丁研, 王朝霞, 朱能, 楊釩

(天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072)

隨著經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高和城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，建筑能耗逐步成為全社會(huì)能耗的重要組成部分[1]。近年來(lái)，隨著建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，具有高性能?chē)o(hù)結(jié)構(gòu)的公共建筑日趨普遍。在辦公建筑中，超低能耗建筑、被動(dòng)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(gè)方面：外部因素、內(nèi)部因素、供冷系統(tǒng)。其中，外部因素主要包括室外氣象條件、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、保溫等[2]，內(nèi)部因素包括人員、設(shè)備、照明、室內(nèi)環(huán)境參數(shù)等，供冷系統(tǒng)相關(guān)量主要包括機(jī)組能耗、水泵能耗、流體系數(shù)等[3-4]。隨著建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的逐步提高，室外溫度、太陽(yáng)輻射等外部環(huán)境因素對(duì)建筑負(fù)荷的影響逐步減弱，而以室內(nèi)人員行為為代表的內(nèi)部因素已成為影響建筑負(fù)荷和建筑能耗最重要的不確定性因素[5]。隨著對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)和優(yōu)化控制研究的深入，發(fā)現(xiàn)由于使用者生活習(xí)慣、生理、心理需要的差異，使得建筑內(nèi)部因素變得更加復(fù)雜，更加難以測(cè)量、難以分析、難以預(yù)測(cè)[6]。

為探討建筑內(nèi)部因素對(duì)建筑能耗和負(fù)荷的影響，研究人員開(kāi)展了關(guān)于建筑人行為的研究。主要包括兩個(gè)方面，一是為了提升建筑能耗和負(fù)荷模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，精細(xì)化考慮內(nèi)部因素的設(shè)置。Yan等[7]針對(duì)人行為在建筑能耗和負(fù)荷模擬計(jì)算的現(xiàn)狀和問(wèn)題進(jìn)行了綜述，提出了在模擬中考慮人行為的4個(gè)步驟，分別是獲取數(shù)據(jù)、建立模型、人行為描寫(xiě)、耦合和評(píng)價(jià)。Kwok等[8]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)香港某辦公建筑，建立了內(nèi)部負(fù)荷的計(jì)算方法，指出精確計(jì)算內(nèi)擾是提高機(jī)組選型準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。二是理解和優(yōu)化建筑能源系統(tǒng)的運(yùn)行，提出按需供給的思路[9-10]。López-Rodrígue等[11]基于Time Use Survey數(shù)據(jù)，針對(duì)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(jī)模型。Wang等[12]利用調(diào)查問(wèn)卷等方式，獲得人員、設(shè)備、照明等信息，建立負(fù)荷模型，預(yù)測(cè)天津某辦公建筑的能耗情況。

以上兩方面均是在建筑投入運(yùn)行的前提下進(jìn)行研究，而忽略了建筑的人員、設(shè)備、照明等內(nèi)部因素對(duì)空調(diào)負(fù)荷設(shè)計(jì)的影響。事實(shí)上，負(fù)荷設(shè)計(jì)是空調(diào)機(jī)組選型的依據(jù)，也是實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的前提，準(zhǔn)確的負(fù)荷設(shè)計(jì)直接決定空調(diào)機(jī)組的選型和系統(tǒng)運(yùn)行管理的有效性。目前，關(guān)于內(nèi)部負(fù)荷的考慮還主要著眼于建筑冷負(fù)荷[13]，它是影響建筑夏季能耗的根源。目前的設(shè)計(jì)指標(biāo)中，內(nèi)擾是按照建筑類(lèi)型來(lái)劃分[14]，但實(shí)際上各建筑的使用情況不盡相同，由此帶來(lái)的內(nèi)擾負(fù)荷也不盡相同[15-16]，一概而論會(huì)導(dǎo)致普遍的機(jī)組選型過(guò)大問(wèn)題。同時(shí)，人行為是引起其他內(nèi)擾的核心和主要原因[17]，但目前的內(nèi)擾計(jì)算中，仍采用分別給定照明、設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)值，此種方式依據(jù)性不強(qiáng)，容易造成錯(cuò)誤的結(jié)果。

為分析內(nèi)部負(fù)荷擾量特性和其對(duì)建筑空調(diào)負(fù)荷的影響，本文以案例建筑的實(shí)地調(diào)研測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)辦公建筑內(nèi)部負(fù)荷擾量特性進(jìn)行初步探索，定量計(jì)算人員、設(shè)備、照明等室內(nèi)熱源散熱形成的冷負(fù)荷時(shí)序值，并提出以人為核心的“代表人”內(nèi)部負(fù)荷擾量的概念和計(jì)算方法，旨在為冷負(fù)荷的精細(xì)化設(shè)計(jì)提供思路和參考。

