北京市建筑設計研究院有限公司 朱丹丹 林坤平

       【摘  要】超高層建筑空調系統的優化設計是超高層建筑節能的首要條件，而空調負荷計算是優化設計的重要基礎?，F有研究成果主要側重于研究高層室外氣象參數變化對空調負荷的影響，忽略了超高層建筑自身建筑結構特性引起的空調負荷熱特性的不同。本文采用全年負荷模擬軟件DeST分別定量分析了室外氣象參數和超高層建筑自身特點對空調負荷計算的影響，在此基礎上重新審視了工程常用負荷計算工具（電算表和鴻業軟件）的適用性，并對電算表（或鴻業軟件）計算超高層建筑空調負荷給出了修正建議。

       【關鍵詞】超高層建筑，空調負荷，氣象參數，建筑特性，負荷計算工具

Abstract: The optimal design of the air condition system is the first condition for super high-rise building energy efficiency and the air conditioning load calculation is an important basis. The existing study focused on the influence of the climate data on the air conditioning load, but ignored the impact of the special architectural and structural characteristics of super high-rise buildings. This study analyzed the quantitative influence of the climate date and super high-rise building’s features on air-condition load by the tool DeST. Then on this basis, the suitability of common engineering load calculation tools was verified and the corresponding correction method was put forward.

1 引言

       近年來，隨著我國城市化的不斷發展，新建超高層建筑的數量和高度不斷增加，已經建成的上海中心大廈建筑高度為632米，在建的北京中國尊大廈設計高度為528米。超高層建筑已經成為城市現代化程度的重要標志之一。

       與普通公共建筑相比，超高層建筑的空調系統初投資高、運行能耗高，在工程實踐中也發現冷熱源設備容量選型過大、數量過多等問題，因此，空調系統的優化設計是超高層建筑節能的首要條件?？照{負荷計算是空調系統優化設計的基礎，而超高層建筑由于其所處的室外氣象環境和自身特性，比如大面積的玻璃幕墻、復雜的外圍護結構體系、冬季煙囪效應等，使得超高層建筑空調負荷計算具有一定的特殊性。但目前關于超高層建筑空調系統的設計研究，主要集中在空調水系統的豎向分析、空調風系統的內外分區、節能技術應用等，缺少對空調負荷計算的關注。

       劉天川^[1]分析了建筑高度增加對空調負荷的影響，認為應重點考慮建筑高度增加引起的室外空氣溫度的下降和風速的增加。陳亮^[2]研究了不同氣候區超高層建筑空調負荷高度修改系數，認為高層風速和溫降綜合作用減小的冷負荷可考慮作為空調冷負荷的安全余量，在計算中不予考慮，冬季熱負荷采用穩態算法，受高層風速和溫降的影響較大，分別給出了不同氣候區外墻、屋頂和天窗的高度修正系數。其他超高層建筑空調設計文獻[3][4]很少涉及負荷計算，也沒有對計算參數或計算結果做一定的修正。

       現有研究成果側重于建筑高度增加引起的室外氣象參數變化對空調負荷的影響，忽略了超高層建筑的結構體系、大面積玻璃幕墻、豎向交通等特殊性對空調負荷計算的綜合影響。設計院在進行暖通設計時，通常采用夏季設計日冷負荷計算軟件，如GB50736-2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（以下簡稱《暖規》）規定的冷負荷系數簡化計算方法、鴻業暖通空調負荷計算軟件、華電源空調負荷計算軟件等，很少采用全年逐時空調負荷計算軟件。由于根據規范和手冊推薦冷負荷系數簡化計算方法編制的電算表（以下簡稱“電算表”）是基于一定的假設條件簡化的，應用于超高層建筑可能存在一定的問題，因此，需要在分析超高層建筑特性對空調負荷影響的基礎上，重新審視目前工程常用空調負荷計算工具的適用性，并給出修正方法。

2 超高層建筑的特性分析

       2.1 室外氣象環境

       室外氣象環境參數隨著海拔高度的升高而變化，包括空氣溫度、空氣濕度、風速和太陽輻射。在超高層建筑高度范圍內，大氣壓力和空氣密度隨高度的變化非常小，可以忽略。

       室外空氣溫度隨著高度的升高而降低，被稱為空氣溫度遞減率。不同文獻對于空氣溫度遞減率的數值有所不同，如文獻[1]認為高度增大100m，大氣溫度下降1℃，又如文獻[5]通過標準大氣模型測試得到高度每增加150m變化約1℃。這些數值有些是理論計算值，有些是不分地區的全球平均值，并沒有區分夏季和冬季的不同情形。文獻[6]采用中國國內氣象站的實測數據，給出了不同季節、不同地區的氣溫遞減率，結果表明我國大部分地區的夏季空氣溫度遞減率為0.5～0.65℃/100m，冬季為0.25～0.5℃/100m。對空調負荷而言，夏季溫度下降是有利因素，冬季則為不利因素，考慮到空調保證率，氣溫遞減率夏季取下限0.5℃/100m，冬季取上限0.5℃/100m。

