祝健，丁宇，劉曉平，周沛 （合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230000）

0 引言

由中國(guó)制冷學(xué)會(huì)、美國(guó)ASHARE（供熱、通風(fēng)空調(diào)學(xué)會(huì)）、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部高等學(xué)校建筑環(huán)境與設(shè)備工程專(zhuān)業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)共同主辦的“CAR-ASHARE學(xué)生設(shè)計(jì)競(jìng)賽”，是本專(zhuān)業(yè)最重要的且最具權(quán)威的全國(guó)性學(xué)科競(jìng)賽。競(jìng)賽要求參與競(jìng)賽的隊(duì)伍根據(jù)組委會(huì)發(fā)布的題目在有限的時(shí)間內(nèi)按規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)提交參賽作品。作為大賽一名的參與者，本文就以第十二屆（2020年）競(jìng)賽的7個(gè)參賽組的負(fù)荷設(shè)計(jì)成果進(jìn)行分析，探究負(fù)荷計(jì)算產(chǎn)生差異的原因。

1 工程概況與相關(guān)計(jì)算參數(shù)

1.1 工程概論

本次大賽設(shè)計(jì)的建筑位于西南大學(xué)校園，建筑北面為西南大學(xué)大禮堂，東面及南面為學(xué)校運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，西面為自然山體，地勢(shì)西高東低，高差近13m，呈山地地形。建筑結(jié)構(gòu)類(lèi)型為框架6層，其中地下1層，地上5層，建筑高度23.4m，總建筑面積為28894m2，建筑占地面積6452.8m2，由校史館、美術(shù)館、檔案館、自然館、文物館、植物館等專(zhuān)業(yè)儲(chǔ)藏和展覽空間等相關(guān)設(shè)施組成，相關(guān)的建筑基本信息見(jiàn)表1。

建筑基本信息 表1

1.2 設(shè)計(jì)條件

空調(diào)設(shè)計(jì)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-1015）夏熱冬冷地區(qū)限值要求。

2 負(fù)荷計(jì)算結(jié)果分析

2.1 各小組的計(jì)算結(jié)果

本次主要對(duì)參與大賽的七個(gè)小組進(jìn)行負(fù)荷統(tǒng)計(jì)及分析，小組編號(hào)分別為A1～A7，共七組。表2為各個(gè)小組的空調(diào)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果。

各小組的負(fù)荷計(jì)算結(jié)果 表2

由表2可以看出，七個(gè)小組的總冷熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果均不相同，并且部分小組之間結(jié)果存在著明顯差異。全年最大冷負(fù)荷為2994.1kW，由A2組采用DeST軟件計(jì)算得出，最小冷負(fù)荷是A7組用天正暖通計(jì)算得出的1292.9kW，其最大冷負(fù)荷是最小冷負(fù)荷的2.3倍；最大熱負(fù)荷是由A5組采用EnergyPlus模擬得出的1518.8kW，是最小熱負(fù)荷521.6kW（A2組DeST模擬得出）的2.9倍。此外，表中發(fā)現(xiàn)對(duì)同一建筑采用同種軟件進(jìn)行模擬所產(chǎn)生的結(jié)果也具有很大的差異，如A2、A3和A7都采用DeST對(duì)該建筑進(jìn)行模擬，但模擬出的最大冷負(fù)荷分別為2994.1kW、1983.6kW以及1307.3kW，結(jié)果存在著顯著的差異，采用鴻業(yè)計(jì)算負(fù)荷的A2、A3、A4、A5組，計(jì)算得出的最大冷負(fù)荷偏差不是很大。

2.2 各小組分項(xiàng)負(fù)荷的計(jì)算結(jié)果

下面對(duì)各個(gè)小組的分項(xiàng)冷熱負(fù)荷進(jìn)行匯總分析。分項(xiàng)冷熱負(fù)荷主要是由圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷、燈光照明散熱負(fù)荷、設(shè)備散熱負(fù)荷、人員散熱負(fù)荷以及新風(fēng)負(fù)荷組成，由于各個(gè)小組設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)以及計(jì)算書(shū)中大部分未對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷、燈光照明散熱負(fù)荷、設(shè)備散熱負(fù)荷以及人員散熱負(fù)荷進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)，因此將著重從新風(fēng)負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)于各個(gè)小組的設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)以及計(jì)算書(shū)中存在的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在說(shuō)明書(shū)以及計(jì)算書(shū)中未給出的結(jié)果，這類(lèi)情況在表中以“—”表示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3、表4所示。

