安徽建筑大學 郭崢，程海峰，張舉，胡寧
引言
觀演建筑是一個綜合性的藝術場所，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，并且有復雜的布景和燈具，因而給其空調系統設計帶來一系列復雜問題［1］，而且為了適應不同藝術、不同季節的使用需要，其空調系統還需做相應的不同功能轉換。
傳統的設計方法往往根據計算出的峰值負荷確定主機容量和系統配置，這樣勢必造成資源浪費、運行能耗高。本文采用動態負荷分析方法分析建筑物內各種不同室內工況下的負荷分布狀態，找出其有效穩定的負荷基數，以此作為空調設備選配依據，指導空調運行方案制定。
負荷基數指建筑物在不同室內外工況、不同負荷時段下的常年穩定負荷區間，該區間同時還應滿足制冷機組的高效運行域。以負荷計算為基礎，通過負荷分析找出建筑物所需負荷
基數的方法稱為負荷基數法。負荷基數法能夠客觀的反映建筑內各種工況下的負荷分布狀態，對一些常年存在建筑內熱的建筑、功能復雜建筑的主機選配、節能運行、降低造價，有著十分顯著的作用。筆者采用負荷基數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驗。
1 采用負荷基數法進行建筑物暖通空調負荷分析
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。負一層為公共設備用房、演職員準備間；一層為門廳、入場等候區與峰值人員1000人的大型秀場及升降舞臺區；二層為秀場貴賓包間；三層為演藝職員餐廳，燈光音響設備層及酒吧包廂；四、五層為大型餐廳及包間。采用負荷基數法對一層大型秀場及其與之功能相關聯的區域進行負荷分析，不包括三層酒吧包廂及四，五層餐飲，結果如下。
1.1 設定負荷計算與負荷分析的邊界條件
空調室外設計參數見表1，室內典型工況下參數見表2，其它工況下室內參數分別在各種工況中介紹。
表1 室外空調負荷計算參數
大氣壓 | 干球溫 | 濕球溫 | 相對濕度 | 平均風速 | |
夏季 | 100090 | 35 | 28.2 | / | 2.6 |
冬季 | 102230 | -7 | / | 75% | 2.5 |
表2 典型工況下室內空調設計參數
設計溫度（℃） | 相對濕度 | 新風標準 | 人員密度 | 設備夾層指標 | ||
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 典型日各功能區的負荷計算
匯總結果如表3，逐時負荷如表4。
表3 典型工況下各功能區負荷匯總
建筑 | 人員 | 空調 | 總冷 | 冷負荷 | 總冷 | 冷指標W | 空調總 | 空調熱 | 空調總 | 空調熱 |
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 |
設備夾層 | 141765 | 143086 | 144249 | 37219 | 23850 | 19839 | 17379 | 15605 |
員工區域 | 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 |
設備夾層 | 14216 | 13076 | 12116 | 11296 | 10588 | 9975 | 9441 | 8976 |
員工區域 | 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 |
設備夾層 | 8569 | 8212 | 115251 | 129064 | 133490 | 136344 | 138499 | 140261 |
員工區域 | 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工況見表5。
表5 邊界條件改變下負荷分析的各種室內工況
典型工況 | 新風標準按30，觀眾廳按680人，舞臺及包廂人員密度全部按0.5 | ||||
室內工況 | 只有值班 | 舞臺，觀眾廳，包廂負荷全部設為0 | |||
觀眾到場率 | 50% | 70% | 90% | 120% | |
觀眾廳新風標準 | 15 | 20 | 25 | 30 | |
彩排 正常情況 | 不開音響設備 | 開50%音響設備 | 音響設備全開 | / | |
50%觀眾 | 沒有觀眾 | / | / | ||
彩排 正常情況 | 不開音響設備 | 開50%音響設備 | 音響設備全開 | / | |
50%觀眾 | 沒有觀眾 | / | / | ||
彩排 正常情況 | 不開音響設備 | 開50%音響設備 | 音響設備全開 | / | |
50%觀眾 | 沒有觀眾 | / | / | ||
