摘要：以不同的气候条件、不同的新风方式、分内外区与否为三类基本不同条件，用正交表安排剩余因素并用DOE-2软件进行模拟计算，得出高层办公建筑空调系统设计冷负荷与全年耗冷量的统计估算指标：哈尔滨、北京、上海三城市的设计冷负荷统计估算值分别为138.3W/m2, 143.9W/m2, 161.4W/m2；焓控新风方式下全年耗冷量统计估算值分别为79.5kWh/(m2•a)，114.5kWh/(m2•a)，134.0kWh/(m2•a)。分内外区设置空调系统及采用焓控新风方式最为节能。
关键词：高层办公建筑 设计冷负荷 全年耗冷量 模拟分析 新风方式 内外区
现代高层办公楼在某些方面有许多不同于传统建筑的特点：窗面积与外墙面积的比值高；使用新型的墙体材料与玻璃；内部照明、设备的散热量大；一般有周边区与内区之分等。这些都影响着空调负荷的大小和特性。
高层办公建筑最常见的平面布局为中央型核心式布局[1]（核心式是指把楼梯间、电梯间及前室、卫生间、开水间等这些交通枢纽和必要的公共服务房间集中到一起；中央型是指核心部位位于标准层的中部），本文运用建筑能耗分析软件DOE-2[2]对哈尔滨、北京、上海（可代表三个建筑热工分区）三城市的此类高层办公建筑空调系统设计冷负荷与全年耗冷量进行模拟与分析。考虑到高层建筑的主体是标准层，本文近似建筑的各层功能与办公标准层相同。
1.1 基本条件
城市不同（代表不同的建筑热工分区）、过渡季新风方式不同（对过渡季负荷产生重大影响），设计冷负荷与全年耗冷量的计算结果就会不同。故将以不同的城市、不同的过渡季新风方式为两类基本不同条件。
为简化起见，只研究标准层形状为方形的情形，标准层方位取正S-N或正E-W。当标准层面积较大时，把标准层分为四周型外区与内区，内外区分用两套空调系统；当标准层面积较小时不分内外区、只用一套空调系统。是否分区也作为一类基本不同条件提出来。
1.2 正交表安排与水平取值
由于正交试验方法[3]具有优选安排模拟、减少模拟次数、简化分析过程、提高分析可靠性等优点，本文将用其来安排模拟试验。
在正交试验中欲考察的因素称为因子；每个因子在考察范围内分成若干个等级，将等级称为水平，在正交表中用“1”、“2”等数字表示。
剩下与负荷（直接地是与逐时负荷）有关的因素共11个：墙类型、窗类型、室温、人员密度、灯光散热、设备散热、新风指标、层高、窗墙比、标准层面积、进深（分内外区时）。
本文取各因子等水平数2。因为不作方差分析，故不考虑交互作用，各单因子安排可随机。正交试验安排及水平取值见表1、表2。
表1 正交模拟安排L12(211)
| 试验号 | 墙类型 | 窗类型 | 室内温度 | 人员密度 | 灯光散热 | 设备散热 | 新风指标 | 层高 | 窗墙比 | 标准层面积 | 进深 |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 2 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| 3 | 1 | 1 | 2 | 2 | 2 | 1 | 1 | 1 | 2 | 2 | 2 |
| 4 | 1 | 2 | 1 | 2 | 2 | 1 | 2 | 2 | 1 | 1 | 2 |
| 5 | 1 | 2 | 2 | 1 | 2 | 2 | 1 | 2 | 1 | 2 | 1 |
| 6 | 1 | 2 | 2 | 2 | 1 | 2 | 2 | 1 | 2 | 1 | 1 |
| 7 | 2 | 1 | 2 | 2 | 1 | 1 | 2 | 2 | 1 | 2 | 1 |
| 8 | 2 | 1 | 2 | 1 | 2 | 2 | 2 | 1 | 1 | 1 | 2 |
| 9 | 2 | 1 | 1 | 2 | 2 | 2 | 1 | 2 | 2 | 1 | 1 |
| 10 | 2 | 2 | 2 | 1 | 1 | 1 | 1 | 2 | 2 | 1 | 2 |
| 11 | 2 | 2 | 1 | 2 | 1 | 2 | 1 | 1 | 1 | 2 | 2 |
| 12 | 2 | 2 | 1 | 1 | 2 | 1 | 2 | 1 | 2 | 2 | 1 |
| 注：分内外区（大标准层面积）时完全套用本表；不分内外区（小标准层面积）时无进深，第11列置空。 | |||||||||||
表2 正交模拟因子与其他因素取值
| 因子 | 水平1 | 水平2 | ||
| 墙类型 | 哈尔滨 | 300mm厚页岩陶粒空心砌块，外贴120厚实心砖，K=0.83W/(m2·K) | 300mm厚页岩陶粒空心砌块，K=1.03W/(m2·K) | |
| 北京 | 300mm厚页岩陶粒空心砌块，K=1.03W/(m2·K) | 200mm厚加气混凝土，K=1.36W/(m2·K) | ||
