浅析空调设计精算和估算问题

浅析空调设计精算和估算问题北京建筑工程学院刘晓满赵静野摘要：设计和配置最佳的空调系统，是最根本的降低空调系统能耗的手段，空调设计计算是空调工程的基础。一些空调设计人员常采用粗略估算的方法进行设计计算，导致空调系统容量配置与建筑物的实际负荷相差较大。不符合建筑的空调设备会使初投资、运行费用、能耗增加，也会直接影响建筑房间的温湿度及舒适度要求。本文结合实例，说明建筑物冷、热负荷准确计算的重要性，并且提出严格按照规范，结合理论和实际，合理运用估算手段，设计、配置和检测与建筑负荷相匹配的空调系统的建议。关键词：空调负荷；精算；估算AnalysisoftheactuarialandestimatedinHVACBeijingInstituteofCivilEngineeringandArchitectureXiaomanLiuJingyeZhaoAbstract：Designandconfigurationofbestsystemisthemostfundamentalmeansofreducingenergyconsumptionofair-conditioningsystems,andcalculationsarethebasisofair-conditioningworks.Someair-conditioningdesignersoftenusedaroughmethodofestimatingthedesignload,whichleadstoalargerdifferencebetweentheactualloadofthebuildingandthecapacityofair-conditioningsystem.Air-conditioningsystems,non-compliancewithbuilding,maketheinitialinvestment,runningcostsandenergy-consumptionincreased,aswellasaffecttemperature,humidityandcomfortrequirements.Thispapersetsexamplestoillustratetheimportanceofaccuratecalculationofthebuildingloadandmaketheproposalofcombiningwiththeoreticalandpractical,usingofestimationmethodsrationallyaccordingtospecificationsstrictly,anddesigning,settingandtestingair-conditioningsystemstomatchtoconstructionload.Keywords:air-conditioningload;actuarial;estimates1引言2010年，以低排放、低污染、低能耗为基础经济模式的“低碳经济”唱响全球，“低碳”扮演着越来越重要的角色，而“低碳暖通空调”将是暖通空调企业的战略演进。据相关统计，我国建筑能耗已经占总能耗的近30%，而在建筑能耗里，暖通空调能耗占建筑能耗的30-50％，以建筑能耗占总能耗的30％计算，暖通空调能耗占总能耗的比例竟高达22.75％，随着暖通空调更广泛的应用，能耗将进一步增大。对已确定结构的建筑而言，冷、热负荷的准确计算、设计和配置最佳的空调系统，是最根本和最重要的降低空调系统能耗的手段。如果空调系统的容量过大，则系统的初投资、运行费用和能耗都将增加；空调系统的容量过小，则房间内温湿度和舒适度的控制将无法达到设计要求，空调系统将一直处于运行状态，额外能耗和维修费用也将上升。因此，建筑物冷、热负荷的准确计算显得尤其重要，它是设计和配置与建筑负荷相匹配的空调系统的基础。据相关调查，国内的空调设计中有大量的闲置设备,而设计负荷取值过大是主要原因。