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办公楼空调能耗的BIN-法模拟
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内容提示：本文采用一种简化的能耗分析方法——BIN法对南京地区一办公楼的年空调能耗进行了模拟计算。文章分析了负荷组成的几个主要影响因素及对建筑物年能耗的影响程度，绘出了各因子的影响曲线并提出了相应的节能措施。
1 前言
空调能耗在整个建筑能耗中占有相当大的比例。世界上有人估计，空调耗电量每年以4%-5%的速度增长，许多发达国家空调用电量将占发电量的1/2，合理支配空调系统的能量消耗已日益引起各国的重视。空调系统的节能是建筑节能的主要部分，通过对空调的负荷模拟可预测系统的性能，以便利用模拟结果修改空调和建筑的节能设计；也可通过模拟研究负荷组成的各因素对负荷和能耗的影响，从而实现空调系统的最优设计和运行。因此，空调能耗模拟对空调系统节能的优化设计和运行管理都有着重要的意义。（参考《建筑中文网》）
2 模拟方法空调系统的能耗计算分为精确模拟计算和简化模拟计算两种方法。基于精算法各国学者已开发出了很多较为成熟的软件如DOE-2、BLAST、HASP、NBSLD等。但这类软件一般较为复杂，不适于一般的设计人员和运行管理人员使用。简算法包括度日法、当量运行小时法和BIN法等。笔者以BIN法为基础，设计了南京地区建筑物空调能耗的模拟计算程序，并用该程序对南京地区一办公楼的空调能耗进行了模拟和分析。
空调假想负荷的组成主要包括太阳辐射热、建筑传热、内部负荷、新风及渗透风负荷。为了简化计算可作如下假设：假设围护结构负荷（包括温差传热和日射得热）和新风(渗透风)负荷与室外温度有着线性关系。
3 能耗模拟数学模型3.1 日射负荷
（1）
——平均日射负荷（W/m2），7月份和1月份的平均日射负荷分别记为
，
；
——建筑物所有外窗的朝向数；
——朝向
的最大得热因素（W/m2）；
——朝向的窗的总面积（m2）；
——朝向的遮阳系数；
——朝向的24小时日射冷负荷系数之和；
——月平均日照率；
——空调系统运行小时数（h）；
——建筑物的空调面积（m2）；
与室外气温
之间存在如下的线性关系：
（2）
式中：
——高峰冷负荷温度（℃）；
——高峰热负荷温度（℃）；
3.2 传导负荷
传导负荷由两部分组成：（a）通过屋面、墙体、玻璃窗由温差引起的稳定传热部分，用下式进行计算。
（3）
——分别为夏季、冬季由温差引起的传导负荷（W/m2）
——建筑物传导表面数；
——第个表面（或玻璃窗）面积（m2）；
——第个表面的传热系数（W/m2.℃）；
——室外气温（℃）；
——室内设计温度（℃）；
（b）通过屋面、墙体由日射得热引起的不稳定传热部分可通过下式计算
（4）
则有： 
(5）
其中：
——由日射形成的传导负荷（ W/m2），下标表示月份；
——由日射形成的墙体冷负荷温差（℃）（可查阅参考文献[1]）；
——墙体外表面颜色修正系数
Tph——高峰热负荷温度
3.3 内部负荷
（6）
式中：
——同时使用系数
——设备和照明的最大负荷或房间内最大人数的人体散热；
3.4 新风负荷
显热负荷： 
（7）
潜热负荷： 
（8）
式中：
——新风量（m3/h）；
——对应各温度频段的室外空气含湿量（g/kg）；
南京地区一四层办公楼，层高3.6m，南北朝向。建筑面积3200 m2，工作时间为8：00-18：00。夏季室内设计温度26℃，相对湿度50%；冬季设计温度20℃，相对湿度50%。人员密度按0.1人/ m2，新风量标准30m3/h .人；电脑、复印机、打印机等办公自动化设备发热量按15W/m2，同时使用系数按0.6计；照明负荷按20W/m2，同时使用系数按0.5计。其它计算参数为：
(1)外墙：水泥沙浆+24砖墙+石灰沙浆，传热系数K=1.95W/m2.K；南墙621.3 m2，北墙638.6 m2，东墙178.1 m2，西墙178.1 m2。
(2)外窗：单层3mm平板玻璃单层铝合金推拉窗，内挂浅绿色窗帘，遮阳系数SC为0.55,传热系数K=6.4W/m2.K；北窗260 m2 ，南窗255 m2 ，西窗12 m2 ，东窗12 m2 。
(3)屋面：加气混凝土保温屋面，保温层200mm，传热系数K=0.94W/m2.K，面积823.7 m2。
以南京地区1992年的气象参数为例，采用一班制空调（8：00-18：00）其BIN参数[3]如下表所示。
南京地区1992年的BIN参数
| BIN℃ | -6 | -4 | -2 | 0 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | 14 | 16 |
| 小时数/h | 1 | 7 | 31 | 66 | 164 | 209 | 267 | 230 | 211 | 194 | 218 | 215 |
