办公建筑内部负荷扰量特性与计算方法

 　　摘要 随着建筑围护结构保温性能的逐步提高，以室内人员为代表的内部因素已成为影响建筑负荷的重要不确定性因素，内部负荷扰量(简称内扰)在空调负荷设计中的重要性需要被强调。通过对两栋办公建筑的实地测试，发现办公建筑中人员在室率普遍只有设计人数的40%～60%，设备实际功率也远低于20 W/m2的概算指标，过大的经验值是造成机组选型偏大的重要原因。重新思考标准中的人员密度系数和设备使用密度系数，以人为核心将建筑内扰负荷结合起来，提出“代表人”的内扰负荷计算方法，并对案例建筑的负荷设计进行了修正。相比最大实测冷负荷，修正后的设计冷负荷富余率均在10%以内，为空调系统的精细化设计和优化运行策略提供思路和参考。

　　关键词：办公建筑;负荷扰量;空调设计负荷;人行为

　　中图分类号：TU111.19 文献标志码：A 文献编号：

　　《北京建筑工程学院学报》是以基础理论、应用科学和工程技术为主的综合性学术刊物，主要反映国内外城市建设领域的重要科研成果，促进学术交流，发展科学技术，推动教学和科研工作的开展，为加速城市建设服务。

　　随着经济水平的不断提高和城镇化的不断发展，建筑能耗逐步成为全社会能耗的重要组成部分[1]。近年来，随着建筑设计标准不断提高，具有高性能围护结构的公共建筑日趋普遍。在办公建筑中，超低能耗建筑、被动式建筑逐步受到青睐。影响办公建筑能耗的因素主要有3个方面：外部因素、内部因素、供冷系统。其中，外部因素主要包括室外气象条件、围护结构、保温等[2]，内部因素包括人员、设备、照明、室内环境参数等，供冷系统相关量主要包括机组能耗、水泵能耗、流体系数等[3-4]。随着建筑围护结构保温性能的逐步提高，室外温度、太阳辐射等外部环境因素对建筑负荷的影响在逐步减弱，而以室内人员行为为代表的内部因素已成为影响建筑负荷和建筑能耗的最重要的不确定性因素[5]。随着人们对系统的运行调节和优化控制研究的深入，发现由于使用者生活习惯、生理、心理需要的差异，使得建筑内部因素变得更加复杂，更加难以测量、难以分析、难以预测[6]。

　　为了探讨建筑内部因素对建筑能耗和负荷的影响，研究人员开展了关于建筑人行为的研究。主要可以歸结为两个方面，一是为了提升建筑能耗和负荷模拟计算的准确性，精细化考虑内部因素的设置。Yan等[7]针对人行为在建筑能耗和负荷模拟计算的现状和问题进行了综述，提出了在模拟中考虑人行为的4个步骤，分别是获取数据、建立模型、人行为描写耦合和评价。Kwok等[8]采用人工神经网络，针对香港某办公建筑，建立了内部负荷的计算方法，指出精确计算内扰是提高机组选型准确性的关键。第2个方面是理解和优化建筑能源系统的运行，提出按需供给的思路[9-10]。例如，López-Rodrígue等[11]基于Time Use Survey数据，针对西班牙某居住建筑，研究典型人行为，并建立人员在室率的随机模型。Wang等[12]利用调查问卷等方式，获得人员、设备、照明等信息，建立负荷模型，预测天津某办公建筑的能耗情况。

　　以上两个方面均是在建筑投入运行的前提下进行研究，而忽略了建筑的人员、设备、照明等内部因素对空调负荷设计的影响。事实上，负荷设计是空调机组选型的依据，也是实现空调系统节能的前提，准确的负荷设计直接决定空调机组的选型和系统运行管理的有效性。目前，关于内部负荷的考虑还主要着眼于建筑冷负荷[13]，它是影响建筑夏季能耗的根源。目前的设计指标中，内扰是按照建筑类型来划分的[14]，但实际上，各建筑的使用情况是不尽相同的，由此带来的内扰负荷也不尽相同[15-16]，一概而论会导致普遍的机组选型过大的问题。同时，人行为是引起其他内扰的核心和主要原因[17]，但目前的内扰计算中，仍采用分别给定照明、设备的经验值，此种方式依据性不强，容易造成错误的结果。

