办公建筑内部负荷扰量特性分析与叠加机理研究

Because the traditional design method cannot describe the stochastic nature of the building internal loads, the characteristics and composite mechanism of internal load variances should be researched. The basic research embraces a scientific significance of improving the building energy efficiency by avoiding oversized building energy systems. This study aims at optimizing current design method with following measures:(1)determine the influencing factors of building internal loads by sensitivity analysis on the energy consumption of office buildings;(2)build evaluation indexes for the regularity of internal load variances based on the indoor heat balance in both temporal and spacial perspectives;(3)analyze the characteristic parameters of internal load variances in investigated building samples by statistic approach; (4)establish a mathematic model with fully consideration of the stochastic nature of internal loads and explore the appearance and changing regularity of the variances; (5)conduct reliability analysis on internal loads according to the relationship between influencing factors and finally reveal the composite mechanism of internal loads. Fundamental theories and new methods for the design of office building internal loads will be formulated during this study, which may provide theoretical basis for the optimization of energy efficiency in office buildings.

由于传统的设计方法不适用于描述建筑内部负荷的随机性特点，故对内部负荷扰量特性分析和叠加机理进行研究，可改变设计负荷普遍偏大的现状，提高建筑能源系统运行效率，具有重要意义。本课题通过对办公建筑能耗的敏感性分析，确定内部负荷的影响因素；基于时间和空间的热量平衡关系，建立针对建筑内部负荷扰量变化规律的评价指标；结合对调研建筑样本的统计，研究负荷扰量的特征参数；建立描述内部负荷随机性的数学模型，应用随机数学的求解方法，探索负荷变量出现和变化规律；依照内部负荷因素的关联性，采用可靠性分析方法，揭示内部负荷的叠加机理。本课题将形成分析办公建筑内部负荷的基础理论和负荷设计方法，为进一步优化节能建筑的设计理念提供理论依据。

由于传统建筑负荷的设计计算依赖于面积指标的估算方法，没有考虑建筑内部负荷扰量的随机性特征，从而导致空调设备的体量普遍存在因选型偏大而带来的运行能效偏低的问题。本课题针对采用空调系统的办公建筑，从人员、设备、灯具等建筑内部的负荷扰量角度出发，建立了描述内部负荷扰量的参数指标和数学分布，形成了内扰负荷随机变化特性的数学描述方法。在影响建筑负荷的多个影响因素中，通过主成分聚类分析的方法，确定了办公建筑内以人员为代表的室内热源对建筑负荷的影响占主导作用，该类负荷的时变性显现出“双峰分布”的特点。据此以时间为自变量建立了人员负荷、设备负荷和灯具负荷的分段回归式。基于对室内人员、设备数量的调研与统计，提出了人员在室率的指标，建立了马尔科夫转移矩阵的数学模型对人员、设备负荷变化的随机性特点进行描述。本课题基于随机方法建立了以人员在室率为核心的一系列数学描写构建起的内扰直接能耗预测模型和内部负荷扰量叠加模型，可使办公设备引起的直接能耗预测结果与实际耗电量的平均误差率控制在5%以内，可使办公建筑的设计冷负荷与实测最大供冷量之间的误差控制在10%以内，有效提高了办公能耗预测和办公建筑负荷设计的准确性。