牛冰

（廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，501800）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)醫(yī)藥流通規(guī)模的不斷擴(kuò)張，后疫情時(shí)代，人們對(duì)醫(yī)藥物品的需求日益擴(kuò)大，醫(yī)藥倉(cāng)儲(chǔ)類建筑的面積也在逐年增加，醫(yī)藥物流呈現(xiàn)出一定的后發(fā)優(yōu)勢(shì)，醫(yī)藥冷鏈的快速增長(zhǎng)也帶動(dòng)了我國(guó)建筑領(lǐng)域用能與排放的持續(xù)增長(zhǎng)［1］。2018年全國(guó)建筑建造和運(yùn)行用能占全國(guó)總能耗的37 %，相關(guān)CO2排放占全國(guó)社會(huì)總CO2排放量約為42 %［2］，這其中建筑運(yùn)行階段能耗占比為23 %，CO2排放占比為20 %。而在建筑運(yùn)行能耗中，50 %～ 60%的能耗用于建筑的制冷或采曖［3］，能耗比較大［4］。雷博等人探討了夏熱冬曖地區(qū)空調(diào)負(fù)荷特性，認(rèn)為環(huán)境內(nèi)部空間大，空調(diào)使用時(shí)間長(zhǎng)，全年的用能消耗量大，研究HVAR系統(tǒng)能耗特性，降低HVAR系統(tǒng)能耗，節(jié)能潛力巨大［5］，因此，發(fā)展節(jié)能環(huán)保的供熱、供冷技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)建筑領(lǐng)域節(jié)能減排具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

陰涼庫(kù)是冷庫(kù)家族的一員，常被用來(lái)儲(chǔ)藏藥品，在《藥品經(jīng)營(yíng)質(zhì)量管理規(guī)范》（GSP）中規(guī)定：“陰涼庫(kù)是指不超過(guò)20 ℃且太陽(yáng)不能夠直射到的庫(kù)房位置?！奔矗簬?kù)房溫度為0～20 ℃，相對(duì)濕度保持在45～75 %Rh之間且太陽(yáng)不能夠直射（避光）的保存?zhèn)}庫(kù)被稱之為陰涼庫(kù)。陰涼庫(kù)主要用來(lái)存放原料、藥品（中藥和西藥）、原料藥品等。故藥品物體所含的物質(zhì)品質(zhì)影響到藥品使用者的生命安全，保存藥品溫濕度等室內(nèi)空氣控制尤為重要。貯存藥品的低溫庫(kù)、陰涼庫(kù)主要用來(lái)保證藥品的品質(zhì)和藥品使用者的用藥安全，藥品在低溫冷藏的條件下可以延緩失效或者降解的時(shí)限［6］。

1 模擬方法及模擬軟件

自1960年以來(lái)，建筑分析模擬軟件出現(xiàn)了許多，一類稱為HVAR系統(tǒng)仿真軟件，主要用來(lái)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)中各個(gè)部件控制過(guò)程的仿真；另一類是能耗模擬為主的建筑軟件，這種建筑軟件主要用來(lái)對(duì)特性建筑和同類事物按一定關(guān)系組成的整體進(jìn)行動(dòng)態(tài)的分析模擬，主要以清華大學(xué)研究開(kāi)發(fā)出的DeST C Designer's Simulation Tool軟件為主代表，是基于自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的建筑與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬一類分析軟件［7］。

本文采用DeST-C對(duì)醫(yī)藥陰涼庫(kù)的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行性能模擬。該軟件開(kāi)發(fā)時(shí)以分階段設(shè)計(jì)和模擬，將模擬過(guò)程分為建筑物熱特性分析、建筑室內(nèi)外環(huán)境全工況狀態(tài)進(jìn)行模擬，得出冷負(fù)荷變化分布狀態(tài)［8］， 用于設(shè)計(jì)或優(yōu)化建筑的能源系統(tǒng)［9］。軟件以氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用的模擬方法為“理想化”，在這個(gè)模擬的基礎(chǔ)上對(duì)后續(xù)階段的部件特性進(jìn)行處理，得出并保證同類事物按一定關(guān)系組成的整體的控制效果。

