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北京市建筑設計研究院有限公司 朱丹丹 林坤平 【摘 要】超高層建筑空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化設計是超高層建筑節(jié)能的首要條件,，而空調(diào)負荷計算是優(yōu)化設計的重要基礎。現(xiàn)有研究成果主要側(cè)重于研究高層室外氣象參數(shù)變化對空調(diào)負荷的影響，忽略了超高層建筑自身建筑結(jié)構(gòu)特性引起的空調(diào)負荷熱特性的不同。本文采用全年負荷模擬軟件DeST分別定量分析了室外氣象參數(shù)和超高層建筑自身特點對空調(diào)負荷計算的影響,，在此基礎上重新審視了工程常用負荷計算工具（電算表和鴻業(yè)軟件）的適用性，并對電算表（或鴻業(yè)軟件）計算超高層建筑空調(diào)負荷給出了修正建議,。 【關(guān)鍵詞】超高層建筑,，空調(diào)負荷,，氣象參數(shù),，建筑特性，負荷計算工具 Abstract: The optimal design of the air condition system is the first condition for super high-rise building energy efficiency and the air conditioning load calculation is an important basis. The existing study focused on the influence of the climate data on the air conditioning load, but ignored the impact of the special architectural and structural characteristics of super high-rise buildings. This study analyzed the quantitative influence of the climate date and super high-rise building’s features on air-condition load by the tool DeST. Then on this basis, the suitability of common engineering load calculation tools was verified and the corresponding correction method was put forward. 1 引言 近年來,，隨著我國城市化的不斷發(fā)展，新建超高層建筑的數(shù)量和高度不斷增加,，已經(jīng)建成的上海中心大廈建筑高度為632米,，在建的北京中國尊大廈設計高度為528米。超高層建筑已經(jīng)成為城市現(xiàn)代化程度的重要標志之一,。 與普通公共建筑相比,，超高層建筑的空調(diào)系統(tǒng)初投資高、運行能耗高，在工程實踐中也發(fā)現(xiàn)冷熱源設備容量選型過大,、數(shù)量過多等問題,，因此，空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化設計是超高層建筑節(jié)能的首要條件,?？照{(diào)負荷計算是空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設計的基礎，而超高層建筑由于其所處的室外氣象環(huán)境和自身特性,，比如大面積的玻璃幕墻,、復雜的外圍護結(jié)構(gòu)體系、冬季煙囪效應等,，使得超高層建筑空調(diào)負荷計算具有一定的特殊性,。但目前關(guān)于超高層建筑空調(diào)系統(tǒng)的設計研究，主要集中在空調(diào)水系統(tǒng)的豎向分析,、空調(diào)風系統(tǒng)的內(nèi)外分區(qū),、節(jié)能技術(shù)應用等，缺少對空調(diào)負荷計算的關(guān)注,。 劉天川[1]分析了建筑高度增加對空調(diào)負荷的影響,，認為應重點考慮建筑高度增加引起的室外空氣溫度的下降和風速的增加。