建筑热环境学8N

建筑热环境学 第八章 建筑热环境分析 第八章 建筑热环境分析 8.1 概述 8.2 自然室温与建筑热环境的全年分析 8.3 设计日逐时空调负荷与全年逐时空调负 荷计算 8.4 间歇运行的空调房间负荷与全年运行能 耗计算 8.5 空调设计负荷的简化计算方法 8.1 概述 建筑的节能来自两方面 良好的建筑围护结构设计（含自然通风设计） 合理的空调系统设计及运行措施 建筑围护结构设计是建筑节能的关键和 基础，因此建筑热环境学的首要任务就 是通过建筑热环境分析，使设计者掌握 建筑围护结构设计规律。 建筑围护结构的设计内容 已知建筑的功能要求，内部各种发热状 况，家俱情况等，确定合理的建筑围护 结构： 墙体材料的厚度、层数、物性（密度、比热、 导热系数） 窗户材料的面积、透光性能、保温性能 建筑物的密闭程度（门窗的渗透风量） 有关围护结构的问题（1） 哈尔滨的住宅建筑应采用多大的窗墙比 （普通玻璃和普通墙体材料）？如果墙体 材料和玻璃的性能可随意选择，在哈尔滨 最节能的建筑具有什么样的围护结构？ 哈尔滨的商用建筑应采用多大的窗墙比 （普通玻璃和普通墙体材料）？如果墙体 材料和玻璃的性能可随意选择，在哈尔滨 最节能的建筑具有什么样的围护结构？ 有关围护结构的问题（2） 什么样的围护结构适合于昆明的气候特 征？什么样的围护结构适合于拉萨的气 候特征？吐鲁番的气候应采用什么样的 围护结构形式？ 延安窑洞是节能建筑吗？ 假如材料的特性可任意选择，你会在珠 穆朗玛峰上建何种建筑？ 有关围护结构的问题（2） 历史的长河形成的南方建筑与北方建筑 有何区别？这种区别在哪些地方体现了 建筑节能的思想？ 如果墙体材料和窗户材料的性能可任意 改变，南方建筑与北方建筑的围护结构 应有何区别？ 徽派建筑与乔家大院的围护结构有何区 别？是否分别适应了当地的气候条件？ 空调负荷与运行能耗 建筑热环境分析的另一方面就是得到建 筑的空调负荷，从而为空调系统的设计 选型打下基础 如果不考虑具体的空调系统形式（可避 免不同系统形式带来的差异），而以房 间的逐时空调负荷做为运行能耗的参照 标准，就可将建筑的运行能耗与建筑围 护结构设计联系起来 有关空调负荷与能耗的问题（1） 24小时连续运行的建筑空调负荷如何计 算？间歇运行的建筑空调负荷如何计 算？ 间歇运行会省能吗？一般会节省多少？ 间歇运行会带来哪些问题？ 冬天设计日的空调负荷采用稳态方式计 算会有多大误差？夏季设计日若也用稳 态方式计算，又会有多大误差？ 有关空调负荷与能耗的问题（2） 体育场馆或影剧院若采用间歇空调方式 运行，需要提前多长时间开启空调？ 间歇空调方式下的设备容量如何选取？ 为什么冷库通常不采用间歇方式运行？ 设计日空调负荷与全年空调负荷各有什 么用途？ 8.2 自然室温与建筑热环境的全 年分析 什么是自然室温？ 在建筑物正常的使用条件下，没有采 取强化通风、采暖或空调等方式来改 变室内的热湿状况，在这样的条件下 形成的室内空气温度称为自然室温 讨论：自然室温反映了什么？ 影响自然室温的因素 内扰发热情况：通常无法改变（但可加 以利用） 当地气象条件（室外气温变化情况、太 阳辐射情况） 围护结构的情况（墙体材料、窗户材料 及性能） 自然室温反映了什么？ 自然室温反映了围护结构对外界 气候和建筑使用条件的综合调节 作用。围护结构的设计是否合 理，通常可以通过自然室温看出 来。 如果一个建筑的自然室温在舒适 范围内，则可不用空调。 关于自然室温的问题（1） 重型（密度较大，比热较大）墙体材料 在夏季会降低自然室温吗？在冬季会提 高自然室温吗？ 轻型（密度较小，比热较小）墙体材料 在夏季会提高自然室温吗？在冬季会降 低自然室温吗？ 建筑物需要保温材料吗？是重型材料加 保温材料好呢还是轻型材料？保温材料 放在墙体外表面好呢还是放在内表面好 呢？ 