超高层建筑空调负荷计算方法研究
北京市建筑设计研究院有限公司 朱丹丹 林坤平
【摘 要】超高层建筑空调系统的优化设计是超高层建筑节能的首要条件，而空调负荷计算是优化设计的重要基础。现有研究成果主要侧重于研究高层室外气象参数变化对空调负荷的影响，忽略了超高层建筑自身建筑结构特性引起的空调负荷热特性的不同。本文采用全年负荷模拟软件DeST分别定量分析了室外气象参数和超高层建筑自身特点对空调负荷计算的影响，在此基础上重新审视了工程常用负荷计算工具（电算表和鸿业软件）的适用性，并对电算表（或鸿业软件）计算超高层建筑空调负荷给出了修正建议。
【关键词】超高层建筑，空调负荷，气象参数，建筑特性，负荷计算工具
Abstract: The optimal design of the air condition system is the first condition for super high-rise building energy efficiency and the air conditioning load calculation is an important basis. The existing study focused on the influence of the climate data on the air conditioning load, but ignored the impact of the special architectural and structural characteristics of super high-rise buildings. This study analyzed the quantitative influence of the climate date and super high-rise building’s features on air-condition load by the tool DeST. Then on this basis, the suitability of common engineering load calculation tools was verified and the corresponding correction method was put forward.
1 引言
近年来，随着我国城市化的不断发展，新建超高层建筑的数量和高度不断增加，已经建成的上海中心大厦建筑高度为632米，在建的北京中国尊大厦设计高度为528米。超高层建筑已经成为城市现代化程度的重要标志之一。
与普通公共建筑相比，超高层建筑的空调系统初投资高、运行能耗高，在工程实践中也发现冷热源设备容量选型过大、数量过多等问题，因此，空调系统的优化设计是超高层建筑节能的首要条件。空调负荷计算是空调系统优化设计的基础，而超高层建筑由于其所处的室外气象环境和自身特性，比如大面积的玻璃幕墙、复杂的外围护结构体系、冬季烟囱效应等，使得超高层建筑空调负荷计算具有一定的特殊性。但目前关于超高层建筑空调系统的设计研究，主要集中在空调水系统的竖向分析、空调风系统的内外分区、节能技术应用等，缺少对空调负荷计算的关注。
刘天川[1]分析了建筑高度增加对空调负荷的影响，认为应重点考虑建筑高度增加引起的室外空气温度的下降和风速的增加。陈亮[2]研究了不同气候区超高层建筑空调负荷高度修改系数，认为高层风速和温降综合作用减小的冷负荷可考虑作为空调冷负荷的安全余量，在计算中不予考虑，冬季热负荷采用稳态算法，受高层风速和温降的影响较大，分别给出了不同气候区外墙、屋顶和天窗的高度修正系数。其他超高层建筑空调设计文献[3][4]很少涉及负荷计算，也没有对计算参数或计算结果做一定的修正。
现有研究成果侧重于建筑高度增加引起的室外气象参数变化对空调负荷的影响，忽略了超高层建筑的结构体系、大面积玻璃幕墙、竖向交通等特殊性对空调负荷计算的综合影响。设计院在进行暖通设计时，通常采用夏季设计日冷负荷计算软件，如GB50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（以下简称《暖规》）规定的冷负荷系数简化计算方法、鸿业暖通空调负荷计算软件、华电源空调负荷计算软件等，很少采用全年逐时空调负荷计算软件。由于根据规范和手册推荐冷负荷系数简化计算方法编制的电算表（以下简称“电算表”）是基于一定的假设条件简化的，应用于超高层建筑可能存在一定的问题，因此，需要在分析超高层建筑特性对空调负荷影响的基础上，重新审视目前工程常用空调负荷计算工具的适用性，并给出修正方法。
