负荷计算
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摘要：负荷计算是空调工程设计的基础，它决定设备容量的选用，管网系统的规模以及工程总造价等，这是技术人员熟知的事实。但是近几年来用估算的方法替代了空调冷负荷计算，给制定方案、工程审核造成一定的困难。本文通过实例，重提“关于负荷计算问题”，借此引起设计者进一步的重视。
关键词：瞬变传热估算计算程序负荷计算
七十年代末空调工程负荷用瞬变传热计算代替了稳定传热计算，并且区分了得热和负荷的概念。八十年代出版的所有空调书籍，如空气调节工程、空气调节设计手册、暖通空调常用数据手册、高层建筑空调与节能等皆引用了动态负荷计算。动态负荷在围护结构方面的计算显得比较繁琐，即便是各种手册采用了一些简化手段，计算工作量也较大。计算软件的产生似乎解决了这一问题，但是应用上也不普遍，只有估算最简便，捷径行路，人之通性，慢慢地被它取而代之了。但是估算的根基并不坚实，偏于保守是不可避免的，总是顾虑怕估算的小了，这也是可以理解的。
1、第一个实例
图1是位于苏州地区旅馆建筑客房的标准层平面简图，层高3米，共十层，24墙两面抹灰，客房为单层塑钢玻璃窗，面积6m2，挂浅色窗帘，屋顶的传热系数为1.19w/m2℃。客房要求设计干球温度25℃，2人间，新鲜空气量为30m3/人时，室内平均用电量150w。走道与楼梯间、电梯间等公用部分，送冷风保持27℃，客房与走道的温差为2～3℃，可以忽略传热计算，因而客房的围护结构负荷只有外墙、外窗、屋顶等部分。从图1可看出，客房的围护结构的大小和朝向共有6种型式，并编号如下：1.南向，2.北向，3.西南向，4.西北向，5.东南向，6.东北向。对于顶层多了一个屋面，编号为1-顶～6-顶。
应用动态传热计算，其最大冷负荷与发生时刻列于表1。
表1客房编号冷负荷(w)发生时刻(时)客房单位面积负荷值(w/m2)
12064.31373.7
21890.91467.5
32468.51388.2
42451.21787.5
52734.21397.6
62585.41492.3
1-顶2813.014100.5
2-顶2743.81698.0
3-顶3421.316122.2
4-顶3430.817122.5
5-顶3507.514125.3
6-顶3457.516123.5
从计算结果可以看出动态计算的特点，西南向、西北向或者东南向、东北向的负荷差值不大，但发生时刻不同。这是因为动态计算是用加权或卷积的数学形式计算，计算任一时刻的传热必须包括其它时刻在该时刻的影响量，卷积而成。表1的数据是客房选择末端设备的根据，客房2和客房5-顶负荷相差1616.6w，理所当然地要选取不同容量的末端设备才合理。
关于选取制冷设备的容量，有两种方法：一是把整体客房建筑（底层是裙房不计）看成是一个孤立整体，用总的围护结构、总的客人数和总的用电量等计算；二是把表1计算值逐层进行叠加，再把走道东、西两侧和顶层走道屋面的围护结构的负荷算上即可。在计算机上计算的结果列于表2。
表2计算方法总负荷(w)发生时刻(时)客房单位面积负荷值(w/m2)
第一种方法650055.11362.7
第二种方法725581.570.0
从理论上讲第一种方法最正确，该楼的最大负荷发生在13时，由于13时并不是所有客房的最大负荷，自然要比第二种方法计算的数值小，但是应用第一种方法选取制冷设备的容量，空调系统应有良好的控制系统，在不同时刻应该能够进行能量的调剂，当然这方面的要求很高。用第二种方法作为选取制冷设备的容量，保守一点，但易于保证客房效果。从单位面积负荷值看，表2的数值比表1数值（除2号客户）都要小，这是由于表2在计算总建筑面积时包括了走道的面积，整体建筑的走道面积为1408m2，其围护结构的负荷量在计算机上显示只有43454.9w，走道的单位面积负荷值不足31w/m2的缘故引起。
但是在审核图纸时常看到这样的情况，同样面积和条件的空调房间的末端设备，不论朝向和围护结构如何，皆选用同一型号的末端设备，这个原因多数是由于用估算来进行负荷计算的结果。目前估算的方法有两种方式：一种是出版的各种书籍的推荐数据，对于客房一般的范围是80-110w/m2，与上述实例计算的表1相比较，可见对大部分客房适用，但对部分客房就不能满足，倘若对整体建筑的主机估算，按80w/m2计其主机容量要大出约14%，按110w/m2计主机容量要大出约57%；一种是各设计单位自行的作法，如将空调房间按150kcal/m2（174w/m2）估算，而整体建筑按其70%即109kcal/m2(122w/m2)估算，则整体建筑的制冷量将是122×1036.8×10=1264896w。