1 內(nèi)部負(fù)荷擾量理念

1.1 負(fù)荷擾量的劃分

建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境形成的最主要原因是各種外擾和內(nèi)擾的影響，以圍護(hù)結(jié)構(gòu)為界，將室外氣象參數(shù)歸為外部擾量(簡(jiǎn)稱(chēng)外擾)，將室內(nèi)設(shè)備、照明、人員等熱濕源歸為內(nèi)部擾量(簡(jiǎn)稱(chēng)內(nèi)擾)。而開(kāi)窗通風(fēng)、開(kāi)啟遮陽(yáng)等行為造成的室內(nèi)熱濕環(huán)境變化，受內(nèi)外因素共同影響，但這些動(dòng)作都是使用建筑的人造成的，因此，以建筑中的使用人為核心，界定影響建筑負(fù)荷的內(nèi)部因素，不僅包括人員、設(shè)備、照明等，還包括由人員行為引起的開(kāi)窗換氣、遮陽(yáng)等對(duì)建筑負(fù)荷產(chǎn)生擾動(dòng)的行為，上述兩方面統(tǒng)一定義為“內(nèi)擾”。設(shè)計(jì)負(fù)荷分為3部分，一部分是通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱和透過(guò)玻璃窗的日射得熱形成的冷負(fù)荷，記為外擾負(fù)荷；一部分是室內(nèi)熱源散熱形成的冷負(fù)荷，記為內(nèi)擾負(fù)荷；另一部分是新風(fēng)負(fù)荷，這部分負(fù)荷用于新風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，常與其他冷負(fù)荷分開(kāi)考慮[18]，將其單獨(dú)列為一部分。

室內(nèi)熱源散熱在空調(diào)季形成的冷負(fù)荷是空調(diào)負(fù)荷設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮的部分，在采暖季，室內(nèi)散熱同樣會(huì)影響供暖負(fù)荷，帶來(lái)室內(nèi)溫度偏高的情況，但由于室內(nèi)熱源散熱屬于有利于保證室內(nèi)溫度的因素，目前在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)不做考慮。因此，研究?jī)H以冷負(fù)荷計(jì)算中的相關(guān)項(xiàng)為研究對(duì)象，探討內(nèi)擾負(fù)荷的特點(diǎn)。

1.2 室內(nèi)熱源散熱形成的冷負(fù)荷

1.2.1 人員散熱形成的冷負(fù)荷 人員散熱形成的冷負(fù)荷如式(1)所示。

QP=QPS+QPL=φn(qnCpq+q2)

(1)

式中：QP為人員散熱形成的冷負(fù)荷，W；QPS和QPL分別為人員顯熱散熱、潛熱散熱形成的冷負(fù)荷，W；Cpq為人體顯熱散熱的冷負(fù)荷系數(shù)；q1和q2分別為不同室溫和勞動(dòng)強(qiáng)度下成年男子的顯熱散熱量與潛熱散熱量，W；n為在室人數(shù)；φ為群集系數(shù)。

由于辦公建筑中室內(nèi)溫度變化較小，人員活動(dòng)以靜坐為主，雖有一些站立和輕微走動(dòng)，但帶來(lái)的散熱量變化非常有限，因此，在室人數(shù)就成為決定人員負(fù)荷的關(guān)鍵參數(shù)。

1.2.2 設(shè)備散熱形成的冷負(fù)荷 室內(nèi)設(shè)備散熱形成的冷負(fù)荷如式(2)、式(3)所示。

Qe=qe=n1e·n2e·n3e·Ne·CEQ

(2)

(3)

式中：Qe為設(shè)備散熱形成的冷負(fù)荷，W；qe為設(shè)備的散熱量，W；CEQ為設(shè)備散熱的冷負(fù)荷系數(shù)；Ne為電熱設(shè)備的總安裝功率，W；n1e、n2e、n3e分別為設(shè)備的同時(shí)使用系數(shù)、安裝系數(shù)和負(fù)荷系數(shù)；p為設(shè)備的種類(lèi)數(shù)；si為第i類(lèi)設(shè)備的臺(tái)數(shù)；qai為第i類(lèi)設(shè)備的單臺(tái)散熱量，W。

在辦公建筑中，電熱設(shè)備通常指電熱水器，辦公電器主要包括電腦、打印機(jī)等。無(wú)論是電熱設(shè)備的計(jì)算，如式(2)，還是辦公電器設(shè)備的計(jì)算，如式(3)，均根據(jù)人員的需求而設(shè)置，因此，設(shè)備的臺(tái)數(shù)或總安裝功率必然隨著設(shè)計(jì)人員數(shù)量的增加而增加。

1.2.3 燈具散熱形成的冷負(fù)荷 使用燈具散熱形成的冷負(fù)荷如式(4)所示。

Qt=qt·CLQ=n1t·N1·CLQ

(4)