2 超高层建筑的特性分析
2.1 室外气象环境
室外气象环境参数随着海拔高度的升高而变化，包括空气温度、空气湿度、风速和太阳辐射。在超高层建筑高度范围内，大气压力和空气密度随高度的变化非常小，可以忽略。
室外空气温度随着高度的升高而降低，被称为空气温度递减率。不同文献对于空气温度递减率的数值有所不同，如文献[1]认为高度增大100m，大气温度下降1℃，又如文献[5]通过标准大气模型测试得到高度每增加150m变化约1℃。这些数值有些是理论计算值，有些是不分地区的全球平均值，并没有区分夏季和冬季的不同情形。文献[6]采用中国国内气象站的实测数据，给出了不同季节、不同地区的气温递减率，结果表明我国大部分地区的夏季空气温度递减率为0.5～0.65℃/100m，冬季为0.25～0.5℃/100m。对空调负荷而言，夏季温度下降是有利因素，冬季则为不利因素，考虑到空调保证率，气温递减率夏季取下限0.5℃/100m，冬季取上限0.5℃/100m。
不同地区地表面附近空气的含湿量并不相同，并且随着季节的变化而变化。一般来说，夏季往往湿度高，冬季湿度低；海拔高度高，含湿量较小。超高层建筑的垂直高度在1000m以下，属于容易受地面环境影响的高度范围，在这个高度范围，国内外对湿度梯度的研究很少，无法得到空气湿度随高度变化的具体规律。
室外风速会影响建筑围护结构外表面的传热系数，进而影响围护结构K值。因为下垫面对气流有摩擦作用，边界层内风速沿垂直方向存在梯度，贴近地面处的风速为零，沿垂直高度方向风速递增。到达一定高度以后，风速不再增大，这一高度为边界层高度。边界层高度内的风速可以根据以下公式进行计算。
式中hmet为气象站风速测量点的高度，取10m；Vmet为气象站风速测量点的风速，m/s；δmet为气象站当地的大气边界层厚度，m；αmet对应气象站当地的大气层厚度的指数；为需要求风速地点的大气边界层厚度，m；对应需要求风速地点大气边界层厚度的指数。
超高层建筑一般都在大城市中心地区，假设气象站与超高层建筑处在同地区，边界层厚度取460m，指数取0.33。取10米处室外风速为3.0m/s，根据公式（1）计算北京地区不同高度处的风速。
《暖规》在计算围护结构值时，规定外表面传热系数统一取23W/(m2·K)，即室外风速统一取3.0m/s。随着室外风速的增加，外表面传热系数增大，围护结构传热系数也增大。外表面传热系数α'w包括表面传热系数α'wd和辐射换热系数α'wf，α'wf取5.33 W/(m2·K)，对于超高层建筑大量采用的玻璃幕墙，α'wd与室外风速v的关系满足式（2）：
所以，计算不同高处的建筑围护结构值可以根据地面处的围护结构值和风速进行计算得到。
太阳辐射包括太阳直射辐射和太阳散射辐射两部分。到达地面的太阳辐射照度大小取决于地球对太阳的相对位置（太阳高度角和路径）以及大气透明度。根据文献[2]，随着海拔高度的增加，大气透明度提高，又由于其他建筑屋面或幕墙的反射作用，太阳辐射可能会增加，但因影响较复杂，在计算中很难准确确定。
所以，定量分析室外气象参数对超高层建筑空调负荷的影响着重考虑室外空气温度和风速。
2.2 轻型结构体系
超高层建筑采用轻型结构体系来减少自身重量，主要体现在钢结构和玻璃幕墙外围护结构。与混凝土结构相比，钢的比热容较小，密度较大，在相同体积的情况下，钢的热容量约为混凝土的1.5倍。但考虑钢结构和混凝土楼板的厚度差异（通常钢结构楼板为120～150mm，混凝土的楼板为200mm），两种楼板热容量差异很小，可以忽略。所以，主要考虑玻璃幕墙外围护结构对超高层建筑空调负荷的影响。
2.3 大窗墙比
为增加外部视觉的通透感，超高层建筑采用大窗墙比，部分窗墙比会达到乃至超过建筑节能标准的限值。太阳辐射能透过玻璃幕墙进入室内，成为室内得热，最终转化为空调负荷。因此，与不透光外墙相比，玻璃幕墙不仅造成了空调冷热负荷的增加，而且辐射得热所占比例会上升。
