（市政工程专业论文）不同围护结构蓄热性能对空调启停时间的影响.pdf

太原理工大学硕士研究生毕业论文1 静1 8 2 4 1 不同围护结构蓄热- 眭能对空调启停时间的影响 摘要 本论文在对太原某餐厅室内温度进行跟踪测试结果分析的 基础上，根据建筑使用功能及热舒适要求的不同，采用实验和 计算模拟的方法，动态分析了室内热环境，应用平衡分析法，建 立热平衡数学模型，用谐波法求解围护结构传热，并综合考虑 外扰、内扰的作用。 论文研究了在不同舒适区，即不同温度范围内，在其它扰 量不变的情况下，调节空调送冷量，优化空调启停时间，比较 其运行时间的长短，对实验和模拟数据进行分析，提出合理的 空调启停时间。同时，根据围护结构的蓄热性能，对不同的围 护结构进行模拟仿真，得出不同的室内温度，分析各种围护结 构对空调启停时间的影响。 可见，根据房间的使用功能，规定合理的舒适温度范围和 适宜的围护结构材料，可优化空调启停时间和运行时间，具有 节能的功效。 关键词：蓄热性能，围护结构，舒适区，热环境，m a t l a b 太原理工大学硕士研究生毕业论文 i n f l u e n c eo fd y n a m i ch e a ts t o r a g ei n d if f e r e n te n c l o s u r e s0 nt h etim e o fa l rc o n d l t i o n i n g so na n do f f a b s t r a c t b a s e do nt h eo b s e r v a t i o na n di n v e s t i g a t i o no far e s t a u r a n t b u i l d i n gi nt a i y u a n ，t h ei n n e rt h e r m a le n v i r o n m e n ti sa n a l y z e db y w a yo fm a t l a bc o m p u t e rs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s ，r e f l e c t i n gi t s f u n c t i o na n di t sd e m a n d si nt h e r m a lc o m f o r tr e s p e c t i v e l y t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fe n e r g yb a l a n c ei sb u i i t t h ep r o b l e mo f h e a t i n gt r a n s f e r i ne n c l o s u r e si ss o l v e db yh a r m o n i cm e t h o d ， c o n s i d e r i n gt h et e m p e r a t u r eo fi n s i d ea n do u t s i d ed i s t u r b a n c e i nd i f f e r e n tc o m f o r tr a n g em e a n i n gd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e r a n g e ，t h ep a p e r r e s e a r c h e dt h eb e t t e rti m eo ft h e a i r c o n d i t i o n i n g so na n do f fb ya d j u s t i n gt h ec o o i i n gq u a n t i t yu n d e r t h ec o n d i t i o nt h a to t