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1、基于冷負(fù)荷系數(shù)法的辦公建筑高大中庭的空調(diào)負(fù)荷簡(jiǎn)化算法北京市建筑設(shè)計(jì)研究院李丹徐宏慶馬曉鈞摘要：本文以一北京地區(qū)實(shí)際工程為例，介紹了具有高大中庭的辦公建筑的空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算簡(jiǎn)化方法，對(duì)其中庭和與中庭相鄰的辦公室進(jìn)行了較詳細(xì)的算法介紹。本文對(duì)同類建筑的空調(diào)負(fù)計(jì)算具有參考借鑒作用。關(guān)鍵詞：辦公建筑中庭冷負(fù)荷冷負(fù)荷系數(shù)法1引言隨著越來(lái)越多的大型辦公建筑的出現(xiàn)，為保持其具有良好的使用性，中庭也隨之在設(shè)計(jì)中得以廣泛的應(yīng)用。雖然中庭也屬高大空間，但辦公建筑的中庭在其熱環(huán)境和空調(diào)負(fù)荷的計(jì)算上，有其特殊性。對(duì)于一般高大空間而言，往往只關(guān)注下部人活動(dòng)區(qū)域的熱環(huán)境狀況和負(fù)荷計(jì)算，而大型辦公建筑內(nèi)部的中庭通常與相當(dāng)
2、數(shù)量的辦公房間相鄰，因而其整個(gè)空間的熱環(huán)境和垂直溫度分布，即會(huì)對(duì)與其相鄰的辦公室的空調(diào)負(fù)荷產(chǎn)生較大的影響。所以，在中庭及其周邊辦公室空調(diào)負(fù)荷的計(jì)算上，則需考慮它們之間的熱量轉(zhuǎn)移與交換。目前在國(guó)內(nèi)工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，計(jì)算冷負(fù)荷最常用的方法是冷負(fù)荷系數(shù)法，然而冷負(fù)荷系數(shù)法基于集總參數(shù)概念，無(wú)法準(zhǔn)確描述大空間的溫度及負(fù)荷的分布狀況。因而在計(jì)算大空間建筑的空調(diào)負(fù)荷是具有一定的局限性。但是，冷負(fù)荷系數(shù)法具有簡(jiǎn)便、快速、物理意義直觀的特點(diǎn)，在我國(guó)的工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛，為廣大工程設(shè)計(jì)人員所熟知和掌握。一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程設(shè)計(jì)人員也不斷對(duì)冷負(fù)荷系數(shù)法進(jìn)行了修正和拓展，使其適用性得以更大地增強(qiáng)。本文以北京地
3、區(qū)一實(shí)際工程為例，基于冷負(fù)荷系數(shù)法原理，從熱傳遞和負(fù)荷產(chǎn)生的物理過(guò)程入手，對(duì)辦公建筑高大中庭的空調(diào)負(fù)荷簡(jiǎn)化算法進(jìn)行探討。2中庭熱傳遞過(guò)程的簡(jiǎn)化2．1簡(jiǎn)化計(jì)算原則太陽(yáng)輻射光照射到玻璃上，入射部分的太陽(yáng)能Φe由三部分組成：透射部分、反射部分、吸收部分，三者之間的關(guān)系如下（見(jiàn)圖1）：τe+ρe+αe=1（1）式中：τe——太陽(yáng)光直射透射比％；ρe——太陽(yáng)光直接反射比％；αe——太陽(yáng)光直接吸收比％。玻璃吸收部分的能量又以熱對(duì)流、輻射方式向室外、室內(nèi)熱傳遞，二者關(guān)系如下：αe＝q0+qi（2）式中：q0——室外側(cè)熱傳遞百分比％；qi——室內(nèi)側(cè)熱傳遞百分比％。則太陽(yáng)能總透射比：g＝τe+qi（3）式中