夏季各小組新風(fēng)冷負(fù)荷 表3

冬季各小組新風(fēng)熱負(fù)荷 表4

分析表3、表4的各小組新風(fēng)冷熱負(fù)荷統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

①各小組的新風(fēng)冷熱負(fù)荷大小不同。表3中最大新風(fēng)冷負(fù)荷為A6組的1058.3 kW，最小新風(fēng)冷負(fù)荷是A7組的288.3kW，其最大新風(fēng)冷負(fù)荷是最小新風(fēng)冷負(fù)荷的3.7倍，兩組差異顯著。而新風(fēng)熱負(fù)荷最大值（625.1kW，A1組）是最小新風(fēng)熱負(fù)荷（265.8kW，A7組）的2.35倍。

②新風(fēng)冷熱負(fù)荷占總負(fù)荷較高。最高A2組夏季新風(fēng)冷負(fù)荷占總冷負(fù)荷的比例為50%，最小A7組夏季新風(fēng)冷負(fù)荷比為21.41%。A1、A2、A4組的新風(fēng)熱負(fù)荷占總熱負(fù)荷的比例均大于50%，最小A3組冬季新風(fēng)負(fù)荷比為43%。對(duì)本項(xiàng)目采取適當(dāng)措施減少新風(fēng)負(fù)荷，是實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的重要途徑。

3 負(fù)荷計(jì)算結(jié)果差異原因分析

3.1 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)選取的不同

室內(nèi)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)的選取主要包括房間內(nèi)冬夏季的設(shè)計(jì)溫度、相對(duì)濕度、人員密度、照明功率密度、新風(fēng)量等參數(shù)。由于該建筑房間類(lèi)型、功能繁多復(fù)雜，著重選取一些主要功能房間進(jìn)行比較分析。表5列出了從A1組到A7組的主要功能房間的室內(nèi)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)的取值。以校史館為例，A1、A4、A5、A7小組均取26℃為夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，僅A6組取24℃。在冬季時(shí)，A4組取18℃作為冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，A3小組取24℃，其他各組取20℃；另外，各小組在校史館的人員密度與新風(fēng)量的選取也相差很大，A5組的新風(fēng)量為30m3/h人，而A7小組僅有15m3/h人，其他小組取值相近均在20m3/h左右。檔案館為儲(chǔ)存檔案的區(qū)域，人員密度較少，因此A3和A6小組均指定檔案館區(qū)域?yàn)?人，但A7組的人員密度較大，有0.17人/m2，因此必然導(dǎo)致最終計(jì)算的負(fù)荷結(jié)果產(chǎn)生較大的差異。由于是對(duì)同一地點(diǎn)同一建筑進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，因此各小組所選取的室外設(shè)計(jì)參數(shù)均相同（表中數(shù)據(jù)均來(lái)自各參賽小組的設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)以及計(jì)算書(shū)，設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)以及計(jì)算書(shū)中未查找到的內(nèi)容均用“——”表示）。