h e rd i s t u r b a n c e sa r en o tc h a n g e t h ep a p e r a n a l y z e dt h ed a t af r o me x p e r i m e n t sa n ds i m u l a t i o no ft h eb u i l d i n g m o d e l s ，c o m p a r i n gt h e i rw o r k i n gt i m e t h ed i f f e r e n te n c l o s u r e s t h a ta r ed i f f e r e n ti nh e a ts t o r a g ew e r es i m u l a t e d a n dg o td i f f e r e n t i n n e r t e m p e r a t u r e 。a n a l y z i n g t h ei n f l u e n c eo nt h e a i r c o n d i t i o n i n g sw o r k i n gt i m e s ow ec a ni m p r o v et h ew o r k i n gt i m ea n dg e tt h eb e t t e rt i m eo f t h ea i rc o n d i t i o n i n g so na n do f fi no r d e rt os a v ee n e r g yb yu s i n g 太原理工大学硕士研究生毕业论文 r e a s o n a b l ec o m f o r t a b l et e m p e r a t u r er a n g ea n de n c l o s u r e si nf o r d i f f e r e n tf u n c t i o n a lb u i i d i n g s k e yw o r d s ：h e a ts t o r a g e ，e n c l o s u r e ，c o m f o r t a b l er a n g e ，t h e r m a l e n v i r o n m e n t ，m a t l a b 太原理工大学硕士研究生毕业论文 符号说明 口 一一- 材料的导温系数( 米2 d 、时) ，等于九cy s - 材料蓄热系数( 大卡，米2 ，j 、时) ，s = j 三笔望 r x 一材料热阻( 米2 小时大卡) ，r 。：三 旯 c 6一黑体辐射常数，s 6 7 w m 2 k 4 靠、围护结构外表面与天空辐射面、地面之间构成的辐 射系统黑度 9 。、伊。围护结构外表面对天空、地面的辐射角系数 f = t 口 口a t d 、b 一 叻、a s k 室外空气综合温度( ) 室外空气温度( ) 外表面总换热系数( w m 2 k ) 玻璃窗直射、散射透过率 玻璃窗直射、散射吸收率 忽略自身热阻时的玻璃传热系数( w m 2 k ) 口；( 一) 一- 第i 表面的对流换热系数( w m 2 k ) t i ( n ) 、k ( n ) 第n 时刻的第i 表面与第k 表面温度( ) c l 、c b 、c 。照明、人体、设备显热等得热量中对流部分所占百 分比 f k 、f i 第k 、第i 面围护结构内表面面积( m 2 ) 太原理工人学硕士研究生毕业论文 d x v n n 。 条件厚度d x = r x s 第n 阶扰量的衰减度 第n 阶扰量的相位延滞( d e g ) 房间对n 阶辐射热谐量的衰减度 房间对n 阶辐射热谐量的相位延滞( d e g ) 。 太原理工大学硕士研究生毕业论文1 1 ，1 课题背景与意义 第一章绪论 能源与环境是当代世界各国面临的重大社会问题。能源是发展生产 和提高人类生活水平的物质基础。能源增长与国民经济生产发展成正比 关系。