关于自然室温的问题（2） 窗户会导致自然室温在夏季上升、在冬 季下降吗？ 全玻璃墙的建筑自然室温如何变化？ 如果玻璃的性能可随意改变，你会选用 多大的窗墙比？采用何种性能的玻璃？ 大量的商用建筑采用玻璃幕墙，你认为 其合理的地方是什么？不合理的地方又 是什么？ 建筑热环境的全年分析 气象参数具有随机性，用于热环境分析 的气象参数应具有代表性，通常选取“典 型年”的气象参数为代表 “典型年” 有两种方法得到 历史上近若干年中气象参数最接近这些年平 均值的年作为代表年（真实年） 由“平均月”构成，每个平均月用历史上近若 干年中气象参数最接近这些年此月平均值的 月代表（平均月不一定出在同一年） 关于全年气象参数的问题 按代表年气象参数设计的建筑是否一定 节能？ 在建筑节能分析（尤其是改造建筑）中 通常可得出结论，采用某技术后将节能 10%，但实际节能数量可能不是这一指 标，如何说明你的节能措施确实有效？ 全年气象参数是否要考虑城市化带来的 影响？是否要考虑小区的微气候？ 全年自然室温计算 对所考虑建筑列围护结构内表面和室内 空气的热平衡方程，如果已知系统的除 热量，则可用前几章介绍的方法给出围 护结构的不稳定传热、内扰的对流和辐 射、围护结构各表面和空气得到的各种 对流和辐射热量，从而可以计算围护结 构内表面和空气的全年温度变化 如果除热量为0，则可得到全年自然室温 自然室温举例分析 长8m,宽5m, 高3.6m 的屋子；设备 5W/m2,灯光 5W/m2,人员0.05人/m2； 晚上8:00-早上6:00无热扰；家具系数1,窗 墙比0.3,通风1次/小时,地理位置北京 轻型与重型材料的比较工况 墙体类型材料厚度 （ mm ） 导 热 吸 数 (W/m.K ) 密度 (kg/m 3) 定压 比热 (J/kg. K) 热阻 (m2.K/ W) 轻型无 保温 陶 粒 混 凝土 2401.0564008370.227 重型无 保温 钢 筋 混 凝土 3701.62825008370.227 轻型保 温 陶 粒 混 凝土 240+4 0 1.0564008371.078 重型保 温 钢 筋 混 凝土 370+4 0 1.62825008371.078 保温材料膨 胀 珍 珠岩 0.04790670 冬季设计日的自然室温 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 墙体材料1 墙体材料2 墙体材料3 墙体材料4 设计日外温 夏季设计日自然室温 20 25 30 35 40 45 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 墙体材料1 墙体材料2 墙体材料3 墙体材料4 设计日外温 2月1日-2月5日自然室温变化图 -15 -10 -5 0 5 10 15 1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 109 118 墙体材料1 墙体材料2 墙体材料3 墙体材料4 室外温度 4月1日-4月5日自然室温变化图 -5 0 5 10 15 20 25 30 1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 109 118 墙体材料1 墙体材料2 墙体材料3 墙体材料4 室外温度 7月1日-7月5日自然室温变化图 15 20 25 30 35 40 45 1 9 17 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97 105 113 系列1 系列2 系列3 系列4 系列5 冬季设计日不同窗墙比的自然 室温 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 