2021年高級經濟師《建筑與房地產經濟》論文:辦公建筑內部負荷擾量特性與計算方法
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關鍵詞：辦公建筑;負荷擾量;空調設計負荷;人行為
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隨著經濟水平的不斷提高和城鎮化的不斷發展，建筑能耗逐步成為全社會能耗的重要組成部分。近年來，隨著建筑設計標準不斷提高，具有高性能圍護結構的公共建筑日趨普遍。在辦公建筑中，超低能耗建筑、被動式建筑逐步受到青睞。影響辦公建筑能耗的因素主要有3個方面：外部因素、內部因素、供冷系統。其中，外部因素主要包括室外氣象條件、圍護結構、保溫等[2]，內部因素包括人員、設備、照明、室內環境參數等，供冷系統相關量主要包括機組能耗、水泵能耗、流體系數等。隨著建筑圍護結構保溫性能的逐步提高，室外溫度、太陽輻射等外部環境因素對建筑負荷的影響在逐步減弱，而以室內人員行為為代表的內部因素已成為影響建筑負荷和建筑能耗的最重要的不確定性因素。隨著人們對系統的運行調節和優化控制研究的深入，發現由于使用者生活習慣、生理、心理需要的差異，使得建筑內部因素變得更加復雜，更加難以測量、難以分析、難以預測[6]。
為了探討建筑內部因素對建筑能耗和負荷的影響，研究人員開展了關于建筑人行為的研究。主要可以總結為兩個方面，一是為了提升建筑能耗和負荷模擬計算的準確性，精細化考慮內部因素的設置。Yan等針對人行為在建筑能耗和負荷模擬計算的現狀和問題進行了綜述，提出了在模擬中考慮人行為的4個步驟，分別是獲取數據、建立模型、人行為描寫耦合和評價。Kwok等采用人工神經網絡，針對香港某辦公建筑，建立了內部負荷的計算方法，指出精確計算內擾是提高機組選型準確性的關鍵。第2個方面是理解和優化建筑能源系統的運行，提出按需供給的思路。例如，López-Rodrígue等基于Time Use Survey數據，針對西班牙某居住建筑，研究典型人行為，并建立人員在室率的隨機模型。Wang等利用調查問卷等方式，獲得人員、設備、照明等信息，建立負荷模型，預測天津某辦公建筑的能耗情況。
以上兩個方面均是在建筑投入運行的前提下進行研究，而忽略了建筑的人員、設備、照明等內部因素對空調負荷設計的影響。事實上，負荷設計是空調機組選型的依據，也是實現空調系統節能的前提，準確的負荷設計直接決定空調機組的選型和系統運行管理的有效性。目前，關于內部負荷的考慮還主要著眼于建筑冷負荷，它是影響建筑夏季能耗的根源。目前的設計指標中，內擾是按照建筑類型來劃分的，但實際上，各建筑的使用情況是不盡相同的，由此帶來的內擾負荷也不盡相同，一概而論會導致普遍的機組選型過大的問題。同時，人行為是引起其他內擾的核心和主要原因，但目前的內擾計算中，仍采用分別給定照明、設備的經驗值，此種方式依據性不強，容易造成錯誤的結果。
為了分析內部負荷擾量特性和其對建筑空調負荷的影響，本文以案例建筑的實地調研測試數據為基礎，對辦公建筑內部負荷擾量特性進行初步探索，定量計算人員、設備、照明等室內熱源散熱形成的冷負荷的時序值，并提出以人為核心的“代表人”內部負荷擾量的概念和計算方法，旨在為冷負荷的精細化設計提供思路和參考。
一、內部負荷擾量理念
1、負荷擾量的劃分
建筑室內熱濕環境形成的最主要原因是各種外擾和內擾的影響，以圍護結構為界將室外氣象參數歸為外部擾量(簡稱外擾)，將室內設備、照明、人員等熱濕源歸為內部擾量(簡稱內擾)。而開窗通風、開啟遮陽等行為造成的室內熱濕環境變化，受內外因素共同影響，但這些動作都是使用建筑的人造成的，因此，本文以建筑中的使用人為核心，界定影響建筑負荷的內部因素，不僅包括人員、設備、照明等，還包括由人員行為引起的開窗換氣、遮陽等對建筑負荷產生擾動的行為，上述兩方面統一定義為“內擾”。設計負荷分為3部分，一部分是通過圍護結構傳熱和透過玻璃窗的日射得熱形成的冷負荷，記為外擾負荷;一部分是室內熱源散熱形成的冷負荷，記為內擾負荷;另一部分是新風負荷，這部分負荷用于新風系統的設計，常與其他冷負荷分開考慮，將其單獨列為一部分。
室內熱源散熱在空調季形成的冷負荷是空調負荷設計中重點考慮的部分，在采暖季，室內散熱同樣會影響供暖負荷，帶來室內溫度偏高的情況，但由于室內熱源散熱屬于有利于保證室內溫度的因素，目前在設計計算時不做考慮。因此，研究僅以冷負荷計算中的相關項為研究對象，探討內擾負荷的特點。
2、室內熱源散熱形成的冷負荷
二、案例建筑與測試
選擇位于天津市的兩棟辦公建筑作為案例，進行針對空調負荷擾量因素的實地調研。其中，A建筑是超低能耗辦公建筑示范項目，是某大型建設集團的投資發展公司，該建筑于2012年竣工，并申報天津市低能耗示范項目。B建筑為一棟普通辦公建筑，于2010年建成，并于2012年完全投入使用。兩棟建筑的基本信息如表1所示。
對選定的兩棟辦公建筑，分別在2015年7月(B建筑)和2016年8月(A建筑)進行為期1個月的測試。首先，獲取了設計負荷計算書與施工的相關圖紙。在走訪和分析案例建筑的使用情況后發現，該建筑一層均為大廳和走廊，A建筑每層為一個開敞辦公區，頂層為單人辦公室，但基本不用。B建筑二層為休息區和會議室，頂層為設備用房，其他層主要為辦公區。B建筑的南側為幾個開敞辦公室，北側為會議室、休息室、會客室等。測試中，選擇典型層的典型房間，獲取使用數據，A建筑選擇3層的辦公區，B建筑選擇7層的3個開敞辦公區中東側的一個，兩棟案例建筑的典型層平面示意圖和典型房間的照片見圖1和圖2。
針對選定的典型房間，在辦公室內測量了室內溫度、CO2濃度，同時，現場記錄了在室人數、使用辦公設備數量和輸入功率、使用燈具數量，同步測試建筑供冷機房內機組供冷量情況，測試步長為1 h。具體測試變量和所用儀器見表2。
雖然建筑的圍護結構性能指標滿足國家節能標準的要求，甚至達到優秀水平，但是，這兩棟建筑依然存在空調機組設計容量偏大的問題。A建筑共配置兩臺熱泵機組，供冷的裝機容量為210 kW/臺，B建筑采用兩臺溴化鋰直燃機組，供冷的裝機容量分別為1 407、1 579 kW。A建筑的兩臺熱泵機組，在設計負荷下為同時工作，而實際情況僅為單臺運行，B建筑的兩臺機組同時運行。
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