1.前言
近年来，为了提高建筑节能水平以及更好地保护地球环境，建筑设备特别是空调设备的性能检证过程（commissioning，以下简称cx）在日本、美国、欧洲等地区越来越受到广泛的重视。在进行性能检证的过程中，研究者非常期待模拟软件能够在cx的各个阶段中得到应用。
dest（designer’s simulation toolkit）是由清华大学建筑学院建筑技术科学系dest课题小组研究开发的空调系统辅助设计模拟工具。dest以“分阶段设计，分阶段模拟”为基本思路，对应设计的不同阶段提供了相应的功能性模块。其目的是将模拟技术应用于设计的整个过程中，通过建筑模拟、方案模拟、系统模拟、水力模拟等手段对设计进行校核，让设计人员根据模拟的数据结果对其设计进行验证，从而起到辅助和提高设计水平的目的。
本研究的目的是通过利用dest对日本的某实际建筑物的空调设备进行性能检证，来考察dest对于cx的各个阶段的可应用性，以及研究如何在cx各个步骤的工作中应用模拟软件进行辅助。
2.仿真模型的介绍
图1 设计对象的建筑物标准层平面图
本文的研究仿真对象选择为如图1所示的位于日本东京的某研究所的标准层。图2～图4分别表示灯光、设备、人员等室内发热量的作息时间。表1～表2分别表示该建筑物的主要情况及室内设定条件。空调时间为8：00～18：00（8：00～9：00为预热时间，预热时新风量为0）。
图2 灯光发热量作息制度 图3 设备发热量作息制度
图4 人员发热量作息制度
表1 建筑物的主要情况
| 所在地 | 东京 |
| 构造 | src造 |
| 层数 | 10层 |
| 标准层面积 | 330m3 |
| 建筑面积 | 3300 m3 |
| 用途 | 办公室 |
表2 室内设定条件
| | 时间 | 设定温度（℃） | 设定湿度（％） |
| 夏季 | 7.1~9.30 | 23~26 | 45~55 |
| 冬季 | 11.1~3.31 | 21~24 | 35~45 |
| 过渡季 | 以上之外 | 不空调 | 不空调 |
3.冷热负荷计算影响因素的分析
在空调系统的基本设计阶段，为了决定空调机的能力大小，首先需要计算房间的冷热负荷。作为cx的应用实例，作者对影响房间冷热负荷计算的3个因素——室内发热量、新风量、非空调时间的渗透风量进行了比较分析。
表3 各因素对热负荷计算的影响
| case | 计算条件 | 尖峰冷热负荷（kw） | 全年累计冷热负荷（mwh） |
| 基本case | 1． 内部发热量：冷负荷100%，热负荷100%
2． 新风量：全年600cmh
3． 不考虑非空调时的室外渗透风量 | 冷：450
热：163 | 冷：233.1
热：11.8 |
| case1 | 1． 内部发热量：冷负荷100%，热负荷50%
2．同基本case | 冷：450
热：221 | 冷：203.7
热：25.4 |
| case2 | 1． 内部发热量：冷负荷100%，热负荷0%
2．同基本case | 冷：450
热：281 | 冷：192.4
热：58.8 |
| case3 | 1． 新风量按照图4所示的人员作息变化
2．同基本case | 冷：450
热：148 | 冷：233.8
热：10.4 |
| case4 | 1． 非空调时的室外渗透风量为1次/小时
2．同基本case | 冷：432
热：212 | 冷：213.2
热：16.9 |
（1） 室内发热量的影响（基本case，case1，case2）
近年来，供暖尖峰负荷的计算以及全年冷热负荷计算时如何选取室内发热量逐渐受到重视，作者考察了室内发热量分别为100%，50%，0%时对冷热负荷计算结果的影响，根据表3的基本case和case1，case2的计算结果，将冬季的室内发热量从100%减少至50%，0%时，供暖尖峰负荷从163kw增加至221kw、281kw，相对于基本case（163kw），case1、case2的相对增加率为36%和72%。另外，全年热负荷累计值分别为11.8mwh、25.4mwh和58.8mwh，相对于基本case（11.8mwh），case1和case2的相对增加率分别为116%和400%。
在3个case中，夏季的室内发热量均为100%，因而冷负荷最大值均等于450kw。但是全年的累计冷负荷分别为233.1mwh、203.7mwh、192.4mwh，相对于基本case（233.1mwh），case1和case2的减少率分别为13%和17%。这是由于伴随着冬季室内发热量的减少，所需投入的冷负荷（主要是内区冷负荷）也相应减少而造成的。
（2） 新风量的影响（基本case，case3）
为了考察新风量对冷热负荷的影响，作者计算了新风量全年固定为600cmh以及根据室内人员作息制度进行比例控制的两个case。根据表3的基本case和case3的结果，冷负荷最大值二者均为450kw，没有差异，而热负荷最大值则从163kw变为148kw，大约下降了9%。此外，全年的累计冷负荷基本上没有什么变化，而累计热负荷从11.8mwh变为10.4mwh，约减少了12%。原因主要在于，在冬季热负荷的最大值对应为人员最少的时刻，即新风量最小，而在夏季，冷负荷最大值出现的时刻对应为人员最大的时刻，此时刻两个case的人员及新风量相同。
