安徽建筑大學(xué) 郭崢，程海峰，張舉，胡寧
引言
觀演建筑是一個綜合性的藝術(shù)場所，也是觀眾和演員停留和活動的場所，主體由觀眾廳和舞臺區(qū)組成。其特點是觀眾廳面積大、整體空間高、人員多而集中，并且有復(fù)雜的布景和燈具，因而給其空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計帶來一系列復(fù)雜問題［1］，而且為了適應(yīng)不同藝術(shù)、不同季節(jié)的使用需要，其空調(diào)系統(tǒng)還需做相應(yīng)的不同功能轉(zhuǎn)換。
傳統(tǒng)的設(shè)計方法往往根據(jù)計算出的峰值負荷確定主機容量和系統(tǒng)配置，這樣勢必造成資源浪費、運行能耗高。本文采用動態(tài)負荷分析方法分析建筑物內(nèi)各種不同室內(nèi)工況下的負荷分布狀態(tài)，找出其有效穩(wěn)定的負荷基數(shù)，以此作為空調(diào)設(shè)備選配依據(jù)，指導(dǎo)空調(diào)運行方案制定。
負荷基數(shù)指建筑物在不同室內(nèi)外工況、不同負荷時段下的常年穩(wěn)定負荷區(qū)間，該區(qū)間同時還應(yīng)滿足制冷機組的高效運行域。以負荷計算為基礎(chǔ)，通過負荷分析找出建筑物所需負荷
基數(shù)的方法稱為負荷基數(shù)法。負荷基數(shù)法能夠客觀的反映建筑內(nèi)各種工況下的負荷分布狀態(tài)，對一些常年存在建筑內(nèi)熱的建筑、功能復(fù)雜建筑的主機選配、節(jié)能運行、降低造價，有著十分顯著的作用。筆者采用負荷基數(shù)法對合肥某綜合性演藝場館進行了負荷分析，取得了一些有益的成果和經(jīng)驗。
1 采用負荷基數(shù)法進行建筑物暖通空調(diào)負荷分析
以合肥市某觀演建筑為例，該項目建筑面積20248m2，地下一層，地上五層。負一層為公共設(shè)備用房、演職員準(zhǔn)備間；一層為門廳、入場等候區(qū)與峰值人員1000人的大型秀場及升降舞臺區(qū)；二層為秀場貴賓包間；三層為演藝職員餐廳，燈光音響設(shè)備層及酒吧包廂；四、五層為大型餐廳及包間。采用負荷基數(shù)法對一層大型秀場及其與之功能相關(guān)聯(lián)的區(qū)域進行負荷分析，不包括三層酒吧包廂及四，五層餐飲，結(jié)果如下。
1.1 設(shè)定負荷計算與負荷分析的邊界條件
空調(diào)室外設(shè)計參數(shù)見表1，室內(nèi)典型工況下參數(shù)見表2，其它工況下室內(nèi)參數(shù)分別在各種工況中介紹。
表1 室外空調(diào)負荷計算參數(shù)
大氣壓 | 干球溫 | 濕球溫 | 相對濕度 | 平均風(fēng)速 | |
夏季 | 100090 | 35 | 28.2 | / | 2.6 |
冬季 | 102230 | -7 | / | 75% | 2.5 |
表2 典型工況下室內(nèi)空調(diào)設(shè)計參數(shù)
設(shè)計溫度（℃） | 相對濕度 | 新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn) | 人員密度 | 設(shè)備夾層指標(biāo) | ||
夏季 | 26 | 65% | 30m3/人.h | 舞臺，包廂0.5人/m2 | 200W/m2 | |
冬季 | 16 | / | 30m3/人.h |
1. 2 典型日各功能區(qū)的負荷計算
匯總結(jié)果如表3，逐時負荷如表4。
表3 典型工況下各功能區(qū)負荷匯總
建筑 | 人員 | 空調(diào) | 總冷 | 冷負荷 | 總冷 | 冷指標(biāo)W | 空調(diào)總 | 空調(diào)熱 | 空調(diào)總 | 空調(diào)熱 |
觀眾廳 | 680人 | 852 | 238.32 | 84.60 | 279.72 | 99.30 | 171.61 | -84.54 | 201.42 | -99.23 |
舞臺 | 0.50 | 216 | 64.00 | 33.78 | 296.30 | 156.39 | 14.09 | -36.50 | 65.23 | -168.98 |
包廂 | 0.5 | 346 | 84.88 | 31.4 | 245.32 | 90.75 | 36.32 | -26.07 | 104.97 | -75.35 |