式中：Qt為燈具散熱形成的冷負(fù)荷，W；qt為燈具的散熱量，W；CLQ為燈具散熱的冷負(fù)荷系數(shù)；Nt為燈具的總安裝功率，W；n1l為燈具的同時(shí)使用系數(shù)，即使用率。

2 案例建筑與測(cè)試

選擇位于天津市的兩棟辦公建筑作為案例，進(jìn)行針對(duì)空調(diào)負(fù)荷擾量因素的實(shí)地調(diào)研。其中，A建筑是超低能耗辦公建筑示范項(xiàng)目，是某大型建設(shè)集團(tuán)的投資發(fā)展公司，該建筑于2012年竣工，并申報(bào)天津市低能耗示范項(xiàng)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。

表1 案例建筑基本信息Table 1 Basic information of case buildings

分別在2015年7月(B建筑)和2016年8月(A建筑)對(duì)選定的兩棟辦公建筑進(jìn)行為期1個(gè)月的測(cè)試。首先，獲取了設(shè)計(jì)負(fù)荷計(jì)算書(shū)與施工的相關(guān)圖紙，通過(guò)走訪(fǎng)和分析案例建筑的使用情況后發(fā)現(xiàn)，兩棟建筑一層均為大廳和走廊，A建筑每層為一個(gè)開(kāi)敞辦公區(qū)，頂層為單人辦公室，但基本不用。B建筑二層為休息區(qū)和會(huì)議室，頂層為設(shè)備用房，其他層主要為辦公區(qū)。B建筑的南側(cè)為幾個(gè)開(kāi)敞辦公室，北側(cè)為會(huì)議室、休息室、會(huì)客室等。測(cè)試中，選擇典型層的典型房間，獲取使用數(shù)據(jù)，A建筑選擇3層的辦公區(qū)，B建筑選擇7層的3個(gè)開(kāi)敞辦公區(qū)中東側(cè)的一個(gè)，兩棟案例建筑的典型層平面示意圖和典型房間的照片見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 A建筑測(cè)試區(qū)域Fig.1 Testing zone of building

圖2 B建筑測(cè)試區(qū)域Fig.2 Testing zone of building

針對(duì)選定的典型房間，在辦公室內(nèi)測(cè)量了室內(nèi)溫度、CO2濃度，同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)記錄了在室人數(shù)、使用辦公設(shè)備數(shù)量和輸入功率、使用燈具數(shù)量，并同步測(cè)試建筑供冷機(jī)房?jī)?nèi)機(jī)組供冷量情況，測(cè)試步長(zhǎng)為1 h。具體測(cè)試變量和所用儀器見(jiàn)表2。

表2 測(cè)試方法Table 2 Testing method

注：樣圖摘自產(chǎn)品公開(kāi)宣傳頁(yè)。

雖然，建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)滿(mǎn)足國(guó)家節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求[19]，甚至達(dá)到優(yōu)秀水平，但是，這兩棟建筑依然存在空調(diào)機(jī)組設(shè)計(jì)容量偏大的問(wèn)題。A建筑共配置兩臺(tái)熱泵機(jī)組，供冷的裝機(jī)容量為210 kW/臺(tái)，B建筑采用兩臺(tái)溴化鋰直燃機(jī)組，供冷的裝機(jī)容量分別為1 407、1 579 kW。A建筑的兩臺(tái)熱泵機(jī)組在設(shè)計(jì)負(fù)荷下為同時(shí)工作，而實(shí)際情況僅為單臺(tái)運(yùn)行，B建筑的兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行。測(cè)試時(shí)間段內(nèi)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的部分負(fù)荷率如圖3所示。

圖3 測(cè)試目標(biāo)建筑中制冷機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷率Fig.3 The actual load ratio of chillers in case

由圖3可知，B建筑機(jī)組長(zhǎng)期處于部分負(fù)荷率低于50%的運(yùn)行狀態(tài)，A建筑機(jī)組雖然單機(jī)負(fù)荷率多數(shù)時(shí)間在60%～90%之間，但從未有過(guò)兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行的情況，實(shí)際運(yùn)行時(shí)采用兩臺(tái)機(jī)組每周輪換開(kāi)啟的方式。機(jī)組的部分負(fù)荷率過(guò)低會(huì)導(dǎo)致機(jī)組效率(COP)下降，極端情況下，還將造成停機(jī)保護(hù)現(xiàn)象。A建筑單臺(tái)機(jī)組即可滿(mǎn)足要求，但閑置的另一臺(tái)機(jī)組證明設(shè)計(jì)負(fù)荷的富余率已多達(dá)1倍，不僅帶來(lái)加倍的初投資，同時(shí)，需要大量的維護(hù)費(fèi)用。因此，有必要對(duì)其設(shè)計(jì)負(fù)荷進(jìn)行追溯和分析，找出設(shè)計(jì)負(fù)荷估計(jì)過(guò)高的部分，并加以修正。