由表3知A1組和A7組均采用了斯維爾軟件進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算分析，結(jié)果卻差異明顯。A1組全年總冷負(fù)荷達(dá)到2072.2 kW，是A7組的1.54倍，全年總熱負(fù)荷A1組是A7組的1.6倍。由于采用同一軟件進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，故排除了由于負(fù)荷軟件差異所引起的結(jié)果不同。因此房間室內(nèi)參數(shù)取值成為了兩組計(jì)算負(fù)荷差異的關(guān)鍵。以展覽館為例，兩組主要區(qū)別之處在于冬季室內(nèi)溫度的設(shè)定以及人員密度及最小新風(fēng)量。根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50736-2012），室內(nèi)溫度設(shè)計(jì)范圍為18～24℃[1]，A1組取20℃，A7小組則取下限值18℃作為設(shè)計(jì)參數(shù)。據(jù)研究表明，冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度取值每降低1℃，最大單位面積熱負(fù)荷會(huì)降低7%～10%[2]。A1組與A7組的展覽館室內(nèi)熱負(fù)荷相差39.8kW，超過(guò)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度相差2℃所產(chǎn)生的影響，故繼續(xù)分析是除了室內(nèi)溫度設(shè)計(jì)參數(shù)的差異外，其他室內(nèi)參數(shù)取值的影響。經(jīng)過(guò)查看A1小組與A7小組的最小新風(fēng)量的取值分別為20m3/h人和15m3/h人，由此得到新風(fēng)量的取值大小對(duì)空調(diào)總負(fù)荷的影響很大，新風(fēng)量每增加5%，總負(fù)荷將加大10%～14%左右。綜上，對(duì)于人員密度較小、偶爾停留的場(chǎng)所，室內(nèi)溫度設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)當(dāng)盡量選取滿足人體熱舒適指標(biāo)的最低值，能夠有效的降低冬季熱負(fù)荷，降低空調(diào)能耗，最小新風(fēng)量可以適當(dāng)?shù)臏p少，但不應(yīng)低于《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50736-2012）規(guī)定的最小值。

3.2 負(fù)荷計(jì)算軟件選取不同

目前全世界計(jì)算建筑負(fù)荷與能耗的軟件已經(jīng)超過(guò)了100種，如美國(guó)的Ener?gyPlus、BLAST、英國(guó)的 ESP-r、以及中國(guó)的DeST、PKPM、華電源、斯維爾等。天正暖通負(fù)荷計(jì)算軟件或鴻業(yè)負(fù)荷計(jì)算軟件，因其擁有簡(jiǎn)單的工作界面，易于操作，工程設(shè)計(jì)人員可以快速完成負(fù)荷計(jì)算，但隨著精細(xì)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化運(yùn)維的要求，建筑全年空調(diào)動(dòng)態(tài)負(fù)荷模擬已經(jīng)不可或缺。為在軟件操作過(guò)程中準(zhǔn)確的輸入設(shè)置參數(shù)，使用者應(yīng)對(duì)不同軟件的工作機(jī)理有所了解與掌握，如天正暖通負(fù)荷計(jì)算軟件采用冷負(fù)荷系數(shù)法，鴻業(yè)計(jì)算軟件采用諧波反應(yīng)法，斯維爾BECH則采用圖形輸入的思想，可自動(dòng)提取AutoCAD工作圖中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，建立建筑的熱工計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)可視化計(jì)算，而DeST則采用狀態(tài)空間法計(jì)算不透明圍護(hù)傳熱，一次性的求解房間的傳熱特征系數(shù)，同時(shí)采用多房間聯(lián)立求解的方法，計(jì)算出各房間的溫度或投入的冷熱量,EnergyPlus則采用熱平衡法，將房間熱平衡分為圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱平衡和空氣熱平衡兩部分，在求解不透明圍護(hù)傳熱時(shí)，EnergyPlus則采用 CTF（Conduc?tion Transfer Function)或有限差分法[3]。即使計(jì)算方法相同的各軟件，對(duì)負(fù)荷計(jì)算各個(gè)環(huán)節(jié)的處理與簡(jiǎn)化程度也有不同，其中DeST和EnergyPlus在計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的對(duì)流換熱和長(zhǎng)波輻射換熱時(shí)，DeST采用固定的對(duì)流換熱系數(shù)，而EnergyPlus中的對(duì)流換熱系數(shù)則隨時(shí)間步長(zhǎng)發(fā)生變化。其次，DeST和En?ergyPlus中表面對(duì)流換熱系數(shù)分別采用缺省設(shè)置，導(dǎo)致輸入的參數(shù)不一致，并且在長(zhǎng)波輻射換熱、照射到圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、室內(nèi)太陽(yáng)輻射分配、窗戶模型等方面的簡(jiǎn)化處理也存在著差異[4]。鴻業(yè)負(fù)荷計(jì)算軟件忽略了不同的建筑形式以及不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能下的長(zhǎng)波輻射換熱的差異，對(duì)室內(nèi)長(zhǎng)波輻射取定值進(jìn)行計(jì)算。因此對(duì)于相同的建筑，在進(jìn)行全年負(fù)荷模擬計(jì)算時(shí)，負(fù)荷計(jì)算軟件選取的不同以及人工輸入?yún)?shù)的差異，由此產(chǎn)生的負(fù)荷計(jì)算差異可能是明顯的。相較于EnergyPlus，其余軟件在國(guó)內(nèi)對(duì)工程設(shè)計(jì)均具有一定的便捷性，而EnergyPlus在學(xué)術(shù)研究上的應(yīng)用更易于被國(guó)際認(rèn)可[5]。

