第二章空调负荷计算与送风量（精） .ppt

空调房间冷(热)，湿负荷是确定空调系统送风量和空调设备容量的基本依据。在室内外热、湿扰量作用下，某一时刻进入一个恒温恒湿房间内的总热量和湿量称为在该时刻的得热量和得湿量。当得热量为负值时称为耗(失)热量。在某一时刻为保持房间恒温恒湿，需向房间供应的冷量称为冷负荷，相反，为补偿房间失热而需向房间供应的热量称为热负荷；为维持室内相对混度所需由房间除去或增加的湿量称为湿负荷。得热量通常包括以下几方面：1由于太阳辐射进入的热量和室内外空气温差经围护结构传入的热量；2人体、照明设备、各种工艺设备及电气设备驶入房间的热量。得湿量主要为人体散湿量和工艺过程与工艺设备散出的湿量。房间冷(热)，湿负荷量的计算必须以室外气象参敛和室内要求维持的气象条件为依据。,第二章 空调负荷与送风量,第五节 空调房间送风量的确定,本章内容,第一节 室内外空气计算参数,第二节 太阳辐射热对建筑物的热作用,第三节 通过围护结构的得热量及其形成的冷负荷,第四节 室内热源、湿源的散热散湿形成的冷负荷与湿负荷,第一节 室内外空气计算参数,空调室内设计参数包括的内容,一、室内空气计算参数,空调房间室内温湿度标准的描述方法：温湿度基数空调精度。室内温湿度基数是指空调区域内所要保持的空气基准温度和基准相对湿度；空调精度是指在要求的空调区域内和要求的持续时间内，空气温度或相对湿度允许偏离室内温湿度基数的最大值。例如，tn=200.5，n=505%。（空调区域是指离外墙0.5米，离地面0.3米至高于精密仪器设备或人的呼吸区0.30.5米范围内的空间）,人体靠摄取食物以获得能量维持生命，能量最终以热量的形式散发到体外。为保持体温恒定，必须使产热和散热保持平衡，人体热平衡可用下式表示：S=M-W-E-R-CS：人体蓄热率M：人体能量代谢率W：人体所作机械功E：汗液蒸发和呼出的水蒸汽所带走的热量R：穿衣人体外表面与周围表面之间的辐射换热量C：穿衣人体外表面与周围表面之间的对流换热量S=f（M，tn，n，tr，vn，Icl）S0 体温上升,S0 体温下降，S=0 热平衡,（一）人体热平衡和热舒适感,1、人体热平衡,研究方法：心理学 定义：人对周围环境“冷”“热”的主观描述。特点：尽管人描述环境的冷热，实际上只能感觉到自己皮肤下神经末梢的温度。所以“冷”“热”与感受者的身体状态有关，不是完全客观的。“中性”的定义：不冷不热，人用于体温调节消耗的能量最小。,什么是热舒适?,观点1：舒适中性,?,观点2：舒适中性,舒适产生于不适的消除过程中。“舒适”比“中性”更主观。,Cool&Comfort!,人体的温度感受系统,20世纪初发现人的皮肤上存在对冷敏感的区域“冷点”和对热敏感的区域“热点”人体各部位的冷点数目明显多于热点 为什么人对冷更敏感？,50mV,什么是热舒适？“对热环境感到满意的心理状态”Fanger教授提出热舒适的三个条件：1）人体必须处于热平衡状态，以便使人体对环境的散热量等于人体的体内产热量，并且蓄热量为零，即：M-W-C-R-E=0（S=0）2）皮肤平均温度必须具有与舒适相适应的水平 3）人体应具有最佳排汗率,2、热舒适感,热感觉的测量：问卷调查,热感觉投票和热舒适投票,Thermal Comfort Vote&Thermal Sensation Vote,PMV指标的7级分度,分度方法和TSV基本一致,在曼谷、新加坡、Athens、布里斯班做的 3200 组非空调环境的测试结果：PMV与实际TSV的偏差。,热感觉的适应性,产热 热量消耗,人体蓄热,能量代谢M、对外做功W、与环境的显热换热和潜热交换E,对流散热C辐射散热R,皮肤散湿呼吸散湿,人体与环境的热交换,人体热舒适条件：,人体与外界的辐射换热方程,长波辐射,0.8 0.4 0.7,0.78 0.72 0.7,人体对长波辐射的发射率和吸收率在0.95左右,对太阳辐射的吸收,3、有效温度图和ASHRAE舒适区,由于人的舒适感共四个环境影响因素和四个人为因素，因此不能用一个单一的物理量来表示环境是否处于热舒适状态。