       不同地區地表面附近空氣的含濕量并不相同，并且隨著季節的變化而變化。一般來說，夏季往往濕度高，冬季濕度低；海拔高度高，含濕量較小。超高層建筑的垂直高度在1000m以下，屬于容易受地面環境影響的高度范圍，在這個高度范圍，國內外對濕度梯度的研究很少，無法得到空氣濕度隨高度變化的具體規律。

       室外風速會影響建筑圍護結構外表面的傳熱系數，進而影響圍護結構K值。因為下墊面對氣流有摩擦作用，邊界層內風速沿垂直方向存在梯度，貼近地面處的風速為零，沿垂直高度方向風速遞增。到達一定高度以后，風速不再增大，這一高度為邊界層高度。邊界層高度內的風速可以根據以下公式進行計算。

     

       式中h_met為氣象站風速測量點的高度，取10m；V_met為氣象站風速測量點的風速，m/s；δ_met為氣象站當地的大氣邊界層厚度，m；α_met對應氣象站當地的大氣層厚度的指數；為需要求風速地點的大氣邊界層厚度，m；對應需要求風速地點大氣邊界層厚度的指數。

       超高層建筑一般都在大城市中心地區，假設氣象站與超高層建筑處在同地區，邊界層厚度取460m，指數取0.33。取10米處室外風速為3.0m/s，根據公式（1）計算北京地區不同高度處的風速。

       《暖規》在計算圍護結構值時，規定外表面傳熱系數統一取23W/(m²·K)，即室外風速統一取3.0m/s。隨著室外風速的增加，外表面傳熱系數增大，圍護結構傳熱系數也增大。外表面傳熱系數α'w包括表面傳熱系數α'wd和輻射換熱系數α'wf，α'wf取5.33 W/(m²·K)，對于超高層建筑大量采用的玻璃幕墻，α'wd與室外風速v的關系滿足式（2）：

       

       所以，計算不同高處的建筑圍護結構值可以根據地面處的圍護結構值和風速進行計算得到。

       

       太陽輻射包括太陽直射輻射和太陽散射輻射兩部分。到達地面的太陽輻射照度大小取決于地球對太陽的相對位置（太陽高度角和路徑）以及大氣透明度。根據文獻[2]，隨著海拔高度的增加，大氣透明度提高，又由于其他建筑屋面或幕墻的反射作用，太陽輻射可能會增加，但因影響較復雜，在計算中很難準確確定。

       所以，定量分析室外氣象參數對超高層建筑空調負荷的影響著重考慮室外空氣溫度和風速。

       2.2 輕型結構體系

       超高層建筑采用輕型結構體系來減少自身重量，主要體現在鋼結構和玻璃幕墻外圍護結構。與混凝土結構相比，鋼的比熱容較小，密度較大，在相同體積的情況下，鋼的熱容量約為混凝土的1.5倍。但考慮鋼結構和混凝土樓板的厚度差異（通常鋼結構樓板為120～150mm，混凝土的樓板為200mm），兩種樓板熱容量差異很小，可以忽略。所以，主要考慮玻璃幕墻外圍護結構對超高層建筑空調負荷的影響。

       2.3 大窗墻比

       為增加外部視覺的通透感，超高層建筑采用大窗墻比，部分窗墻比會達到乃至超過建筑節能標準的限值。太陽輻射能透過玻璃幕墻進入室內，成為室內得熱，最終轉化為空調負荷。因此，與不透光外墻相比，玻璃幕墻不僅造成了空調冷熱負荷的增加，而且輻射得熱所占比例會上升。

       2.4 冬季煙囪效應

       超高層建筑存在大量的電梯井、樓梯等豎向通道，這些通道構成了不同樓層之間的空氣流通路由。冬季，在熱壓的作用下，室外冷空氣通過建筑外圍護結構的門窗縫隙進入室內，沿著電梯廳等豎向通道上升，再從建筑的頂部樓層滲出，形成了“煙囪效應”。煙囪效應引起的滲風量大小由圍護結構兩側的壓差和氣密性決定。采用CONTAMW軟件建立北京中國尊大廈的多區域網絡法計算模型，按設計工況設定有空氣流通房間之間的阻力模型，幕墻氣密性等級設定為3級，室內外溫度均取設計溫度，熱壓作用下煙囪效應引起的滲風量不大于空調新風量。限于篇幅原因，不具體展開模擬計算過程。所以，在門窗關閉的設計工況下，可以認為空調新風正壓可以抵消煙囪效應。

