国家大剧院复杂高大空间空调负荷计算分析

国家大剧院复杂高大空间 空调负荷计算 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 北京市建筑设计研究院 � 李永振� 摘要 � 分别采用冷负荷系数法和动态模拟软件对国家大剧院公共区域的复杂高大空间的 逐时空调负荷进行了计算,并对计算结果进行了比较和分析。 关键词 � 复杂高大空间 � 空调负荷 � 冷负荷系数法 � 动态模拟 Calculation and analysis of air conditioning load of the complex large space in the National Centre for the Performing Arts By Li Yongzhen� Abstract � C alcula tes t he hour ly air conditioning lo ad o f the com plex lar ge space � the genera l hall in the National G rand Theate r � w ith the coo ling load f acto r m ethod and dynamic simulation to o lkit, and com� par es and ana ly ses the ca lculat ion r esults. Keywords� complex lar ge space, air conditioning load, co o ling lo ad fa ctor method, dynam ic simulation � Beijing Ins titute of Architectural Design, Beijing, China � 1 � 工程特点及 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 背景 国家大剧院是我国标志性的文化建筑之一,有 非常重要的地位,建筑的平、剖面图分别如图 1、图 2所示。建筑总高 46. 3 m, 总体外观为一半椭圆 球形壳体, 壳体中包含 3个独立的建筑物, 分别为 戏剧场、歌剧院和音乐厅,壳体下部及 3 个建筑实 体各层的外围公共区域组成 1个高大公共空间(类 似中庭)。 图 1 � 国家大剧院 1层平面图 国家大剧院是一座功能特殊、空间结构复杂、 有着重要地位的建筑,由于其公共大厅具有: 1) 在 戏剧院、歌剧院和音乐厅各层外围均有敞开式公共 图 2 � 国家大剧院剖面图 活动平台或环廊, 需要空调维持舒适度, 这些区域 与中庭上方不保证空调的区域之间的通风换气对 空调负荷有着复杂的影响; 2) 建筑的整体外形为 椭圆球形, 壳体中的温度分布和气流组织非常复 杂, 用常规的空调计算 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 难以准确分析计算; 3) 建筑的地下部分与地上公共大厅有较大区域的连 通等特点。因此,深化设计中如仅采用常规冷负荷 系数法计算空调负荷,则难以保证结果的准确。笔 者与清华大学学者一起利用建筑热环境模拟分析 软件 DeST �( Designer�s Simulat ion Toolkit 2. 0) �131�� � � � � � � 暖通空调HV&AC � 2008年第 38卷第 9期 � 计算机模拟应用 � � 李永振,男, 1969 年 2月生, 大学,学士,高级工程师, 3M3工 作室总工程师 100045 北京市南礼士路 62号北京市建筑设计研究院 3M3 工作室 ( 010) 88042746 E�mail: aaron_li@ yeah. n et 收稿日期: 2008�06�23 对该公共大厅进行了全年逐时空调负荷计算,并与 冷负荷系数法计算结果进行了比较验证。 2 � 冷负荷系数法 2. 1 � 划分空调区域 根据建筑功能以及空调系统布置的需要,把壳 体下部的公共空间划分为若干层和若干区域,如图 3所示;把戏剧院、歌剧院及音乐厅的内部单独划 分为 3个区域(另设空调系统) ,并定义其与公共空 间无热质交换。公共空间内有人停留区域为空调 区域,其余为非空调区域,不计算其负荷。 图 3 � 模型示意图 2. 2 � 简化围护结构外形 为方便计算,将大剧院半椭圆球形外壳简化为 含 9面外墙或屋面(含玻璃部分)的规则多面体,总 面积基本不变。 2. 3 � 设定计算参数 1) 室内设计参数:夏季 t= 26 � , �= 60% ; 冬 季 t= 20 � 。 