安徽建筑大学 郭峥，程海峰，张举，胡宁
引言
观演建筑是一个综合性的艺术场所，也是观众和演员停留和活动的场所，主体由观众厅和舞台区组成。其特点是观众厅面积大、整体空间高、人员多而集中，并且有复杂的布景和灯具，因而给其空调系统设计带来一系列复杂问题［1］，而且为了适应不同艺术、不同季节的使用需要，其空调系统还需做相应的不同功能转换。
传统的设计方法往往根据计算出的峰值负荷确定主机容量和系统配置，这样势必造成资源浪费、运行能耗高。本文采用动态负荷分析方法分析建筑物内各种不同室内工况下的负荷分布状态，找出其有效稳定的负荷基数，以此作为空调设备选配依据，指导空调运行方案制定。
负荷基数指建筑物在不同室内外工况、不同负荷时段下的常年稳定负荷区间，该区间同时还应满足制冷机组的高效运行域。以负荷计算为基础，通过负荷分析找出建筑物所需负荷
基数的方法称为负荷基数法。负荷基数法能够客观的反映建筑内各种工况下的负荷分布状态，对一些常年存在建筑内热的建筑、功能复杂建筑的主机选配、节能运行、降低造价，有着十分显著的作用。笔者采用负荷基数法对合肥某综合性演艺场馆进行了负荷分析，取得了一些有益的成果和经验。
1 采用负荷基数法进行建筑物暖通空调负荷分析
以合肥市某观演建筑为例，该项目建筑面积20248m2，地下一层，地上五层。负一层为公共设备用房、演职员准备间；一层为门厅、入场等候区与峰值人员1000人的大型秀场及升降舞台区；二层为秀场贵宾包间；三层为演艺职员餐厅，灯光音响设备层及酒吧包厢；四、五层为大型餐厅及包间。采用负荷基数法对一层大型秀场及其与之功能相关联的区域进行负荷分析，不包括三层酒吧包厢及四，五层餐饮，结果如下。
1.1 设定负荷计算与负荷分析的边界条件
空调室外设计参数见表1，室内典型工况下参数见表2，其它工况下室内参数分别在各种工况中介绍。
表1 室外空调负荷计算参数
大气压 | 干球温 | 湿球温 | 相对湿度 | 平均风速 | |
夏季 | 100090 | 35 | 28.2 | / | 2.6 |
冬季 | 102230 | -7 | / | 75% | 2.5 |
表2 典型工况下室内空调设计参数
设计温度（℃） | 相对湿度 | 新风标准 | 人员密度 | 设备夹层指标 | ||
夏季 | 26 | 65% | 30m3/人.h | 舞台，包厢0.5人/m2 | 200W/m2 | |
冬季 | 16 | / | 30m3/人.h |
1. 2 典型日各功能区的负荷计算
汇总结果如表3，逐时负荷如表4。
表3 典型工况下各功能区负荷汇总
建筑 | 人员 | 空调 | 总冷 | 冷负荷 | 总冷 | 冷指标W | 空调总 | 空调热 | 空调总 | 空调热 |
观众厅 | 680人 | 852 | 238.32 | 84.60 | 279.72 | 99.30 | 171.61 | -84.54 | 201.42 | -99.23 |
舞台 | 0.50 | 216 | 64.00 | 33.78 | 296.30 | 156.39 | 14.09 | -36.50 | 65.23 | -168.98 |
包厢 | 0.5 | 346 | 84.88 | 31.4 | 245.32 | 90.75 | 36.32 | -26.07 | 104.97 | -75.35 |
员工区域 | 0.2 | 290 | 31.70 | 15.4 | 109.31 | 53.10 | 31.6 | 2.59 | 108.97 | 8.93 |
西餐厨房 | 0.15 | 390 | 35.00 | 18.6 | 89.74 | 47.69 | 32.00 | 2.18 | 82.05 | 5.59 |
设备夹层 | 10人 | 663 | 144.25 | 141.46 | 217.57 | 213.36 | -136.98 | -141.66 | -206.61 | -213.67 |
咖啡厅 | 0.6 | 617 | 142.6 | 49.05 | 231.12 | 79.50 | 107.60 | -43.70 | 174.39 | -70.83 |
小计 | / | 2757 | 740.75 | 374.29 | 268.68 | 135.76 | 256.24 | -327.70 | 92.94 | -118.86 |
表4 典型工况下各功能区逐时负荷
建筑功能 | 0:00 | 1:00 | 2:00 | 3:00 | 4:00 | 5:00 | 6:00 | 7:00 |
观众厅 | 216422 | 227199 | 238320 | 32275 | 22035 | 18954 | 17049 | 15669 |