2 陰涼庫(kù)建筑模型邊界設(shè)置

2.1 陰涼庫(kù)建筑模型建筑性能設(shè)置

擬進(jìn)行陰涼庫(kù)空調(diào)系統(tǒng)性能模擬研究的建筑模型以廣州地區(qū)的藥品陰涼庫(kù)為參照原型，采用其陰涼庫(kù)假想模型，模型共3層，層高6米，每層建筑面積2500 m2，開(kāi)間100 m2，進(jìn)深25 m2，建筑總面積7500 m2，南北朝向。每層建筑空間分為藥品倉(cāng)（倉(cāng)庫(kù)）及庫(kù)房、走道等其他空間（輔助區(qū)），其中藥品倉(cāng)為空調(diào)區(qū)，每層為2165 m2，庫(kù)房、走道等其他空間為非空調(diào)區(qū)，每層為335 m2，總建筑空調(diào)面積為6495 m2。陰涼庫(kù)建筑模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 陰涼庫(kù)建筑模型的建筑性能參數(shù)

2.2 陰涼庫(kù)室內(nèi)參數(shù)設(shè)置

Dest模擬軟件中，按照維護(hù)結(jié)構(gòu)建立建筑模型，還需設(shè)定庫(kù)內(nèi)熱源、人員、設(shè)備、燈光等具體工況［10］，具體詳見(jiàn)表2所示。

表2 陰涼庫(kù)熱內(nèi)源情況

2.3 廣州市氣候條件

廣州屬于南亞熱帶季風(fēng)海洋性氣候，溫暖、多雨、濕潤(rùn)，夏長(zhǎng)冬短，夏季長(zhǎng)達(dá)半年之久。四季氣候可概括為，夏少酷熱，冬無(wú)冰雪，春常陰雨，秋高氣爽，且高溫時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)。因此對(duì)廣州地區(qū)的陰涼庫(kù)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行研究有一定的的實(shí)用價(jià)值。選取廣州地區(qū)的室外氣象條件為設(shè)計(jì)邊界參數(shù)進(jìn)行模擬，夏季空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)選取通風(fēng)溫度為31.8 ℃，濕球溫度為27.8 ℃，干球溫度為34.2 ℃。

2.4 系統(tǒng)模型建立

與一般室外濕度計(jì)算方法不同，以自然室溫為橋梁，將環(huán)境控制系統(tǒng)和建筑物聯(lián)系起來(lái)，模擬生成逐時(shí)氣象參數(shù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行整理與分析［10］，得出廣州市日平均干球溫度分布（如圖1所示）、廣州市逐時(shí)太陽(yáng)輻射量（如圖2所示）等參數(shù)。

圖1 廣州市日平均干球溫度

圖2 逐時(shí)太陽(yáng)輻射量

將全年分為空調(diào)季與非空調(diào)季，如圖1可以看出， 廣州市7月和8月份的氣溫最高，1月和2月份溫度最低，存在明顯的季節(jié)特征。從圖3和圖4中可以看出，廣州市最高溫度在7月，溫度最高可達(dá)36 ℃，最低溫度在1月，最低達(dá)6 ℃左右，說(shuō)明存在明顯的季節(jié)特征。

圖3 廣州市最熱月溫度

圖4 廣州市最冷月溫度

從廣州市全年溫度分布圖（圖5所示）中可以看出廣州地區(qū)溫度處于25～30 ℃的時(shí)間超過(guò)2500個(gè)小時(shí)，溫度處于20～25 ℃的時(shí)間可達(dá)2300個(gè)小時(shí)，而溫度處于10～15℃和15～20℃的時(shí)間也比較長(zhǎng)，分別超過(guò)1300個(gè)小時(shí)和1400個(gè)小時(shí)，屬于典型的夏熱冬曖氣候。另外，夏熱冬曖地區(qū)濕度較大，相對(duì)濕度一般為75 %～95 %，廣州市年最熱月平均相對(duì)濕度達(dá)到了83 %。由此可見(jiàn)，廣州市相對(duì)濕度較大，空調(diào)降溫的時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)其需求較大，用來(lái)室內(nèi)降溫和除濕的用電能耗將是建筑能耗中的最主要的部分。

圖5 廣州市全年溫度分布

2.3 陰涼庫(kù)建筑模型室內(nèi)通風(fēng)模型設(shè)置

本模擬中，通風(fēng)類型分為三種，分別為輔助區(qū)與倉(cāng)庫(kù)之間的通風(fēng)、倉(cāng)庫(kù)與室外之間的通風(fēng)以及輔助區(qū)與室外之間的通風(fēng)。輔助區(qū)與倉(cāng)庫(kù)之間的通風(fēng)全年設(shè)為定值，為基準(zhǔn)0.5次/h。倉(cāng)庫(kù)與室外之間的通風(fēng)為可調(diào)節(jié)的方式，調(diào)節(jié)范圍為1次/h至4次/h。在負(fù)荷計(jì)算時(shí)，當(dāng)室外空氣小于室內(nèi)要求溫度時(shí)，有限采用通風(fēng)的方式排除余熱、降溫。輔助區(qū)與室外之間的通風(fēng)通過(guò)定義逐時(shí)換氣次數(shù)的方式進(jìn)行設(shè)定，其在夏季夜間換氣次數(shù)設(shè)定為2次/h，其余時(shí)間均為0.5次/h。