2.4 冬季烟囱效应
超高层建筑存在大量的电梯井、楼梯等竖向通道，这些通道构成了不同楼层之间的空气流通路由。冬季，在热压的作用下，室外冷空气通过建筑外围护结构的门窗缝隙进入室内，沿着电梯厅等竖向通道上升，再从建筑的顶部楼层渗出，形成了“烟囱效应”。烟囱效应引起的渗风量大小由围护结构两侧的压差和气密性决定。采用CONTAMW软件建立北京中国尊大厦的多区域网络法计算模型，按设计工况设定有空气流通房间之间的阻力模型，幕墙气密性等级设定为3级，室内外温度均取设计温度，热压作用下烟囱效应引起的渗风量不大于空调新风量。限于篇幅原因，不具体展开模拟计算过程。所以，在门窗关闭的设计工况下，可以认为空调新风正压可以抵消烟囱效应。
2.5 小结
超高层建筑空调负荷的计算主要考虑三个影响因素：高层室外空气温度的降低、风速的增大、大窗墙比的玻璃幕墙。
3 详细计算
3.1 计算工具
电算表、鸿业等软件是暖通工程师常用的空调负荷计算工具。电算表根据冷负荷系数简化计算方法整理得到的，操作简单，结果直观。冷负荷系数简化计算方法是根据典型房间、典型构造给出一系列的空调冷负荷计算系数，包括夏季空调设计日外墙、屋面、外窗的冷负荷计算温度和太阳辐射冷负荷系数，也同样给出了人体、照明和设备的冷负荷系数。因此，特殊构造的建筑也只能采用相同的冷负荷计算系数，无法对系数进行修改。另外，冷负荷计算系数是根据近地面处的气象参数得到，因此也无法评价高层室外气象参数对空调冷负荷的影响。鸿业负荷软件采用谐波反应法或辐射时间序列法计算冷负荷，采用稳态算法计算热负荷，同样也无法修改气象参数。
所以，这些夏季设计日逐时冷负荷计算软件或电算表无法定量分析高层室外气象参数对空调冷负荷的影响，因此，在本研究中采用全年逐时负荷模拟软件DeST，并将DeST计算结果作为基准值，与电算表、鸿业软件计算结果进行对比，得出工程常用工具计算超高层建筑空调负荷的修正方法。
3.2 计算模型
在DeST软件中，建立北京中国尊大厦标准办公层的计算模型，标准层平面如图1所示。标准层办公区面积为2381m2，层高为4.5m，窗墙比为0.465，外墙平均传热系数为0.45 W/(m2.℃)，幕墙玻璃传热系数为1.909 W/(m2.℃)，遮阳系数SC值为0.29。
办公房间的夏季室内设计温度为24℃，相对湿度为50%，冬季室内设计温度为22℃，相对湿度为35%，人员密度为10m2/人，人均新风量为50m3/h，照明和设备发热密度分别为15W/m2和25W/m2。夏季空调开启时间为7时至19时，冬季空调全天连续开启。
3.3 外温和风速对空调负荷的影响
为了定量分析高层外温降低和风速增大对空调负荷的影响，在DeST中分别建立10米、100米、200米、300米、400米、500米处的办公标准层模型。10米处取北京地区全年逐时气象数据，在计算冬季热负荷时，认为室内无发热量和无太阳辐射（与稳态算法最不利工况一致）。其他高度的气象参数根据10米处气象数据进行修改，如表1所示。
10米处办公房间的全年最大冷负荷出现在7月20日，最大冷负荷为102.91 W/m2，包括房间显热负荷（59%）、新风显热负荷（13%）、新风除湿负荷（22%）和房间除湿负荷（6%）。显热负荷占冷负荷的绝大部分，受外温和风速的影响。不同高度楼层的最大冷负荷如图2所示，高度每增加100米，最大冷负荷减少约1.5%。但由于冷负荷中的除湿负荷并不变化，新风显热负荷只受外温的影响，因此，主要考虑房间显热负荷部分。以10米处房间为基准，100米、200米、300米、400米、500米房间显热负荷减小比例分别为-1.6%、-2.6%、-3.4%、-4.2%、-5.0%。随着高度增加，风速的增加幅度减小，室外气象参数对房间显热负荷的影响越来越小。
10米处办公房间的全年最大热负荷出现在1月19日，最大热负荷为95.46W/m2，包括房间显热负荷（14%）、新风显热负荷（64%）、加湿负荷（22%），房间显热负荷所占比例很低。不同高度楼层的最大热负荷如图3所示，高度每增加100米，最大热负荷增加约1.4%。但由于加湿负荷并不变化，新风显热负荷只受外温的影响。以10米处房间为基准，100米、200米、300米、400米、500米房间显热负荷增加比例分别为4.2%、6.7%、8.9%、11.1%、13.0%。随着高度增加，风速的增加幅度减小，室外气象参数对房间显热负荷的影响越来越小。