2) 主要围护结构热工性能参数见 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1。 表 1 � 主要围护结构热工性能参数 L1层外墙 钛合金壳体 水平部分 钛合金壳体 竖直部分 玻璃壳体 水平部分 玻璃壳体 竖直部分 热阻/ ( m2 � � / W ) 0. 31 1. 7 1. 66 0. 22 0. 23 玻璃综合遮阳系数 0. 6 0. 6 � � 3) 室内热源参数: 人员密度为 0. 35人/ m2 ; 每 人产热量为 181 W,其中显热为 53 W, 潜热为 128 W;人体产湿量按 0. 184 kg / (人 � h)计;灯光负荷 为 20 W/ m2。 2. 4 � 编制 Excel电算表格 冷负荷系数法是人工计算房间冷负荷的常用 方法,计算过程简洁、清晰, 容易掌握,可以根据各 项室内外得热量计算房间逐时冷负荷。为避免纯 粹手工计算费时费力,且易出错, 笔者编制了 Ex� cel电算表格,并根据工程实际对计算过程作了适 当简化。 用电算表计算具有计算过程简洁、清晰,容易 掌握,便于修改和审查的优点。计算时只需输入房 间设计温度, 各朝向围护结构的类型、面积、传热系 数等已知参数即可, 其余参数如内外遮阳系数、表 面传热系数等均为默认值,默认值可根据工程实际 修改。目前该电算表已经适用于全国不同纬度地 区。 各主要空调区域的冷负荷计算结果见表 2。 3 � 动态模拟法 3. 1 � 计算工具 采用的 DeST �动态模拟计算软件以清华大 学江亿教授提出的状态空间法为模拟算法,采用典 型年的室外气象条件来模拟分析建筑热环境。它 �132� 计算机模拟应用 � 暖通空调HV&AC � 2008年第 38卷第 9期 � � � � � � � 表 2 � 各区域最大冷负荷(不含新风负荷)统计表 楼层 房间 面积/ 人数/ 散湿量/ 室温/ 日期 时刻 DeST �计算结果 冷负荷系数法计算结果 m 2 人 ( kg / h) � 人员灯光 负荷/ kW 围护结构 负荷/ kW 总负荷/ kW 热指标/ ( W/ m2 ) 人员灯光 负荷/ kW 围护结构 负荷/ kW 总负荷/ kW 热指标/ ( W/ m2 ) L1层 EN1 L1 650 260 48 26 7月 10日 14: 00 - 18 - 53 - 71 - 109 - 35 - 96 - 131 - 202 EN2 L1 650 260 48 26 7月 10日 14: 00 - 18 - 53 - 70 - 108 - 35 - 96 - 131 - 202 ES1 L 1 450 180 33 26 7月 10日 14: 00 - 13 - 45 - 58 - 128 - 28 - 77 - 105 - 233 ES2 L 1 450 180 33 26 7月 10日 14: 00 - 13 - 46 - 59 - 130 - 28 - 77 - 105 - 233 TS1 L 1 600 180 33 26 7 月9 日 17: 00 - 23 - 24 - 47 - 79 - 45 - 6 - 51 - 85 CS1 L 1 790 237 44 26 7 月9 日 17: 00 - 18 - 18 - 36 - 46 - 58 - 6 - 64 - 81 GF 层 GN1 GF 1 900 570 105 26 7月 10日 14: 00 - 49 - 142 - 191 - 101 - 141 - 96 - 237 - 125 GN2 GF 1 900 570 105 26 7月 10日 14: 00 - 49 - 142 - 191 - 100 - 141 - 96 - 237 - 125 GS1 GF 1 500 450 83 26 7月 10日 14: 00 - 45 - 131 - 176 - 117 - 112 - 67 - 179 - 119 GS2 GF 1 500 450 83 26 7月 10日 14: 00 - 47 - 126 - 173 - 116 - 112 - 67 - 179 - 119 TN1 GF 330 99 18 26 7月 10日 14: 00 - 12 - 33 - 45 - 136 - 25 - 3 - 28 - 85 T S1 GF 640 192 35 26 7月 10日 14: 00 - 20 - 59 - 79 - 123 - 47 - 5 - 52 - 81 ON1 GF 460 138 25 26 7月 10日 14: 00 - 10 - 