在空调系统的设计及设备选型中均以最大负荷作为设计工况，而实际运行中，空调负荷是随多种因素变化的，经调查数据显示，暖通空调设备在实际运行过程中最大的负荷值仅为设备选型配置的比例为21%-70%，最小时甚至还不到设计负荷的10％，并且只有25%的工程在最大负荷运行时没有闲置机组，可见存在很大的能源浪费。2设计误区分析在暖通空调设计中，设计计算作为设计的基础，应当严格按照规范要求进行，得出严密而切合实际要求的结果，避免因纯主观的不合理的概略估算设计，而当前设计中往往出现一些设计的误区。当前普遍存在一个现象就是设计工期短，许多设计人员为了节省时间，错误地利用设计手册中提供的方案设计，或者采用初步设计中建筑面积冷热负荷的估算指标，直接作为施工图设计阶段确定冷热设备的依据，由此将会导致空调系统容量配置与建筑物的实际负荷相差较大，从而导致空调设备的选型参数偏大，进而导致初投资增高，运行费用增加，能量消耗增加。《设计深度规范》中关于采暖通风与空气调节的相关条文显示，初步设计应有设计说明书（除小型、简单工程外），应包括计算书、设计图纸、设备明细表。然而，部分工程设计没有暖通空调设计计算书。有些空调设计虽有计算书，但内容残缺不全。有的集中空调设计，仅有夏季冷负荷计算，而无空调风系统及水系统水力计算，无制冷空调设备选型计算，无防排烟计算；有的空调设计，不管房间大小、层次、朝向、所处位置均按同一指标来估算夏季空调冷负荷与冬季空调热负荷，并以此来选择和配置空调设备，这些设计都是不妥当的。有些传统的空调负荷计算方法,不论是求围护结构的墙壁或门窗负荷,其计算结果均是针对某一具体房间而言,而一个空调系统通常是为一栋建筑或多栋建筑物的许多个房间服务的，由于各房间的朝向、位置、功能及其内部热源等情况的不同造成的最大负荷出现的时间并不相同，简单地将各房间最大负荷进行叠加必然造成空调系统装机容量过大。因此空调系统的总装机冷量并不是所有空调房间最大负荷的叠加，建筑冷负荷的最大值应为每个房间逐时负荷叠加的最大值。此外，为了提高设计效率和计算准确度，一些暖通空调设计计算软件不断更新,并得到设计人员的广泛运用，例如：鸿业暖通、天正暖通等。而部分设计人员并不清楚这些设计软件的运行原理，在进行大工程的设计中，建筑物功能的不同，空调房间的功能、尺寸、电器设备、人员活动等的不同，频繁地参数输入和变更，使得设计人员不易察觉错误，而局部的错误更不易查找出来，从而导致设计的不准确。有相关人员分别用计算软件和手算（均以冷负荷系数法）两种方法对一空调房间进行计算和对比，结果显示软件计算结果偏小，而两者结果同时又小于采用负荷指标计算的值。所以我们必须对此给予足够的重视,使设计负荷的确定更加合理正确。本文对乌鲁木齐市的部分设计研究院、教学机构、安装设计公司做了调查分析和记录，调查采用现场咨询和问卷的形式。经过分析对比可知，各种性质的单位对空调负荷设计计算的态度不统一，其工作重点不同。教学机构重在设计原理和过程的掌握，老师会具体教授各种计算方法，并要求学生进行详细的计算；设计研究院重在空调系统的设计和理论分析，设计人员重视负荷的计算值，一般都采用相关软件进行计算，并进行局部房间的校核对证；空调公司重在工程量和经济效益，工作人员一般都采用经验值进行空调房间的负荷估算、设备的选型估算、系统管道的管径估算，在此过程中进行多次修正值的放大计算，最终能达到对房间的温度要求、水系统和风系统的平衡不失调即可。而直接联系到实际建筑物的空调设计的单位是设计院和空调公司，在对设计人员的咨询和问卷中分析可知，对一特定建筑，按照软件计算所得值或者手算值与经验指标值对比，前两者一般都小于后者，考虑到实际运行情况的不确定性，通常要保证最不利情况下空调的工作工况，所以，经过多次设计分析，均采用放大的值，以确保实际运行工况。由此造成的初投资、运行费用和多余能耗相对于工程的正常运行是次要的部分，往往甲方对系统具体的能耗预测和分析也是不够重视的。