寒冷地区博物馆建筑负荷特性研究.pdf

寒冷地区博物馆建筑负荷特性研究许磊,窦文平,郝旭军,张淼,孙凤梅(中国人民解放军 32182 部队,北京 100043)摘要:为指导博物馆类建筑空调系统设计,建立了某特大型博物馆的实际建筑模型,选取北京、锦州、大连、烟台、郑州、西安作为寒冷地区的典型代表城市,依次选择上述 6 座城市作为博物馆建设地点,用建筑能耗模拟软件 DeST 对该特大型博物馆进行了全年逐时负荷模拟,从建筑逐时动态负荷、负荷频率、新风负荷等几个方面,分析了寒冷地区博物馆建筑负荷特性。通过对比分析得出建筑负荷特性对空调系统冷热源和新风系统设计的影响较大。关键词:博物馆建筑;寒冷地区;逐时负荷模拟;负荷特性分析DOI 编码:10.16641/11-3241/tk.2023.04.0080 引言目前,我国每年建筑竣工面积约为 25 亿平方米,其中公共建筑约为 5 亿平方米。在公共建筑中,博物馆、办公楼、商场、酒店等几类建筑存在能耗较高的共性问题。在公共建筑的全年能耗中,供暖空调系统的能耗约占40%50%,这些建筑在供暖空调系统设计、围护结构材料选用等方面,均存在较大的节能潜力 1。寒冷地区的主要气候特点为春季雨雪稀少,多大风风沙天气;春、秋两季短促,气温变化剧烈;夏、秋两季多冰雹和雷暴;冬季较长且寒冷干燥;年温差较大,日照较丰富,降水量相对集中,因此该地区的建筑及其负荷特点不同于其他气候区域。博物馆类建筑比一般的公共建筑对环境温湿度、空气质量的要求要苛刻得多,其内部既要有符合藏品陈列、储藏的展厅和库房,又要为参观、工作人员提供舒适的环境,建筑负荷特性尤其复杂 2,3。现阶段,我国各地暖通空调工程设计普遍采用冷热负荷指标估算供暖空调冷热负荷,估算的结果往往是建筑负荷计算值偏大,进而导致机组选型、水泵和风机配置、管道输送系统和末端设备设置偏大,造成系统初投资和运行费用增加 4-6。建筑能耗模拟软件DeST 既可用于详细地分析建筑物的热特性,又可以模拟系统运行,有效地预测建筑环境在存在环境控制系统时可能出现的状况(如室内温、湿度随时间的变化,建筑逐时动态负荷,建筑物全年环境控制所需能耗等),从而解决建筑物和系统设计相耦合的问题 7,8。鉴于此,本文建立了寒冷地区某特大型博物馆的实际模型,用建筑能耗软件 DeST 进行了全年逐时能耗模拟,并对建筑负荷特性进行了分析研究,旨在为大型博物馆建设提供技术支持。1 建筑模型建筑基本情况:甲类公共建筑,地上 5层,建筑高度 40 m,总建筑面积 56 600 m2,建筑空调面积 51 600 m2,体形系数 0.07,窗墙比0.35,为特大型博物馆。该建筑的三维模型图见图 1。64区域供热 2023.4 期图1 建筑三维模型图依据 JGJ 66-2015 博物馆建筑设计规范 9相关规定,划分博物馆各功能区,详见表 1。表1 博物馆各功能区面积功能区名称建筑面积/m2占总建筑面积的比例/%展览陈列区17 50030.9藏品库区12 00021.2业务及研究用房、藏品技术区2 8004.9社会教育区2 3104.1行政办公区4 4407.8综合服务区2 5504.5公共交通区11 60020.5附属设备用房3 4006.0总计56 600100依据 JGJ 66-2015 博物馆建筑设计规范、GB 55015-2021 建筑节能与可再生能源利用通用规范 10相关规定,设置建筑室内空气设计计算参数、建筑维护结构热物性参数、建筑内部热扰参数(包括人员密度、灯光和设备热扰、新风量、换气次数等)。