由于人类不断地开发和利用各种能源：风力、水力、燃料的化学 能、太阳能、原子核能等，人类社会才得到发展。据能源研究资料”， 二十世纪七十年代世界性的石油危机掀起了两次节能浪潮，尤其是欧美 发达国家对能源问题相当重视。同时，由于人类大规模的使用煤、石油、 天然气等能源，这些能源燃烧时生成的二氧化碳、灰尘、硫化物和氮氧 化物等有害物质，对环境造成极大的危害，破坏自然界和正常的生态平 衡，对人类的生存环境造成了严重的威胁。所以节能是减轻大气污染， 保护环境的需要。 我国的能源形势已很严峻【2 】。由于经济的飞速发展，能源的需求量大 大增长。前几年我国国民生产总值的增长高于1 0 ，但能源的生产增长， 经过努力也只能做到3 一4 。而另一方面，由于应用技术等原因，我国 能源的有效利用率又极低，使我国的能源问题变得更加突出，严重的制 约着经济的发展，这就要求我们必须依靠节能。从能源条件看，我国煤 炭和水力资源总量比较丰富，但煤炭的经济可采储量和可开发的水量按 人口平均值，仍低于世界人均水平，至于石油和天然气就更少了。为了 可持续发展，在现有条件下大力发展、开发能源的同时，我们现在也必 须节能。 在能源消耗中，建筑能耗占有很大比例，发达国家建筑能耗占总能 太原理工大学硕士研究生毕业论文 耗的3 旺4 0 。以我国来说，随着空调建筑迅速增加，建筑物能耗需求 增长速度将远高于能源增长速度，从而，成为国民经济的一个重要的制 约因素。由此可见，如果建筑这个用能大户的能源省不下来，势必会限 制国家经济的发展，所以建筑节能是当今节能的重要课题之一。就公共 建筑而吉，空调的耗能是耗能的主要部分，一些发达国家空调工程的能 耗占建筑总能耗的6 0 一7 0 ，我国也占据5 0 一- 6 0 之多。随着我国经 济建设的发展及人民生活水平的提高，建筑物内消耗在暖通空调设备上 的能量将越来越多，节能问题将变得越来越重要。 发达国家在经历了1 9 7 3 年的世界性石油危机后，普遍把建筑节能工 作作为国家的大政方针，一方面从建筑立法和节能技术上予以保证，一 方面从经济政策上加以引导、鼓励。为了推动建筑节能，各国都已颁布 了若干项标准，并每隔几年进行一次修订。我国在建筑节能工作方面也 采取了一定的措施，近年来，我国在建筑节能方面做了种种努力，已获 得了较大的进展。但是空调领域，普遍还存在着设备陈旧，使用操作技 术水平底的问题；一些主管部门，还没有理顺一次投资、长期运营费用 与节能的关系，对建筑设备的能耗胸中无数；工程技术人员还没有很自 觉地采用先进的节能技术措施。同时，管理落后，各专业之间的协调配 合还远未达到科学化、节能化的程度，造成能量的严重浪费，目前世界 各工业先进国家从设计、制造、旌工和运行管理方面都在进行节能研究， 以期全面提高节能技术，并取得了重大成果。 由于发达国家民生耗能率高达总耗能量的1 3 左右，两其中绝大部分 又消耗在建筑物上，医此从7 0 年代以来，各国为推动建筑节能的进展， 相继制定和颁布了一系列的建筑节能法规、标准和指导性文件。建筑物 的节能是一项综合性的技术，它包括建筑物本身和空调系统、设备的节 能。其中在空调运行控制方面，根据建筑物功能和季节、节假日时问， 查堡望三查兰堡主堡堑竺望些丝苎 ：! ： 利用建筑物的蓄冷、蓄热效果，合理制订出设备启动和停止运行的最佳 时问，此方法对降低空调能耗非常有效。 在间歇空调时，应根据维护结构的热工性能、气候变化、房间使用 功能进行预测控制，确定最佳合适的启动和停机时间，在保证舒适的条 件下，节约空调能耗。 建筑物的设计、设备容量的确定和运行时间的优化是与技术、经济、 政策多方面因素有关的。建筑节能是随着能源危机日趋严重而迅速发展 起来的门新技术。正确认识基建和空调投资( 初投资和运行费用) 两 者之间的密切关系，保证节能技术的推广应用。 1 2 建筑中央空调系统节能潜能分析 当前节能不利的原因： 1 没有考虑动态负荷 现行夏季空调负荷计算方法中没有考虑新风状态的变化，计算所得 的新风为一定值，这种方法无法求得空调系统设备的动态负荷，不利于 空调设备的节能运行。