員工區(qū)域 | 0.2 | 290 | 31.70 | 15.4 | 109.31 | 53.10 | 31.6 | 2.59 | 108.97 | 8.93 |
西餐廚房 | 0.15 | 390 | 35.00 | 18.6 | 89.74 | 47.69 | 32.00 | 2.18 | 82.05 | 5.59 |
設(shè)備夾層 | 10人 | 663 | 144.25 | 141.46 | 217.57 | 213.36 | -136.98 | -141.66 | -206.61 | -213.67 |
咖啡廳 | 0.6 | 617 | 142.6 | 49.05 | 231.12 | 79.50 | 107.60 | -43.70 | 174.39 | -70.83 |
小計 | / | 2757 | 740.75 | 374.29 | 268.68 | 135.76 | 256.24 | -327.70 | 92.94 | -118.86 |
表4 典型工況下各功能區(qū)逐時負荷
建筑功能 | 0:00 | 1:00 | 2:00 | 3:00 | 4:00 | 5:00 | 6:00 | 7:00 |
觀眾廳 | 216422 | 227199 | 238320 | 32275 | 22035 | 18954 | 17049 | 15669 |
舞臺 | 60115 | 62044 | 63992 | 12614 | 6659 | 4813 | 3843 | 3233 |
包廂 | 82191 | 83542 | 84879 | 50028 | 46197 | 45020 | 44256 | 43690 |
設(shè)備夾層 | 141765 | 143086 | 144249 | 37219 | 23850 | 19839 | 17379 | 15605 |
員工區(qū)域 | 29731 | 30719 | 31721 | 10273 | 8783 | 8322 | 8019 | 7793 |
咖啡廳 | 130600 | 136520 | 142607 | 22212 | 16396 | 14629 | 13507 | 12683 |
西餐廚房 | 32976 | 34005 | 35043 | 11677 | 9750 | 9154 | 8772 | 8491 |
建筑總負荷 | 693801 | 717114 | 740810 | 176298 | 133669 | 120731 | 112825 | 107164 |
續(xù)表4
建筑功能 | 8:00 | 9:00 | 10:00 | 11:00 | 12:00 | 13:00 | 14:00 | 15:00 |
觀眾廳 | 14588 | 13701 | 12955 | 12320 | 11773 | 11301 | 10891 | 10534 |
舞臺 | 2795 | 2452 | 2169 | 1927 | 1716 | 1532 | 1369 | 1225 |
包廂 | 43244 | 42880 | 42578 | 42325 | 42111 | 41930 | 41775 | 41644 |
設(shè)備夾層 | 14216 | 13076 | 12116 | 11296 | 10588 | 9975 | 9441 | 8976 |
員工區(qū)域 | 7615 | 7469 | 7349 | 7249 | 7164 | 7093 | 7033 | 6981 |
咖啡廳 | 12034 | 11503 | 11059 | 10684 | 10364 | 10089 | 9854 | 9651 |
西餐廚房 | 8271 | 8092 | 7944 | 7820 | 7716 | 7628 | 7552 | 7489 |
建筑總負荷 | 102762 | 99174 | 96171 | 93619 | 91432 | 89547 | 87916 | 86500 |
續(xù)表4
建筑功能 | 16:00 | 17:00 | 18:00 | 19:00 | 20:00 | 21:00 | 22:00 | 23:00 |
觀眾廳 | 10223 | 9951 | 179297 | 186986 | 189900 | 193905 | 199654 | 207281 |
舞臺 | 1097 | 984 | 46563 | 52213 | 54122 | 55504 | 56875 | 58411 |