室外工況按全通風工況部分通風兩種情況分類。在典型工況基礎上，按照單一邊界條件變化得到26種不同工況下的負荷，結果如下。
1.4 進行負荷分析并確定負荷基數
1.4.1負荷計算結果見表6。
表6 不同工況下負荷計算結果
運行工況 | 最大冷負荷（kW） | 出現時間 | 最小冷負荷 | 出現時間 | 冬季熱負荷含新風（kW） | 冬季熱負荷不含新風（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 | ||
新風標準變化 | 7新風標準25 | 680.21 | 2:00 | 78.45 | 17:00 | 125.04 | -328.87 | |
8新風標準20 | 619.60 | 2:00 | 72.70 | 17:00 | 35.01 | -328.87 | ||
9新風標準15 | 557.06 | 2:00 | 66.95 | 17:00 | -56 | -328.87 | ||
彩排工況 | 10正常情況，音響設備全開，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，值班室中直接設置分體空調即可滿足需要，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間一般為50%～85%，因此負荷基數域為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）冬季全新風運行的可行性
由于該建筑大部分為內區房間，冬季設備、燈光及舞臺散熱量大，因而冬季在除去新風負荷的情況下，建筑不僅不需要供熱，反而需要供冷，此時可考慮全新風運行，并進行新風量校核。以典型工況下冬季熱負荷（不含新風）為例：冬季合肥通風室外計算溫度2℃，相對濕度按75%計，則通風室外空氣計算焓值為10.12kJ/kg；室內狀態點參數為：干球溫度18℃，相對濕度60%，則室內空氣焓值為37.5 kJ/kg，則通風室內外焓差為27.38kJ/kg冬季空調熱負荷為-327kW，考慮直接用通風消除余熱，則所需風量經計算得風量為35294m3/h；而滿足建筑新風需求的風量為31155m3/h，因此這種工況下全新風運行完全可以滿足室內熱負荷要求。
(2）夏季各種工況下負荷
典型工況下計算負荷為740.75kW，當觀眾到場率不同時，負荷會發生相應變化；系統同時也考慮到了當觀眾到場率達120%的極端工況下的正常運行。
新風標準不同時，負荷也發生變化，通過負荷計算，當新風標準取15 m3/人·h時負荷為557kW，與新風標準按30m3/人·h相比，負荷減少了183kW，因此當滿足衛生需要時，小新風量運行，節能非常顯著；當實際場內人員超過設計人員密度時采取定新風量運行以利節能。
該項目彩排工況根據人員到場率，設備開啟情況，及彩排工況共分為16種情況，在實際系統運行中，根據實際工況下空調負荷，合理啟停機組，以達到節能高效運行的目的。
2.根據負荷計算結果確定的負荷基數確定的機組配置方案
根據負荷基數域為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；根據逐時負荷的分布特征，分別或組合運行兩臺主機。
3.與傳統方案相比較
現行方案冬季采用空場預熱，演藝時段采用通風方式空調；夏季冷水機組配置依據負荷分析結果，與傳統方案不同。傳統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。合肥地區夏季空調制冷期按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，對應于冷卻水進水溫度為29.4℃；
B—75%負荷時COP ，對應于冷卻水進水溫度為23.9℃；
C—50%負荷時COP，對應于冷卻水進水溫度為18.3℃；
D—25%負荷時COP，對應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）傳統方案：
2）現行方案：
；
因此，現行方案在節能方面更具優勢，運行一年節省電能51520
。
4.結論
（1） 采用負荷基數法對大型演藝場所進行負荷分析，能綜合考慮室內外各種工況，以運行全過程的連續工況變化為依據，分析系統最佳運行狀態；
（2) 負荷基數法基于全過程的運行工況制定系統方案并配置相應的設備，使系統的性能指標在最大負荷時和在部分負荷運行時均處于高效區，節約能耗；
（3） 負荷分析結果為各種工況下的系統運行策略提供了依據和節能運行預案；
（4） 合理確定負荷基數可以最大限度的發揮設備效能，減少資源浪費，減少裝機容量，降低造價。