考虑新风状态变化，计算空调的动态负荷，使空 调运行时设备的出力与空调系统逐时负荷相当，这种处理方法更科学。 因此利用动态负荷指导空调的运行，对空调房间的舒适性和空调系统的 节能具有重要意义。 2 应该考虑蓄冷的作用 建筑物与空调制冷系统构成了有关冷量的需求供应关系。建筑物对 冷量的需求尽管每时每刻都不同，但是它们可以根据建筑构造、室外气 象参数、室内空气状态、人员、设备状态做出定量预测，基本属于确定 性的需求。常规空调系统采用的是“即制即用”的运行方式，建筑物需 要多少冷量空调制冷系统即同步的产生、提供多少冷量，尽管这种设备 奎璺堡三奎兰堕圭墼塞生望些堡墨 构成简单，运行管理方便，但冷量需求与生产之间缺乏缓冲、调节机制。 设备容量的配置需要满足尖峰负荷对系统的冲击，而由于尖峰负荷出现 的频率低，使设备的利用率也很低。因此，采用蓄冰系统是必要的，同 时在电网实行分时计价的政策下，采用蓄冰系统可以利用电价差来降低 运行成本。 3 没有考虑空调启停时间控制 对于间歇运行的空调系统，在停机以后，由于外部环境的变化，围 护结构传热的影响，室温会发生变化，又由于房间热惯性的影响，所以 在次日开始使用之前必须进行预冷，这就必须提前启动空调系统，使房 间降温，以保证开始使用时室温处于要求范围内。同时，在空调系统运 行开之后，由于围护结构的蓄热性能，部分热量会被蓄存起来，会在工 作时期后期甚至在非工作时间才会释放出来，工作时间后期，由于室内 负荷的减少( 如随人员减少，照明负荷减少等) ，围护结构蓄存热量的延 迟释放，在满足室内温度要求下，可提前关闭空调系统，以节省能源和 空调运行开支。同时在设备运行过程中，由于同一台设备的长时间运行 会造成设备的损害。因此，优化设备的启停时间是必要的。 1 3 课题概述 围护结构在满足建筑物使用要求和保证坚固性方面的作用是毋容置 疑的，而它对建筑节能的影响也是首屈一指的。热阻值、蓄热系数和热 惰性指标是表征围护结构的热工性能的重要参数。热阻值是代表围护结 构抵抗导热的能力，在稳定传热时，它可以作为围护结构保温性能的评 价指标。而在不稳定传热状况下，仅仅采用热阻这个指标就不能全面评 价围护结构的热工性能。而围护结构的蓄热系数表达结构抵抗温度波的 能力，当围护结构的热阻相同，而组成的材料不同时，其构成围护结构 查堕里三查兰堡圭婴窒生兰、业堡兰 ：! ： 内表面对室外空气温度波的传热衰减倍数相差很大，材料的蓄热系数越 大，衰减倍数也越大。因此，一般采用围护结构的热惰性指标作为评价 结构热工性能的指标。热惰性指标由材料的热阻与蓄热系数的乘积得到。 对于我们研究的房间，准确的获得围护结构热阻值的同时获得蓄热系数 从而算出热惰性指标则对研究分析围护结构动态热过程是至关重要的。 房间空气调节的目的是在室内造成一定的空气状态和热湿环境，如空气 的温度、湿度、清洁度、流速和压力，以及围护结构内表面温度等。而 且还经常要求这些条件不会因室外气象条件( 如室外空气的温、湿度和 太阳辐射等) 和室内各种条件( 如灯光、设备和人员的活动情况) 的变 化而变化，或者使之维持在一定的允许波动范围内变化。 弋 ；戮囊 蠹菇心 l3579n1 31 51 71 9 2 l2 3 时间 图1 1 室外室内温度曲线图 本论文对一间歇供冷房间的温度进行了模拟仿真，图1 1 为实验房 间空调间歇运行时实际室外温度和室内温度曲线图。房间热力系统过程 模拟的基础是围护结构热力过程的模拟。建筑围护结构的传热是很复杂 的现象。一方面，它包括围护结构表面的吸热、对流和辐射三种基本传 热方式。另方面，由于室外空气温度和太阳辐射强度等气象条件随季 节和昼夜不断变化，而且室内空气温度和围护结构表面热状况也随室内 5 2 9 6 3 0 o o，n赡： o ： 6 太原理工大学硕士研究生毕业论文 用具、供暖与空气调节设备的形式和运行条件不断变化。