3 內(nèi)部負(fù)荷擾量理論分析

內(nèi)擾主要包括人員、設(shè)備、燈具、室內(nèi)外通風(fēng)換氣、室內(nèi)溫濕度等，各擾量的作用機(jī)理并不相同。作為室內(nèi)熱源，人員、設(shè)備、燈具通過(guò)自身散熱形成冷負(fù)荷，而開(kāi)窗等行為是通過(guò)改變環(huán)境參數(shù)而影響建筑負(fù)荷。為了明確不同擾量與內(nèi)擾冷負(fù)荷的相關(guān)程度，在實(shí)測(cè)典型房間的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行相關(guān)性分析，得到影響內(nèi)擾冷負(fù)荷的最主要因素，并對(duì)各因素進(jìn)行特性分析。

3.1 相關(guān)性分析

利用樣本數(shù)據(jù)計(jì)算的樣本偏相關(guān)系數(shù)，反映了兩個(gè)變量間凈相關(guān)的強(qiáng)弱程度。在分析變量x1和y之間的凈相關(guān)時(shí)，當(dāng)控制了變量x2后，x1和y之間的一階偏相關(guān)系數(shù)定義為

(5)

式中：ry1、ry2、r12分別表示y和x1的偏相關(guān)系數(shù)、y和x2的偏相關(guān)系數(shù)、x1和x2的偏相關(guān)系數(shù)。

利用對(duì)建筑A和建筑B兩間典型開(kāi)敞辦公區(qū)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行內(nèi)部負(fù)荷擾量與單位面積的室內(nèi)熱源散熱形成負(fù)荷之間的偏相關(guān)分析。在室人數(shù)、設(shè)備數(shù)量、燈具數(shù)量和室內(nèi)溫度均直接采用時(shí)序測(cè)試值，通風(fēng)量通過(guò)室內(nèi)外CO2濃度和在室人數(shù)，根據(jù)式(6)計(jì)算得到。

(6)

式中：Vτ為τ時(shí)刻的通風(fēng)量，m3/h；cin為實(shí)測(cè)室內(nèi)CO2濃度，mg/m3；Vr為房間體積，m3；vp為CO2人員呼出量，L/s，與運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的代謝率有關(guān)，本文取靜坐和輕微走動(dòng)的平均值0.004 4 L/s[18]；nτ為τ時(shí)刻的在室人數(shù)，人；co為實(shí)測(cè)室外CO2濃度，mg/m3。

相關(guān)性分析結(jié)果如表3和表4所示。

表3 建筑A典型開(kāi)敞辦公區(qū)各擾量與內(nèi)擾負(fù)荷的偏相關(guān)分析結(jié)果Table 3 Partial correlation analysis of interior load and disturbances of open office zone of case building A

表4 建筑B典型開(kāi)敞辦公室各擾量與其內(nèi)擾冷負(fù)荷的偏相關(guān)分析結(jié)果Table 4 Partial correlation analysis of interior load and disturbances of open office zone of case building B

從表3和表4可以看出，對(duì)于這兩間辦公室，各擾量與內(nèi)擾負(fù)荷的相關(guān)性系數(shù)和顯著性程度排序基本相同，均為在室人數(shù)>設(shè)備個(gè)數(shù)>室內(nèi)溫度>燈具個(gè)數(shù)>通風(fēng)量。從相關(guān)性來(lái)看，在室人數(shù)和設(shè)備數(shù)量與內(nèi)擾的相關(guān)性最大，相關(guān)性系數(shù)大于0.8[20]，而其他參數(shù)的相關(guān)性不足0.5，即基本不相關(guān)，說(shuō)明在室人數(shù)和設(shè)備數(shù)量與內(nèi)擾的一致性最強(qiáng)。但從顯著性來(lái)看，除通風(fēng)量外，其他參數(shù)的顯著性均在0.01以下，即均呈現(xiàn)較強(qiáng)的顯著性[20]，其中，在室人數(shù)和設(shè)備數(shù)量最顯著，使用燈具數(shù)量和室內(nèi)溫度次之。因此，在內(nèi)擾計(jì)算時(shí)，需考慮在室人數(shù)、設(shè)備數(shù)量、室內(nèi)溫度和使用燈具數(shù)量，但室內(nèi)溫度作為室內(nèi)環(huán)境的一個(gè)重要參數(shù)，主要是通過(guò)人員調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)和遮陽(yáng)進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)時(shí)常視為定值，因此，不再考慮。故以人員為核心，重點(diǎn)研究人員、設(shè)備、照明3個(gè)內(nèi)擾變量。