30 - 40 - 88 - 34 0 - 34 - 74 OW1 GF 260 78 14 26 7月 10日 14: 00 - 6 - 16 - 23 - 87 - 19 0 - 19 - 73 OE1 GF 260 78 14 26 7月 10日 14: 00 - 6 - 17 - 23 - 88 - 19 0 - 19 - 73 CS1 GF 500 150 28 26 7月 10日 14: 00 - 14 - 40 - 53 - 107 - 37 - 2 - 39 - 78 CE2 GF 80 24 4 26 7月 10日 14: 00 - 7 - 13 - 20 - 252 - 6 - 2 - 8 - 100 CE1 GF 100 30 6 26 7月 10日 14: 00 - 5 - 15 - 21 - 205 - 8 - 2 - 10 - 100 F1层 TN1 F1 400 120 22 26 7月 10日 14: 00 - 17 - 20 - 37 - 91 - 30 - 2 - 32 - 80 T S1 F 1 640 192 35 26 7月 10日 14: 00 - 26 - 45 - 71 - 111 - 48 - 6 - 54 - 84 ON1 F1 460 138 25 26 7月 10日 14: 00 - 15 - 26 - 42 - 90 - 34 0 - 34 - 74 OW1 F1 260 78 14 26 7月 10日 14: 00 - 17 - 26 - 43 - 164 - 19 0 - 19 - 73 OE1 F1 260 78 14 26 7月 10日 14: 00 - 17 - 26 - 42 - 163 - 19 0 - 19 - 73 CN1 F1 440 132 24 26 7月 10日 14: 00 - 18 - 24 - 42 - 96 - 32 - 3 - 35 - 80 CS1 F1 420 126 23 26 7月 10日 14: 00 - 21 - 35 - 56 - 133 - 31 - 2 - 33 - 79 CE1 F1 100 30 6 26 7月 10日 14: 00 - 9 - 9 - 17 - 174 - 8 - 2 - 10 - 100 CE2 F1 80 24 4 26 7月 10日 14: 00 - 6 - 5 - 11 - 135 - 6 - 2 - 8 - 100 F2层 TN1 F2 150 45 8 26 7月 10日 14: 00 - 8 - 10 - 18 - 119 - 11 0 - 11 - 73 T S1 F 2 400 120 22 26 7月 10日 14: 00 - 11 - 31 - 42 - 105 - 30 - 2 - 32 - 80 ON1 F2 460 138 25 26 7月 10日 14: 00 - 12 - 27 - 39 - 85 - 34 0 - 34 - 74 OW1 F2 260 78 14 26 7月 10日 14: 00 - 11 - 16 - 27 - 106 - 19 0 - 19 - 73 OE1 F2 260 78 14 26 7月 10日 14: 00 - 12 - 17 - 29 - 111 - 19 0 - 19 - 73 CS1 F2 400 120 22 26 7月 10日 14: 00 - 18 - 29 - 47 - 117 - 30 - 2 - 32 - 80 F3层 TN1 F3 120 36 7 26 7月 10日 14: 00 - 6 - 7 - 14 - 114 - 9 - 4 - 13 - 109 T S1 F 3 650 195 36 26 7月 10日 14: 00 - 24 - 41 - 65 - 100 - 61 - 12 - 73 - 112 TE1 F3 150 45 8 26 7月 10日 14: 00 - 10 - 9 - 20 - 130 - 11 - 3 - 14 - 93 ON1 F3 460 138 25 26 7月 10日 14: 00 - 16 - 26 - 42 - 91 - 34 0 - 34 - 74 OW1 F3 400 120 22 26 7月 10日 14: 00 - 14 - 16 - 30 - 75 - 30 0 - 30 - 75 OE1 F3 400 120 22 26 7月 10日 14: 00 - 14 - 16 - 29 - 73 - 30 0 - 30 - 75 CN1 F3 480 144 26 26 7月 10日 14: 00 - 21 - 