所以，在对各 种扰量做了一定合理的假设和简化的情况下，建立合理的空气热平衡模 型非常重要。为了经济合理的达到室内空气温度指标，一方面采取合理 的温度波动范围和围护结构，另一方面则应正确的确定空调系统的运行 方案，这样才能既满足建筑物对冷量的要求，又能经济合理的使用能源， 节约投资和运行费用。做到上述两点，必须清楚建筑围护的动态热工特 性，掌握室内外各种因素如何影响房间空气的热湿状况并计算各种因素， 求得比较合理的空调运行时间。 太原理工大学硕士研究生毕业论文 第二章围护结构蓄热性能对传热的作用 研究建筑物节能，主要是从计算或估算建筑物的围护结构传热、空 气渗透等方面入手，对外围围护结构采取冬季保温、夏季隔热的方式， 根据建筑材料的蓄热系数，合理确定围护结构保温厚度，提高围护结构 的热稳定性，同时根据建筑物功能，使室外气象波动引起的热流波通过 围护结构的传导，衰减度适量、延迟时间移至非工作时区，以使空调冷 负荷减少，运行时间缩短，达到节能、省钱的目的。 本章通过对围护结构蓄热性能的分析，对室外温度波、热流波在多 层墙中逐渐衰减、延迟，以达到保温、隔热作用，讨论对不同材料即不 同蓄热系数的情况下，外界温度波，热流在多层墙中的逐时衰减、延迟 情况，为确定合理的动态负荷，优化空调运行时间打下基础。 由于室外气象参数在较短的一段时期( 如某一季节) ，具有一定的稳 定变化规律，且近似成余弦变化规律，所以，我们将在这一章用谐波法 对围护结构传热进行分析。 2 1 围护结构传热谐波分析法嘲 众所周知，热在固体中传播的物理现象，服从于傅立叶导热基本微 分方程式。对于热在平壁中的传播，这个方程式具体有下列形式： 当：口冀( 2 - 1 ) 一= 口l j a f舐2 式中，口材料的导温系数( 米2 ，j 、时) ，等于x i c y 下列个别解能满足微分方程式( 2 - 1 ) ： 二旦型墅i ! j 达堂堡主堑壅兰兰些堡塞 等胁璧仙h 西 亿：， 温度t 是复数，z 是周期。 因此，公式( 2 - 2 ) 给出对于不同坐标x 平面的温度谐性波动问题的 解，即对于每个x 值，这些波动用矢径 。来决定： o ，刊出罢+ 胱罢 c z 剐 从公式可看出，o ，的绝对值随着x 的增加而增加。从物理意义上看， 温度波动的振幅应随波的深入而减小。由此可见，x 轴方向应该与波行 进的方向相反，坐标原点( x = o ) 应取波指向的边界层的表面。其次，公 式中常数a 和b 由边界条件决定。 有了温度场方程式，利用傅立叶定律： q = 一丑要 ( 2 4 ) 可以求得热流q ( 大卡米2 小时) 的方程式： p 声五璧( a s h x 璧+ b c h x 2 a璧) ( 2 - s ) g = 一p _ 五、丝1 解+、胆) ( 2 5 yvz 口vz 口 若以波行进的方向为热流的正方向，则我们应当将公式中的负号改 为正号，在任何x 平面上热流的波动都是具有周期z 的谐性波动，用下 列的矢径来决定谐量： 小a 偿( 触偿地刮罢) ( 2 - s ) 其中，引入参数s 和r x ： 材料的蓄热系数s ：、坐，因次为大卡米2 ，j 、时。 太原理工大学硕士研究生毕业论文 x 厚度内材料的热阻r ，= ；，因次为米2 ，j 、时 c ) k - 旨。 显然，r x s 是个无因次量，它可以代替坐标x 来说明所述平面在材料 层中的位置，所以称之为“条件厚度”，以d 。表示之。 常数a 、b 的确定，可以上述方程式中令x = o ( 或r x s = 0 ) ，即得： e = a( 2 7 ) q = b s 以 ( 2 - 8 ) 由此可见，量a 是热流指向的边界层表面( x = 0 ) 上的温度矢量，而 b 则为该表面上的热流矢量除以s 拆。 则方程式具有下列形式： e x = 。瑚c h r i s 以+ 鲁s h r s 4 ( 2 删 l 电：s , f i ( e 。s h rs s 也+ 萼c h r 。