有效温度就结合干球温度、湿球温度和空气流速的效应来反映冷热感觉的。,人体活动量,年龄,性别,1919开始研究，1967前的ASHRAE手册采用 有效温度ET定义：“这是一个将干球温度、湿度、空气流速对人体温暖感或冷感的影响综合成一个单一数值的任意指标。它在数值上等于产生相同感觉的静止饱和空气的温度。”对于正常穿着：ET=0.492Ta+0.19Pa+6.47 对于半裸者:(二式条件均为 va0.15m/s)ET=(0.944Ta+0.056Twb)/1+0.22(Ta-Twb)缺点：低温条件下湿度的影响不准确,(1)有效温度ET,有效温度ET诺谟图,普通衣着，坐姿轻劳动条件。,(2)新有效温度ET*(Gagge),ASHRAE标准55-74，ASHREA手册1977版 参考空气环境：身着0.6 clo服装静坐，空气流速0.15m/s，相对湿度50，干球温度T0 如果同样服装和活动的人在某环境中的冷热感与上述参考空气环境中的冷热感相同，则此环境的 ET*T0 该指标只适用于着装轻薄、活动量小、风速低的环境。,(3)标准有效温度SET*,SET*=24,22.5，100,24，50%SET*20,在同一条有效温度线上具有相同的热感觉 有效温度线与50相对湿度线的交点上标注着等效温度的数值，在该点等效温度与干球温度相等 例如，通过t25，50的两线的交点的虚线即为25等效温度线。,热舒适方程 S=M-W-E-R-C令人体热平衡方程中蓄热率 S0，得出：(M W)=fcl hc(tcl-ta)+3.9610-8 fcl(tcl+273)4(+273)4+3.05 5.733 0.007(MW)Pa+0.42(MW 58.2)+1.73 10-2 M(5.867 Pa)+0.0014 M(34 ta),对流散热,辐射散热,汗液蒸发散热,呼吸潜热和显热散热,皮肤扩散蒸发散热,人体对稳态热环境的反应描述-理论建立者：P.O.Fanger,4、人体热舒适方程和PMV-PPD指标,在同样的热环境条件下，人与人的热感觉也会有所不同，因此，应该采用平均热感觉指标的概念，而预测的平均热感觉指标常常简称为PMV。可以合理的设想，人不舒适的程度愈大，由舒适状态偏离调节机制的热负荷越大。一定活动水平的热感觉是人体热负荷的函数，表明一个人的体内热平衡和对所处环境的热损失之间的差异，Fanger收集了1396名美国和丹麦受试者的冷热感觉资料，得出PMV的计算式：,PMV=(0.303 e0.036 M+0.0275)TL=(0.303 e0.036 M+0.0275)M W 3.05 5.733 0.007(M W)Pa0.42(MW58.15)1.7310-2M(5.867Pa)fcl hc(tcl ta)0.0014 M(34 ta)3.96 10-8 fcl(tcl+273)4(+273)4 PMV是由舒适方程得到的一个热感觉值数，体现了四种热环境变量的一定组合、活动水平和着装对平均热感觉的影响的预测。,预测平均评价PMV（Predicted Mean Vote）,PMV指标只代表了同一环境下绝大多数人的感觉，不能代表所有个人的感觉。PMV的计算是完全客观的，但指标的含义却是由主观感觉统计确定的。,在同样热环境条件下，人与人之间的热感觉会存在差异，而人与人对热环境的反应的差异除了热感觉的不同之外，还表现在对环境满意与否的差异。因此，Fanger又提出预测不满意百分数来表示人群对热环境不满意的情况，预测平均不满意百分数常常简写为PPD（Predicted Percent Dissatisfied）。