| 上海 | 200mm厚KM非承重空心砖，孔隙率>25%，K=1.67W/(m2·K) | 240mm厚KP承重多孔砖，孔隙率<25%,K=1.91W/(m2·K) | ||
| 窗类型 | 哈尔滨北京 | 5F+12A+5L,K=1.96W/(m2·K), Cs=0.62 | 5F+12A+5F,K=3.09W/(m2·K), Cs=0.78 | |
| 上海 | 10mm镀膜热反射玻璃，K=5.45W/(m2·K)，Cs=0.49 | 6mm透明浮法玻璃，K=5.78W/(m2·K)，Cs=0.89 | ||
| 夏季设计室温 (℃) | 24 | 27 | ||
| 人员密度 (p/m2) | 0.25 | 0.125 | ||
| 灯光散热 (W/m2) | 20 | 30 | ||
| 设备散热 (W/m2) | 20 | 40 | ||
| 新风指标 (m3/p·h) | 17 | 30 | ||
| 层高 (m) | 3.2 | 4 | ||
| 窗墙比 (%) | 0.3 | 0.6 | ||
| 标准层面积(m2) | 分内外区 | 1400 | 2000 | |
| 不分内外区 | 800 | 1400 | ||
| 进深 (m) | 4 | 6 | ||
| 其他因素 | 取 值 | |||
| 标准层长宽比 | 1:1 | |||
| 标准层方位 | N-S或W-E | |||
| 非空调面积比 | 占整个标准层面积的25%，位于核心区 | |||
| 窗内外遮阳 | 无 | |||
| 冬季设计室温 (℃) | 20 | |||
| 注：5F+12A+5L表示双层中空玻璃，外层是5mm厚浮法玻璃，内层是5mm低辐射玻璃，中间是12mm的空气层；Cs是玻璃的遮挡系数 | ||||
表2中各因子（窗墙类型除外）两水平取其常见取值范围的两端值；窗墙类型取不同城市各自较常用、较具代表性的两种，“1”水平较“2”水平节能。
由于已经有了三类基本不同条件：不同城市（哈尔滨、北京、上海）、不同新风方式（定新风、焓控新风、温控新风）、内外是否分区（内区、外区）；又每次正交表需进行12次模拟，故一共要进行3×3×2×12=216次模拟，得出216组全年逐时冷负荷供处理成设计冷负荷与全年耗冷量等。
1.3 系统及相关参数的选定
本文的模拟与分析针对普通集中式定风量一次回风空调系统进行。对于高层办公建筑这样的舒适性空调，该系统一般采取变露点送风（保证室内干球温度控制精度而不保证室内相对湿度）的方法来适应热湿负荷的变化。考虑到冷水机组的冷冻水的温度一般为7/12℃，简化地设定空调系统最小允许送风温度为14℃。空调系统开机时间为非节假日的8:00~18:00。
空调系统模拟结果见表3至表5。表中还给出了参考用理论峰值冷负荷。实际设计冷负荷首先按理论峰值冷负荷的90%取，若在此条件下，全年不保证时数超过50小时，则按全年不保证50小时取[4]。全年耗冷量是对应实际设计冷负荷的统计值，同时还统计出了空调系统全年的需供冷小时数。
表3 哈尔滨分内外区/不分内外区空调系统模拟结果
| 试 验 号 | 全年耗冷量 | 实际设计冷负荷 | 理论峰值冷负荷 | 供冷时数 | ||||
| （kWh/·m2·a） | （W/m2） | （W/m2） | （h/a） | |||||
| 定新风 | 焓控新风 | 温控新风 | 各种新风方式 | 各种新风方式 | 定新风 | 焓控新风 | 温控新风 | |
| 1 | 104/106 | 69/74 | 72/77 | 118.0/124.5 | 131.1/138.3 | 2383/1618 | 1197/1085 | 1197/1085 |
| 2 | 143/150 | 102/108 | 106/113 | 181.1/188.8 | 201.2/209.8 | 1815/1605 | 1197/1087 | 1197/1087 |
| 3 | 120/117 | 60/64 | 67/71 | 99.6/105.2 | 110.7/116.4 | 2610/1942 | 1198/1053 | 1198/1053 |
| 4 | 108 /111 | 72/78 | 76/83 | 119.2/128.8 | 132.4/143.1 | 2580/1556 | 1198/1046 | 1198/1046 |
| 5 | 154/141 | 80/83 | 87/91 | 142.2/146.2 | 158.0/162.5 | 2610/1742 | 1198/1067 | 1198/1067 |
| 6 | 131/132 | 74/81 | 80/90 | 134.3/147.4 | 149.2/163.7 | 2610/1552 | 1198/978 | 1198/978 |
| 7 | 73/73 | 48/50 | 51/54 | 94.6/98.4 | 105.2/109.3 | 2095/1460 | 1198/1008 | 1198/1008 |