包廂 | 41531 | 41434 | 72704 | 76398 | 77661 | 78720 | 79793 | 80953 |
設(shè)備夾層 | 8569 | 8212 | 115251 | 129064 | 133490 | 136344 | 138499 | 140261 |
員工區(qū)域 | 6938 | 6901 | 25214 | 26522 | 26998 | 27503 | 28120 | 28871 |
咖啡廳 | 9475 | 9323 | 109646 | 114116 | 115830 | 118122 | 121344 | 125569 |
西餐廚房 | 7434 | 7387 | 27606 | 29362 | 29985 | 30581 | 31265 | 32070 |
建筑總負荷 | 85267 | 84192 | 576281 | 614660 | 627986 | 640679 | 655549 | 673418 |
1. 3 改變邊界條件后的建筑負荷
邊界條件改變下負荷分析的各種室內(nèi)工況見表5。
表5 邊界條件改變下負荷分析的各種室內(nèi)工況
典型工況 | 新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)按30，觀眾廳按680人，舞臺及包廂人員密度全部按0.5 | ||||
室內(nèi)工況 | 只有值班 | 舞臺，觀眾廳，包廂負荷全部設(shè)為0 | |||
觀眾到場率 | 50% | 70% | 90% | 120% | |
觀眾廳新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn) | 15 | 20 | 25 | 30 | |
彩排 正常情況 | 不開音響設(shè)備 | 開50%音響設(shè)備 | 音響設(shè)備全開 | / | |
50%觀眾 | 沒有觀眾 | / | / | ||
彩排 正常情況 | 不開音響設(shè)備 | 開50%音響設(shè)備 | 音響設(shè)備全開 | / | |
50%觀眾 | 沒有觀眾 | / | / | ||
彩排 正常情況 | 不開音響設(shè)備 | 開50%音響設(shè)備 | 音響設(shè)備全開 | / | |
50%觀眾 | 沒有觀眾 | / | / | ||
室外工況按全通風(fēng)工況部分通風(fēng)兩種情況分類。在典型工況基礎(chǔ)上，按照單一邊界條件變化得到26種不同工況下的負荷，結(jié)果如下。
1.4 進行負荷分析并確定負荷基數(shù)
1.4.1負荷計算結(jié)果見表6。
表6 不同工況下負荷計算結(jié)果
運行工況 | 最大冷負荷（kW） | 出現(xiàn)時間 | 最小冷負荷 | 出現(xiàn)時間 | 冬季熱負荷含新風(fēng)（kW） | 冬季熱負荷不含新風(fēng)（kW） | ||
典型工況 | 1典型工況 | 740 | 2:00 | 84.19 | 17:00 | 256.24 | -327.70 | |
值班工況 | 2值班工況 | 4.2 | 7:00 | 3.7 | 19:00 | 2.18 | 0 | |
觀眾人員數(shù)量變化 | 3觀眾到場率50% | 633.5 | 2:00 | 83.34 | 17:00 | 122.1 | -293.77 | |
4觀眾到場率70% | 676.42 | 2:00 | 83.61 | 17:00 | 159.29 | -307.81 | ||
5觀眾到場率90% | 719.35 | 2:00 | 87.67 | 17:00 | 196.48 | -309.8 | ||
6觀眾到場率120% | 783.73 | 2:00 | 84.53 | 17:00 | 252.26 | -342.91 | ||
新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)變化 | 7新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)25 | 680.21 | 2:00 | 78.45 | 17:00 | 125.04 | -328.87 | |
8新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)20 | 619.60 | 2:00 | 72.70 | 17:00 | 35.01 | -328.87 | ||