4、：g——太陽(yáng)能總透射比％；τe——太陽(yáng)能直射透射比％；qi——太陽(yáng)能二次熱傳遞系數(shù)％。對(duì)雙層玻璃而言：式中：αe1——室外側(cè)玻璃的太陽(yáng)直接吸收比％；αe2——室內(nèi)側(cè)玻璃的太陽(yáng)直接吸收比％；G——兩片玻璃間的熱阻W/m2·k；圖1太陽(yáng)能通過(guò)玻璃的物理過(guò)程示意圖ni——室內(nèi)側(cè)玻璃表面的對(duì)流放熱系數(shù)W/m2·k；ne——室外側(cè)玻璃表面的對(duì)流放熱系數(shù)W/m2·k；圖2進(jìn)入中庭的太陽(yáng)輻射分析根據(jù)上述對(duì)太陽(yáng)能通過(guò)玻璃的傳熱機(jī)理的分析，對(duì)于中庭外窗得熱進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。因此，簡(jiǎn)化計(jì)算主要考慮窗玻璃的影響因素，由于外窗玻璃所占面積很大，故玻璃對(duì)太陽(yáng)能的光熱特性，即為整個(gè)外窗的光熱特性；考慮到計(jì)算的簡(jiǎn)便性，由室
5、內(nèi)向外照射的太陽(yáng)能，只計(jì)算經(jīng)玻璃反射和吸收后留在室內(nèi)的一次熱量，二次及更高次反射的能量不計(jì)；考慮到工程計(jì)算量以及工程精度的要求，進(jìn)行簡(jiǎn)化處理也是可行的。2．2簡(jiǎn)化計(jì)算主要過(guò)程首先對(duì)進(jìn)入到中庭的熱量進(jìn)行分析，中庭的熱平衡方程為式（2）：（2）其中：——留在中庭的熱量，此部分將做為中庭的得熱進(jìn)行計(jì)算；——進(jìn)入中庭的熱量，此部分包括：進(jìn)入中庭的總太陽(yáng)輻射熱量、中庭內(nèi)擾產(chǎn)生的熱量（人員燈光等）；——從中庭流出的熱量，此部分包括：通過(guò)中庭外圍護(hù)結(jié)構(gòu)流出室外的熱量、通過(guò)中庭進(jìn)入辦公室的太陽(yáng)輻射熱。進(jìn)入辦公室的熱量除輻射熱外，還包括通過(guò)壁面的傳導(dǎo)熱。但考慮到中庭與辦公室空氣溫差在計(jì)算中庭溫度梯度之前不可
6、知，故不能做為已知熱源條件計(jì)算中庭溫度場(chǎng)，而且這部分熱量隨高度的增加而增加，對(duì)中庭下層人活動(dòng)區(qū)域的負(fù)荷計(jì)算影響幾乎沒(méi)有影響，另外，考慮到工程實(shí)際情況，這部分熱量在計(jì)入中庭負(fù)荷中是偏安全的，因此通過(guò)中庭進(jìn)入辦公室的傳導(dǎo)熱做為留在中庭的熱量考慮。在計(jì)算中需考慮太陽(yáng)入射位置與中庭得熱關(guān)系，因此為計(jì)算中判斷太陽(yáng)輻射源位置和方向的簡(jiǎn)便，本文約定“太陽(yáng)位置角a”為太陽(yáng)與水平面的夾角在正南方向的投影角?；谇笆龊?jiǎn)化原則，將太陽(yáng)位置角a作為太陽(yáng)能在不同時(shí)刻計(jì)算室內(nèi)得熱的依據(jù)。根據(jù)不同時(shí)刻太陽(yáng)位置角a的變化，計(jì)算出投射到中庭內(nèi)各個(gè)壁面的熱量按面積所占太陽(yáng)入射面面積的比例，從而確定中庭各個(gè)壁面的太陽(yáng)輻射負(fù)荷值
7、。對(duì)于室內(nèi)各個(gè)壁面，將室內(nèi)地面和墻面考慮成為具有相同熱工特性的蓄熱體，用以簡(jiǎn)化地面和墻面陰影面積的復(fù)雜計(jì)算。同樣，出于計(jì)算安全考慮，對(duì)建筑物自身遮擋的熱量將不做折減。對(duì)散射光部分，按有關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)【1】考慮，此處不再進(jìn)行修正。在確定中庭各個(gè)時(shí)刻的得熱量之后，進(jìn)行中庭垂直溫度分布的計(jì)算。辦公建筑內(nèi)部的中庭通常與相當(dāng)數(shù)量的辦公房間相鄰，其整個(gè)空間的熱環(huán)境和垂直溫度分布，即會(huì)對(duì)與其相鄰的辦公室的空調(diào)負(fù)荷產(chǎn)生較大的影響。因而，了解