陳亮[2]研究了不同氣候區(qū)超高層建筑空調(diào)負荷高度修改系數(shù),，認為高層風速和溫降綜合作用減小的冷負荷可考慮作為空調(diào)冷負荷的安全余量,，在計算中不予考慮，冬季熱負荷采用穩(wěn)態(tài)算法,，受高層風速和溫降的影響較大,，分別給出了不同氣候區(qū)外墻、屋頂和天窗的高度修正系數(shù),。其他超高層建筑空調(diào)設計文獻[3][4]很少涉及負荷計算,，也沒有對計算參數(shù)或計算結(jié)果做一定的修正。 現(xiàn)有研究成果側(cè)重于建筑高度增加引起的室外氣象參數(shù)變化對空調(diào)負荷的影響,，忽略了超高層建筑的結(jié)構(gòu)體系,、大面積玻璃幕墻、豎向交通等特殊性對空調(diào)負荷計算的綜合影響,。設計院在進行暖通設計時,，通常采用夏季設計日冷負荷計算軟件，如GB50736-2012《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》（以下簡稱《暖規(guī)》）規(guī)定的冷負荷系數(shù)簡化計算方法,、鴻業(yè)暖通空調(diào)負荷計算軟件,、華電源空調(diào)負荷計算軟件等，很少采用全年逐時空調(diào)負荷計算軟件,。由于根據(jù)規(guī)范和手冊推薦冷負荷系數(shù)簡化計算方法編制的電算表（以下簡稱“電算表”）是基于一定的假設條件簡化的,，應用于超高層建筑可能存在一定的問題,，因此，需要在分析超高層建筑特性對空調(diào)負荷影響的基礎上,，重新審視目前工程常用空調(diào)負荷計算工具的適用性,，并給出修正方法。 2 超高層建筑的特性分析 2.1 室外氣象環(huán)境 室外氣象環(huán)境參數(shù)隨著海拔高度的升高而變化,，包括空氣溫度,、空氣濕度、風速和太陽輻射,。在超高層建筑高度范圍內(nèi),，大氣壓力和空氣密度隨高度的變化非常小，可以忽略,。 室外空氣溫度隨著高度的升高而降低,，被稱為空氣溫度遞減率。不同文獻對于空氣溫度遞減率的數(shù)值有所不同,，如文獻[1]認為高度增大100m,，大氣溫度下降1℃，又如文獻[5]通過標準大氣模型測試得到高度每增加150m變化約1℃,。這些數(shù)值有些是理論計算值,，有些是不分地區(qū)的全球平均值，并沒有區(qū)分夏季和冬季的不同情形,。文獻[6]采用中國國內(nèi)氣象站的實測數(shù)據(jù),，給出了不同季節(jié)、不同地區(qū)的氣溫遞減率,，結(jié)果表明我國大部分地區(qū)的夏季空氣溫度遞減率為0.5～0.65℃/100m,，冬季為0.25～0.5℃/100m。對空調(diào)負荷而言,，夏季溫度下降是有利因素,，冬季則為不利因素，考慮到空調(diào)保證率,，氣溫遞減率夏季取下限0.5℃/100m,，冬季取上限0.5℃/100m,。 不同地區(qū)地表面附近空氣的含濕量并不相同,，并且隨著季節(jié)的變化而變化。一般來說,，夏季往往濕度高,，冬季濕度低；海拔高度高,，含濕量較小,。超高層建筑的垂直高度在1000m以下,，屬于容易受地面環(huán)境影響的高度范圍，在這個高度范圍,，國內(nèi)外對濕度梯度的研究很少,，無法得到空氣濕度隨高度變化的具體規(guī)律。 室外風速會影響建筑圍護結(jié)構(gòu)外表面的傳熱系數(shù),，進而影響圍護結(jié)構(gòu)K值,。因為下墊面對氣流有摩擦作用，邊界層內(nèi)風速沿垂直方向存在梯度,，貼近地面處的風速為零,，沿垂直高度方向風速遞增。到達一定高度以后,，風速不再增大,，這一高度為邊界層高度。邊界層高度內(nèi)的風速可以根據(jù)以下公式進行計算,。 式中hmet為氣象站風速測量點的高度,，取10m；Vmet為氣象站風速測量點的風速,，m/s,；δmet為氣象站當?shù)氐拇髿膺吔鐚雍穸龋琺,；αmet對應氣象站當?shù)氐拇髿鈱雍穸鹊闹笖?shù),；為需要求風速地點的大氣邊界層厚度，m,；對應需要求風速地點大氣邊界層厚度的指數(shù),。 超高層建筑一般都在大城市中心地區(qū)，假設氣象站與超高層建筑處在同地區(qū),，邊界層厚度取460m,，指數(shù)取0.33。取10米處室外風速為3.0m/s,，根據(jù)公式（1）計算北京地區(qū)不同高度處的風速,。 