材料1 0.3窗墙比 材料1 0.6窗墙比 材料2 0.3窗墙比 材料2 0.3窗墙比 设计日外温 冬季设计日辐射变为原来两倍 不同窗墙比的温度 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 材料1 0.3 材料2 0.6 材料1 0.3 材料2 0.6 设计日外温 夏季设计日不同窗墙比的自然 室温 20 25 30 35 40 45 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 材料1 0.3 材料1 0.6 材料2 0.3 材料2 0.6 设计日外温 夏季设计日辐射变为原来两倍 不同窗墙比的室温 20 25 30 35 40 45 50 55 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 材料1 0.3窗墙比 材料1 0.6窗墙比 材料2 0.3窗墙比 材料2 0.6窗墙比 设计日室温温度 冬季设计日窗墙比0.6 不同通风 下的室温 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 材料1 1次通风 材料1 无通风 材料2 1次通风 材料2 无通风 设计日温度 夏季设计日窗墙比0.6 不同通风 下的室温 20 25 30 35 40 45 50 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 材料1 1次通风 材料1 无通风 材料2 1次通风 材料2 无通风 设计日温度 窗墙比为0.8时的自然室温 墙 体 类 型 材料厚 度 （ mm ） 导 热 吸 数 (W/m .K) 密 度 (kg/m 3) 定 压 比 热 (J/kg. K) 热阻 (m2. K/W) 轻 型 保 温好 陶粒混凝 土 240 +40 0.1754008372.222 重 型 保 温差 钢筋混凝 土 3701.62825008370.227 冬季设计日自然室温 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 轻型材料保温好 重型材料保温差 夏季设计日自然室温 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 轻型材料保温好 重型材料保温差 夏季加遮阳后设计日自然室温 30 31 32 33 34 35 36 37 38 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 轻型材料保温好 重型材料保温差 8.3设计日逐时空调负荷与全 年逐时空调负荷计算 在空调系统设计中，往往只关注设计日 的负荷，以确定设备容量 所谓设计日空调负荷，是指设计日气象 参数以24小时为周期作用于建筑时，该 建筑的空调负荷。设计日空调负荷分尖 峰负荷和设计日逐时负荷。 设计日空调负荷有两类计算方法：详细 计算和简化计算。 设计日空调负荷 按照设计规范中当地的日辐射参数，列 所考察建筑内表面和室内空气温度的热 平衡方程组，用周期反应系数或普通反 应系数方法计算非稳态传热，确定室内 设计温度，用迭代法或消元法求解代数 方程组，就可得到各房间逐时需要的除 热量，即为设计日逐时负荷 因此，只要已知设计日气象参数、建筑 内扰和建筑结构，就可得到设计日负荷 计算设计日空调负荷的方程组 房间各壁面和空气热平衡方程 6 . 3 ) 1()( )()( 6 . 