9新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)15 | 557.06 | 2:00 | 66.95 | 17:00 | -56 | -328.87 | ||
彩排工況 | 10正常情況，音響設(shè)備全開，50%觀眾 | 598.9 | 21:00 | 65.9 | 6:00 | 99.83 | -284.84 | |
11正常情況，音響設(shè)備全開，沒有觀眾 | 457.18 | 21:00 | 47.61 | 6:00 | -15.41 | -223.27 | ||
12正常情況，音響設(shè)備不開，50%觀眾 | 472.88 | 21:00 | 63.4 | 6:00 | 232.43 | -152.24 | ||
13正常情況，音響設(shè)備不開，沒有觀眾 | 331.01 | 21:00 | 45.1 | 6:00 | 117.19 | -108.2 | ||
14正常情況，音響設(shè)備50%開，50%觀眾 | 535.9 | 21:00 | 64.65 | 6:00 | 166.13 | -218.54 | ||
15正常情況，音響設(shè)備50%開，沒有觀眾 | 394.12 | 21:00 | 46.36 | 6:00 | 50.89 | -170.74 | ||
16冬戲夏拍，音響設(shè)備全開，50%觀眾 | 575.98 | 21:00 | 142.06 | 6:00 | 65.58 | -319 | ||
17冬戲夏排，音響設(shè)備全開，沒有觀眾 | 418.65 | 21:00 | 86.47 | 6:00 | -15.4 | -240.8 | ||
18冬戲夏排 音響設(shè)備開50%，50%觀眾 | 515.96 | 21:00 | 137 | 6:00 | 133.88 | -252.79 | ||
19冬戲夏拍，音響設(shè)備開50%，沒有觀眾 | 365.75 | 21:00 | 82.8 | 6:00 | 43.97 | -181.4 | ||
20冬戲夏排，音響設(shè)備不開，50%觀眾 | 455.93 | 21:00 | 131.9 | 6:00 | 198.18 | -186.5 | ||
21冬戲夏拍，音響設(shè)備不開，沒有觀眾 | 298.6 | 21:00 | 76.3 | 6:00 | 122.3 | -107.82 | ||
22夏戲冬排，音響設(shè)備全開，50%觀眾 | 575.98 | 21:00 | 142.06 | 6:00 | 70.67 | -318.8 | ||
23夏戲冬排，音響設(shè)備全開，沒有觀眾 | 418.66 | 21:00 | 86.4 | 6:00 | -10.2 | -240.42 | ||
24夏戲冬排，音響設(shè)備開50%，50%觀眾 | 515.96 | 21:00 | 137 | 6:00 | 136.98 | -252.5 | ||
25夏戲冬排，音響設(shè)備開50%，沒有觀眾 | 365.75 | 21:00 | 82.8 | 6:00 | 49.07 | -181.14 | ||
26夏戲冬排，音響設(shè)備不開，50%觀眾 | 455.93 | 21:00 | 131.9 | 6:00 | 203.28 | -186.2 | ||
27夏戲冬排，音響設(shè)備不開，沒有觀眾 | 298.6 | 21:00 | 76.37 | 6:00 | 122.39 | -107.8 | ||
1.4.2負荷基數(shù)選取
以上所列舉27種工況中值班工況下負荷很小，值班室中直接設(shè)置分體空調(diào)即可滿足需要，負荷分析中此工況可略去不計；其余26種工況中最小負荷中的最大值為142kW，由于機組高效運行區(qū)間一般為50%～85%，因此負荷基數(shù)域為167kW～284kW。取27種工況中最大冷負荷中的最大值作為總冷負荷，為783kW。
1.4.3負荷分析
(1）冬季全新風(fēng)運行的可行性