3.2 在室人數(shù)特性分析

兩棟辦公建筑均依照最新《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50189—2015)中有關(guān)人員在室率、照明開(kāi)關(guān)控制規(guī)律以及設(shè)備使用率的規(guī)定設(shè)計(jì)，采用了如圖4所示的數(shù)據(jù)對(duì)人員、照明、設(shè)備負(fù)荷進(jìn)行相關(guān)計(jì)算[17]。

圖4 節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中的人員逐時(shí)在室率與設(shè)備逐時(shí)使用率Fig.4 Occupancy rate and chiller part load ratio

節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中的人員在室率變化為：從工作時(shí)間開(kāi)始，人員在室率劇增至95%，午餐時(shí)段下降到80%，下午上班時(shí)間又增加至95%，下班時(shí)間又迅速減少至30%，20:00后變?yōu)?；設(shè)備和燈具的使用率和人員在室率基本一致，但設(shè)備使用率在午餐時(shí)間降至50%。然而，建筑中實(shí)際的人員、設(shè)備、照明情況卻與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的推薦修正值存在較大差異。

調(diào)研的兩棟建筑均為辦公類(lèi)建筑，人員的作息時(shí)間有制度規(guī)定。工作日最晚上班時(shí)間為9:00，B建筑和A建筑人員下班時(shí)間分別為最早16:00和17:00，午餐時(shí)間一般在1 h以?xún)?nèi)。由于休息日或節(jié)假日的加班情況與相關(guān)人員的具體工作內(nèi)容有關(guān)，因此，研究只針對(duì)工作日的正常工作情況進(jìn)行分析。以人員實(shí)際在室數(shù)量與辦公室內(nèi)設(shè)置工位數(shù)量的比例為人員在室率，兩棟建筑的具體人員在室率如圖5所示。

圖5 實(shí)測(cè)人員在室率Fig.5 The actual occupancy ratio in two

由圖5可見(jiàn)，相比于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的人員在室率，實(shí)際的人員在室率情況在具體數(shù)值上有較大差別。人員在室率呈現(xiàn)較明顯的雙峰分布，峰值分別出現(xiàn)在上午10:00―11:00和下午15:00左右，兩峰值間的低谷為午餐時(shí)段。平均人員在室率一般低于50%，即使是人員在室率高峰時(shí)段，兩棟建筑的最大平均人員在室率分別只有59.26%和60.13%。說(shuō)明在辦公建筑中，設(shè)計(jì)的人員密度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中的估算值、人員全部坐滿(mǎn)設(shè)計(jì)工位、全部人員均在工位這3種最大值出現(xiàn)的概率均較小，倘若按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的面積指標(biāo)對(duì)人員數(shù)量進(jìn)行估算，則僅由于人員密度的設(shè)計(jì)差別，將導(dǎo)致人員負(fù)荷估計(jì)過(guò)大。

3.3 辦公設(shè)備使用特性分析

設(shè)備使用情況的信息通過(guò)兩種手段獲得，一是測(cè)試人員的現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)察和記錄，二是通過(guò)功率計(jì)等設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。對(duì)于測(cè)試對(duì)象的辦公設(shè)備來(lái)說(shuō)，同樣可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是樣本量較大且頻繁使用的設(shè)備，如臺(tái)式機(jī)、筆記本等，采用抽樣測(cè)試方法，在工作時(shí)間每10 min記錄1次功率表讀數(shù)，以平均功率作為此類(lèi)設(shè)備的代表功率。另一類(lèi)屬于間歇使用且數(shù)量有限、同一區(qū)域內(nèi)共享的設(shè)備，如打印機(jī)、飲水機(jī)等，對(duì)其工作、待機(jī)兩種狀態(tài)分別記錄功率與使用時(shí)間，以時(shí)間加權(quán)的折合功率作為此類(lèi)設(shè)備的代表功率，計(jì)算式為

(7)

式中：Eop、Est分別為設(shè)備使用的運(yùn)行功率和設(shè)備待機(jī)的待機(jī)功率，W；top、tst分別為一天中設(shè)備使用時(shí)間與設(shè)備待機(jī)時(shí)間，min；Et為設(shè)備平均折合功率值，W。

計(jì)算得到典型辦公區(qū)的設(shè)備功率密度如表5所示。

表5 單臺(tái)設(shè)備折合功率計(jì)算Table 5 Converted power of each office equipment

根據(jù)式(2)、式(3)可計(jì)算出設(shè)備的總功率，其中，單臺(tái)設(shè)備的功率采用表5的計(jì)算值，將總功率除以房間的面積，可以計(jì)算出房間的功率密度，計(jì)算結(jié)果分別如表6、表7所示。