| 8 | 120/123 | 82/84 | 87/90 | 161.2/167.0 | 179.1/185.5 | 1866/1550 | 1198/1074 | 1198/1074 |
| 9 | 185/181 | 97/106 | 104/115 | 137.6/151.3 | 152.0/168.1 | 2610/2066 | 1197/1067 | 1197/1067 |
| 10 | 117/128 | 73/81 | 78/87 | 144.9/162.0 | 161.0/180.0 | 2220/1446 | 1198/941 | 1198/941 |
| 11 | 135/128 | 73/76 | 78/81 | 105.8/109.4 | 116.2/120.5 | 2610/2056 | 1197/1089 | 1197/1089 |
| 12 | 124/131 | 92/98 | 95/102 | 171.7/180.3 | 190.8/200.3 | 1689/1531 | 1198/1069 | 1198/1069 |
| 平均 | 126/127 | 77/82 | 82/88 | 134.2/142.4 | 148.9/158.1 | 2308/1677 | 1198/1047 | 1198/1047 |
表4 北京分内外区/不分内外区空调系统模拟结果
| 试 验 号 | 全年耗冷量 | 实际设计冷负荷 | 理论峰值冷负荷 | 供冷时数 | ||||
| （kWh/·m2·a） | （W/m2） | （W/m2） | （h/a） | |||||
| 定新风 | 焓控新风 | 温控新风 | 各种新风方式 | 各种新风方式 | 定新风 | 焓控新风 | 温控新风 | |
| 1 | 140/141 | 101/107 | 106/112 | 122.7/129.8 | 136.3/144.2 | 2610/2016 | 1506/1340 | 1506/1340 |
| 2 | 195/204 | 148/155 | 153/161 | 186.5/194.8 | 207.2/216.4 | 2503/2060 | 1506/1356 | 1506/1356 |
| 3 | 149/153 | 87/91 | 98/103 | 103.1/108.7 | 113.2/119.1 | 2610/2382 | 1512/1291 | 1512/1291 |
| 4 | 141/144 | 103/110 | 108/115 | 123.9/134.2 | 137.6/149.1 | 2610/1903 | 1510/1286 | 1510/1286 |
| 5 | 191/187 | 119/123 | 132/138 | 146.7/151.5 | 163.0/168.2 | 2610/2251 | 1512/1299 | 1512/1299 |
| 6 | 165/170 | 106/115 | 117/127 | 137.3/151.1 | 152.6/167.9 | 2610/1961 | 1511/1219 | 1511/1219 |
| 7 | 98/97 | 71/74 | 76/81 | 99.6/104.5 | 110.6/116.1 | 2596/1689 | 1512/1207 | 1512/1207 |
| 8 | 165/166 | 123/127 | 134/138 | 167.9/175.1 | 186.5/194.6 | 2537/1825 | 1512/1286 | 1512/1286 |
| 9 | 221/230 | 132/143 | 141/151 | 143.5/159.1 | 155.6/172.2 | 2610/2366 | 1506/1304 | 1506/1304 |
| 10 | 151/162 | 106/116 | 113/123 | 150.6/168.8 | 167.3/187.5 | 2609/1704 | 1511/1142 | 1511/1142 |
| 11 | 164/164 | 102/106 | 110/112 | 111.8/115.8 | 121.9/127.2 | 2610/2381 | 1505/1329 | 1505/1329 |
| 12 | 169/179 | 134/143 | 138/146 | 178.2/188.2 | 198.0/209.1 | 2296/1855 | 1510/1308 | 1510/1308 |
| 平均 | 162/166 | 111/118 | 119/126 | 139.3/148.5 | 154.2/164.3 | 2568/2033 | 1509/1281 | 1509/1281 |
