冬季空調熱負荷計算為什麼要用穩態計算，而不像夏季用逐時負荷計算呢？

01-03

我們先看看冬季空調負荷與夏季空調負荷由哪些區別先。

先看看夏季空調負荷組成部分。

1、圍護結構負荷----包括外牆、外窗、屋頂、地面等等圍護結構部分的負荷。全天24小時都存在。

可以看出圍護結構的負荷曲線，較為平穩。（因為延遲時間的關係，最大值並不是在下午2點左右）

2、室內得熱引發負荷----包括人員、設備、照明散熱引發的負荷。非24小時存在。

可以看出人員、設備、照明的熱負荷並不是24小時都存在，而是根據房間用途中的人員在室情況決定的。（辦公建築晚上沒人上班，設備、照明也不開啟，就不存在人員、設備、照明負荷）。

人員、設備、照明的負荷曲線往往波動很大。

3、新風負荷----引入室外新風產生的負荷。

新風是為了滿足人的需求，因此新風負荷的時間表與人員時間表基本一致。

新風負荷的曲線波動也很大。

-------------------------------------------------------------------------------------------------

夏季總冷負荷=圍護結構負荷+人員、設備、照明負荷+新風負荷+其他負荷。

從相加的關係來看，最後的夏季總冷負荷的波動必然是很大的。

我們生成曲線圖看看

如圖所示，我們可以得出結論1：夏季中冷負荷中因為考慮了太陽輻射、人員、設備、照明、新風等負荷的時間表關係。24小時的波動較大。不能採用穩態演算法，必須用逐時演算法。

-------------------------------------------------------------------------------------------------------

接著我們再來看看冬季中熱負荷。

因為人員、設備、照明、太陽輻射在冬季的時候屬於得熱項，對冬季空調來說是有利因素，因此在計算冬季空調負荷的時候我們往往把它們當成安全因素不考慮（空調內區、被動房需考慮這些）。

因此空調負荷=圍護結構負荷+新風負荷。

但是因為在暖通的規範&中只說明了「冬季空調參考採暖計算公式，計算溫度採用冬季空調室外計算溫度代替採暖計算溫度」。因此我們先說冬季採暖負荷。

採暖負荷因為不涉及新風，只剩下圍護結構負荷。因為圍護結構負荷24小時變化不明顯，因此採暖負荷可以採用穩態演算法。

冬季空調負荷本身因為演算法參考採暖，因此也用穩態演算法，但是實際上冬季空調的24小時變化還是較大的（因為有新風負荷）。因此部分軟體在計算冬季空調負荷還是會採用非穩態演算法（也可以選擇穩態演算法，包括此時的新風負荷）。

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

綜上所述：1、夏季空調冷負荷採用非穩態演算法是因為人員、設備、照明、新風以及太陽輻射的時間性導致的24小時波動很大，因此採用逐時計演算法（非穩態演算法）。

2、冬季採暖負荷採用穩態演算法是因為只有圍護結構部分的負荷。24小時波動不大，因此採用穩態演算法。

3、冬季空調負荷沒有規範明確規定採用什麼演算法，穩態也行（參考採暖，此時新風也穩態計算）、非穩態也沒錯（因為新風負荷波動確實較大）。不過個人覺得非穩態更科學點，畢竟現在開始慢慢出現了全年8760小時的負荷計算了。暖通計算的要求也會越來越高的。

冬季室內外溫差遠大於室外溫波動幅度

冬季一天內室內外溫差都很大，北方大概在30度左右（室內20，室外-10），逐時計算的意義不大，因為和總的供熱量相比逐時計算省下來的很少；而夏天室內外溫度差很小，也就10度左右（室內26，室外頂多40吧），這樣逐時計算的能量消耗和按照最不利情況的能量消耗相差就比較大了。所以夏季用逐時負荷計算。

結論：使用穩態計演算法計算冷負荷，冷負荷峰值會估計過高、峰值出現的時間也會估計錯誤。

要回答這個問題，先要理解什麼是穩態計算，什麼是動態計算。穩態計算(steady-state)指的是，在不考慮建築蓄熱能力時的計算方法。動態計算(time-dependent)指的是，考慮建築蓄熱能力的計算方法。動態計算並不是單純的逐時計演算法，而是需要考慮蓄熱能力，列出能量守恆，數值法或其他方法求解線性/非線性偏微分方程（例如λ ΔT = ρ c ?T/?τ）的一種較為複雜計算方法。