建筑节能季节划分:供冷季为每年的6 月 1 日至 9 月 30 日,供暖季为 11 月 1 日至次年的 3 月 15 日,每年的 3 月 16 日至 5 月 31日、10 月 1 日至 10 月 31 日为过渡季。空调系统运行时间设置:文物库房区空调系统全天 24 h 开启,其他区域空调系统的开启时间为工作日的 8:00-17:00(每周二至周日为工作日,周一闭馆)。2 模拟结果分析选取北京、锦州、大连、烟台、郑州、西安作为寒冷地区的典型代表城市(博物馆建设地点)。选取这 6 座城市的主要原因:(1)为保证数据分析的科学性,选取 3 座沿海城市,3 座内陆城市;(2)锦州市处于寒冷地区最北端,代表寒冷地区北部城市,大连和烟台代表东部城市,郑州代表寒冷地区南部城市,西安代表西部城市,北京代表中部城市。用建筑能耗模拟软件 DeST 对该建筑进行了全年逐时动态负荷分析,具体内容见下文。2.1 建筑全年逐时动态负荷建筑全年逐时冷、热负荷及相关分析见图 2图 11。图2 建筑全年逐时动态负荷(北京市)图3 建筑全年逐时动态负荷(锦州市)图4 建筑全年逐时动态负荷(大连市)74区域供热 2023.4 期图5 建筑全年逐时动态负荷(烟台市)图6 建筑全年逐时动态负荷(郑州市)图7 建筑全年逐时动态负荷(西安市)图8 建筑冷负荷峰值图9 建筑热负荷峰值图1 0 建筑冷、热负荷峰值对比图1 1 建筑冷、热负荷峰值比值分析图 2图 11 可以得出:建筑全年最大冷负荷在 43006200kW 之间,平均值为5204kW;全年最大热负荷在 37006900kW 之间,平均值为 5048kW;全年最大冷、热负荷比值在 0.631.49 之间,平均值为 1.09。建筑全年冷、热负荷指标及相关分析见图 12图 15。分析图 12图 15 可知:建筑全年最大冷负荷指标在 76110 kW/m2之间,平均值为84区域供热 2023.4 期图1 2 建筑冷负荷峰值指标图1 3 建筑热负荷峰值指标图1 4 建筑冷、热负荷峰值指标对比图1 5 建筑冷、热负荷峰值指标比值91.9kW/m2;全年最大热负荷在 67122kW/m2之间,平均值为 89.2kW/m2;全年最大冷、热负荷指标比值在 0.631.49 之间,平均值约为 1.09,其中,寒冷地区纬度较高的城市冷负荷峰值小于热负荷峰值(建筑冷、热负荷峰值指标比值:锦州 0.63,大连 0.82),纬度较低的城市冷负荷峰值大于热负荷峰值(建筑冷、热负荷峰值指标比值:西安 1.38,郑州 1.49)。2.2 建筑全年累积负荷建筑全年累积冷、热负荷及相关分析见图 16图 19。图1 6 全年累积冷负荷图1 7 全年累积热负荷图1 8 全年累积冷、热负荷对比94区域供热 2023.4 期图1 9 全年累积冷、热负荷比值分析图 16图 19 可知:建筑全年累积冷负荷在 14002500MWh 之间,平均值为1876MW h;全 年 累 积 热 负 荷 在 14003000MWh 之间,平均值为 2083MWh;全年累积冷、热负荷比值在 0.491.64 之间,平均值为 0.98。建筑全年累积冷、热负荷指标及相关分析见图 20图 23。