估算的本身带有很大的近似性，它与具体的建筑物的开间、进深、人数以及用电量等因素有关，既要满足设计条件的要求，又要达到能量合理的应用。根据长期设计的体会，作好负荷计算是一项基础性的工作，在50、60年代作设计没有负荷计算书是难以通过的，有了计算的基础，在此基础上再进行修正或完善能做到心里有数，拿上述实例来说，表1的计算是不可缺少的，至于选取制冷设备的总容量，若以表2的第二种方法计算取值，还应考虑到空调系统损耗的附加值（5%）和制冷机铭牌的附加值（10%-15%），后者是考虑到制冷机的铭牌制冷量是在特定条件下试验的数据以及长期使用后传热能力的衰减。将附加值计算在内的整体建筑单位面积负荷值应为70×1.05×1.15=84.5w/m2，选取制冷机的总容量应为84.5×1036.8×10=876096w，发生时刻在13点，这要比估算的数值1264896w少约1/3。对苏州市已建成的大型建筑空调系统运转情况的调查发现，安装的制冷主机容量的应用，多数在60～70%之间，不少闲搁的主机只能起到备用作用，但这是设计规范中所不允许的。近年来出现了一些重要或较大工程的业主要求设计者提供负荷计算资料，这是应该赞许和支持的。
2、第二个实例
用估算代替负荷计算偏于保守是常见的现象，但对一些特殊造型的建筑就很难说，图2是苏州市某单位的外资审批中心，建筑面积约为210m2，外形为六角形，围护结构全是深褐色的玻璃窗，层高约5m，内挂浅色窗帘，周围虽然有花卉草坪绿化，但起不到外遮阳作用。这是一个办公所在地，室内人数30人，新风按30m3/人时计，照明与办公设备平均用电约4200w，室内设计要求干球温度22℃相对湿度55-60%。设计者对这样的建筑进行估算就感到困难，查推荐资料办公室最大值为140w/m2，由于室内温度要求较低，又全是玻璃窗作围护结构，设计者想的第一个办法，将140w/m2作为围护结构的负荷，额外加上人员、新风、用电负荷。后三项，人体为30×133=3990w，新风为30×30×10=9000w，总计为3990+9000+4200=17190w，合单位面积负荷值17190/210=81.9w/m2。此值与140w/m2相加得221.9w/m2。但估算者仍感到不足。最后以300w/m2作为取值，计算出该建筑的冷负荷为300×210=63000w。
图2平面图(1：200)建筑面积210m2
对于这样一座特殊外形的建筑，用估算的方法是难以得到正确的答案，用动态传热的方法在计算机上计算，屋顶取第三类结构，传热系数为1.19w/m2℃，围护结构的负荷应为56242.2w，再加上人员、新风、用电负荷17190w，其总的冷负荷为73432.2w，发生时刻在14时，比估算的数值要大10432.2w，显然估算小了。
3、关于围护结构负荷的计算
建筑物的冷负荷计算包括围护结构负荷以及人体负荷、新风负荷、用电负荷等等，新风负荷即为瞬时冷负荷，而人体负荷和用电负荷应先求出得热而后转化为冷负荷，从得热转化为负荷主要是针对辐射得热，对于对流换热即可看成瞬时冷负荷。由于人体的表面温度较低，民用建筑的照明，办公设备等用电量不大，若将其得热近似地作为冷负荷，影响并不大，即可免除了得热转化为负荷的繁琐过程。只有围护结构的动态负荷计算不能忽视，它占总负荷的比重较大，民用建筑在2/3左右。要解决这个问题应该借助于计算机，虽然计算过程比较繁琐，但可以先就本地区下手，例如苏州地区墙体基本上是24墙加两面抹面，屋面的作法传热系数基本上控制在1.20w/m2℃左右，皆属于动态传热计算中的三类墙体。窗绝大多数是单层玻璃金属窗。简化了围护结构的类型工作量就减少了许多，但这只适用于苏州地区应用，地方设计院多数也是为本地区服务的。
围护结构动态负荷计算的内容大体如下：
对于墙体（包括屋面）
计算日逐时的空气温度→计算日不同朝向逐时的综合温度→计算或引进日逐时墙体的周期性加权系数→计算日不同朝向逐时墙体的冷负荷计算温度→计算日不同朝向逐时的冷负荷qwall。
对于外窗
计算日逐时空气温度向室内的传热qc→查出日不同朝向逐时透过玻璃窗的太阳辐射强度→计算或引进日逐时外窗的周期性加权系数→计算日逐时透过玻璃窗太阳辐射热形成的冷负荷qd和qf→计算日逐时通过外窗进入室内的冷负荷qwindow=qc+qd+qf。
对于内墙、楼板
计算日逐时空气温度加上附加值（负值或正值）向空调间的传热量qin-wall。由于当前的民用建筑皆为整体空调设计，内墙和楼板负荷可以忽略，或者按简单传热计算。
围护结构的日逐时负荷应为q（0：23）=qwall（0：23）+qwindow（0：23）+qin-wall然后再找出最大负荷及其发生时刻。
将以上内容在计算机上编成程序，其程序（苏州地区）如图3所示。框图中的符号分别为数据处理框和特殊处理框，每一个框内都要用上选择和循环等语句进行计算。
4、简单小结
用估算来进行负荷计算只是一个时期的一个过程，最后还是要走向正规化，有的工程人员一直坚持做负荷计算而不采用估算的方法是应该支持的。现在电脑应用达到十分广泛的程度，费一些时间对本地区的气象条件和计算手段编成程序，这是一劳永逸的事情。当然直接应用现成的"计算软件"更好，只是通用的"计算软件"适用于全国性，显得稍为麻烦一些，但应用得多了也就熟练了，关健在于认真地去用。程序计算出来的数值一般比估算的要小一些，不必担忧，负荷计算是一门科学，在计算的基础上进行某些调整也是情理之中的事，这样必然会使设计工作做得踏实，有把握和有说服力。写成本文的目的也在于此，并与同仁们共勉之。
参考资料
［1］暖通空调常用数据手册（第二版）建筑工程常用数据系列手册编写组中国建筑工业出版社2002.2
［2］空气调节设计手册中国电子工程设计院编中国建筑工业出版社1983.5
［3］高层建筑空调与节能钱以明编著同济大学出版社1990.2
［4］空调工程负荷计算与程序汇编金显明编著天津大学出版社1986.3