| 平均湿球温度/℃ | -6.5 | -4.26 | -2.12 | 0.67 | 0.78 | 2.24 | 3.80 | 5.21 | 7.06 | 9.12 | 10.57 | 12.13 |
| BIN℃ | 18 | 20 | 22 | 24 | 26 | 28 | 30 | 32 | 34 | 36 | 38 | |
| 小时数/h | 256 | 238 | 300 | 321 | 292 | 288 | 217 | 141 | 98 | 59 | 3 | |
| 平均湿球温度/℃ | 13.31 | 15.05 | 17.73 | 20.42 | 21.26 | 22.69 | 23.84 | 24.85 | 26.44 | 27.16 | 27.07 | |
| 平均含湿量g/kg | 7.8 | 8.7 | 10.9 | 13.5 | 14.0 | 15.2 | 16.2 | 16.6 | 19.0 | 19.4 | 18.5 |
根据南京地区的气候特点和建筑物的用途，取38 ℃，取-6℃。夏季空调运行时间均按10小时，冬季供暖时间按24小时计。按文献[1]计取，取1；7月份和1月份的分别取0.64和0.44。根据（1）-（8），可计算出总供冷负荷与室外温度的关系式：
（9）
将各频段的能耗量乘以相应的BIN小时数并进行叠加则可得全年的总空调能耗量。
5 模拟结果分析由于南京地区属非采暖地区，夏季空调耗冷量是全年能耗的主要部分。本例仅针对夏季耗量进行了研究，并采用笔者自行设计的程序对该建筑物的需冷量进行了模拟，得到了设计参数下的年空调耗冷量为100.22KWh/m2。其中日射负荷占14.0%，传导负荷占14.3%，内部负荷占55.6%，新风负荷占16.1%。
从计算过程可以看出，空调系统的能耗的主要影响因素包括室内设计温度、围护结构、人员密度、照度、新风指标、窗墙比、遮阳系数等。当各因子变化时，相应的年耗冷量变化如图1-8所示。
| | | |
| 图1 室内设计温度—耗冷量曲线 | 图2 新风指标—耗冷量曲线 | 图3 窗墙比—耗冷量曲线 |
| | | |
| 图4 遮阳系数—耗冷量曲线 | 图5 人员密度—耗冷量曲线 | 图6 设备发热量—耗冷量曲线 |
| | | |
| 图7 照度—耗冷量曲线 | 图8窗户传热系数—耗冷量曲线 | 图9 墙体传热系数—耗冷量曲线 |
由图1可以看出，当夏季室内温度降为25℃，年空调耗冷量为105.94KWh/m2，即夏季室内设计温度每降低1℃，年耗冷量平均增加约5.7%，因此夏季应在满足舒适性的条件下尽量提高室内设计温度。当新风量指标增大至50m3/h.人时，新风量为16000 m3/h，相应的年空调能耗量增加率为10.77%。根据图4可知，窗户遮阳系数对能耗有着重要的影响，因而采取悬挂窗帘作内遮阳是既经济又可美化室内环境的一种节能措施。由图5、6、7可知，当人员密度由0.1人/m2增加至0.2人/m2时，能耗量增加39.21KWh/m2；而内部设备发热量由15 W/m2增加至30 W/m2时，能耗增加率达15.4%；室内照度由20 W/m2增加至25 W/m2时，能耗增加率为4.3%。由此可见，办公楼的内部负荷是建筑能耗量中的重要影响因素，特别是在现代智能办公大楼内，办公自动化设备的大量使用成为空调负荷的主要组成部分。因此，在进行空调负荷计算和能耗预测时，室内设备的发热量不容忽视。
由图3、图8和图9可以看出，窗墙面积比及外墙、外窗等围护结构的传热系数的改变对能耗量的影响相对较弱。例如，将窗墙比由0.4减小为0.3，节能率仅为3.4%；将外墙由原设计条件改为加气混凝土保温外墙时，传热系数降为1.3W/（m2. ℃），能耗下降率为3.9%；而将窗户改为双层金属窗时，遮阳系数由0.55将为0.48，传热系数由6.4降为4.4，平均节能率为2.41%。因此，在南京地区减小窗墙面积比、采用双层窗及保温外墙和保温屋面的节能效果并不明显。这是由于在该地区的气候条件下，办公建筑的内部负荷所占比例较大所致。
6 结论由以上分析可以看出，在南京地区的气候条件下，以空调能耗为主的办公类建筑，其能耗的影响主要因素为室内设计温度、人员密度、设备发热量、照度、遮阳系数和新风指标。因此，在建筑物的设计阶段应充分考虑各因子的影响程度，合理选择各设计参数，优化空调系统的设计，从而达到节能降耗的目的。
参考文献1.Energy Estimating Methods，ASHRAE HANDBOOK 1985 FUNDAMENTALS
2.龙惟定，用BIN参数作建筑能耗分析.暖通空调，1992，2
3.杜垲，刘青，张建忠.应用联合频率表对传统BIN法的改进，暖通空调，2002（4），32
来源: 《建筑中文网》.原文网址：http://www.pipcn.com/research/200612/8761.htm
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