       2.5 小結

       超高層建筑空調負荷的計算主要考慮三個影響因素：高層室外空氣溫度的降低、風速的增大、大窗墻比的玻璃幕墻。

3 詳細計算

       3.1 計算工具

       電算表、鴻業等軟件是暖通工程師常用的空調負荷計算工具。電算表根據冷負荷系數簡化計算方法整理得到的，操作簡單，結果直觀。冷負荷系數簡化計算方法是根據典型房間、典型構造給出一系列的空調冷負荷計算系數，包括夏季空調設計日外墻、屋面、外窗的冷負荷計算溫度和太陽輻射冷負荷系數，也同樣給出了人體、照明和設備的冷負荷系數。因此，特殊構造的建筑也只能采用相同的冷負荷計算系數，無法對系數進行修改。另外，冷負荷計算系數是根據近地面處的氣象參數得到，因此也無法評價高層室外氣象參數對空調冷負荷的影響。鴻業負荷軟件采用諧波反應法或輻射時間序列法計算冷負荷，采用穩態算法計算熱負荷，同樣也無法修改氣象參數。

       所以，這些夏季設計日逐時冷負荷計算軟件或電算表無法定量分析高層室外氣象參數對空調冷負荷的影響，因此，在本研究中采用全年逐時負荷模擬軟件DeST，并將DeST計算結果作為基準值，與電算表、鴻業軟件計算結果進行對比，得出工程常用工具計算超高層建筑空調負荷的修正方法。

       3.2 計算模型

       在DeST軟件中，建立北京中國尊大廈標準辦公層的計算模型，標準層平面如圖1所示。標準層辦公區面積為2381m²，層高為4.5m，窗墻比為0.465，外墻平均傳熱系數為0.45 W/(m².℃)，幕墻玻璃傳熱系數為1.909 W/(m².℃)，遮陽系數SC值為0.29。

       辦公房間的夏季室內設計溫度為24℃，相對濕度為50%，冬季室內設計溫度為22℃，相對濕度為35%，人員密度為10m²/人，人均新風量為50m³/h，照明和設備發熱密度分別為15W/m²和25W/m²。夏季空調開啟時間為7時至19時，冬季空調全天連續開啟。

       3.3 外溫和風速對空調負荷的影響

       為了定量分析高層外溫降低和風速增大對空調負荷的影響，在DeST中分別建立10米、100米、200米、300米、400米、500米處的辦公標準層模型。10米處取北京地區全年逐時氣象數據，在計算冬季熱負荷時，認為室內無發熱量和無太陽輻射（與穩態算法最不利工況一致）。其他高度的氣象參數根據10米處氣象數據進行修改，如表1所示。

       10米處辦公房間的全年最大冷負荷出現在7月20日，最大冷負荷為102.91 W/m2，包括房間顯熱負荷（59%）、新風顯熱負荷（13%）、新風除濕負荷（22%）和房間除濕負荷（6%）。顯熱負荷占冷負荷的絕大部分，受外溫和風速的影響。不同高度樓層的最大冷負荷如圖2所示，高度每增加100米，最大冷負荷減少約1.5%。但由于冷負荷中的除濕負荷并不變化，新風顯熱負荷只受外溫的影響，因此，主要考慮房間顯熱負荷部分。以10米處房間為基準，100米、200米、300米、400米、500米房間顯熱負荷減小比例分別為-1.6%、-2.6%、-3.4%、-4.2%、-5.0%。隨著高度增加，風速的增加幅度減小，室外氣象參數對房間顯熱負荷的影響越來越小。

       10米處辦公房間的全年最大熱負荷出現在1月19日，最大熱負荷為95.46W/m2，包括房間顯熱負荷（14%）、新風顯熱負荷（64%）、加濕負荷（22%），房間顯熱負荷所占比例很低。不同高度樓層的最大熱負荷如圖3所示，高度每增加100米，最大熱負荷增加約1.4%。但由于加濕負荷并不變化，新風顯熱負荷只受外溫的影響。以10米處房間為基準，100米、200米、300米、400米、500米房間顯熱負荷增加比例分別為4.2%、6.7%、8.9%、11.1%、13.0%。隨著高度增加，風速的增加幅度減小，室外氣象參數對房間顯熱負荷的影響越來越小。