舞台 | 60115 | 62044 | 63992 | 12614 | 6659 | 4813 | 3843 | 3233 |
包厢 | 82191 | 83542 | 84879 | 50028 | 46197 | 45020 | 44256 | 43690 |
设备夹层 | 141765 | 143086 | 144249 | 37219 | 23850 | 19839 | 17379 | 15605 |
员工区域 | 29731 | 30719 | 31721 | 10273 | 8783 | 8322 | 8019 | 7793 |
咖啡厅 | 130600 | 136520 | 142607 | 22212 | 16396 | 14629 | 13507 | 12683 |
西餐厨房 | 32976 | 34005 | 35043 | 11677 | 9750 | 9154 | 8772 | 8491 |
建筑总负荷 | 693801 | 717114 | 740810 | 176298 | 133669 | 120731 | 112825 | 107164 |
续表4
建筑功能 | 8:00 | 9:00 | 10:00 | 11:00 | 12:00 | 13:00 | 14:00 | 15:00 |
观众厅 | 14588 | 13701 | 12955 | 12320 | 11773 | 11301 | 10891 | 10534 |
舞台 | 2795 | 2452 | 2169 | 1927 | 1716 | 1532 | 1369 | 1225 |
包厢 | 43244 | 42880 | 42578 | 42325 | 42111 | 41930 | 41775 | 41644 |
设备夹层 | 14216 | 13076 | 12116 | 11296 | 10588 | 9975 | 9441 | 8976 |
员工区域 | 7615 | 7469 | 7349 | 7249 | 7164 | 7093 | 7033 | 6981 |
咖啡厅 | 12034 | 11503 | 11059 | 10684 | 10364 | 10089 | 9854 | 9651 |
西餐厨房 | 8271 | 8092 | 7944 | 7820 | 7716 | 7628 | 7552 | 7489 |
建筑总负荷 | 102762 | 99174 | 96171 | 93619 | 91432 | 89547 | 87916 | 86500 |
续表4
建筑功能 | 16:00 | 17:00 | 18:00 | 19:00 | 20:00 | 21:00 | 22:00 | 23:00 |
观众厅 | 10223 | 9951 | 179297 | 186986 | 189900 | 193905 | 199654 | 207281 |
舞台 | 1097 | 984 | 46563 | 52213 | 54122 | 55504 | 56875 | 58411 |
包厢 | 41531 | 41434 | 72704 | 76398 | 77661 | 78720 | 79793 | 80953 |
设备夹层 | 8569 | 8212 | 115251 | 129064 | 133490 | 136344 | 138499 | 140261 |
员工区域 | 6938 | 6901 | 25214 | 26522 | 26998 | 27503 | 28120 | 28871 |
咖啡厅 | 9475 | 9323 | 109646 | 114116 | 115830 | 118122 | 121344 | 125569 |
西餐厨房 | 7434 | 7387 | 27606 | 29362 | 29985 | 30581 | 31265 | 32070 |
建筑总负荷 | 85267 | 84192 | 576281 | 614660 | 627986 | 640679 | 655549 | 673418 |
1. 3 改变边界条件后的建筑负荷
边界条件改变下负荷分析的各种室内工况见表5。
表5 边界条件改变下负荷分析的各种室内工况
典型工况 | 新风标准按30，观众厅按680人，舞台及包厢人员密度全部按0.5 | ||||
室内工况 | 只有值班 | 舞台，观众厅，包厢负荷全部设为0 | |||
观众到场率 | 50% | 70% | 90% | 120% | |
观众厅新风标准 | 15 | 20 | 25 | 30 | |