机构名称采用办法比例1教育机构精算和估算0.322设计研究院精算和估算0.483空调公司估算0.93（上表分别以三种性质的机构各5家为调查对象，比例为估算在实际运用中的比例）3精算和估算过程分析精算主要是指依靠数学运算符号，按照一定的演算步骤，遵循一定的运算规则，得到“准确”的结果或“比较精确”的近似值；估算，是利用一些估算策略，通过观察、比较、判断、推理等计算过程，获得一种概略化的结果，即“大致推算”。在空调设计中，冷热负荷和设备选型参数的精算和估算都用到了很多系数进行修正，而这些系数的修正过程的实质都是对计算值进行的估测，即表现形式均为近似结果，目的是为了使计算值更贴合空调房间的实际负荷的真值。对精算和估算进行区分和比较，是为了更进一步强调准确计算的重要性，它直接影响设备的选型和房间环境是否达到设计要求。3.1空调设计精算过程完整的空调制冷工程计算应包括以下内容：回顾空调负荷计算的发展历史,经历了从稳态计算到周期作用下的不稳态计算,又到新时期的动态负荷计算时期,后来各国专家学者结合新时期负荷计算发展的特点,创建了谐波反应法、反应系数法、传递函数法（TFM）、温差时均法（TETD/TA）和冷负荷温差法（CLTD/CLF），辐射时间序列法也运用到实际理论计算当中。3.2设计负荷估算过程在实际的工程方案设计或初步设计阶段中，计算冷负荷要求考虑的因素很多，计算过程较复杂时。考虑到成本、进度等因素，在方案设计或初步设计阶段可使用负荷指标进行必要的估算，但只能根据已经运行的同类型空调建筑是设计负荷指标来估算所需的空调负荷。估算负荷还应用到工程检验当中，工程人员或设计人员可通过一座建筑的建筑面积、建筑功能、建筑结构等分析，进行室内冷热负荷的估算，进而估算空调系统负荷，检验设备选型是否合理。相应的有简单估计法、单位面积估计法、单个房间负荷估算法。常用的为单位面积估算法，可根据建筑物功能或单个房间功能、建筑面积和相应的修正系数简要计算负荷值。下面简要介绍估算负荷过程：1）根据各种类型房间负荷估算推荐表对单个房间进行负荷估算；空调房间围护结果夏季和冬季的冷热负荷计算（冷负荷按逐时计算）空调房间人体、照明、设备的散热、散湿量及新风负荷计算空调、制冷系统的冷水机组，冷热水泵、冷却水泵、冷却塔、水箱、水池、空调机组、消声器等设备的选型计算必要的气流组织设计与计算风系统阻力计算空调冷热水、冷却水系统的水力计算负荷估算单个房间估算负荷Qi空调系统负荷Q2建筑总负荷Q12）将所有房间负荷累加起来，得出建筑物总负荷Q1；3）用总负荷Q1乘以一个同时使用系数得出空调系统负荷Q2；然后根据空调系统负荷进行设备的选型计算，可查阅相应的选型手册。4负荷计算实例分析下面是空调设计中，对一具体房间的负荷的估算和精算过程及结果进行对比：实例：设计地点为北京，房间为一休息厅，位于顶层,下部房间为空调房间，外墙为粉煤灰砌块，东西宽16.4m，南北长22.2m,使用面积为380m2、层高4.9m、北向为邻近走道的内墙，东西向各有六扇2400*2400的铝合金窗，南向为无窗外墙，冷负荷系数法计算：照明指标：20W；人员：75人；人体热指标：407W；设备：四台电视：指标：200W。采用风机盘管加独立新风系统，风机盘管承担室内部分显热负荷，计算冷负荷为：69212w，选12台FP-12.5风机盘管。新风承担室内部分显热负荷和全部湿负荷，新风指标为：30m3/人。计算得新风负荷为：30000W。总冷负荷为：99212W；冷负荷指标：261W/m2，其中新风79W/m2。估算过程：房间为休息厅，按照陆耀庆主编的《实用供热空调设计手册》中关于观众休息厅（允许吸烟）规定，冷负荷指标为300～400W/m2,选取值300W/m2，可得计算结果为114000W，再取同时使用系数为0.89，可得总负荷101460W。上述两种对比中，精确计算和估算之间的差值为2248W，在设备选型中，估算方案需要多设置一台FP-12.5风机盘管，冷媒流量需增加0.5m3/h，由此得出相应的系统压力降也