《暖規(guī)》在計算圍護結(jié)構(gòu)值時，規(guī)定外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)統(tǒng)一取23W/(m2·K),，即室外風速統(tǒng)一取3.0m/s,。隨著室外風速的增加，外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大,，圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)也增大,。外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)α'w包括表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)α'wd和輻射換熱系數(shù)α'wf，α'wf取5.33 W/(m2·K),，對于超高層建筑大量采用的玻璃幕墻,，α'wd與室外風速v的關(guān)系滿足式（2）： 所以,，計算不同高處的建筑圍護結(jié)構(gòu)值可以根據(jù)地面處的圍護結(jié)構(gòu)值和風速進行計算得到。 太陽輻射包括太陽直射輻射和太陽散射輻射兩部分,。到達地面的太陽輻射照度大小取決于地球?qū)μ柕南鄬ξ恢茫ㄌ柛叨冉呛吐窂剑┮约按髿馔该鞫?。根?jù)文獻[2]，隨著海拔高度的增加,，大氣透明度提高,，又由于其他建筑屋面或幕墻的反射作用，太陽輻射可能會增加,，但因影響較復雜,，在計算中很難準確確定。 所以,，定量分析室外氣象參數(shù)對超高層建筑空調(diào)負荷的影響著重考慮室外空氣溫度和風速,。 2.2 輕型結(jié)構(gòu)體系 超高層建筑采用輕型結(jié)構(gòu)體系來減少自身重量，主要體現(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)和玻璃幕墻外圍護結(jié)構(gòu),。與混凝土結(jié)構(gòu)相比,，鋼的比熱容較小，密度較大,，在相同體積的情況下,，鋼的熱容量約為混凝土的1.5倍。但考慮鋼結(jié)構(gòu)和混凝土樓板的厚度差異（通常鋼結(jié)構(gòu)樓板為120～150mm,，混凝土的樓板為200mm）,，兩種樓板熱容量差異很小，可以忽略,。所以,，主要考慮玻璃幕墻外圍護結(jié)構(gòu)對超高層建筑空調(diào)負荷的影響。 2.3 大窗墻比 為增加外部視覺的通透感,，超高層建筑采用大窗墻比,，部分窗墻比會達到乃至超過建筑節(jié)能標準的限值。太陽輻射能透過玻璃幕墻進入室內(nèi),，成為室內(nèi)得熱,，最終轉(zhuǎn)化為空調(diào)負荷。因此,，與不透光外墻相比,，玻璃幕墻不僅造成了空調(diào)冷熱負荷的增加，而且輻射得熱所占比例會上升,。 2.4 冬季煙囪效應 超高層建筑存在大量的電梯井,、樓梯等豎向通道,，這些通道構(gòu)成了不同樓層之間的空氣流通路由,。冬季,，在熱壓的作用下，室外冷空氣通過建筑外圍護結(jié)構(gòu)的門窗縫隙進入室內(nèi),，沿著電梯廳等豎向通道上升,，再從建筑的頂部樓層滲出，形成了“煙囪效應”,。煙囪效應引起的滲風量大小由圍護結(jié)構(gòu)兩側(cè)的壓差和氣密性決定,。采用CONTAMW軟件建立北京中國尊大廈的多區(qū)域網(wǎng)絡法計算模型，按設計工況設定有空氣流通房間之間的阻力模型,，幕墻氣密性等級設定為3級,，室內(nèi)外溫度均取設計溫度，熱壓作用下煙囪效應引起的滲風量不大于空調(diào)新風量,。限于篇幅原因,，不具體展開模擬計算過程。所以,，在門窗關(guān)閉的設計工況下,，可以認為空調(diào)新風正壓可以抵消煙囪效應。 2.5 小結(jié) 超高層建筑空調(diào)負荷的計算主要考慮三個影響因素：高層室外空氣溫度的降低,、風速的增大,、大窗墻比的玻璃幕墻。 3 詳細計算 3.1 計算工具 電算表,、鴻業(yè)等軟件是暖通工程師常用的空調(diào)負荷計算工具,。電算表根據(jù)冷負荷系數(shù)簡化計算方法整理得到的，操作簡單,，結(jié)果直觀,。冷負荷系數(shù)簡化計算方法是根據(jù)典型房間、典型構(gòu)造給出一系列的空調(diào)冷負荷計算系數(shù),，包括夏季空調(diào)設計日外墻,、屋面、外窗的冷負荷計算溫度和太陽輻射冷負荷系數(shù),，也同樣給出了人體,、照明和設備的冷負荷系數(shù)。