图2 0 全年累积冷负荷指标图2 1 全年累积热负荷指标分析图 20图 23 可知:建筑全年累积冷负荷指标在 2544kWh/m2之间,平均值为33.1kWh/m2;而全年累积热负荷则在 2652kWh/m2之间,平均值为 36.8kWh/m2;图2 2 全年累积冷、热负荷指标对比图2 3 全年累积冷、热负荷指标比值全年累积冷、热负荷比值在 0.491.64 之间,平均值为 0.98,其中,寒冷地区纬度较高的城市全年累积冷负荷小于全年累积热负荷(全年累积冷、热负荷指标比值:锦州 0.49,大连0.63),纬度较低的城市全年累积冷负荷大于全年累积热负荷(全年累积冷、热负荷指标比值:西安 1.15,郑州 1.64),纬度居中的城市全年累积冷负荷与全年累积热负荷大致相同(全年累积冷、热负荷指标比值:烟台 0.95,北京 1.00)。2.3 建筑全年逐时动态负荷频数和频率为了方便结果分析,本文将建筑全年逐时动态负荷占峰值负荷的比重划分为 5 个区间,分别为 020%、20%40%、40%60%、60%80%、80%100%。以建设地点在北京市的博物馆为例,其全年逐时动态负荷频数、频率分布见图 24图 26。分析图 24图 26 可知:对于建筑逐时冷负荷,020%区间的频数和频率最大,分别为 2230 次和 76.2%;80%100%区间的频数和频率最小,分别为 11 次和 0.5%。对于建筑逐时热负荷,同样是 020%区间的频数和05区域供热 2023.4 期图2 4 建筑全年逐时冷、热负荷频数分布(北京市)图2 5 建筑全年逐时冷负荷频率分布图图2 6 建筑全年逐时热负荷频率分布图频率最大,分别为 2424 次和 74.8%;80%100%区间的频数和频率最小,分别为 17 次和0.5%。由于建筑全年逐时动态负荷占峰值负荷比重为 020%区间的频数和频率最大,80%100%区间的频数和频率最小,所以本文仅分析这两个区间,详见图 27图 30。分析图 27图 30 可知:020%区间,建筑逐时冷负荷频数平均值为 2 170,频率平均值为 74.10%;建筑逐时热负荷频数平均值为2 369,频率平均值为 73.11%。80%100%图2 7 建筑逐时冷、热负荷频数统计(0 2 0%区间)图2 8 建筑逐时冷、热负荷频率统计(0 2 0%区间)图2 9 建筑逐时冷、热负荷频数统计(8 0%1 0 0%区间)图3 0 建筑逐时冷、热负荷频率统计(8 0%1 0 0%区间)区间,建筑逐时冷负荷频数平均值为 16,频率平均值为 0.54%;建筑逐时热负荷频数平均15区域供热 2023.4 期值为 17,频率平均值为 0.51%。2.4 建筑新风负荷建筑新风负荷及相关分析见图 31图 36。图3 1 全年累积冷负荷、全年新风(不承担室内湿负荷)累积冷负荷对比图3 2 新风冷负荷(不承担室内湿负荷)占建筑总负荷的比重图3 3 全年累积冷负荷、全年新风(承担室内湿负荷)累积冷负荷对比分析图 31图 36 可知:在不承担室内湿负荷的情况下,全年新风累积冷负荷在 250850 MWh 之间,平均值为 513 MWh;新风冷负荷占建筑总负荷的比重在 19%35%之间,平均值为 26.4%。在承担室内湿负荷情况下,全年新风累积冷负荷在 6001 500 之间,平均值为 997 MWh;新风冷负荷占建筑图3 4 新风冷负荷(承担室内湿负荷)占建筑总负荷的比重图3 5 全年累积热负荷、全年新风累积热负荷对比图3 6 新风热负荷占建筑总负荷的比重总负荷的比重在 45%60%之间,平均值为52.4%。全 年 新 风 累 积 热 负 荷 在 9002 000MWh 之间,平均值为 1 365 MWh;新风热负荷占建筑总负荷的比重在 60%70%之间,平均值为 65.2%,其中,纬度较高的城市新风热负荷占比较大(锦州 67.0%,大连 67.7%),纬度较低的城市新风热负荷占比较小(西安 64.4%,郑州 62.0%)。