表6 A建筑典型房間設(shè)備功率密度計(jì)算Table 6 Power density of equipment in the typical office of building A

表7 B建筑典型房間設(shè)備功率密度計(jì)算Table 7 Power density of equipment in the typical office of building B

由于設(shè)備并不是全天均按額定功率運(yùn)行，而是存在使用時(shí)的穩(wěn)態(tài)功率，由表6、表7可見(jiàn)，相比于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的功率密度，實(shí)際的設(shè)備散熱量明顯偏低。即使在設(shè)備全部正常使用時(shí)，兩棟建筑的最大功率只有7.49 W/m2。

在辦公室，每人使用一臺(tái)電腦，其他為公用設(shè)備，正常工作時(shí)間共同使用，午餐時(shí)間也保持開(kāi)啟，但全部為待機(jī)狀態(tài)，下班后關(guān)閉，由此計(jì)算A建筑和B建筑每人對(duì)應(yīng)的設(shè)備功率，最大分別為57.42、54.95 W/人。

3.4 燈具使用特性分析

燈具的使用通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到，通過(guò)實(shí)地?cái)?shù)開(kāi)啟的燈具數(shù)量，問(wèn)詢(xún)得到安裝燈具的額定功率，計(jì)算使用燈具的逐時(shí)瞬時(shí)散熱量。兩個(gè)案例建筑的測(cè)試區(qū)域均有多個(gè)燈具開(kāi)關(guān)，分別控制一定區(qū)域的燈具，但觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，早上上班時(shí)，燈具基本全部打開(kāi)，而午飯時(shí)會(huì)逐步關(guān)閉一些燈具，下午正常工作時(shí)再開(kāi)啟，晚上下班時(shí)間也會(huì)逐步關(guān)閉燈具，由于案例建筑少有加班的情況，因此，19:00后燈具全部關(guān)閉。根據(jù)以上特點(diǎn)，量化式(4)中的燈具同時(shí)使用系數(shù)為

(8)

式中：Plunch為午餐時(shí)段(12:00—13:00)使用燈具的比例，%；Poff-owrk為下班時(shí)段(17:00—18:00)使用燈具的比例，%；τ為時(shí)刻。

測(cè)試時(shí)間段的平均使用燈具數(shù)量和人數(shù)對(duì)照如圖6所示。

圖6 使用燈具數(shù)量與在室人數(shù)對(duì)照Fig.6 Comparison of used lamp number and

從圖6中可以看出，使用燈具數(shù)量與人數(shù)變化有一定關(guān)聯(lián)，但并不完全正相關(guān)，各個(gè)時(shí)刻的人均照明功率是變化的。最大值出現(xiàn)在午飯時(shí)間，但由于室內(nèi)人數(shù)很少，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的要求不高，故而舍去。在正常工作時(shí)間，人均最大照明功率出現(xiàn)在9:00和14：00—15:00，而14:00—15:00通常會(huì)出現(xiàn)負(fù)荷的最大值，此時(shí)，對(duì)應(yīng)的人均照明功率分別為164.57、95.60 W/人。

3.5 內(nèi)擾負(fù)荷隨時(shí)間的分布

根據(jù)實(shí)測(cè)值計(jì)算案例建筑的人員、設(shè)備和照明負(fù)荷如圖7所示。

圖7 內(nèi)擾負(fù)荷時(shí)序變化曲線(xiàn)Fig.7 Time series of interior cooling

從圖6、圖7可以看出，人員負(fù)荷與人員在室率的變化基本一致，而設(shè)備和燈具的負(fù)荷變化范圍較小。人員負(fù)荷不僅與在室人數(shù)有關(guān)，還受人員動(dòng)作、性別、穿著等因素的影響，從圖6、圖7還可以看出，上、下班時(shí)刻和午休時(shí)間人員負(fù)荷波動(dòng)較大，工作時(shí)間內(nèi)(除午休、開(kāi)會(huì)等時(shí)間)人員負(fù)荷在一定范圍內(nèi)隨機(jī)波動(dòng)。說(shuō)明人員負(fù)荷雖然是隨機(jī)變化的，但總體上隨在室人數(shù)呈現(xiàn)“雙峰”分布的規(guī)律，峰值出現(xiàn)時(shí)間與持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短與室內(nèi)人員作息緊密相關(guān)。

從設(shè)備負(fù)荷上看，雖然單臺(tái)設(shè)備功率波動(dòng)性大，但是多臺(tái)設(shè)備同時(shí)運(yùn)行時(shí)，設(shè)備之間的功率差異可以相互抵消，使設(shè)備散熱量處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，因此，整個(gè)房間的設(shè)備負(fù)荷除上、下班時(shí)刻出現(xiàn)短暫遞增或遞減外，只在午休時(shí)間下降，其余工作時(shí)間內(nèi)基本處于較穩(wěn)定的狀態(tài)。