| 试 验 号 | 全年耗冷量 | 实际设计冷负荷 | 理论峰值冷负荷 | 供冷时数 | ||||
| （kWh/·m2·a） | （W/m2） | （W/m2） | （h/a） | |||||
| 定新风 | 焓控新风 | 温控新风 | 各种新风方式 | 各种新风方式 | 定新风 | 焓控新风 | 温控新风 | |
| 1 | 154/145 | 124/126 | 127/129 | 139.3/147.5 | 154.8/163.9 | 2610/1764 | 1737/1379 | 1737/1379 |
| 2 | 207/201 | 177/179 | 181/183 | 209.8/222.4 | 233.1/247.1 | 2610/1731 | 1737/1374 | 1737/1374 |
| 3 | 124/110 | 90/89 | 100/96 | 107.8/113.3 | 115.8/122.2 | 2610/1654 | 1738/1214 | 1738/1214 |
| 4 | 154/153 | 127/133 | 131/137 | 142.8/156.1 | 158.7/172.3 | 2610/1761 | 1738/1339 | 1738/1339 |
| 5 | 208/192 | 148/148 | 163/160 | 164.8/173.0 | 180.3/192.2 | 2610/2007 | 1738/1353 | 1738/1353 |
| 6 | 169/159 | 127/131 | 138/138 | 153.7/170.4 | 168.5/184.3 | 2610/1669 | 1738/1211 | 1738/1211 |
| 7 | 107/94 | 85/83 | 91/87 | 110.5/118.2 | 122.8/131.3 | 2610/1433 | 1738/1161 | 1738/1161 |
| 8 | 187/178 | 155/154 | 165/162 | 196.4/204.2 | 218.2/226.9 | 2610/1693 | 1738/1319 | 1738/1319 |
| 9 | 192/171 | 139/143 | 148/149 | 148.5/163.8 | 157.1/172.7 | 2610/1813 | 1737/1313 | 1737/1313 |
| 10 | 155/157 | 125/131 | 132/137 | 167.5/188.2 | 184.2/204.7 | 2610/1476 | 1738/1114 | 1738/1114 |
| 11 | 171/165 | 123/125 | 131/132 | 123.0/128.8 | 131.1/137.1 | 2610/2269 | 1737/1448 | 1737/1448 |
| 12 | 204/204 | 174/180 | 177/183 | 204.7/220.0 | 227.4/244.5 | 2607/1810 | 1737/1395 | 1737/1395 |
| 平均 | 169/161 | 133/135 | 140/141 | 155.7/167.2 | 171.0/183.3 | 2610/1757 | 1738/1302 | 1738/1302 |
表3~表5中的模拟结果可供统计分析，同时，还可供工程设计参考之用。
将各城市分内外区与否对应的两个多算例的平均“设计冷负荷”再作平均，所得数值就是某城市的设计冷负荷的统计估算值，哈尔滨、北京、上海三城市分别为138.3W/m2，143.9W/m2，161.4W/m2。焓控新风方式下全年耗冷量统计估算值分别为79.5kWh/(m2·a)，114.5kWh/(m2·a)，134.0kWh/(m2·a)。
需要指出的是：全年耗冷量、设计冷负荷、峰值冷负荷这三个指标是按单位空调面积给出的，若要改用单位建筑面积给出，由于本文设定的非空调面积比为25%，则以上三个指标都要乘以系数0.75。
表中给出的各项指标是在理想的设定下得出的，实际运行管理中较少符合这种理想设定。具体应用时要根据专业知识对报表的有关指标酌情作一些变动。如模拟计算时，设定人员密度、照明散热量、设备散热量在工作时间内不随时间变化、保持稳定，实际使用中是有较大变动的；模拟计算时设定100%使用空调面积，实际上空调空间的使用率（或出租率）不可能一直维持在100%；模拟计算时设定工作时间内空调系统总是开机，总是保证设定的最小新风量，实际使用中业主很可能为了减少运行费用而少开机、关小新风阀。考虑到空调空间的出租率、空调系统的开机率这两个影响较大的因素，一般来说模拟指标要作相应处理后应用。
