1 空调负荷计算方法的发展历程
空调负荷计算方法的发展过程，其实就是人们对空调空间的得失热量到空调冷负荷的转变过程的认识过程，也是建筑围护结构传热计算方法和辐射热转变为冷负荷的计算方法的发展过程。空调负荷计算方法的发展经历了3个时期：稳态传热计算时期，准稳态传热计算时期，非稳态传热计算时期。
2 空调负荷计算方法介绍
2.1 冷负荷系数法
冷负荷系数法以传递函数为基础，建筑围护结构的动态传导得热用墙体的导热传递函数计算。冷负荷系数法的计算原理见图1。
图1 冷负荷系数法的负荷计算流程
冷负荷系数法的主要特点有：1）用围护结构的导热传递函数系数计算围护结构的传导得热，需要进行迭代计算；2）用各种得热的冷负荷权系数把各种得热转换成相应的逐时冷负荷。
2.2 热平衡方法
热平衡方法是目前空调冷负荷计算中一种准确且基础的方法，它不引入基于变换的方法，直接求解问题。其冷负荷计算原理如图2所示。
图2 热平衡方法负荷计算原理
2.3 辐射时间序列（RTS）方法
辐射时间序列方法是一种简化的空调冷负荷计算方法。它利用了外扰的周期性特点，大大减少了冷负荷系数法采用导热传递函数与房间传递函数所需要的迭代计算，能有效地取代现有的冷负荷系数法和其他非热平衡的冷负荷简化计算方法。其假设条件为：1）周期性外扰，这是辐射时间序列法能从热平衡方法中简化出来的基础条件；2）通过非透明围护结构导热衰减和延迟；3）辐射得热量转化为冷负荷的衰减和延迟；4）除热平衡方法中太阳短波辐射分布假设外的其他假设条件。辐射时间序列的基本思想在于：将室内各种得热根据推荐值划分为对流部分和辐射部分，对流部分成为冷负荷，而辐射部分由辐射时间系数计算出逐时冷负荷。辐射时间序列方法的计算过程如图3所示。
图3 辐射时间序列方法的负荷计算流程
辐射时间序列方法有2个特点：1）采用周期反应系数，可以轻松地对比各种围护结构之间对传导得热的衰减和延迟，有助于设计师在设计初期对比不同围护结构的优劣；2）形成负荷的物理过程很明晰，适合在设计初期对空调负荷进行预估。当然，它也避免了对复杂的热平衡方程直接求解，无需迭代计算，计算过程简单，因此得到了广泛应用，但是它假设室外为周期性外扰，因此仅适合计算峰值负荷，不能用于计算全年负荷。
3 负荷计算软件的发展状况
负荷计算软件可分为空调负荷计算软件和建筑能耗模拟软件。
3.1 空调负荷计算软件
空调负荷计算软件只能计算空调冷负荷，不能对建筑及其空调系统的长期能耗和性能进行分析计算。从某种角度来说，建筑能耗模拟软件也可以用作设计负荷计算。能耗模拟软件通常是基于热平衡方法建立模型和模拟计算的，其计算负荷的方法是热平衡方法。
3.2 建筑能耗模拟软件
动态模拟软件分为空调系统仿真软件和建筑能耗模拟软件。前者主要用于空调系统的控制仿真，以TRNSYS，SPARK和HVACSIM＋为代表，后者主要用于模拟分析建筑和系统的长周期动态热特性，模拟建筑物的全年运行能耗，也能模拟计算出空调系统的冷热负荷，这类软件有EnergyPlus，ESP-r和DeST。
美国于70年代中期陆续开发了建筑能耗模拟程序BLAST和DOE-2.0，90年代在BLAST和DOE-2.0的基础上，开发了新一代建筑能耗模拟软件EnergyPlus。欧洲于20世纪70年代开始对建筑能耗模拟分析进行研究，代表性软件有ESP-r。日本开发的软件有HASP；清华大学于1992年开发出建筑热过程分析软件BTP，后又在BTP基础上加入空调系统模拟模块，开发出空调系统模拟软件ⅡSABRE，从1997年开始在ⅡSABRE的基础上开发出针对设计的模拟分析工具DeST。如今DeST已在国内、欧洲、日本和中国香港等国家和地区使用。DeST是面向设计人员的模拟工具，可以进行空调负荷计算。