,预测平均不满意百分数PPD（Predicted Percent Dissatisfied）,PPD是通过概率分析确定某环境条件下人群不满意的百分数 PPD100 95exp(0.03353 PMV 4+0.2179 PMV2),即便达到 PMV0，仍然有5的人不满意。,（二）室内空气温湿度计算参数,室内温湿度设计参数的确定，除了要考虑室内参数综合作用下的舒适条件外，还应依据室外气温、经济条件和节能要求进行综合考虑。1、舒适性空调夏季：2428，4065%，0.3m/s冬季：1822，4060%，0.2m/s2、工艺性空调降温性空调：有范围，无精度恒温恒湿空调：对基数和精度都有严格要求净化空调：温湿度有一定要求，空气含尘大小和数量有要求,FOR EXAMPLE,内外扰量,二、室外空气计算参数,1、目的确定围护结构传热负荷；确定新风处理负荷。2、室外空气温湿度的变化规律 a、气温的日变化、季节变化和年分布(气象包络线)b、湿度的变化3、夏季空调室外空气计算参数 a、夏季空调室外计算干、湿球温度确定新风状态 b、夏季空调室外计算日平均温度和逐时温度计算传热负荷4、冬季空调室外空气计算参数 温度：采用历年平均不保证1天的日平均温度；相对湿度：采用累年最冷月平均相对湿度。,第二节 太阳辐射热对建筑物的热作用,一、太阳辐射热的基本知识,太阳辐射能的去向,海陆风和山谷风,（一）地球对太阳的相对位置,0,0,+23.5,-23.5,赤纬d,北回归线,南回归线,太阳辐射热量的大小用辐射强度I来表示，它是指一平方米黑体表面在太阳照射下所获得的热量值，W/m2。当太阳辐射线到达大气层时，其中一部分辐射热被大气层中的臭氧、水蒸气、二氧化碳等吸收；另一部分被云层中的尘埃、冰晶等反射或折射，形成无方向的散射辐射；未被吸收和散射部分则透过形成直射辐射。故而，到达地面的太阳辐射=直射+散射，直射有方向性，散射无方向性。,（二）太阳辐射强度,地面上太阳辐射强度的影响因数 赤道 纬度（）太阳赤纬（d）时角（h）太阳高度角（）太阳方位角（A）,（三）建筑物外表面所受到的太阳辐射强度,（1）直射辐射水平面上的直射强度：,垂直面上的直射强度：,（2）散射辐射水平面上的散射辐射：,垂直面上的散射辐射：,（3）太阳总辐射强度 水平面总辐射强度：,垂直面总辐射强度：,（4）围护结构外表面所吸收的太阳辐射热,二、室外空气综合温度 Solar-air Temperature,建筑物外表面单位面积上得到的热量为：,为综合温度,第三节 通过围护结构的得热量及其形成的冷负荷,一、概述,（一）得热量和冷负荷的基本概念 得热量(Heat Gain HG)：是指在某一时刻由室外和室内热源散入房间的热量总和；瞬时冷负荷：是指为了维持室温恒定，空调设备在单位时间内必须自室内取走的热量，也即在单位时间内必须向室内空气提供的冷量。除热量：当空调系统间歇使用时，室温有定的波动，引起围护结构额外的蓄热和放热，结果使得空调设备要自室内多取走一些热量。这种在非稳定工况下空调设备自室内带走的热量称为除热量。,两种方式机理不同,（二）得热量与冷负荷的关系,冷负荷与得热有关，但不一定相等 决定因素 空调形式 送风：负荷对流部分 辐射：负荷对流部分辐射部分 热源特性：对流与辐射的比例是多少？围护结构热工性能：蓄热能力如何？如果内表面完全绝热呢？房间的构造（角系数）注意：辐射的存在是延迟和衰减的根源！