本文的正交试验设计中，对于分内外区与不分内外区两种情况，除了建筑面积不一致外，相同试验号的其他共有因素的取值完全一致，故我们可对是否分内外区的影响进行分析。同理我们也将对地区、新风方式对模拟结果的影响进行分析。
剩下的影响负荷的11个因素是作为因子安排在正交表中的；这些因素各自的影响程度可通过设计更多次数的、且考虑交互作用的正交表来模拟计算，最后对模拟结果进行正交方差分析考察得出；限于篇幅，本文不作研究。
3.1 分内外区的影响
由模拟结果可知，各城市分内外区时的供冷时数都大于不分内外区的数值，这是因为分内外区设置空调系统时，当外区在过渡季已不需供冷时，内区一般仍需较长时间的小负荷供冷。
各城市不分内外区的设计冷负荷（或峰值冷负荷）都大于分内外区的数值，这是因为标准层面积较小的建筑不分内外区，因此围护结构负荷占总负荷的比例较大。
各城市是否分内外区时的全年耗冷量大小没有规律。从耗冷量最小的焓控新风方式来看，分内外区时的全年耗冷量总体上要少一些。
3.2 气候条件的影响
由于气候条件的不同，3城市在相同试验条件下得到的结果也不同，计算其之比（不同城市的供冷时数之比意义不大，不考虑），再把12个试验的模拟结果之比作平均（不同于对表3~表5中列出的“平均”项再作有关比值处理，下同），所得的结果具有统计性、代表性，可使设计人员对城市（可代表不同建筑热工分区）间差异有一个宏观上的数量概念，见表6。
表6 不同城市空调系统模拟结果平均比值
| 全年耗冷量之比 | 设计冷负荷之比 | 峰值冷负荷之比 | ||||
| 定新风 | 焓控新风 | 温控新风 | 各种新风方式 | 各种新风方式 | ||
| 分内外区 | 北京/哈尔滨 | 129% | 145% | 145% | 104% | 104% |
| 上海/哈尔滨 | 136% | 173% | 172% | 116% | 114% | |
| 不分内外区 | 北京/哈尔滨 | 132% | 144% | 143% | 104% | 104% |
| 上海/哈尔滨 | 128% | 165% | 161% | 117% | 116% | |
3.3 新风方式的影响
由模拟结果可知，各种新风方式下的设计冷负荷或峰值冷负荷是完全相同的。这是因为新风方式不同主要影响过渡季负荷，而设计冷负荷或峰值冷负荷一般都发生在最热月。焓控和温控两种新风方式下的全年供冷时数几乎完全相同，而且这两种新风方式下的供冷时数都比定新风方式下的供冷时数少得多。
与气候条件的影响一样，可求出不同新风方式下模拟结果平均比值，见表7。
表7 不同新风方式下模拟结果平均比值
| 城市 | 分内外区空调系统 | 不分内外区空调系统 | ||||||
| 全年耗冷量之比 | 供冷时数之比 | 全年耗冷量之比 | 供冷时数之比 | |||||
| 焓/定 | 温/定 | 焓/定 | 温/定 | 焓/定 | 温/定 | 焓/定 | 温/定 | |
| 哈尔滨 | 61.7% | 65.6% | 53.2% | 53.2% | 64.9% | 69.7% | 63.2% | 63.2% |
| 北京 | 68.6% | 73.5% | 58.9% | 58.9% | 70.9% | 75.9% | 63.7% | 63.6% |
| 上海 | 78.4% | 82.9% | 66.6% | 66.6% | 84.1% | 87.8% | 74.6% | 74.5% |
| 注：“焓”、“温”、“定”分别指“焓控新风”、“温控新风”、“定新风” | ||||||||
考察表7，可以进一步得出以下结论：
①定新风方式下的全年耗冷量最大，而焓控新风要略小于温控新风，说明焓控新风方式最为节能。
②与不分内外区相比，分内外区的空调系统在过渡季大量使用新风更能减少耗冷量与供冷时数。
③采用焓控新风与温控新风时，哈尔滨空调系统全年耗冷量、供冷时数减小得最多，而上海则最少。
本文对高层办公建筑空调设计冷负荷与全年耗冷量等进行了模拟分析，得到了如下结论。
①哈尔滨、北京、上海三城市的设计冷负荷统计估算值分别为138.3W/m2, 143.9W/m2, 161.4W/m2；焓控新风方式下全年耗冷量统计估算值分别为79.5kWh/(m2·a)，114.5kWh/(m2·a)，134.0kWh/(m2·a)。
②分内外区与采用不同的新风控制方式对设计冷负荷与全年耗冷量的影响是：
（a）分内外区时供冷时数大于不分内外区时的，设计冷负荷小于不分内外区时的；
（b）定新风方式下全年耗冷量比全新风方式（焓控、温控）时大很多；焓控新风方式最为节能；
（c）分内外区的空调系统在过渡季大量使用新风较不分内外区系统更能减少耗冷量与供冷时数；
（d）与采用定新风相比，采用焓控新风与温控新风时，在哈尔滨、北京、上海三城市中，哈尔滨空调系统全年耗冷量、供冷时数减小得最多，而上海则最少。
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