4 空调负荷计算存在的挑战
4.1 新型围护结构的传热计算问题
新型围护结构如双层皮幕墙、呼吸式墙体等有很好的保温隔热作用。板壁围护结构线性热传导方程的求解方法已不适合这些围护结构的传热计算，需要开发相应的逐时传热计算模型和算法。作为建筑可选围护结构，双层皮幕墙在夏季一般会采用通风和百叶遮阳措施以降低空调负荷。由于双层皮幕墙带有内置百叶和通风口，其内部的空气流动、辐射热传递和传热过程很复杂，研究者多采用CFD模拟计算双层皮幕墙内部的空气流动和热传递过程，计算耗时。而在负荷计算软件和建筑模拟软件中难以采用CFD进行逐时模拟计算。最近有学者开发出并实验验证了适合负荷计算和能耗模拟的通风双层皮幕墙逐时传热计算模型和算法。但目前的负荷计算软件和建筑模拟软件中缺少合适的双层皮幕墙逐时传热计算模型和算法。
4.2 多孔性围护结构热湿耦合传递问题
我国热湿气候（夏热冬冷、夏热冬暖）地区空气湿度高。该地区建筑多采用多孔性材料，如黏土砖、页岩砖、加气混凝土、水泥砂浆、石灰砂浆等等。这类围护结构内部存在动态热湿耦合传递，对该地区建筑的空调负荷和能耗有较大影响。建筑围护结构热湿耦合传递是一个复杂的非线性问题，这一问题的求解过程与负荷计算以及建筑模拟软件中的其他模块耦合逐时计算有一定难度，需要建立非线性热湿耦合传递方程和开发非线性方程求解算法。EnergyPlus软件已经有这一模拟计算模块。国内已有研究者开发和验证这一问题的模型，但国内的负荷计算和模拟软件尚未涉及这一问题。
4.3 间歇空调的冷负荷计算问题
空调系统的间歇运行模式因能减少运行能耗而应用广泛。空调系统在停止运行期间建筑围护结构和室内家具等的蓄热作用导致设计负荷难以准确计算。在工程设计中，往往只能根据经验估算预冷负荷，给设备的经济性和运行效果带来了许多不确定性。工程设计人员希望能有一种有效的方法来指导间歇运行空调系统的设计。我国曾有学者推荐使用“间歇负荷系数”指导办公建筑空调系统的设计。间歇空调系统冷负荷计算必须考虑夜间空调系统停运期间室内蓄热量在空调运行后转化为冷负荷的问题。蓄热量转化为冷负荷的过程与房间蓄热特性、室内外温度波动、空调设备的运行策略、预冷时间有着密切关系。在理论上建立模型准确分析这一转化过程有较大困难。虽然国内学者在这一方面开展了很多研究，但尚未取得有成效的进展。
4.4 辐射供冷的冷负荷计算问题
辐射供冷系统主要通过辐射末端带走室内得热，瞬时得热中的辐射得热可以直接被辐射末端吸收转化为冷负荷。此外，受辐射末端供冷能力限制，当辐射供冷系统不能承担房间所有冷负荷时，需要采用送风来带走剩余的冷负荷，辐射供冷和送风系统的耦合换热使房间换热过程更加复杂。因此，与全空气系统相比，辐射供冷系统房间得热量转化为冷负荷的方式发生了变化。传统的空调冷负荷计算方法是否还适用于辐射供冷系统值得商榷。对辐射供冷空调的负荷特性的研究表明，辐射供冷系统的冷负荷计算与全空气系统是不同的。但目前有关辐射供冷系统的标准和手册缺少针对辐射供冷系统的冷负荷计算方法。ASHRAE手册，ISO 11855：2012设计标准和我国JGJ 142—2012标准中对辐射供冷系统的设计都采用现有房间冷负荷计算方法。EN 15243-2007标准指出，房间冷负荷计算应根据空调系统和控制方式采用不同的计算方法，但该标准没有具体冷负荷计算方法。冷负荷计算是辐射供冷系统设计和应用中亟待解决的问题。
本文刊登于《暖通空调》2017年第3期
作者：
湖南大学 陈友明
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