3 陰涼庫(kù)建筑模型負(fù)荷模擬計(jì)算

建筑物的邊界和參數(shù)指標(biāo)設(shè)置完成后，可以對(duì)生成的建筑進(jìn)行預(yù)措置和解決，然后進(jìn)行建筑物體背光一面及其影子解決和建筑物體采光的措置和解決，最后進(jìn)行建筑能耗模擬計(jì)算與定性分析。通過(guò)DeST中輸出的計(jì)算結(jié)果，陰涼庫(kù)全年8761個(gè)小時(shí)的逐日最大冷負(fù)荷，分析如圖6所示。

圖6 模型全年逐日最大冷負(fù)荷分布

圖6可以分析得出，陰涼庫(kù)模型的全年逐日最大冷負(fù)荷波動(dòng)不大，主要負(fù)荷率在90 %以上的時(shí)間基本都集中6月，7月8月和9月的負(fù)荷率基本都在90 %以上，日最大冷負(fù)荷率在70 %-90 %的時(shí)間出現(xiàn)在6月中旬、7月中旬、8月中旬和9月，負(fù)荷率在50 %-70 %的時(shí)間主要在4月下旬，5月上旬和10月中上旬，基本無(wú)非空調(diào)季節(jié)。

從圖7中可以看到，模型大部分時(shí)間處于部分負(fù)荷的情況下，在全年范圍內(nèi)，負(fù)荷率不到10 %的時(shí)間最長(zhǎng)，有2151個(gè)小時(shí)，占全年24.6 %的時(shí)間，其次是20 %～30 %和30 %～40 %，時(shí)間基本上都在1130個(gè)小時(shí)左右，占全年13 %的時(shí)間。而負(fù)荷率在90 %～100 %的時(shí)間最短，只有100個(gè)小時(shí)，僅占全年的1 %。

圖7 模型全年冷負(fù)荷分布圖

4 結(jié)論與分析

本文全年用冷能耗模擬計(jì)算采用DeST軟件，通過(guò)氣象邊界的設(shè)定和負(fù)荷模擬計(jì)算的分析與總結(jié)，得出以下結(jié)論：

（1）從DeST對(duì)氣象邊界模擬分析可以看出，藥品陰涼庫(kù)全年制冷所需的負(fù)荷波動(dòng)較大，但藥品陰涼庫(kù)內(nèi)所需消耗的制冷能量變化與室外基礎(chǔ)溫度變化維持大約一致，由此可知庫(kù)內(nèi)所需消耗的制冷能量變化和室外基礎(chǔ)環(huán)境的變化存在某些密切聯(lián)系。藥品倉(cāng)庫(kù)庫(kù)內(nèi)所需消耗的制冷能量變化的特征在一定程度上決定了倉(cāng)庫(kù)的能量消耗特點(diǎn)，為了提高陰涼庫(kù)的節(jié)能效率和節(jié)碳量，有必要分析陰涼庫(kù)的的負(fù)荷特征變化。

（2）在大部分時(shí)間狀態(tài)下，空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行冷負(fù)荷小于全年負(fù)荷最大值的50 %，按以往工程設(shè)計(jì)中參照最大逐時(shí)負(fù)荷決策所需冷源設(shè)備的大小，實(shí)際運(yùn)營(yíng)所需的制冷負(fù)荷卻遠(yuǎn)小于參照的最大值，故合理決策用能設(shè)備大小有利于降低能源消耗，有利于降低碳排放量。

（3）通過(guò)對(duì)陰涼庫(kù)進(jìn)行模擬計(jì)算，具體模擬包括自然室溫、室外溫度、自然相對(duì)濕度以及全年逐日最大冷負(fù)荷分布和全年冷負(fù)荷分布圖進(jìn)行模擬，通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)藥品陰涼庫(kù)建筑物的負(fù)荷特征，為今后工程設(shè)計(jì)選擇空調(diào)制冷系統(tǒng)形式、制冷系統(tǒng)主機(jī)的制冷方案、以及節(jié)能系統(tǒng)節(jié)能點(diǎn)的分析提供參考依據(jù)。