33 - 54 - 112 - 36 - 11 - 47 - 98 CS1 F3 480 144 26 26 7月 10日 14: 00 - 23 - 35 - 58 - 121 - 36 - 12 - 48 - 100 CE1 F3 400 120 22 26 7月 10日 14: 00 - 19 - 22 - 41 - 102 - 30 - 66 - 96 - 240 CE2 F3 400 120 22 26 7月 10日 14: 00 - 17 - 20 - 38 - 94 - 30 - 66 - 96 - 240 F4层 ON1 F4 2 500 750 138 26 7月 10日 14: 00 - 68 - 176 - 244 - 98 - 179 - 152 - 331 - 132 OS1 F4 1 300 390 72 26 7月 10日 14: 00 - 35 - 100 - 135 - 104 - 100 - 80 - 180 - 138 总计 25 749 7 945 1 462 - 856 - 1 851 - 2 706 - 105 - 1 886 - 1 125 - 3 011 - 117 以Auto CAD为操作平台描述建筑的拓扑结构,通 过分析建筑物全年的冷热工况,得到建筑物的能耗 和空调系统的全年运行策略。 3. 2 � 建立建筑模型 在 DeST 界面内输入外墙、内墙参数,添加门 窗类型, 描述其拓扑结构。DeST 模型中的空调房 间的概念与建筑中的房间有较大区别,它是指分隔 的不同空调分区和不同功能的房间。可以将具有 相同功能的房间合并成一间进行计算,同时也可将 竖直温度分层很明显的中庭人为地按高度方向划 �133�� � � � � � � 暖通空调HV&AC � 2008年第 38卷第 9期 � 计算机模拟应用 分为若干部分。 因本计算主要针对歌剧院、戏剧院和音乐厅外 部壳体下的人员公共活动空间,所以为了较为准确 地反映实际情况,在建模时按照周围房间的楼层高 度将此高大空间划分成多层(地下 1 层, 地上 9 层) ,相邻层之间设定了自然对流的换气次数。具 体分区及房间的划分原则见 2. 1节,模型示意图见 图 3。 为减小计算过程中 3个建筑实体对外部公共 区域的影响,假设其内部的人员、灯光等热扰以及 作息模式与公共区域一致,并另设空调系统维持其 室内设定温度, 其负荷在统计时可不计入。事实上 由于剧场与公共区域之间隔墙密封较好,因此该假 设应当不影响计算结果。 3. 3 � 设定计算参数 建筑模型建完后需要设定建筑的具体计算参 数。动态模拟法与冷负荷系数法工况设定的主要 不同之处在于以下几点。 1) 作息模式 在本工程中对各种负荷按空调房间和公共大 厅定义了两种日作息模式,如图 4所示。全年每天 均按照此模式运行。灯光负荷按空调房间模式定 义,人员热扰按公共大厅模式定义。 图 4 � 日作息模式 2) 热扰分配模式 热扰分配模式定义的是各种热扰得热分配到 空气、四周墙面、地板、天花板的比例。本次计算中 各种热扰得热的分配比例见表 3。 表 3 � 各种热扰得热的分配比例 % 空气 四周墙面 地板 天花板 太阳透射热扰 15 45 20 20 人员热扰 80 10 0 10 灯光热扰 60 20 10 10 设备热扰 40 20 20 20 3. 4 � 各区域之间通风换气量的设定 3. 4. 1 � 通风换气量的设定方法 对于大空间中人为划分的各区域来说,区域 之间事实上是存在热质交换的。模拟计算中, 需 要定义各区域之间的通风换气量, 通风换气量的 设定会影响计算结果。本项目的设定分为以下 几种类型。 1) 两个空调区域之间。空调区域的设定参数 相同、作息时间相同、热扰参数相近,仅在空调系统 停止运行后, 由于不同区域热惯性不同, 对空调负 荷的计算有影响, 且此影响较小,因此在计算时可 不考虑。 2) 两个非空调区域之间(竖直方向)。由于温 度不同, 因此非空调区域之间的通风换气量对其最 终温度的影响极为显著。在本计算中通风换气量 用通风截面积乘以截面风速计算,截面风速设为接 近自然对流时的风速( 0. 01 m/ s)。 3) 两个非空调区域之间(水平方向)。为了使 两个非空调区域之间水平方向的温度更接近,本次 模拟计算设定相邻区域之间 20 h- 1的通风换气量, 以便进行充分的热质交换。 4) 非空调区域与空调区域之间。通风换气量 的设定对空调区域的温度场有非常显著的影响, 最 终的负荷计算结果也会有显著不同。在本次模拟 计算中, 假设非空调区域与空调区域之间通风截面 的 1/ 10为冷空气过流截面, 法向过流风速为 0. 