彩排 正常情况 | 不开音响设备 | 开50%音响设备 | 音响设备全开 | / | |
50%观众 | 没有观众 | / | / | ||
彩排 正常情况 | 不开音响设备 | 开50%音响设备 | 音响设备全开 | / | |
50%观众 | 没有观众 | / | / | ||
彩排 正常情况 | 不开音响设备 | 开50%音响设备 | 音响设备全开 | / | |
50%观众 | 没有观众 | / | / | ||
室外工况按全通风工况部分通风两种情况分类。在典型工况基础上，按照单一边界条件变化得到26种不同工况下的负荷，结果如下。
1.4 进行负荷分析并确定负荷基数
1.4.1负荷计算结果见表6。
表6 不同工况下负荷计算结果
运行工况 | 最大冷负荷（kW） | 出现时间 | 最小冷负荷 | 出现时间 | 冬季热负荷含新风（kW） | 冬季热负荷不含新风（kW） | ||
典型工况 | 1典型工况 | 740 | 2:00 | 84.19 | 17:00 | 256.24 | -327.70 | |
值班工况 | 2值班工况 | 4.2 | 7:00 | 3.7 | 19:00 | 2.18 | 0 | |
观众人员数量变化 | 3观众到场率50% | 633.5 | 2:00 | 83.34 | 17:00 | 122.1 | -293.77 | |
4观众到场率70% | 676.42 | 2:00 | 83.61 | 17:00 | 159.29 | -307.81 | ||
5观众到场率90% | 719.35 | 2:00 | 87.67 | 17:00 | 196.48 | -309.8 | ||
6观众到场率120% | 783.73 | 2:00 | 84.53 | 17:00 | 252.26 | -342.91 | ||
新风标准变化 | 7新风标准25 | 680.21 | 2:00 | 78.45 | 17:00 | 125.04 | -328.87 | |
8新风标准20 | 619.60 | 2:00 | 72.70 | 17:00 | 35.01 | -328.87 | ||
9新风标准15 | 557.06 | 2:00 | 66.95 | 17:00 | -56 | -328.87 | ||
彩排工况 | 10正常情况，音响设备全开，50%观众 | 598.9 | 21:00 | 65.9 | 6:00 | 99.83 | -284.84 | |
11正常情况，音响设备全开，没有观众 | 457.18 | 21:00 | 47.61 | 6:00 | -15.41 | -223.27 | ||
12正常情况，音响设备不开，50%观众 | 472.88 | 21:00 | 63.4 | 6:00 | 232.43 | -152.24 | ||
13正常情况，音响设备不开，没有观众 | 331.01 | 21:00 | 45.1 | 6:00 | 117.19 | -108.2 | ||
14正常情况，音响设备50%开，50%观众 | 535.9 | 21:00 | 64.65 | 6:00 | 166.13 | -218.54 | ||
15正常情况，音响设备50%开，没有观众 | 394.12 | 21:00 | 46.36 | 6:00 | 50.89 | -170.74 | ||
16冬戏夏拍，音响设备全开，50%观众 | 575.98 | 21:00 | 142.06 | 6:00 | 65.58 | -319 | ||
17冬戏夏排，音响设备全开，没有观众 | 418.65 | 21:00 | 86.47 | 6:00 | -15.4 | -240.8 | ||
18冬戏夏排 音响设备开50%，50%观众 | 515.96 | 21:00 | 137 | 6:00 | 133.88 | -252.79 | ||
19冬戏夏拍，音响设备开50%，没有观众 | 365.75 | 21:00 | 82.8 | 6:00 | 43.97 | -181.4 | ||
20冬戏夏排，音响设备不开，50%观众 | 455.93 | 21:00 | 131.9 | 6:00 | 198.18 | -186.5 | ||
21冬戏夏拍，音响设备不开，没有观众 | 298.6 | 21:00 | 76.3 | 6:00 | 122.3 | -107.82 | ||
22夏戏冬排，音响设备全开，50%观众 | 575.98 | 21:00 | 142.06 | 6:00 | 70.67 | -318.8 | ||
23夏戏冬排，音响设备全开，没有观众 | 418.66 | 21:00 | 86.4 | 6:00 | -10.2 | -240.42 | ||