因此,，特殊構(gòu)造的建筑也只能采用相同的冷負荷計算系數(shù),，無法對系數(shù)進行修改。另外,，冷負荷計算系數(shù)是根據(jù)近地面處的氣象參數(shù)得到,，因此也無法評價高層室外氣象參數(shù)對空調(diào)冷負荷的影響。鴻業(yè)負荷軟件采用諧波反應法或輻射時間序列法計算冷負荷,，采用穩(wěn)態(tài)算法計算熱負荷,，同樣也無法修改氣象參數(shù),。 所以，這些夏季設計日逐時冷負荷計算軟件或電算表無法定量分析高層室外氣象參數(shù)對空調(diào)冷負荷的影響,，因此,，在本研究中采用全年逐時負荷模擬軟件DeST，并將DeST計算結(jié)果作為基準值,，與電算表,、鴻業(yè)軟件計算結(jié)果進行對比，得出工程常用工具計算超高層建筑空調(diào)負荷的修正方法,。 3.2 計算模型 在DeST軟件中,，建立北京中國尊大廈標準辦公層的計算模型，標準層平面如圖1所示,。標準層辦公區(qū)面積為2381m2,，層高為4.5m，窗墻比為0.465,，外墻平均傳熱系數(shù)為0.45 W/(m2.℃),，幕墻玻璃傳熱系數(shù)為1.909 W/(m2.℃)，遮陽系數(shù)SC值為0.29,。 辦公房間的夏季室內(nèi)設計溫度為24℃,，相對濕度為50%，冬季室內(nèi)設計溫度為22℃,，相對濕度為35%,，人員密度為10m2/人，人均新風量為50m3/h,，照明和設備發(fā)熱密度分別為15W/m2和25W/m2,。夏季空調(diào)開啟時間為7時至19時，冬季空調(diào)全天連續(xù)開啟,。
3.3 外溫和風速對空調(diào)負荷的影響 為了定量分析高層外溫降低和風速增大對空調(diào)負荷的影響,，在DeST中分別建立10米、100米,、200米,、300米、400米,、500米處的辦公標準層模型,。10米處取北京地區(qū)全年逐時氣象數(shù)據(jù)，在計算冬季熱負荷時,，認為室內(nèi)無發(fā)熱量和無太陽輻射（與穩(wěn)態(tài)算法最不利工況一致）,。其他高度的氣象參數(shù)根據(jù)10米處氣象數(shù)據(jù)進行修改，如表1所示。
10米處辦公房間的全年最大冷負荷出現(xiàn)在7月20日,，最大冷負荷為102.91 W/m2,，包括房間顯熱負荷（59%）、新風顯熱負荷（13%）,、新風除濕負荷（22%）和房間除濕負荷（6%）,。顯熱負荷占冷負荷的絕大部分,，受外溫和風速的影響,。不同高度樓層的最大冷負荷如圖2所示，高度每增加100米,，最大冷負荷減少約1.5%,。但由于冷負荷中的除濕負荷并不變化，新風顯熱負荷只受外溫的影響,，因此,，主要考慮房間顯熱負荷部分。以10米處房間為基準,，100米,、200米、300米,、400米,、500米房間顯熱負荷減小比例分別為-1.6%、-2.6%,、-3.4%,、-4.2%、-5.0%,。隨著高度增加,，風速的增加幅度減小，室外氣象參數(shù)對房間顯熱負荷的影響越來越小,。
10米處辦公房間的全年最大熱負荷出現(xiàn)在1月19日,，最大熱負荷為95.46W/m2，包括房間顯熱負荷（14%）,、新風顯熱負荷（64%）,、加濕負荷（22%），房間顯熱負荷所占比例很低,。不同高度樓層的最大熱負荷如圖3所示,，高度每增加100米，最大熱負荷增加約1.4%,。但由于加濕負荷并不變化,，新風顯熱負荷只受外溫的影響。以10米處房間為基準，100米,、200米,、300米、400米,、500米房間顯熱負荷增加比例分別為4.2%,、6.7%、8.9%,、11.1%,、13.0%。隨著高度增加,，風速的增加幅度減小,，室外氣象參數(shù)對房間顯熱負荷的影響越來越小。
所以,，受外溫和風速的影響,，與10米處辦公樓層相比，500米處房間的總冷負荷減少7.8%,，其中房間顯熱負荷減少5.0%,，總熱負荷增加7.1%，其中圍護結(jié)構(gòu)熱負荷增加13.0%,。 3.4 三種工具計算結(jié)果對比 DeST計算全年逐時空調(diào)負荷,，電算表和鴻業(yè)軟件僅計算設計日逐時負荷。為了對比三種工具的計算結(jié)果,，需要選擇DeST某一天計算結(jié)果,，并且這一天的氣象參數(shù)應盡可能與設計日一致。7月20日下午15時室外空氣干球溫度達到最大值34.00℃,，與夏季空調(diào)室外計算干球溫度33.5℃非常接近,。《暖規(guī)》附錄C可以查得北京夏季設計日的逐時太陽總輻射照度,，并與7月20日DeST逐時氣象數(shù)據(jù)對比如圖4,，變化曲線基本一致，《暖規(guī)》水平面太陽輻射日平均值為333W/m2,，DeST日平均值為317W/m2,。所以，7月20日氣象數(shù)據(jù)與夏季設計日基本一致,，選取這一天作為DeST夏季設計日,，與電算表、鴻業(yè)軟件的計算結(jié)果進行對比,。DeST冬季設計日選取1月15日,，最低溫度為-9.6℃,。