s 两( 2 - 1 0 ) s vz 而在实际条件中，0 舭w 和q 。的值常为未知数，所以我们要引用 以复数表示的墙内谐性温度波的衰减风，其模y 。给出振幅的衰减( 而且 y 。 1 o ) ，而幅角占。给出相位的延迟( 度) ( 而且占。 0 ) ，以复数表示墙 以谐性热流波动的衰减，其模以表示，而幅角以表示，公式为： 尾；：。h r ，。坼+ 粤s 疋s 撕( 2 1 1 1 ) 0 ：p “ o p d j f 太原理工大学硕士研究生毕业论文 岛= 旦= 幽月，j 压+ 竺型堂枷；j 压 r 2 一1 2 1 o ；p dq 。d 、 其中以y 。：堕，则方程式为： 0 。“ 风= c r ，s 石+ 兰睾s r ，j 撕( 2 1 3 ) j 、，j ( 2 1 4 ) 公式( 2 1 3 ) 和( 2 1 4 ) 中复数y 。h 的模，为边界平面上热流和温 度振幅之比值，而幅角为在这平面上热流对于温度相位的超前。p 。与 ，耐和q 。不同，通常是已知量，或可由已知的条件加以确定。 为了详细地研究材料层里面的热现象，应当能求得沿材料层厚度任 意坐标x 的值】，：盟。| ，。为在实际计算中引入的量，称之为蓄热系数。 0 ， 在一定热流波动的情况下，所研究平面的y 值越大，在这个平面上温度 的波动就越小，即该平面热稳定性越大。根据定义可以得】，。的公式： y ，：盟：s 压 ， 躲x ，小+ 粤 s l 1 + 埤肪r ，s 打 s 4 i 由此可见，n 取决于】，。，而y ，a 应该是已知的。 在边界平面( x = o ) ，得 ( 2 - 1 5 ) l ； 以 曲 生 l ； 以 魄 & 太原理工大学硕士研究生毕业论文 在边界平面( x = 0 ) ，得 而在距这平面无限远处( x = c 0 ) ，= 0 = y ￥a h ( 2 - 1 6 ) y = s f f 2 1 7 ) 等式( 2 1 6 ) 是适合于问题的条件的，而( 2 。1 7 ) 式可看出，如果波 位于距层的边界面很远的地方，则量，实际上可以认为是不变的：且等 于j f ，对离边界面很近的区间必须应用公式( 2 1 5 ) 。把实际上受边界 面影响的区间，称为不规则的热波动段；而把实际上不随距离x 而改变 的后面区间，称之为规则波动段。在不规则波动段的区间内，由起始值 y 。= s f 逐渐的过渡到了终了值y ，= y ，胡。段的划分实际带有假想的性 质，并且段与段之间的分界平面位置，是根据计算所要求的精确度来确 定的，通常为离边界面的距离等于r x s = 1 0 。如果层厚不大，那么其中可 能不存在规则波动段，这样的层称之为“薄”的，以便区别于包含有两 段的“厚”层。 2 2 通过多层墙热波衰减、延迟分析。1 知 当热波通过多层墙面时，它将在每一层中依次的衰减。由上一节可 y m = s ，4 it h r 拆+ 埤 s 。z l + 埤，h r 圻 s 。| ( m 为层数)( 2 1 8 ) 式中：r 。材料层之热阻( 米2 小时大卡) ，等于 _ 二旦二_ 一 查垦塞三查兰堡主堑窒兰望些堡苎 如：拿 ( 2 一1 9 ) 对于在层m 中的衰减为： 一即叫赞， 协：。， 土+ 土 ( 磐) ( 2 - 2 1 ) 而+ 百 如果层1 t i 为“厚”的则衰减如下式： v 风，。= 0 5 e r _ s4 7 ( 1 + 二卑) ( 2 2 2 ) s m i 岛，= 0 5 e r - * a ( 1 + 业) ( 2 - 2 3 ) y 一1 如果层( m - 1 ) 也是“厚层”，则对在m 层中振幅的衰减值和相位的 推移s 。，可以写成实数表示的公式： 托。札| = o 5 e 警( 1 + 挚 ( 2 - z a ) = a r g ( f l o j = 写笋( 度) ( 2 _ 2 5 ) 当介质温度谐性变化时在多层墙内产生的热波穿过墙至恒温介质毗 连的另一表面并逐渐衰减，此时温度的总衰减风。