,得热与冷负荷的关系,瞬时日照得热与冷负荷的关系,2-13瞬时太阳辐射得热与房间实际冷负荷之关系,2-14瞬时日射得热与轻、中、重型建筑实际冷负荷之关系,2-15荧光灯得热与实际负荷之关系,（三）房间空气的热平衡关系,排除的对流热空气的显热增值 室内热源对流得热 壁面对流得热渗透得热,室内热源对流得热,室内热源得热 室内热源对流得热热源向空调辐射板的辐射热源向壁面的辐射,壁面对流得热,通过围护结构的导热得热 本壁面获得的通过玻璃窗的日射得热 壁面对流得热 本壁面向空调辐射设备的辐射 本壁面向其他壁面的长波辐射 本壁面向热源的辐射,房间的总冷负荷,房间的各种得热,空气的显热增值,内表面辐射导致的传热量差值,房间空气热平衡的数学表达式,对辐射项进行了线性化而导出,（四）计算方法综述,1.典型负荷计算方法原理介绍,2.常用的负荷求解法,第三类边界条件：,太难求解了！,1.典型负荷计算方法原理介绍,非均匀板壁的不稳定传热:,其中内表面长波辐射：,目的：使负荷计算能够在工程应用中实施 发展：由不区分得热和冷负荷发展到考虑二者的区别,2.1 稳态算法当量温差法、谐波分解法:不考虑建筑蓄热，负荷预测值偏大2.2 动态算法，积分变换求解微分方程2.2.1.谐波反应法 2.2.2.冷负荷系数法,2.常用的负荷求解法,动态法的应用假设1、传热过程为一维非稳定过程，原理上都对得热、冷负荷、除热量加以区别 2、将传热过程看作常系数线性热力系统，其重要特征是：可以叠加，当受多种扰量时，输出响应等于各自响应之和；系统特性不受时间变化。,2.1 稳态算法,方法 采用室内外瞬时温差或平均温差，负荷与以往时刻的传热状况无关：QKFT 特点 简单，可手工计算 未考虑围护结构的蓄热性能，计算误差偏大 应用条件 蓄热小的轻型简易围护结构 室内外温差平均值远远大于室内外温度的波动值,2.2 动态算法,对于常系数的线性偏微分方程，采用积分变换如傅立叶变换 或 拉普拉斯变换。积分变换的概念是把函数从一个域中移到另一个域中，在这个新的域中，函数呈现较简单的形式，因此可以求出解析解。然后再对求得的变换后的方程解进行逆变换，获得最终的解。,传递函数与输入量、输出量的关系,传递函数G(s)仅由系统本身的特性决定，而与输入量、输出量无关，因此建筑的材料和形式一旦确定，就可求得其围护结构的传递函数。这样就可以通过输入量和传递函数求得输出量。,如果输入原函数是指数函数，则不需变换直接输入，即可求得解的原函数。,二、谐波反应法,（一）通过墙体、屋顶的得热量及其形成的冷负荷定义围护结构外侧综合温度的波幅与内表面温度波幅的比值为该墙体的传热衰减度；内表面温度波对外侧综合温度的相应滞后为该墙体的传热延迟时间。定义进入房间的辐射得热与室内冷负荷波幅的比值为房间的放热衰减度；室内冷负荷对辐射得热的相位滞后为该房间的放热延迟。,1、综合温度作用下经围护结构传入热量,非透明围护结构外表面所吸收的太阳辐射热,2、房间冷负荷,（1）对流得热形成的冷负荷,（2）辐射得热形成的冷负荷、辐射得热的稳定部分形成的冷负荷,、辐射得热的不稳定部分形成的冷负荷,（3）总冷负荷,太阳辐射在玻璃中传递过程,阳光照射到单层半透明薄层时，半透明薄层对于太阳辐射的总反射率、吸收率和透过率是阳光在半透明薄层内进行反射、吸收和透过的无穷次反复之后的无穷多项之和。,阳光照射到双层半透明薄层时，还要考虑两层半透明薄层之间的无穷次反射，以及再对反射辐射的透过。,（二）通过窗户的得热量及其形成的冷负荷,1、瞬变传导得热和冷负荷,2、日射得热和冷负荷 对于厚度为3mm的普通平板玻璃（标准玻璃），在特定的内外表面放热系数条件下，得出我国40个城市夏季九个不同朝向的单位面积日射得热量，称之为日射得热因数Dj（=qt+qa）。当把日射得热因数用实用调和分析整理成谐波形式后，日射得热可表示为：,相应的冷负荷为：,玻璃窗的种类与热工性能,我国 民用建筑最常见的是铝合金框或塑钢框配单层或双层普通透明玻璃，双层玻璃间为空气夹层，北方地区很多建筑装有两层单玻窗。商用建筑有采用有色玻璃或反射镀膜玻璃。