1 m/ s。 3. 4. 2 � 加大通风换气量对空调负荷的影响 为了分析通风换气量对空调负荷的影响,将室 内所有房间之间的通风换气次数改为 20 h- 1 ,在其 他参数不变的情况下进行了模拟计算,并与正常工 况下的计算结果进行了比较,见表 4。 表 4 � 两种通风工况下的负荷计算结果 kW 最大冷 负荷 最大热 负荷 全年冷负荷 累计 全年热负荷 累计 正常工况 4 201 3 471 2 487 618 2 356 591 大通风量工况 4 142 2 983 2 494 968 1 981 403 二者差值 59 488 7 350 375 188 � � 分析表 4可知: 1) 在夏季改变室内通风量对 建筑冷负荷的最大值和负荷分布影响很小。大空 间本身没有发热量,增大各区域之间的通风换气量 可以使它们的温度趋于一致。由于大剧院围护结 构有大面积的玻璃,影响夏季冷负荷的主导因素是 太阳辐射,因此改变室内通风量对夏季室内冷负荷 影响不大。此外,夏季增大通风量会导致中庭空间 �134� 计算机模拟应用 � 暖通空调HV&AC � 2008年第 38卷第 9期 � � � � � � � 内温度降低,增加围护结构的导热得热, 从而使大 通风量工况下全年冷负荷累计值要大于正常工况。 2) 增大室内通风量时, 热负荷最大值及全年累计 值均减小,此结果难以解释。由于冬季建筑的太阳 辐射得热量要远小于夏季的太阳辐射得热量,因此 冬季围护结构导热对热负荷有更大的影响。增大 室内通风量势必使上部非空调区域的热量更多地 传递给下部空调区域,从而增加热负荷, 这样才是 合理的。由此可知 DeST �对高大空间的负荷计 算还有需要进一步研究完善的地方。 3. 5 � DeST II 的计算结果 各空调区域冷负荷(不含新风负荷)计算结果 见表 2。 图 5给出了各空调区域全年逐时总冷、热负荷 的最大、最小和平均值变化情况。 图 5 � 各空调区域全年逐时总冷、热负荷曲线 4 � 比较分析 1) 由表 2 可以看出, 两种方法计算出的总空 调冷负荷值相差大约 10% , 较为接近。但个别房 间的负荷相差较大, 有的甚至相差 1倍多。其原因 可能是:冷负荷系数法没有考虑相邻房间之间的影 响,没有考虑人员、灯光的作息模式及周围环境的 热扰分配模式对负荷的影响等。经与法国设计方 ( ADPi& SET EC)提供的初步设计阶段的数据比 较, 发现冷负荷系数法的计算结果与之很吻合。在 不清楚外方的计算方法及考虑到 DeST �当时处 于试用阶段、对大空间负荷进行计算尚不成熟的情 况下,笔者最终采用了冷负荷系数法的计算结果作 为选择各区域空调器的依据,并根据建筑功能及空 调系统的特点,为此高大空间布置了 16台双风机 空调器,总风量约 750 000 m3 / h。仅利用DeST � 的计算结果作为空调器全年节能运行调节的分析 依据。 2) 统计 DeST �负荷计算结果可知, 全年总 冷负荷出现时间最长的是最小负荷段;最大负荷段 出现的时间很短, 约 15 h。所以, 从节省投资和运 行费用的角度, 不应按照最大负荷选择空调设备 (尤其是冷热源) , 而应在不保证一定时间 (如 50 h)空调效果的前提下确定其容量。 3)由图 5可以看出,全年平均负荷约为最大负 荷的 50% , 而通常情况空调设备是按照最大负荷 选择的, 空调设备大部分时间运行在低负荷工况 下。所以在进行空调系统设计时,要充分考虑系统 的可调节性, 让系统在低负荷工况下仍可以高效率 运行。 4) 利用计算流体力学软件Phoenics进一步分 析室内温度场和风速场。歌剧院北侧公共区域简 化模型的输入参数(室外参数、室内内扰等)均为全 楼冷负荷最大值出现时刻的参数, 送风量根据 DeST 计算出的负荷得出, 送回风口按实际情况布 置。计算结果显示,此高大空间竖直方向的温度分 层比较明显。尤其是上部的空调区域受周围非空 调区域空气的掺混影响,难以确保空调效果。在设 计中为首层以上的各公共活动区域设置了冷辐射 地板,以增强空调效果。 5 � 结论 5. 1 � 负荷系数法等常规计算手段可以用于复杂空 间的负荷计算,计算结果可作为选择空调末端设备 的依据。但有必要采用 DeST 等模拟计算工具的 模拟结果进行对比验证。 5. 2 � 从节省投资和运行费用的角度,不应按照最 大负荷选择空调设备,而应在不保证一定时间空调 效果的前提下确定空调设备容量。在进行空调系 统设计时,要充分考虑系统的可调节性, 让系统在 低负荷工况下仍可高效运行。 �135�� � � � � � � 暖通空调HV&AC � 2008年第 38卷第 9期 � 计算机模拟应用