三種工具的房間逐時冷負荷（僅為房間顯熱負荷部分，不包括新風負荷和除濕負荷）如圖5所示,。電算表,、鴻業(yè)、DeST的最大冷負荷分別為57.5W/m2,、59.2W/m2,、61.2 W/m2。DeST采用間歇空調(diào)模式,，由于夜間蓄熱的影響,，空調(diào)開啟時刻的冷負荷為56.3W/m2，非常接近最大冷負荷,。其他兩種工具是基于連續(xù)空調(diào)工況,，上午7時的空調(diào)冷負荷較小,。
三種工具的圍護結(jié)構(gòu)熱負荷如圖6所示,，其中電算表和鴻業(yè)軟件采用穩(wěn)態(tài)算法，設計熱負荷為15.1 W/m2,。DeST計算兩種工況,，一種工況是考慮太陽輻射，另一種工況是不考慮太陽輻射,。DeST考慮房間蓄熱,，因此兩種工況的最大熱負荷都小于穩(wěn)態(tài)結(jié)果。
匯總?cè)N工具的負荷結(jié)果如表2所示,，以DeST計算結(jié)果為基準,，電算表和鴻業(yè)軟件計算的房間冷負荷分別偏低6%和3%，圍護結(jié)構(gòu)熱負荷偏高24%,。
雖然三種計算工具的輸入?yún)?shù)基本一致,，且DeST室外太陽輻射強度略微偏小，但電算表和鴻業(yè)軟件計算的房間冷負荷偏小,，所以,，這是由于三種工具計算方法差異造成的。電算法是基于冷負荷系數(shù)簡化計算方法,，這一方法是根據(jù)典型房間,、典型構(gòu)造給出一系列的空調(diào)冷負荷計算系數(shù)，用來計算超高層建筑冷負荷存在一定的偏差,。這是因為超高層建筑具有大窗墻比和輕型外圍護結(jié)構(gòu)的特點,，并且外墻和外窗占圍護結(jié)構(gòu)的絕大部分，輻射負荷比例比普通建筑更高,。計算案例中的中國尊大廈,，窗墻比為0.465，幕墻玻璃遮陽系SC值為0.29，遠好于建筑節(jié)能標準的限值,，大部分超高層建筑的窗墻比會達到0.7左右,，電算表計算的冷負荷偏差會更大，如表3所示,。
4 結(jié)論 （1）超高層建筑空調(diào)負荷計算需要同時考慮室外氣象參數(shù)和超高層建筑自身特性（輕型外圍護結(jié)構(gòu),、大窗墻比）的影響。 （2）隨著高度增加,，外溫降低,，風速增加，空調(diào)冷負荷減小,，空調(diào)熱負荷增加,。以北京中國尊大廈為例，與近地面處相比,，500米高層房間的最大冷負荷減小7.8%,，其中房間顯熱負荷減小5.0%；最大熱負荷增加7.1%,，其中圍護結(jié)構(gòu)熱負荷增加13.0%,。 （3）冷負荷系數(shù)簡化計算方法是根據(jù)典型房間、典型構(gòu)造給出一系列的空調(diào)冷負荷計算系數(shù),，由于超高層建筑構(gòu)造的特殊性,，用來計算超高層建筑冷負荷存在一定的偏差。在北京中國尊大廈中,，電算表計算的房間最大冷負荷偏低6%,，當窗墻比達到0.7時，偏差達到9%,。 （4）綜合考慮室外氣象參數(shù)和超高層建筑特點,，用電算表（或鴻業(yè)軟件）計算夏季設計日逐時冷負荷（房間負荷和新風負荷）時，建議不對室外氣象參數(shù)進行修正,，當窗墻比大于0.5時,，建議用全年逐時負荷計算軟件進行校核；用電算表（或鴻業(yè)軟件）計算冬季設計熱負荷時,，由于圍護結(jié)構(gòu)熱負荷占總熱負荷的比例很低,，而且穩(wěn)態(tài)算法保險系數(shù)高，計算圍護結(jié)構(gòu)熱負荷可以不對室外氣象參數(shù)進行修改,，計算新風負荷應該對外溫進行修正,。 參考文獻 [1] 劉天川. 超高層建筑空調(diào)設計[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004 |
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