       所以，受外溫和風速的影響，與10米處辦公樓層相比，500米處房間的總冷負荷減少7.8%，其中房間顯熱負荷減少5.0%，總熱負荷增加7.1%，其中圍護結構熱負荷增加13.0%。

       3.4 三種工具計算結果對比

       DeST計算全年逐時空調負荷，電算表和鴻業軟件僅計算設計日逐時負荷。為了對比三種工具的計算結果，需要選擇DeST某一天計算結果，并且這一天的氣象參數應盡可能與設計日一致。7月20日下午15時室外空氣干球溫度達到最大值34.00℃，與夏季空調室外計算干球溫度33.5℃非常接近?！杜帯犯戒汣可以查得北京夏季設計日的逐時太陽總輻射照度，并與7月20日DeST逐時氣象數據對比如圖4，變化曲線基本一致，《暖規》水平面太陽輻射日平均值為333W/m²，DeST日平均值為317W/m²。所以，7月20日氣象數據與夏季設計日基本一致，選取這一天作為DeST夏季設計日，與電算表、鴻業軟件的計算結果進行對比。DeST冬季設計日選取1月15日，最低溫度為-9.6℃。

       三種工具的房間逐時冷負荷（僅為房間顯熱負荷部分，不包括新風負荷和除濕負荷）如圖5所示。電算表、鴻業、DeST的最大冷負荷分別為57.5W/m²、59.2W/m²、61.2 W/m²。DeST采用間歇空調模式，由于夜間蓄熱的影響，空調開啟時刻的冷負荷為56.3W/m2，非常接近最大冷負荷。其他兩種工具是基于連續空調工況，上午7時的空調冷負荷較小。

       三種工具的圍護結構熱負荷如圖6所示，其中電算表和鴻業軟件采用穩態算法，設計熱負荷為15.1 W/m²。DeST計算兩種工況，一種工況是考慮太陽輻射，另一種工況是不考慮太陽輻射。DeST考慮房間蓄熱，因此兩種工況的最大熱負荷都小于穩態結果。

       匯總三種工具的負荷結果如表2所示，以DeST計算結果為基準，電算表和鴻業軟件計算的房間冷負荷分別偏低6%和3%，圍護結構熱負荷偏高24%。

       雖然三種計算工具的輸入參數基本一致，且DeST室外太陽輻射強度略微偏小，但電算表和鴻業軟件計算的房間冷負荷偏小，所以，這是由于三種工具計算方法差異造成的。電算法是基于冷負荷系數簡化計算方法，這一方法是根據典型房間、典型構造給出一系列的空調冷負荷計算系數，用來計算超高層建筑冷負荷存在一定的偏差。這是因為超高層建筑具有大窗墻比和輕型外圍護結構的特點，并且外墻和外窗占圍護結構的絕大部分，輻射負荷比例比普通建筑更高。計算案例中的中國尊大廈，窗墻比為0.465，幕墻玻璃遮陽系SC值為0.29，遠好于建筑節能標準的限值，大部分超高層建筑的窗墻比會達到0.7左右，電算表計算的冷負荷偏差會更大，如表3所示。

4 結論

       （1）超高層建筑空調負荷計算需要同時考慮室外氣象參數和超高層建筑自身特性（輕型外圍護結構、大窗墻比）的影響。

       （2）隨著高度增加，外溫降低，風速增加，空調冷負荷減小，空調熱負荷增加。以北京中國尊大廈為例，與近地面處相比，500米高層房間的最大冷負荷減小7.8%，其中房間顯熱負荷減小5.0%；最大熱負荷增加7.1%，其中圍護結構熱負荷增加13.0%。

       （3）冷負荷系數簡化計算方法是根據典型房間、典型構造給出一系列的空調冷負荷計算系數，由于超高層建筑構造的特殊性，用來計算超高層建筑冷負荷存在一定的偏差。在北京中國尊大廈中，電算表計算的房間最大冷負荷偏低6%，當窗墻比達到0.7時，偏差達到9%。

       （4）綜合考慮室外氣象參數和超高層建筑特點，用電算表（或鴻業軟件）計算夏季設計日逐時冷負荷（房間負荷和新風負荷）時，建議不對室外氣象參數進行修正，當窗墻比大于0.5時，建議用全年逐時負荷計算軟件進行校核；用電算表（或鴻業軟件）計算冬季設計熱負荷時，由于圍護結構熱負荷占總熱負荷的比例很低，而且穩態算法保險系數高，計算圍護結構熱負荷可以不對室外氣象參數進行修改，計算新風負荷應該對外溫進行修正。

參考文獻

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       備注：本文收錄于第21屆暖通空調制冷學術年會（2018年10月23～27日，中國·三門峽）論文集。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。