由于測(cè)試建筑辦公室燈具控制采用“一開(kāi)全開(kāi)”的模式，在正常工作時(shí)間內(nèi)，形成的照明負(fù)荷僅由于冷負(fù)荷系數(shù)不同而有所不同，但由于其關(guān)閉是階躍的，因此，在午飯時(shí)段會(huì)有所降低。

4 負(fù)荷修正

4.1 冷負(fù)荷特性分析

上述以典型層的典型房間為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析了內(nèi)擾特性。本節(jié)利用其特性，計(jì)算整個(gè)建筑的冷負(fù)荷。首先，統(tǒng)計(jì)同樣性質(zhì)房間的數(shù)量，并考慮不常用的休息室、會(huì)議室、走廊等情況，將內(nèi)擾負(fù)荷擴(kuò)大到整個(gè)建筑，并分析案例建筑的各項(xiàng)冷負(fù)荷所占比例。

人員作為內(nèi)擾負(fù)荷的核心，首先定義人員在室率為

(9)

n=np·OPmax

(10)

式中：ORmax為最大人員在室率，%；np為設(shè)計(jì)人員密度，人/m2；m為房間數(shù)。將ORmax作為修正系數(shù)，n為修正后的設(shè)計(jì)人員密度，人/m2。

外擾負(fù)荷由兩部分組成：通過(guò)導(dǎo)熱傳入熱量和通過(guò)輻射傳入熱量，計(jì)算式為

Qt=Qtr+Qts

(11)

(12)

(13)

式中：Qt、Qtr、Qts分別為外擾負(fù)荷、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱形成的冷負(fù)荷、輻射得熱形成的冷負(fù)荷，W/m2；Xg、Xa、Xz分別為窗戶(hù)的構(gòu)造修正系數(shù)、地點(diǎn)修正系數(shù)、遮擋系數(shù)；tn、tτ分別為室外空氣溫度、室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，℃；U為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Jr為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，W/m2；nexp為窗戶(hù)數(shù)量；nusf為圍護(hù)結(jié)構(gòu)種類(lèi)。

新風(fēng)負(fù)荷是新風(fēng)進(jìn)入建筑物所造成的冷負(fù)荷，可以分為顯熱負(fù)荷與潛熱負(fù)荷，其計(jì)算式為

Qf=Qfs+Qft

(14)

(15)

(16)

式中：Qf、Qfs、Qft分別為新風(fēng)負(fù)荷、顯熱負(fù)荷、潛熱負(fù)荷，W/m2；to為室外逐時(shí)溫度，℃；do、dn分別為室外空氣相對(duì)濕度、室內(nèi)空氣相對(duì)濕度，kg/kg；Cp為空氣比熱容，1.01 kJ/kg；ρ為空氣密度，g/m3；V為新風(fēng)量，m3/h；rt為水的汽化潛熱，1 718 kJ/kg。

A、B兩棟建筑使用功能雖然都為辦公類(lèi)型，但由于在室人數(shù)、設(shè)備型號(hào)略有不同，加之圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能差異，導(dǎo)致內(nèi)擾負(fù)荷所占的比例并不相同。通過(guò)對(duì)調(diào)研基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，得到A、B兩棟建筑各項(xiàng)負(fù)荷所占的比例，如圖8所示。

圖8 內(nèi)擾負(fù)荷分布比例Fig.8 The ratio of cooling loads

從圖8可以看出，不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能情況下各項(xiàng)負(fù)荷占比不同，對(duì)于A(yíng)建筑，由于其圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能達(dá)到了低能耗水平，使得室內(nèi)熱源散熱形成的內(nèi)擾冷負(fù)荷所占的比重最大，為44.12%；其次為新風(fēng)負(fù)荷，占36.25%，這是由于新風(fēng)量的計(jì)算方法也需要依照人員數(shù)量來(lái)判定，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)為代表的外擾冷負(fù)荷所占比重最小，不足20%。對(duì)于B建筑，仍然是外擾負(fù)荷所占比例最大，接近50%，但內(nèi)擾負(fù)荷也占30%以上。據(jù)此判斷，隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的進(jìn)一步提高，以人員為中心的內(nèi)擾負(fù)荷占比還將進(jìn)一步增加。