　　为了分析内部负荷扰量特性和其对建筑空调负荷的影响，本文以案例建筑的实地调研测试数据为基础，对办公建筑内部负荷扰量特性进行初步探索，定量计算人员、设备、照明等室内热源散热形成的冷负荷的时序值，并提出以人为核心的“代表人”内部负荷扰量的概念和计算方法，旨在为冷负荷的精细化设计提供思路和参考。

　　1 内部负荷扰量理念

　　1.1 负荷扰量的划分

　　建筑室内热湿环境形成的最主要原因是各种外扰和内扰的影响，以围护结构为界将室外气象参数归为外部扰量(简称外扰)，将室内设备、照明、人员等热湿源归为内部扰量(简称内扰)。而开窗通风、开启遮阳等行为造成的室内热湿环境变化，受内外因素共同影响，但这些动作都是使用建筑的人造成的，因此，本文以建筑中的使用人为核心，界定影响建筑负荷的内部因素，不仅包括人员、设备、照明等，还包括由人员行为引起的开窗换气、遮阳等对建筑负荷产生扰动的行为，上述两方面统一定义为“内扰”。设计负荷分为3部分，一部分是通过围护结构传热和透过玻璃窗的日射得热形成的冷负荷，记为外扰负荷;一部分是室内热源散热形成的冷负荷，记为内扰负荷;另一部分是新风负荷，这部分负荷用于新风系统的设计，常与其他冷负荷分开考虑[18]，将其单独列为一部分。

　　室内热源散热在空调季形成的冷负荷是空调负荷设计中重点考虑的部分，在采暖季，室内散热同样会影响供暖负荷，带来室内温度偏高的情况，但由于室内热源散热属于有利于保证室内温度的因素，目前在设计计算时不做考虑。因此，研究仅以冷负荷计算中的相关项为研究对象，探讨内扰负荷的特点。

　　1.2 室内热源散热形成的冷负荷

　　2 案例建筑与测试

　　选择位于天津市的两栋办公建筑作为案例，进行针对空调负荷扰量因素的实地调研。其中，A建筑是超低能耗办公建筑示范项目，是某大型建设集团的投资发展公司，该建筑于2012年竣工，并申报天津市低能耗示范项目。B建筑为一栋普通办公建筑，于2010年建成，并于2012年完全投入使用。两栋建筑的基本信息如表1所示。

　　对选定的两栋办公建筑，分别在2015年7月(B建筑)和2016年8月(A建筑)进行为期1个月的测试。首先，获取了设计负荷计算书与施工的相关图纸。在走访和分析案例建筑的使用情况后发现，该建筑一层均为大厅和走廊，A建筑每层为一个开敞办公区，顶层为单人办公室，但基本不用。B建筑二层为休息区和会议室，顶层为设备用房，其他层主要为办公区。B建筑的南侧为几个开敞办公室，北侧为会议室、休息室、会客室等。测试中，选择典型层的典型房间，获取使用数据，A建筑选择3层的办公区，B建筑选择7层的3个开敞办公区中东侧的一个，两栋案例建筑的典型层平面示意图和典型房间的照片见图1和图2。

　　针对选定的典型房间，在办公室内测量了室内温度、CO2浓度，同时，现场记录了在室人数、使用办公设备数量和输入功率、使用灯具数量，同步测试建筑供冷机房内机组供冷量情况，测试步长为1 h。具体测试变量和所用仪器见表2。

　　虽然建筑的围护结构性能指标满足国家节能标准的要求[19]，甚至达到优秀水平，但是，这两栋建筑依然存在空调机组设计容量偏大的问题。A建筑共配置两台热泵机组，供冷的装机容量为210 kW/台，B建筑采用两台溴化锂直燃机组，供冷的装机容量分别为1 407、1 579 kW。A建筑的两台热泵机组，在设计负荷下为同时工作，而实际情况仅为单台运行，B建筑的两台机组同时运行。

《办公建筑内部负荷扰量特性与计算方法》

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