为各层衰减的乘积： 太原理工大学硕士研究生毕业论文 8 。= p lb3 生巫些：! 。旦旦 s ，小+ l n a n y k i y r f z 一2 6 ) 如果有空气层的话，乘数垒! 为在空气层中的衰减，而最后一个乘 j ，片 数为波从邻近介质传至墙表面时的衰减，即然个别层的衰减是以复数表 示，则总衰减也是复数。 为了简化公式( 2 1 8 ) 确定j ，。是最复杂的计算，引入相对蓄热系数 m ，将自变量由三个缩减为两个就可以制成图表。 无因次复数m 为其平面的蓄热系数p ，对该平面材料的蓄热系数 j 拆的比值，即 m ；= 二备 ( 2 - 2 7 ) y s q t 从层m 这边：m ：m ：羔每为层m 坐标为x = 0 的相对蓄热系数 s 吖z 从层m 1 这边：m 嚣= ! 为层m - 1 的坐标x = 万。的相对蓄热系 s 一1 叫l 数，其中占。为层厚( 米) 。 则在各层内的衰减公式有下列形式： 等 ( 2 z s ) 舞吼i出帆 压成 1 4 太原理工大学硕士研究生毕业论文 毒 ( 2 2 9 ) ( 层内空气衰减) ( 2 3 0 ) 善枷等等等 ( 2 - 3 1 ) 这样，公式就完全消除y 值而以m 值代替，而m 可查表得到。 丽。脚。螂硪埘 = ： ； 臻 m k 司 似 问 1 十 4 弑 影 a # 几 瓤的墙层 多 入 带 太原理工大学硕士研究生毕业论文 第三章 模型内外扰量的计算 对于建筑物热环境来说，各种内外扰量的影响起着很大的作用。其 中太阳辐射是一项重要的外扰因素，特别是透过玻璃窗直接射入房间内 的辐射热量，对房间热状况的影响是很大的。同时由于太阳辐射的存在， 影响了室外综合温度的变化，这些参数的变化是时间的函数，因此，在 研究室内热环境时，需要对所涉及的参数进行动态描述和计算。另外， 房间内扰因素主要归结于照明、设备( 此处指饭菜热量) 和人体的产热。 在计算中已根据实际状况，将内扰的变化规律按类别加以描述。 从室外进入的得热量有日射得热、传导得热和渗透得热，室内热源 构成的得热有灯光得热、人员得热和设备得热。 1 传导得热，由室外温差传热进入的得热量，其中有经内墙、外墙、 地面和天花板的传导得热。 2 日射得热，太阳辐射经过窗玻璃时引起的得热，可分为有遮阳和无 遮阳时的日射得热。 3 人员得热，由室内停留人员的人体散热引起的得热。 4 灯光得热，由室内照明灯具引起的得热，可分为全室和局部照明得 热。 5 设备得热，由室内发热设备带给房间的得热，此处指饭菜热量。 6 渗透得热，从室外进入室内的空气带入的得热。 这些得热中可能同时包含潜热和显热；对流和辐射等不同形式的热 量，渗透得热没有辐射部分，这些得热立即成为瞬时负荷。日射得热在 没有内遮阳时可近似当作百分之百的辐射得热。人员得热中的显热和其 它得热同时具有对流和辐射成分。 太原理工大学硕士研究生毕业论文 3 1 室外综合温度h 建筑围护结构的外表面不仅与室外空气有对流换热作用，而且也受 到太阳逐时变化的辐射作用，同时还与外界( 包括天空、地面等) 有辐 射换热作用。为了研究通过围护结构的逐时传热状况，有必要搞清外界 气象条件对其外表面的热作用，为此，可根据各围护结构的具体情况， 求出其所对应的室外综合作用温度。在围护结构外表面与外界的实际互 辐射换热中，包括了外表面天空的辐射换热量与外表面对地面的辐射换 热量。 可由以下公式表示： = 圳斋4 一( 斋4 】+ c b e , , g p o g 【( 斋4 一( 斋4 】 ( 3 - 1 ) 式中，q ，。围护结构外表面与外界的实际辐射换热量，w 5 c 6 黑体辐射常数，5 6 7 w m 2 k 4 ； g 。、s 。分别为围护结构外表面与天空辐射面、地面之 间构成的辐射系统黑度。 妒。、妒。分别为围护结构外表面对天空、地面的辐射角 系数。 其中， 气；占。= 口 即围护结构外表面吸收率； ；e o ，为地面黑度； 妒。= 妒。= o 5 ( 垂直面) ；。