計算熱負荷時，房間得熱最小值決定了熱負荷的峰值；計算冷負荷時，房間得熱最大值決定了冷負荷的峰值。因此計算熱負荷時，房間得熱一般是次要因素；計算冷負荷是，房間得熱是主要因素之一。房間得熱，造成了兩種負荷需要兩種不同的計算方式。

計算熱負荷時，一般的計算方法是按照最不利點來進行計算：室外溫度最低時，列出不考慮建築蓄熱的能量守恆方程，就能得出熱負荷。

如果不考慮蓄熱能力，冷負荷的計算方法，也應該是按最不利點來算：最大的室內得熱、最高的室外溫度，列出能量守恆方程，算出空調系統所需的最大功率，似乎並不需要逐時來算啊？

國內的冷負荷計算運用諧波反應法/傳遞函數法，德國的冷負荷計算標準VDI 2078使用2-Kapazit?t-Modell（兩電容模型），這幾種計算方法的最主要的特點以及最大的共同點，就是考慮了建築蓄熱能力。但是為什麼冷負荷計算需要考慮建築蓄熱？

延遲效應：光照得熱、人體散熱、設備發熱這些會對建築物形成瞬時的負荷，這些負荷可以分成兩種：輻射得熱以及對流得熱。房間內部空氣直接獲得對流熱，由於空氣的蓄熱能力較低，對流得熱造成空氣溫度在短時間內就會上升。輻射得熱會被建築物的各個表面吸收，但由於房間表面（牆體）的蓄熱能力較高，輻射得熱要在一定時間之後才會造成房間各個表面溫度上升，房間表面溫度上升之後，於空氣進行熱交換，導致空氣溫度上升。可見，由於建築蓄熱，輻射得熱有一定的延遲效應。
峰平效應：建築蓄熱除了產生延遲效應之外，還會產生「峰平」的效應。我們來算一個簡單的例子，假設室外溫度不變，房間的單位蓄熱能力是15Wh/(m2*K)，某一時刻房間的光照總得熱是30W/m2，一小時之後，房間的溫升是30/15 = 2攝氏度，如果房間的單位蓄熱能力是50Wh/(m2*K)，那一小時之後，溫升只有30/50 = 0.6攝氏度。可見，蓄熱能力越大，得熱所造成的溫升就越小，所造成的動態冷負荷就越小，瞬時冷負荷峰值被蓄熱能力填平。

瞬時冷負荷與房間蓄熱能力的關係可以由下圖表示（圖片出自空氣調節第三版P35，中國建築工業出版社，作者趙榮義，侵權刪）

由上圖可以看出，如果使用穩態計演算法計算冷負荷，冷負荷的最大值會估計過高。建築蓄熱能力越大，靜態計算的最大值和實際負荷最大值偏差也越大。（輕型結構例：木質結構，中型結構例：鋼筋混凝土）

P.S.1: 德國的熱負荷計算標準DIN EN 12831運用的是穩態計算方法，冷負荷計算標準VDI 2078運用的是簡化的動態計演算法。負荷計算並沒有必須使用穩態計演算法，熱負荷也可以採用動態計演算法，計算的結果較為精確，現在的市面上大多的建築能耗模擬軟體，就是採用的考慮建築蓄熱能力的動態計算方法。但是動態計演算法一般所需計算時間較長成本較高（需要計算機進行較大量的運算求解微分方程、輻射角係數等），所以一般能不採用動態計演算法就不採用動態計演算法。負荷並不需要高精度，所以就算用動態計演算法一般也採用簡化的動態計演算法。

P.S.2: 從建築蓄熱能力又可以引向另一個話題：Thermo-active building system (TABS)，有中文翻譯為樓板蓄熱輻射冷暖系統。這種系統就是利用了建築的蓄熱能力，白天建築樓板吸熱溫度上升，晚上使用水系統將建築樓板降溫，從而達到了節能/降低能耗費用的目的。如大家感興趣，我有空可以寫一篇關於TABS的知乎專題。