基于以上分析，由于設(shè)備和燈具的使用與人相關(guān)，因此，通過(guò)假設(shè)“代表人”負(fù)荷來(lái)簡(jiǎn)便計(jì)算內(nèi)擾，即通過(guò)人員數(shù)量來(lái)反映人員負(fù)荷與設(shè)備、燈具負(fù)荷之和。設(shè)備功率與人數(shù)直接相關(guān)，在案例建筑中，分別約為57 W/人和55 W/人。由于目前照明控制方式的原因，導(dǎo)致燈具負(fù)荷與人員相關(guān)性差，無(wú)法折合到“代表人”負(fù)荷中，但從原理上，燈具的使用也是由人行為產(chǎn)生的，A、B建筑中，人均照明功率分別約為165 W/人和96 W/人，但此值與具體案例建筑有關(guān)。目前標(biāo)準(zhǔn)中，照明功率取值在11 W/m2左右，與實(shí)際情況比較接近，根據(jù)3.4節(jié)的分析，采用人均最大照明功率折合到“代表人”冷負(fù)荷中。由此，做出定義

Qr=(Qro+Qre+Qrl)·nτ

(17)

(18)

(19)

(20)

式中：Qr為“代表人”冷負(fù)荷，W/人；Qro為“代表人”人員部分所產(chǎn)生的冷負(fù)荷，W/人；Qre為“代表人”設(shè)備部分所產(chǎn)生的冷負(fù)荷，W/人；Qrl為“代表人”燈具部分所產(chǎn)生的冷負(fù)荷，W/人；A為建筑面積，m2；nτ為τ時(shí)刻的在室人數(shù)，人。

4.2 驗(yàn)證與討論

以上分別采用“代表人”的方式計(jì)算兩棟案例建筑的冷負(fù)荷，下面采用富余率分析修正的有效性。富余率定義為

(21)

式中：θd為修正后的設(shè)計(jì)負(fù)荷富余率，%；Qm,max為修正后的設(shè)計(jì)冷負(fù)荷，W/m2；Qo,max為測(cè)試中的最大實(shí)際負(fù)荷，W/m2。

富余率越小，說(shuō)明修正后的設(shè)計(jì)負(fù)荷與實(shí)際負(fù)荷越接近。倘若富余率為負(fù)值，說(shuō)明將可能出現(xiàn)依據(jù)修正后的設(shè)計(jì)負(fù)荷選型得到的機(jī)組不能保證實(shí)際負(fù)荷的情況，因此，定義富余率為正值，即修正后的冷負(fù)荷比實(shí)測(cè)最大負(fù)荷高出部分在10%以?xún)?nèi)為有效修正，即考慮10%以?xún)?nèi)的富余量[18,21-22]。具體結(jié)果如表8所示。

表8 修正設(shè)計(jì)負(fù)荷驗(yàn)證Table 8 Verification of modified design loads

根據(jù)表8的冷負(fù)荷數(shù)據(jù)，修正后的富余率分別達(dá)到8.76%和7.47%，滿(mǎn)足要求?；趯?shí)際案例分析，認(rèn)為“代表人”的概念是針對(duì)采用負(fù)荷面積指標(biāo)法的有效修正措施，不僅可為建筑負(fù)荷模擬的設(shè)定參數(shù)提供依據(jù)，同時(shí)，也對(duì)負(fù)荷設(shè)計(jì)方法的修正提供參考。

5 結(jié)論

人員行為的隨機(jī)性，直接導(dǎo)致了建筑負(fù)荷分布的差異，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析得到以下結(jié)論：

1)考慮人行為對(duì)建筑空調(diào)負(fù)荷的影響，將建筑空調(diào)負(fù)荷分為內(nèi)擾負(fù)荷、外擾負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷，發(fā)現(xiàn)內(nèi)擾負(fù)荷占總冷負(fù)荷比例超過(guò)30%，正確衡量?jī)?nèi)擾負(fù)荷對(duì)于提高設(shè)計(jì)負(fù)荷的準(zhǔn)確性，以及減小制冷機(jī)組設(shè)計(jì)體量具有重要意義。

2)當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)中給定的內(nèi)部負(fù)荷擾量經(jīng)驗(yàn)取值普遍偏大，實(shí)際中的人員在室率和設(shè)備功率配置低于設(shè)計(jì)值。案例建筑的最大人員在室率約為60%，設(shè)備功率密度比設(shè)計(jì)指標(biāo)小50%以上，普遍低于設(shè)計(jì)指標(biāo)(20 W/m2)。以上取值是造成空調(diào)系統(tǒng)裝機(jī)功率偏大的原因，亟需進(jìn)行修正。

3)辦公建筑室內(nèi)人員的作息方式呈明顯的“雙峰”分布，而非標(biāo)準(zhǔn)中的作息方式，交通、工作需求等多種因素都會(huì)影響人員在室率。辦公建筑內(nèi)的人員、設(shè)備和照明負(fù)荷在一天內(nèi)呈現(xiàn)小幅度的隨機(jī)波動(dòng)，但均與人員在室率相關(guān)，采用“代表人”的方法，可有效綜合各項(xiàng)內(nèi)擾負(fù)荷，提高負(fù)荷設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。