24夏戏冬排，音响设备开50%，50%观众 | 515.96 | 21:00 | 137 | 6:00 | 136.98 | -252.5 | ||
25夏戏冬排，音响设备开50%，没有观众 | 365.75 | 21:00 | 82.8 | 6:00 | 49.07 | -181.14 | ||
26夏戏冬排，音响设备不开，50%观众 | 455.93 | 21:00 | 131.9 | 6:00 | 203.28 | -186.2 | ||
27夏戏冬排，音响设备不开，没有观众 | 298.6 | 21:00 | 76.37 | 6:00 | 122.39 | -107.8 | ||
1.4.2负荷基数选取
以上所列举27种工况中值班工况下负荷很小，值班室中直接设置分体空调即可满足需要，负荷分析中此工况可略去不计；其余26种工况中最小负荷中的最大值为142kW，由于机组高效运行区间一般为50%～85%，因此负荷基数域为167kW～284kW。取27种工况中最大冷负荷中的最大值作为总冷负荷，为783kW。
1.4.3负荷分析
(1）冬季全新风运行的可行性
由于该建筑大部分为内区房间，冬季设备、灯光及舞台散热量大，因而冬季在除去新风负荷的情况下，建筑不仅不需要供热，反而需要供冷，此时可考虑全新风运行，并进行新风量校核。以典型工况下冬季热负荷（不含新风）为例：冬季合肥通风室外计算温度2℃，相对湿度按75%计，则通风室外空气计算焓值为10.12kJ/kg；室内状态点参数为：干球温度18℃，相对湿度60%，则室内空气焓值为37.5 kJ/kg，则通风室内外焓差为27.38kJ/kg冬季空调热负荷为-327kW，考虑直接用通风消除余热，则所需风量经计算得风量为35294m3/h；而满足建筑新风需求的风量为31155m3/h，因此这种工况下全新风运行完全可以满足室内热负荷要求。
(2）夏季各种工况下负荷
典型工况下计算负荷为740.75kW，当观众到场率不同时，负荷会发生相应变化；系统同时也考虑到了当观众到场率达120%的极端工况下的正常运行。
新风标准不同时，负荷也发生变化，通过负荷计算，当新风标准取15 m3/人·h时负荷为557kW，与新风标准按30m3/人·h相比，负荷减少了183kW，因此当满足卫生需要时，小新风量运行，节能非常显著；当实际场内人员超过设计人员密度时采取定新风量运行以利节能。
该项目彩排工况根据人员到场率，设备开启情况，及彩排工况共分为16种情况，在实际系统运行中，根据实际工况下空调负荷，合理启停机组，以达到节能高效运行的目的。
2.根据负荷计算结果确定的负荷基数确定的机组配置方案
根据负荷基数域为167kW～284kW，选择一台制冷量为231kW的机组，全天24小时运行；根据峰值冷负荷783kW，选择一台制冷量572kW的机组运行于18:00～2:00时段；根据逐时负荷的分布特征，分别或组合运行两台主机。
3.与传统方案相比较
现行方案冬季采用空场预热，演艺时段采用通风方式空调；夏季冷水机组配置依据负荷分析结果，与传统方案不同。传统方案冷水机组配置一般按照均分原则，即选择两台制冷量为376kW机组，除3:00～17:00开启一台机组外，其余时间段要同时开启两台机组。合肥地区夏季空调制冷期按6～9月120天计算，采用部分负荷综合能效值IPLV来衡量全年的综合效益。
IPLV=0.01A+0.42B+0.45C+0.12D[2]
式中：A—100%负荷时COP，对应于冷却水进水温度为29.4℃；
B—75%负荷时COP ，对应于冷却水进水温度为23.9℃；
C—50%负荷时COP，对应于冷却水进水温度为18.3℃；
D—25%负荷时COP，对应于冷却水进水温度为18.3℃；
查选型手册，得：A=6W/W，B=8.3W/W，C=10.2W/W，D=7.8W/W，计算得综合能效IPLV为9.07 W/W；
年耗电量=
式中：Q—制冷量（kW）；
T—年运行时间（h）；
采用部分负荷能效来比较两种方案下年耗电量：
1）传统方案：
2）现行方案：
；
因此，现行方案在节能方面更具优势，运行一年节省电能51520
。
4.结论
（1） 采用负荷基数法对大型演艺场所进行负荷分析，能综合考虑室内外各种工况，以运行全过程的连续工况变化为依据，分析系统最佳运行状态；
（2) 负荷基数法基于全过程的运行工况制定系统方案并配置相应的设备，使系统的性能指标在最大负荷时和在部分负荷运行时均处于高效区，节约能耗；
（3） 负荷分析结果为各种工况下的系统运行策略提供了依据和节能运行预案；
（4） 合理确定负荷基数可以最大限度的发挥设备效能，减少资源浪费，减少装机容量，降低造价。