发达国家 寒冷地区的住宅则多装有充惰性气体的双玻窗 商用建筑多采用高绝热性能的low-e玻璃窗。,玻璃窗的种类与热工性能,无色玻璃表面覆盖无色 low-e 涂层，可使这种窗的遮档系数 Cs 低于0.3,不同结构的窗有着不同的热工性能 U即传热系数Kglass 气体夹层和玻璃本身均有热容，但较墙体小。,太阳辐射在玻璃中传递过程,遮阳方式,现有遮阳方式 内遮阳：普通窗帘、百页窗帘 外遮阳：挑檐、可调控百页、遮阳蓬 窗玻璃间遮阳：夹在双层玻璃间的百页窗帘，百页可调控 我国目前常见遮阳方式 内遮阳：窗帘 外遮阳：屋檐、遮雨檐、遮阳蓬,外遮阳和内遮阳有何区别?,外遮阳：只有透过和吸收中的一部分成为得热,内遮阳：遮阳设施吸收和透过部分全部为得热,对流,透过,反射,反射,对流,透过,通风双层玻璃窗，内置百页,内百页,无通风,有通风,（1）窗户瞬变传导得热形成的冷负荷,2、窗户,（三）谐波法的工程简化计算方法,1、外墙和屋顶,可利用对标准玻璃的得热 SSGDi 和 SSGdif 进行修正来获得简化计算结果：,实际照射面积比,玻璃的遮挡系数,遮阳设施的遮阳系数,窗的有效面积系数,（2）窗户日射得热形成的冷负荷,三、冷负荷系数法,（一）房间传递函数的机理1、传递函数的基本概念对于线性定常系统，当扰量输入 为时间序列表示的脉冲信号时，其输出 也为脉冲信号，且输入、输出函数的拉氏变换在初始条件为零时的比值为定值（传递函数）。,传递函数只由系统本身的特性决定，与输入、输出量无关。如果已知系统的传递函数和输入函数，则可以直接求出输出函数，即系统的响应或反应。,2、热力系统与扰量、响应,围护结构及家具内表面及室内空气,扰量：室外综合温度；内部热源及墙体得热响应：房间得热量；冷负荷,热力系统：围护结构,实际扰量都是以逐时的离散值给出的，因此得热量和冷负荷的计算用离散系统更合适，所以直接用Z变换来表示。所谓Z变换，是用脉冲序列函数表示连续函数，即将连续函数化为 的多项式，这一多项式的各项系数等于该连续函数在相应次幂的采样时刻的数值。,3、用Z传递函数法计算得热量和冷负荷,Z变换的特点在于传递函数能表达成一个有理分式,以冷负荷计算为例说明Z传递函数法计算过程。根据Z传递函数的定义得:,4、传递函数系数 传递函数系数一般通过解围护结构导热微分方程、或解房间热平衡方程，或者通过实验求得。传递函数系数的影响因数：时间间隔；得热性质；房间热容量。,-0.94,-0.63,0.69,日射（有内遮）,-0.93,-0.25,0.32,日射（无内遮）,-0.87,-0.55,0.68,围护结构传热,得热形式,将等号两边展开并整理，按等式两边同幂次项的系数相等的原则，两边的第n项的系数相等：,一般取两项系数，得：,取,得：,1、用冷负荷温度计算围护结构传热形成的冷负荷（1）基本计算式墙体、屋顶、窗户瞬变传热形成的逐时冷负荷，可用冷负荷温度简化公式计算：,（二）冷负荷系数法,（2）冷负荷温度的建立 针对定型结构，根据典型条件（室外温度、日较差、纬度等），用传递函数法计算出逐时冷负荷，然后用逐时冷负荷除以该结构的传热系数和面积，得出逐时温差，即可得出逐时冷负荷温度。,墙体：,窗户：,（3）设计修正针对与典型条件不同的地点、围护结构外表面等进行修正。,2、用冷负荷系数计算窗户日射得热形成的冷负荷（1）计算公式,（2）冷负荷系数,clQ=Q CLQ,（三）室内热源散热形成的冷负荷,四.模拟分析软件,GATE，60年代末，美国，稳态计算 现在 美国：DOE-2、BLAST、EnergyPlus、NBSLD 英国：ESP 日本：HASP 中国：DeST,模拟分析软件：美国，反应系数法,DOE-2 由美国能源部主持，美国 LBNL开发，于1979年首次发布的建筑全年逐时能耗模拟软件，是目前国际上应用最普遍的建筑热模拟商用软件，用户数估计达到10002500家，遍及40多个国家。