4 結(jié)論

綜上所述，在對(duì)參與CARASHARE大賽的參賽小組的負(fù)荷統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析來(lái)看，產(chǎn)生負(fù)荷計(jì)算結(jié)果差異的原因是多樣的。

①在對(duì)建筑進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算時(shí)，室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)以及人為數(shù)據(jù)處理的差異是造成建筑負(fù)荷結(jié)果不同的原因之一，但僅僅是次要原因，室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)的不同會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷計(jì)算結(jié)果不同，但這樣的原因是可以人為控制的。當(dāng)嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，負(fù)荷計(jì)算結(jié)果的差異不復(fù)存在。其次，人為數(shù)據(jù)處理的問(wèn)題是人的主觀性問(wèn)題，可以在計(jì)算過(guò)程中避免。

②當(dāng)控制所有設(shè)計(jì)參數(shù)、氣象參數(shù)以及空調(diào)房間的設(shè)計(jì)面積均相同時(shí)，采用不同的負(fù)荷計(jì)算軟件對(duì)同一個(gè)建筑進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，由于各軟件的計(jì)算方法不同，所產(chǎn)生的結(jié)果也不相同，甚至差異性很大。這是對(duì)同一地點(diǎn)、同一建筑進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算產(chǎn)生結(jié)果差異的主要原因，是客觀的，也是人為不可更改的。所謂的不同軟件在特定情況下的適應(yīng)性則指部分軟件擅長(zhǎng)建筑負(fù)荷的計(jì)算，部分軟件則以建筑能耗模擬為長(zhǎng)，即不同的模擬軟件分別具有在不同操作條件下的優(yōu)勢(shì)，也分別對(duì)環(huán)境模擬的狀態(tài)表達(dá)著不同的方法。

5 建議

正確理解和采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是對(duì)工程進(jìn)行設(shè)計(jì)的最基本要求。應(yīng)精準(zhǔn)理解各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的總則條款，注重其適用范圍，了解各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范間的關(guān)系及方法，了解不同標(biāo)準(zhǔn)的意義與作用，仔細(xì)分析進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算的建筑類(lèi)型，根據(jù)建筑類(lèi)型進(jìn)行相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的引用。其次，應(yīng)認(rèn)識(shí)到設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)的取值對(duì)于計(jì)算建筑物負(fù)荷的重要性。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)規(guī)范中大多給定的是設(shè)計(jì)參數(shù)的取值范圍，對(duì)于不同的小組，取上限和取下限或者取中間值所計(jì)算出來(lái)的結(jié)果必然會(huì)有差異，但結(jié)果仍然是正確的，但每個(gè)工程都存在著不同的環(huán)境以及不同的約束條件，應(yīng)根據(jù)不同的情況進(jìn)行分析論證確定取值[10]。

要始終清楚對(duì)建筑進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算的目的，是為了更好的選擇一個(gè)盡量小但能夠滿足建筑所需的設(shè)備，負(fù)荷計(jì)算偏小或過(guò)大，都是不容許的。因此建議各軟件最好能夠以規(guī)范的形式給出各軟件用的計(jì)算方法以及使用中明確要求用戶輸入或者允許用戶修改的數(shù)據(jù)、系數(shù)，讓各軟件的計(jì)算過(guò)程更加透明化。這樣，設(shè)計(jì)者在用不同的軟件對(duì)同一建筑進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算時(shí)，負(fù)荷計(jì)算結(jié)果的差異也將有跡可循。