3/)()()()()()()( 1 21 ntnt cVnHE ntntcnLnqnqntntF rr rs ra N k aa cc rk c kk i 0)( 100 )( 100 )( )()()( 44 1 nq nTnT C ntntanq n i ik N k ikikb ir c ii i 将室内空气温度设为设定值，求出将室内空气温度设为设定值，求出HE(n)HE(n)HE(n) HE(n) 关于设计日空调负荷求解讨论 室内空气温度是用固定值，还是用 温度范围（如241）？ 当室外空气的焓值低于室内空气 时，是采用自然的渗风量，还是采 用系统的全新风送风量？ 设计日气象参数 由于冬季采暖负荷可用稳态方式计算， 冬季设计日只需确定室外计算温度。室 外计算温度一般取不保证率为5天的日平 均温度 夏季由于墙体的蓄热特性，室外计算温 度需给出逐时值。夏季设计日外温变化 过程可用模比系数给出 夏季设计日外温计算公式 根据统计，全国主要城市夏季日气温变 化过程线基本一致，可用下列公式计算 ttt nn max 设计日设计日n n n n 时刻外温时刻外温 设计日最 大外温值 设计日最 大外温值 设计日设计日n n n n 时刻模比系数时刻模比系数 设计日日较差 最大最小 设计日日较差 最大最小 夏季设计日最高外温 采用该城市近十年夏季最热三个月的日 最高气温，按不保证率为2.5%和5得到 不同级别的设计日最高外温 日较差则以平均温度为依据，选取平均 温度最高的46天或92天，得到日较差的 平均值，作为设计日的日较差 模比系数 分析发现，各城市均可用下列标准模比 系数构成设计日过程线 建筑热过程132页表61 关于设计日气象参数 冬季设计日采用室外计算温度与采用设 计日逐时温度计算出的负荷有多少差 别？ 模比系数可得到不同城市夏季设计日逐 时外温，但其他气象参数（如湿度、太 阳辐射、风速等）如何确定？ 如果有近若干年的气象参数（生成的或 实测的），如何确定设计日的气象参 数？ 设计日空调负荷的计算方法 设计日逐时空调负荷计算步骤： 计算各种墙体的反应系数（或衰减倍数） 计算设计日逐时温度和室外空气综合温度 计算各种内扰（分对流和辐射） 计算围护结构各表面得到的太阳辐射和内扰 辐射热量 计算各房间的空气渗透量 列各房间热平衡方程，求解热平衡方程组 全年逐时空调负荷计算 如果已知所需要的房间温度，则用房间 热平衡方程组可以得到各个房间所需要 的除热量，此除热量即为房间全年空调 负荷 全年空调负荷一般为室内温度全天保持 不变，但冬天和夏天可以保持不同的室 内温度 当采用间歇方式运行时，所需的空调负 荷为间歇运行空调负荷 全年气象参数的获得 最早采用气象台的实测数据 可靠，但早期不是逐时的，有些项目未测 不是所有城市的气象数据都齐全 生成气象数据法 江亿院士提出的随机气象模型：通过对气象 参数的整理发现，经过某种变换后，气象参 数具有很好的统计规律；利用反变换可生成 在统计意义上与已有数据相同的气象数据 8.4间歇运行的空调房间负荷与 全年运行能耗计算 间歇运行空调系统除热量、空调负荷及 室温变化如下图所示，分为调节期、间 歇期和预冷期 建筑热过程 122页图53 关于间歇运行的空调负荷 很多人将间歇运行的空调逐时的除热量 也称之为空调负荷，这个说法是不准确 的。间歇运行的空调负荷不仅取决于不 需要空调和需要空调的时间段，还取决 于提前多长时间开启空调以使需要空调 时的温度能得到保证。因为在提前开启 空调的时间段里，房间的参数是不必保 证的，也是不能保证的。 