（3） 不空调时间的渗透风量的影响（基本case，case4）
在不空调时，房间内气压与空调时相比相对降低，室外的空气容易渗透进入房间。为了考察非空调时间室外渗透风对冷热负荷的影响，作者计算了有室外渗透风量（换气次数为1ach）和没有室外渗透风量的两种情况。根据表3的基本case和case4的计算结果，考虑室外渗透风影响时，冷负荷最大值从450kw降低至432kw，约减少了4%，而热负荷最大值从163kw升高至212kw，约增加了30%。此外，全年累计冷负荷从233.1 mwh降低至213.2 mwh，约减少了9%，全年累计热负荷从11.8 mwh升高至16.9 mwh，约增加了43%。
4.空调分区的考察
在设计空调系统时，合理的空调分区非常重要，图5～图8分别表示基准层的公用部和办公室1的内外区冷负荷的全年变化。办公室1、2、3的负荷类型比较接近，此处以办公室1为代表介绍办公室的状况。
根据图5～图8，内区之间以及外区之间的冷负荷全年变化曲线比较类似，因而将内外区分别进行处理是比较合理的。
对全年热负荷的分析也得出了同样的结论。
图5 共用部内区全年冷负荷变化 图6 办公室1内区全年冷负荷变化
图7 共用部外区全年冷负荷变化 图8 办公室1外区全年冷负荷变化
5.利用室内环境满足度指标验证不合理设计风量
5.1室内环境的评价指标
为了评价室内环境是否满足设计要求，作者提出了以下4类评价指标。
（1） 室内环境满足时间和不满足时间
在某个空调时刻，室内温湿度如果满足设计要求，则在室内环境满足时间上加上1个小时，否则，在室内环境不满足的小时上加上1个小时。
（2）室内环境满足度和不满足度
室内环境满足度＝
[%]
室内环境不满足度＝100－室内环境满足度 [%]
这里，室内环境满足时间和室内环境不满足时间分别指某个时间段中（例如全年、季节、月或周）的各自累计时间。
（3）全年室内环境满足指标和季节室内环境满足指标
（1）、（2）中所示指标，针对全年而言，称作全年室内环境满足指标，若是对每个月或者夏季、冬季分别计算的话，称作季节室内环境满足指标。
（4）系统室内环境满足指标和房间室内环境满足指标
以上（1）（2）所示指标，以每个房间作为对象时称为房间室内环境满意指标，以每个空调系统作为对象时称作系统室内环境满足指标。在计算系统室内环境满足指标时，某个时刻某台空调机所处理的所有房间均满足设计要求时，该空调机的系统室内环境满足时间累加上1各小时。因此，即使仅有一个房间的温湿度不满足设计要求，该时刻也将作为系统室内环境不满足时刻被统计。
5.2对实施设计阶段cx的应用案例
作者利用室内环境满足度指标，对4管制单一风道的定风量系统（cav）和4管制单一风道变风量系统（vav）两种空调方式的送风量的合理性进行了评价。
表5 各房间送风量设计值以及cav系统送风量的cx结果
| | | 正常设计
风量(cmh) | 故障设计
风量(cmh) | cx的結果 |
| ahu1 | 共用部interior | 2267 | 1302 | 风量不足 |
| 办公室1 interior | 921 | 1330 | 风量过大 |
| 办公室2 interior | 1198 | 1330 | 风量过大 |
| 办公室3 interior | 1647 | 1995 | 风量过大 |
| ahu2 | 共用部perimeter | 2079 | 1052 | 风量不足 |
| 办公室1 perimeter | 1670 | 1018 | 风量不足 |
| 办公室2 perimeter | 1566 | 1018 | 风量不足 |
| 办公室3 perimeter | 1598 | 2029 | 风量过大 |
作为cx用仿真工具，我们期待dest能够检查出设计的不合适的风量。在本研究中，对根据系统尖峰负荷计算得出的空调机风量按照各个房间的发热量进行适当分配得到的cav系统各房间送风量进行了仿真计算以评价其是否合理。表5中给出了正常/故障设计风量以及对cav系统的评价结果。这里的正常设计风量指对由dest尖峰负荷算出的各空调机风量按各自系统内各房间尖峰负荷进行比例分配后得到的风量。此外，将此风量作为cav系统送风量以及vav系统最大风量时计算出的不满足时间(不满足度)，如表6所示。不满足度表示夏季/冬季不满足时间对各自的空调时间(夏季:640 h，冬季:960 h)的比例。
表6 各室的期间室内环境不满足时间(不满足度)
| | | cav | vav |
| ahu1 | 共用部interior | 1211 | 夏：636(99%) | 883 | 夏：623(97%) |
| 冬：575(60%) | 冬：260(27%) |
| 办公室1 interior | 677 | 夏：481(75%) | 0 | 夏：0(0%) |
| 冬：196(20%) | 冬：0(0%) |
| 办公室2 interior | 797 | 夏：514(80%) | 1 | 夏：0(0%) |
| 冬：283(29%) | 冬：1(0%) |
| 办公室3 interior | 1139 | 夏：521(81%) | 54 | 夏：0(0%) |
