，它與具體的建筑物的開間、進深、人數以及用電量等因素有關，既要滿足設計條件的要求，又要達到能量合理的應用。根據長期設計的體會，作好負荷計算是一項基礎性的工作，在50、60年代作設計沒有負荷計算書是難以通過的，有了計算的基礎，在此基礎上再進行修正或完善能做到心里有數，拿上述實例來說，表1的計算是不可缺少的，至于選取制冷設備的總容量，若以表2的第二種方法計算取值，還應考慮到空調系統損耗的附加值（5%）和制冷機銘牌的附加值（10%-15%），后者是考慮到制冷機的銘牌制冷量是在特定條件下試驗的數據以及長期使用后傳熱能力的衰減。將附加值計算在內的整體建筑單位面積負荷值應為70×1.05×1.15=84.5w/m2，選取制冷機的總容量應為84.5×1036.8×10=876096w，發生時刻在13點，這要比估算的數值1264896w少約1/3。對蘇州市已建成的大型建筑空調系統運轉情況的調查發現，安裝的制冷主機容量的應用，多數在60～70%之間，不少閑擱的主機只能起到備用作用，但這是設計規范中所不允許的。近年來出現了一些重要或較大工程的業主要求設計者提供負荷計算資料，這是應該贊許和支持的。
2、第二個實例
用估算代替負荷計算偏于保守是常見的現象，但對一些特殊造型的建筑就很難說，圖2是蘇州市某單位的外資審批中心，建筑面積約為210m2，外形為六角形，圍護結構全是深褐色的玻璃窗，層高約5m，內掛淺色窗簾，周圍雖然有花卉草坪綠化，但起不到外遮陽作用。這是一個辦公所在地，室內人數30人，新風按30m3/人時計，照明與辦公設備平均用電約4200w，室內設計要求干球溫度22℃相對濕度55-60%。設計者對這樣的建筑進行估算就感到困難，查推薦資料辦公室最大值為140w/m2，由于室內溫度要求較低，又全是玻璃窗作圍護結構，設計者想的第一個辦法，將140w/m2作為圍護結構的負荷，額外加上人員、新風、用電負荷。后三項，人體為30×133=3990w，新風為30×30×10=9000w，總計為3990+9000+4200=17190w，合單位面積負荷值17190/210=81.9w/m2。此值與140w/m2相加得221.9w/m2。但估算者仍感到不足。最后以300w/m2作為取值，計算出該建筑的冷負荷為300×210=63000w。
圖2平面圖(1：200)建筑面積210m2
對于這樣一座特殊外形的建筑，用估算的方法是難以得到正確的答案，用動態傳熱的方法在計算機上計算，屋頂取第三類結構，傳熱系數為1.19w/m2℃，圍護結構的負荷應為56242.2w，再加上人員、新風、用電負荷17190w，其總的冷負荷為73432.2w，發生時刻在14時，比估算的數值要大10432.2w，顯然估算小了。
3、關于圍護結構負荷的計算
建筑物的冷負荷計算包括圍護結構負荷以及人體負荷、新風負荷、用電負荷等等，新風負荷即為瞬時冷負荷，而人體負荷和用電負荷應先求出得熱而后轉化為冷負荷，從得熱轉化為負荷主要是針對輻射得熱，對于對流換熱即可看成瞬時冷負荷。由于人體的表面溫度較低，民用建筑的照明，辦公設備等用電量不大，若將其得熱近似地作為冷負荷，影響并不大，即可免除了得熱轉化為負荷的繁瑣過程。只有圍護結構的動態負荷計算不能忽視，它占總負荷的比重較大，民用建筑在2/3左右。要解決這個問題應該借助于計算機，雖然計算過程比較繁瑣，但可以先就本地區下手，例如蘇州地區墻體基本上是24墻加兩面抹面，屋面的作法傳熱系數基本上控制在1.20w/m2℃左右，皆屬于動態傳熱計算中的三類墻體。窗絕大多數是單層玻璃金屬窗。簡化了圍護結構的類型工作量就減少了許多，但這只適用于蘇州地區應用，地方設計院多數也是為本地區服務的。
圍護結構動態負荷計算的內容大體如下：
對于墻體（包括屋面）
計算日逐時的空氣溫度→計算日不同朝向逐時的綜合溫度→計算或引進日逐時墻體的周期性加權系數→計算日不同朝向逐時墻體的冷負荷計算溫度→計算日不同朝向逐時的冷負荷qwall。
對于外窗
計算日逐時空氣溫度向室內的傳熱qc→查出日不同朝向逐時透過玻璃窗的太陽輻射強度→計算或引進日逐時外窗的周期性加權系數→計算日逐時透過玻璃窗太陽輻射熱形成的冷負荷qd和qf→計算日逐時通過外窗進入室內的冷負荷qwindow=qc+qd+qf。
對于內墻、樓板
計算日逐時空氣溫度加上附加值（負值或正值）向空調間的傳熱量qin-wall。由于當前的民用建筑皆為整體空調設計，內墻和樓板負荷可以忽略，或者按簡單傳熱計算。
圍護結構的日逐時負荷應為q（0：23）=qwall（0：23）+qwindow（0：23）+qin-wall然后再找出最大負荷及其發生時刻。
將以上內容在計算機上編成程序，其程序（蘇州地區）如圖3所示?？驁D中的符號分別為數據處理框和特殊處理框，每一個框內都要用上選擇和循環等語句進行計算。
4、簡單小結
用估算來進行負荷計算只是一個時期的一個過程，最后還是要走向正規化，有的工程人員一直堅持做負荷計算而不采用估算的方法是應該支持的?，F在電腦應用達到十分廣泛的程度，費一些時間對本地區的氣象條件和計算手段編成程序，這是一勞永逸的事情。當然直接應用現成的"計算軟件"更好，只是通用的"計算軟件"適用于全國性，顯得稍為麻煩一些，但應用得多了也就熟練了，關健在于認真地去用。程序計算出來的數值一般比估算的要小一些，不必擔憂，負荷計算是一門科學，在計算的基礎上進行某些調整也是情理之中的事，這樣必然會使設計工作做得踏實，有把握和有說服力。寫成本文的目的也在于此，并與同仁們共勉之。
參考資料
［1］暖通空調常用數據手冊（第二版）建筑工程常用數據系列手冊編寫組中國建筑工業出版社2002.2
［2］空氣調節設計手冊中國電子工程設計院編中國建筑工業出版社1983.5
［3］高層建筑空調與節能錢以明編著同濟大學出版社1990.2
［4］空調工程負荷計算與程序匯編金顯明編著天津大學出版社1986.3