调节期的除热量 调节期的除热量不等于空调负荷 )()()(nHSnCLnHE n n n n 时刻房间 冷负荷 时刻房间 冷负荷 n n n n 时刻房间 蓄热负荷 时刻房间 蓄热负荷 当我们仅说空调负荷时是指连续运行，如把 间歇运行的除热量说成负荷时，则为间歇空调 负荷 当我们仅说空调负荷时是指连续运行，如把 间歇运行的除热量说成负荷时，则为间歇空调 负荷 计算间歇运行空调系统负荷的 方法 房间蓄热反应系数法（适用于设计 日负荷及设备选型） 逐时分析法（适用于全年分析或设 计日分析） 房间蓄热反应系数 当房间空气温度发生一个单位等腰三角 波形的变化时，此后各时刻房间围护结 构和家俱等蓄存或放出的热量，称为房 间蓄热反应系数，单位为W/ 影响蓄热反应系数的因素 围护结构蓄热 家俱、设备蓄热 空气渗透 房间蓄热反应系数的计算 令太阳辐射和各种内扰均为0，室内外空 气温度和壁体的初值也均为0，在和 间作用一单位待等腰三角波，列各 壁面和空气的热平衡方程，可求得各时 刻的除热量HE(j) HE(j)就是房间蓄热反应系数RS(j)，0时 刻房间的蓄热反应系数RS(0)越大，则房 间热稳定性越好 蓄热反应系数与蓄热负荷的关系 n时刻房间的蓄热负荷是由此时刻及以前 时刻室温变位造成的，因此蓄热负荷与 蓄热反应系数存在如下关系 setrrr j r tjntjnt jntjRSnHS . 0 )()( )()()( 室内空气温度变位 根据蓄热反应系数与蓄热负荷间的关系 0 )()()()( j r jntjRSnCLnHE )()()()( )0( 1 )( 1 j rr jntjRSnHEnCL RS nt )()()( )0( 1 )( 1 j rr jntjRSnCL RS nt 间歇期空调系统停止，可用下述公式计算逐时室温变位间歇期空调系统停止，可用下述公式计算逐时室温变位 房间升温反应系数 处于均一温度的房间，从0时刻起向房间 连续供给单位热量（1W），则房间空气 温度变位过程的数值，称为房间的升温 反应系数，用RT(j)表示 升温反应系数也可用房间热平衡方程组 求出，也可用房间蓄热反应系数求出 升温反应系数与蓄热反应系数 的关系 根据蓄热负荷计算公式 升温反应系数 j k r r kjtkRS tRS 0 )()(1 )0()0(1 1)()(1 )0( 1 )( )0( 1 )0( 1 jkjRTkRS RS jRT RS RT j k 预冷期与预冷量 预冷期的目的是预冷结束时室温变位回 到0，设预冷期结束时刻为b，预冷期为p 小时，预冷量为H，则 参见建筑热过程127页例题52 )( )( )()( pRT bt H btHpRT r r 逐时分析法计算间歇运行空调 系统负荷 逐时分析法通过逐时过程的分析得到预 冷（热）期所需要的预冷（热）量、空 调运行后各时刻的除热量（即间歇空调 负荷）、空调停止后各时间房间热状况 （空气温度、壁体温度等） 除空调启停时间外，还需提供提前预冷的时 间（如1小时、2小时等） 逐时分析法计算间歇运行空调 负荷的过程 已知初始状况，即房间温度、壁体温度等；计 算空调停止后室内空气温度的变化过程（房间 热平衡方程组）至预冷前； 设定预冷量，计算在预冷结束时空气温度是否 达到要求状况；如不是，则调节预冷量，使预 冷结束时室内空气温度正好达到要求值； 计算空调开启后维持房间空气温度为设定值各 时刻的除热量 如此循环计算，进入下一天。 关于逐时分析法 如用于计算全年状况，则经过一定时间 即可消除初始值的影响；预冷量中的最 大值即为空调设备应配备的最大容量， 全年逐时的除热量（包括预冷量）之和 即代表了间歇空调的能耗 如用设计日的气象及使用条件反复计 算，即可得到设计日的预冷量和间歇空 调负荷及空调停止后室温的变化情况 8.5 空调设计负荷的简化计算 采用热平衡方法计算房间的逐时空调负 荷，一般采用成形的软件进行，手工方 法难于实施，工程中经常采用简化方法 计算，目前应用最多的简化方法就是冷 负荷系数法 简化计算的条件和假定 房间尺寸和围护结构 (分为轻、中、重型) 内表面接受的太阳辐射百分比不随时间变化 给定内表面接受的内扰辐射百分比 冷负荷系数法 冷负荷系数法就是将各种不同类型的得 热量转化为冷负荷温差或冷负荷系数， 从而直接计算空调负荷 冷负荷系数法的计算公式参见建筑热 过程138139页和暖通空调设计手 册相关内容 冷