所以，受外温和风速的影响，与10米处办公楼层相比，500米处房间的总冷负荷减少7.8%，其中房间显热负荷减少5.0%，总热负荷增加7.1%，其中围护结构热负荷增加13.0%。
3.4 三种工具计算结果对比
DeST计算全年逐时空调负荷，电算表和鸿业软件仅计算设计日逐时负荷。为了对比三种工具的计算结果，需要选择DeST某一天计算结果，并且这一天的气象参数应尽可能与设计日一致。7月20日下午15时室外空气干球温度达到最大值34.00℃，与夏季空调室外计算干球温度33.5℃非常接近。《暖规》附录C可以查得北京夏季设计日的逐时太阳总辐射照度，并与7月20日DeST逐时气象数据对比如图4，变化曲线基本一致，《暖规》水平面太阳辐射日平均值为333W/m2，DeST日平均值为317W/m2。所以，7月20日气象数据与夏季设计日基本一致，选取这一天作为DeST夏季设计日，与电算表、鸿业软件的计算结果进行对比。DeST冬季设计日选取1月15日，最低温度为-9.6℃。
三种工具的房间逐时冷负荷（仅为房间显热负荷部分，不包括新风负荷和除湿负荷）如图5所示。电算表、鸿业、DeST的最大冷负荷分别为57.5W/m2、59.2W/m2、61.2 W/m2。DeST采用间歇空调模式，由于夜间蓄热的影响，空调开启时刻的冷负荷为56.3W/m2，非常接近最大冷负荷。其他两种工具是基于连续空调工况，上午7时的空调冷负荷较小。
三种工具的围护结构热负荷如图6所示，其中电算表和鸿业软件采用稳态算法，设计热负荷为15.1 W/m2。DeST计算两种工况，一种工况是考虑太阳辐射，另一种工况是不考虑太阳辐射。DeST考虑房间蓄热，因此两种工况的最大热负荷都小于稳态结果。
汇总三种工具的负荷结果如表2所示，以DeST计算结果为基准，电算表和鸿业软件计算的房间冷负荷分别偏低6%和3%，围护结构热负荷偏高24%。
虽然三种计算工具的输入参数基本一致，且DeST室外太阳辐射强度略微偏小，但电算表和鸿业软件计算的房间冷负荷偏小，所以，这是由于三种工具计算方法差异造成的。电算法是基于冷负荷系数简化计算方法，这一方法是根据典型房间、典型构造给出一系列的空调冷负荷计算系数，用来计算超高层建筑冷负荷存在一定的偏差。这是因为超高层建筑具有大窗墙比和轻型外围护结构的特点，并且外墙和外窗占围护结构的绝大部分，辐射负荷比例比普通建筑更高。计算案例中的中国尊大厦，窗墙比为0.465，幕墙玻璃遮阳系SC值为0.29，远好于建筑节能标准的限值，大部分超高层建筑的窗墙比会达到0.7左右，电算表计算的冷负荷偏差会更大，如表3所示。
4 结论
（1）超高层建筑空调负荷计算需要同时考虑室外气象参数和超高层建筑自身特性（轻型外围护结构、大窗墙比）的影响。
（2）随着高度增加，外温降低，风速增加，空调冷负荷减小，空调热负荷增加。以北京中国尊大厦为例，与近地面处相比，500米高层房间的最大冷负荷减小7.8%，其中房间显热负荷减小5.0%；最大热负荷增加7.1%，其中围护结构热负荷增加13.0%。
（3）冷负荷系数简化计算方法是根据典型房间、典型构造给出一系列的空调冷负荷计算系数，由于超高层建筑构造的特殊性，用来计算超高层建筑冷负荷存在一定的偏差。在北京中国尊大厦中，电算表计算的房间最大冷负荷偏低6%，当窗墙比达到0.7时，偏差达到9%。
（4）综合考虑室外气象参数和超高层建筑特点，用电算表（或鸿业软件）计算夏季设计日逐时冷负荷（房间负荷和新风负荷）时，建议不对室外气象参数进行修正，当窗墙比大于0.5时，建议用全年逐时负荷计算软件进行校核；用电算表（或鸿业软件）计算冬季设计热负荷时，由于围护结构热负荷占总热负荷的比例很低，而且稳态算法保险系数高，计算围护结构热负荷可以不对室外气象参数进行修改，计算新风负荷应该对外温进行修正。
参考文献
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