| 冬：618(64%) | 冬：54(6%) |
| ahu2 | 共用部perimeter | 552 | 夏：147(23%) | 487 | 夏：149(23%) |
| 冬：405(42%) | 冬：338(35%) |
| 办公室1 perimeter | 752 | 夏：198(31%) | 503 | 夏：106(17%) |
| 冬：554(58%) | 冬：397(41%) |
| 办公室2 perimeter | 764 | 夏：202(32%) | 517 | 夏：114(18%) |
| 冬：562(59%) | 冬：403(42%) |
| 办公室3 perimeter | 1041 | 夏：368(58%) | 431 | 夏：32(5%) |
| 冬：673(70%) | 冬：399(42%) |
（1）夏季ahu1系统的评价
图7，图8分别表示7月2日的办公室1及公用部内区的送风量和室温。
办公室1内区在12-17点之间，cav时送风量被固定为1330cmh，不满足时间全部是由于送风量过大造成的过冷（室温<23℃）。系统改为vav后，通过减少风量至最大风量的42%-73%使得室温被控制为26度，不满足时间基本上变得没有。8点的室温保持为28度的原因是对预热时间给予了2度的容许范围。
共用部内区在8-17点之间，cav时送风量被固定为1302cmh，不满足时间全部是由于送风量不足造成的冷却不足（室温>;26℃）。系统改为vav后，始终都需要最大风量，因而不满足时间基本上没有什么变化。
对全年进行考察的结果，得出了同样的结论。另外，办公室2，3和办公室1的状况一样。
（2）冬季ahu1系统的评价
ahu1系统各房间的冬季基本上是冷负荷。
办公室1～3的内区，cav系统发生的不满足时间全部是由于送风量过大造成的过冷（室温<23℃）。系统改为vav后，通过减少风量使得不满足时间基本消除。
共用部内区的不满足时间从cav时的575小时，减少为vav的260小时，其原因是送风温度降低了。
（3）夏季ahu2系统的评价
图9-14分别表示7月2日，22日的办公室2、3外区的送风量和室温。由图9，10可知，办公室2的外区在9-15点之间， cav时送风量被固定为1018cmh，不满足时间全部是由于送风量不足造成的冷却不足（室温>;26℃）。系统改为vav后，始终都需要最大风量，因而不满足时间基本上没有什么变化。由图11，12可知， 办公室2外区在9，10点，cav时送风量被固定为1018cmh，由于送风量过大带来的过冷（室温<23℃）造成了不满足时间。系统改为vav后，通过减少风量使得室温被控制为26度。由此可知，办公室2外区的cav时的不满足时间产生于两种不同的原因，改为vav系统后，由于送风量的减少，一部分不满足时间减少了，但并不显著。
此外，办公室3的外区，由于送风量过大造成了cav系统的不满足时间。改为vav系统后，通过减少风量是的不满足时间大幅下降。但是由于vav系统的风阀最小开度设定为40%，所以过冷造成的不满足时间仍有32小时。
（4）冬季ahu2系统的评价
冬季ahu2系统的各个房间同时存在冷热负荷。和cav系统相比，改为vav系统后不满足时间的减少并不显著。
图9 夏季ahu1系统的送风量(7月2日) 图10 夏季ahu1系统的室内温度(7月2日)
图11 夏季ahu2系统的风量(7月22日) 图12 夏季ahu2系统的室温(7月22日)
图13 夏季ahu2系统的风量(7月2日) 图14 夏季ahu2系统的室温(7月2日)
6.结束语
作者考察了dest作为性能检证设计阶段仿真工具的可应用性。通过对建筑物冷热负荷的影响因素及空调分区方式的探讨，以及对cav系统不恰当设计风量的检查，得到了以下结论：
（1）利用dest，对于室内发热量、新风量及不空调时的室外渗透风量对冷热负荷的影响可以进行定量计算。该程序也可以应用于对空调分区方式的分析。
（2）使用室内环境满足度的评价指标，利用dest可以对空调方式以及送风温度等设计参数的合理性进行分析评价。将cav空调系统风量按照室内发热量的比例进行分配而得到的各房间设计送风量，用dest进行检证后，发现设计风量过大或过小，为修正设计参数提供了有力的帮助。
（3）由于送风量过大产生的cav系统的过冷或过热，改为vav系统后，通过调整风阀的开度，减少送风量，降低了室内环境的不满足度。此外，由于送风量不足造成的cav系统的冷却不足或加热不足，改为vav系统后，并没有显著的效果。
参考文献
【1】 jiang yi. state space method for analysis of the thermal behavior of rooms and calculation of air conditioning load. ashrae transactions, 1981, vol88, pp.122～132
【2】 chen feng, jiang yi. apply simulation into different stages of design, iea-bcs/annex 30, wd-125