3 结论本文用建筑能耗软件 DeST 对寒冷地区博物馆建筑进行了全年逐时能耗模拟,通过对比分析得出建筑负荷特性对空调系统冷热25区域供热 2023.4 期负荷指标、冷热源和新风系统设计影响较大。3.1 空调系统冷热负荷指标 国家建筑标准设计图集 暖通设计常用数据:15K519 规定:方案设计阶段,当无建筑物设计负荷资料时,展览馆建筑夏季空调冷负荷估算指标值为 128180 W/m2,冬季空调热负荷估算指标值为 100120 W/m2。上述数值不能完全涵盖我国的寒冷地区,为此笔者通过考察调研、网上搜集资料等,对国内寒冷地区已建、在建的 10 余个大型和特大型博物馆的峰值负荷做了分析研究,得出冷负荷峰值指标在 70170 kW/m2之间,平均值为115 kW/m2;热负荷峰值指标在 50130 kW/m2之间,平均值为 81 kW/m2。本文又通过模拟计算,得出寒冷地区博物馆建筑冷负荷峰值指标 在 76110kW/m2之 间,平 均 值 为92 kW/m2;热负荷峰值指标在 67122 kW/m2之间,平均值为 89 kW/m2。同类型建筑往往在地域、内部功能划分、建筑造型、维护结构材料等方面存在差异,因此建筑冷热负荷有所差异,但上述冷热负荷指标值均可为寒冷地区博物馆建筑空调系统方案设计提供参考。3.2 空调冷热源系统如今,地埋管地源热泵系统因具有高效利用可再生能源的特点在建筑行业得到了广泛的应用。寒冷地区博物馆建筑若采用地埋管地源热泵系统,应确保全年总释热量和总吸热量基本平衡,确保两者比值在 0.81.25之间。本文通过模拟计算得出寒冷地区主要城市全年累积冷、热负荷比值在 0.491.64之间,平均值为 0.98。通过分析可知,对于全年累积冷负荷与全年累积热负荷的比值在0.81.25 之间的城市(如烟台 0.95,北京1.00,西安 1.15),空调冷热源系统可考虑直接采用地埋管地源热泵系统,但具体的工程设计还应考虑地域热泵机组功率、水泵功率等影响因素;对于全年累积冷负荷与全年累积热负荷比值不在 0.81.25 之间的城市(如锦州 0.49,大连 0.63,郑州 1.64),若采用地埋管地源热泵系统作为空调冷热源系统,需增设辅助冷热源,或采取与其他冷热源系统联合运行的方式,满足工程设计要求。建筑全年逐时动态负荷占峰值负荷的比重在 020%区间出现的频率较高,对应的冷、热负荷频率分别为 74.10%和 73.11%,这是因为文物库房区通常仅占建筑总面积的10%25%,且大多处于建筑内区,建筑负荷较小,同时文物库房区空调系统运行时间相对较长(文物库房区空调系统需全天 24 h 运行,而其他区域空调系统运行时间为工作日的 8:00-17:00),因此整个建筑的全年逐时动态负荷占峰值负荷的比重在 020%区间频数较大。针对此种建筑负荷特性,在设计空调冷热源系统时,可分区、分系统设置空调冷热源,确保整个系统高效运行。3.3 空调新风系统通过分析模拟计算结果可知,对于寒冷地区的博物馆建筑,在不承担室内湿负荷的情况下,新风冷负荷占建筑总负荷的比重在19%35%之间,平均值为 26.4%;在承担室内湿负荷情况下,新风冷负荷占建筑总负荷的比重在 45%60%之间,平均值为 52.4%;新风热负荷占建筑总负荷的比重在 60%70%之间,平均值为 65.2%。上述数据可为空调新风系统设计提供参考。参考文献 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