其中冷热负荷模拟部分采用的是反应系数法，假定室内温度恒定，不考虑不同房间之间的相互影响。EnergyPlus 美国LBNL 90年代开发的商用、教学研究用的建筑热模拟软件。采用的是传递函数法（反应系数法）。,模拟分析软件：欧洲，有限差分法,ESP ESP(ESP-r)是由英国Strathclyde大学的能量系统研究组19771984年间开发的建筑与设备系统能耗动态模拟软件。负荷算法采用的是有限差分法求解一维传热过程，而不需要对基本传热方程进行线性化，因此可模拟具有非线性部件的建筑的热过程，如有特隆布墙(Trombe wall)或相变材料等变物性材料的建筑。采用的时间步长通常以分钟为单位。该软件对计算机的速度和内存有较高要求。,模拟分析软件：中国，状态空间法,DeST 90年代清华大学开发的建筑与HVAC系统分析和辅助设计软件。负荷模拟部分采用状态空间法，即采用现代控制论中的“状态空间”的概念，把建筑物的热过程模型表示成：状态空间法的求解是在空间上进行离散，在时间上保持连续。对于多个房间的建筑，可对各围护结构和空间列出方程联立求解，因此可处理多房间问题。其解的稳定性及误差与时间步长无关，因此求解过程所取时间步长可大至1小时，小至数秒钟，而有限差分法只能取较小的时间步长以保证解的精度和稳定性。但状态空间法与反应系数法和谐波反应法相同之处是均要求系统线性化，不能处理相变墙体材料、变表面换热系数、变物性等非线性问题。,第四节 室内热源、湿源的散热散湿形成的冷负荷与湿负荷,室内热源包括工艺设备散热、照明散热及人体散热。室内热源散热包括显热和潜热，显热散热中对流热成为瞬时冷负荷，而辐射热部分则先被围护结构表面所吸收，然后再逐渐散出，形成冷负荷；潜热散热即成为冷负荷。,一、室内热源散热量（一）工艺设备散热1、电动设备,2、电热设备,3、电子设备（二）照明得热 白炽灯：Q=1000N；荧光灯：Q=1000n1n2N（三）人体散热与散湿 Q=qnn,W=wnn,二、室内热源散热形成的冷负荷设备、照明和人体散热得热的特点是：得热出现的时间决定于室内设备起用时间、开灯时间和人员在室内停留时间的长短。在该段时间内，得热量是一常量（Q）。故扰量的时间曲线可以认为是有规则的矩形波，该矩形波表达式可展开成如下式（得热与负荷）：,三、工程简化计算方法,：负荷强度系数；,：冷负荷系数,四、其他湿源散湿量 敞开水面散湿量：,第五节 空调房间送风量的确定,在已知空调热（冷）湿负荷情况下，本节讨论如何利用不同的送风和排风状态来消除室内余热余湿，以维持空调房间所要求的空气参数。,对如图的空调房间，送入G（g/s）的O状态的空气，当送入空气吸收余热和余湿后，变为状态N而排出，从而保证了室内空气状态N。,一、夏季送风状态及送风量,2-20送入空气状态变化过程线,由热平衡和湿平衡可得：,即，送入一定量的空气同时吸收余热余湿，使室内空气状态保持在N，则送风量为：,当送风点O离N愈近，送风量愈大。送风量小，则处理空气和输送空气所需设备小，耗能小；但送风量过小，送风温度过小时，可能使人感受冷气流的作用，且室内温湿度分布的均匀性和稳定性将受到影响。因此，规范规定了送风温差和换气次数的建议值。换气次数n：n=L/V（次/h）确定送风温差后，按以下步骤确定送风量和送风状态：1.在I-D图上确定N点；2.根据Q、W算出=Q/W，通过N点画出线；3.取定送风温差，求出送风温度，确定送风状态；4.计算送风量。,二、冬季送风状态与送风量的确定 冬季，室内余热小或为负，而余湿与夏季相同，故热湿比小于夏季或为负值。若送风量与夏季相同，则冬季送风温度接近或高于室温；也可提高送风温度，以降低送风量，但送风量必须满足最小换气次数，同时送风温度应不高于45。,