由于該建筑大部分為內(nèi)區(qū)房間，冬季設(shè)備、燈光及舞臺散熱量大，因而冬季在除去新風(fēng)負荷的情況下，建筑不僅不需要供熱，反而需要供冷，此時可考慮全新風(fēng)運行，并進行新風(fēng)量校核。以典型工況下冬季熱負荷（不含新風(fēng)）為例：冬季合肥通風(fēng)室外計算溫度2℃，相對濕度按75%計，則通風(fēng)室外空氣計算焓值為10.12kJ/kg；室內(nèi)狀態(tài)點參數(shù)為：干球溫度18℃，相對濕度60%，則室內(nèi)空氣焓值為37.5 kJ/kg，則通風(fēng)室內(nèi)外焓差為27.38kJ/kg冬季空調(diào)熱負荷為-327kW，考慮直接用通風(fēng)消除余熱，則所需風(fēng)量經(jīng)計算得風(fēng)量為35294m3/h；而滿足建筑新風(fēng)需求的風(fēng)量為31155m3/h，因此這種工況下全新風(fēng)運行完全可以滿足室內(nèi)熱負荷要求。
(2）夏季各種工況下負荷
典型工況下計算負荷為740.75kW，當(dāng)觀眾到場率不同時，負荷會發(fā)生相應(yīng)變化；系統(tǒng)同時也考慮到了當(dāng)觀眾到場率達120%的極端工況下的正常運行。
新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)不同時，負荷也發(fā)生變化，通過負荷計算，當(dāng)新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)取15 m3/人·h時負荷為557kW，與新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)按30m3/人·h相比，負荷減少了183kW，因此當(dāng)滿足衛(wèi)生需要時，小新風(fēng)量運行，節(jié)能非常顯著；當(dāng)實際場內(nèi)人員超過設(shè)計人員密度時采取定新風(fēng)量運行以利節(jié)能。
該項目彩排工況根據(jù)人員到場率，設(shè)備開啟情況，及彩排工況共分為16種情況，在實際系統(tǒng)運行中，根據(jù)實際工況下空調(diào)負荷，合理啟停機組，以達到節(jié)能高效運行的目的。
2.根據(jù)負荷計算結(jié)果確定的負荷基數(shù)確定的機組配置方案
根據(jù)負荷基數(shù)域為167kW～284kW，選擇一臺制冷量為231kW的機組，全天24小時運行；根據(jù)峰值冷負荷783kW，選擇一臺制冷量572kW的機組運行于18:00～2:00時段；根據(jù)逐時負荷的分布特征，分別或組合運行兩臺主機。
3.與傳統(tǒng)方案相比較
現(xiàn)行方案冬季采用空場預(yù)熱，演藝時段采用通風(fēng)方式空調(diào)；夏季冷水機組配置依據(jù)負荷分析結(jié)果，與傳統(tǒng)方案不同。傳統(tǒng)方案冷水機組配置一般按照均分原則，即選擇兩臺制冷量為376kW機組，除3:00～17:00開啟一臺機組外，其余時間段要同時開啟兩臺機組。合肥地區(qū)夏季空調(diào)制冷期按6～9月120天計算，采用部分負荷綜合能效值IPLV來衡量全年的綜合效益。
IPLV=0.01A+0.42B+0.45C+0.12D[2]
式中：A—100%負荷時COP，對應(yīng)于冷卻水進水溫度為29.4℃；
B—75%負荷時COP ，對應(yīng)于冷卻水進水溫度為23.9℃；
C—50%負荷時COP，對應(yīng)于冷卻水進水溫度為18.3℃；
D—25%負荷時COP，對應(yīng)于冷卻水進水溫度為18.3℃；
查選型手冊，得：A=6W/W，B=8.3W/W，C=10.2W/W，D=7.8W/W，計算得綜合能效IPLV為9.07 W/W；
年耗電量=
式中：Q—制冷量（kW）；
T—年運行時間（h）；
采用部分負荷能效來比較兩種方案下年耗電量：
1）傳統(tǒng)方案：
2）現(xiàn)行方案：
；
因此，現(xiàn)行方案在節(jié)能方面更具優(yōu)勢，運行一年節(jié)省電能51520
。
4.結(jié)論
（1） 采用負荷基數(shù)法對大型演藝場所進行負荷分析，能綜合考慮室內(nèi)外各種工況，以運行全過程的連續(xù)工況變化為依據(jù)，分析系統(tǒng)最佳運行狀態(tài)；
（2) 負荷基數(shù)法基于全過程的運行工況制定系統(tǒng)方案并配置相應(yīng)的設(shè)備，使系統(tǒng)的性能指標(biāo)在最大負荷時和在部分負荷運行時均處于高效區(qū)，節(jié)約能耗；
（3） 負荷分析結(jié)果為各種工況下的系統(tǒng)運行策略提供了依據(jù)和節(jié)能運行預(yù)案；
（4） 合理確定負荷基數(shù)可以最大限度的發(fā)揮設(shè)備效能，減少資源浪費，減少裝機容量，降低造價。