o ，r p o s = 1 ( 水平屋面) 。 式( 3 1 ) 经整理可表示为以下形式： ! 塑型三奎兰堡主婴窒生兰些笙壅 ：! ! ： g r a2q ，+ q p ( 3 - 2 ) 式中， g ，。= 巳而t o ，4 一气乞( 素i - ) 4 为外表面与空气间辐射换热，、v g 。咆“孟) 4 - - c b c o s o o s ( 志) 4 飞( 怎) 4 为有效辐射量，w ； 由室外空气综合温度概念，得 f ：r 。+ 继一生( 3 3 ) 口口口。 式中， ，：室外空气综合温度； ，。室外空气温度； 口。外表面总换热系数； q 。外表面所吸收的太阳辐射量； q 。外表面所吸收的地面反射辐射量。 吼有效辐射量。 这样，围护结构外表面与外界环境的换热量可表示为： q 。= 口。( ，：一t o ) ( 3 4 ) 在本节计算中，涉及到以下几个逐时变化量的计算： 1 太阳逐时辐射量， 2 地面反射辐射逐时辐射量， 3 有效辐射的逐时辐射量。 由于所研究建筑处在高层建筑的阴影区，所以在计算综合温度时， 只考虑太阳散射热量，建筑物外表面接受的太阳散射辐射有地面的散射 和天空的散射两部分，有效辐射取为0 。外表面总换热系数取一天平均 土生一一一 查堕里三奎兰堡主堕窒生望些堡塞 ：! ! ： 值。以上各逐时量在模拟中分别成为不同输入量，在模拟中进行逐时动 态计算。模拟中将数据定义为m 文件，供模拟需要，可对m 文件进行修 改和调用。 3 2 通过墙体围护结构的得热量“ 由于所研究建筑处在阴影区，太阳直射辐射部分影响不大，所以不 考虑朝向因素，把围护结构分为外墙、内墙、天花板和地板四部分考虑。 1 通过外墙的室内得热量 在室外空气综合温度作用下形成空调冷负荷有两个过程：一是室外 空气综合温度的作用( 外扰) 产生室内得热量：另一是室内得热量经围 护结构和室内家具等吸热、放热，最后给室内放热，形成冷负荷。两者 共同的特点是扰量具有周期性和围护结构以及整个房间对扰量有衰减和 延滞作用。如图3 - 1 所示【5 】。 7 【 室内空间 ， a 篷 c l q 2c l q d + c l q l l q q d 忿乩啪 。 zl 【，q f l 图3 - i 外墙温度衰减示意图 j 面升 l 温) 查璺堡三奎兰堡主竺塞生望些鲨壅 ：! ! ： 在室外空气综合温度 s ，r = = c 。p + e 。：la t e , c o s ( 一f ，。) ( 3 5 ) 作用下，墙体内表面温度波动值为： f ：m _ a _ t , 一c 。s ( 伽。f p 。一占。) ”。” ( 3 - 6 ) 式中，n 谐波阶数； v 。第1 3 阶扰量的衰减度； n 第n 阶扰量的相位延滞( d e g ) 。 各阶谐波均有各自的衰减度和相位延滞，因为和与蓄热系数s 有关， 而s 与周期z 有关。 内表面的热流量 g = q + a q = k ( t , , p - t u ) + 口- _ ：a t , 一c 。s ( 。f 一纯一毛) ( 3 7 ) n = l u “ 或 式中 q = k a t d ( 3 8 ) t + 警善等c o s ( c o , r - p - 8 ) _ f b ， 称为当量温差。 当得热由对流热部分和辐射热部分组成。其中辐射热量占总得热量 的比例为岛，对流热量占以，得热量的平均部分和波动部分分别为 一q = 一q d + 一q = p 嗣+ 0 f 可 a q = a q d 七a q | = 0d a q 七0 f q ( 3 一1 0 ) ( 3 1 1 ) ：堡： 奎星堡三奎堂堡圭堑塞皇兰些璧塞 ：! ! ： 2 形成的冷负荷 ( 1 ) 对流得热量直接变成冷负荷 c l q d = d ( 虿+ a q ) = 尻g ( 3 1 2 ) ( 2 ) 辐射得热形成的冷负荷 由于房间的蓄热性，有吸热放热过程，其中稳定传热中的辐射部 分经室内各表面多次重复吸收和放热，成为稳定的对流放热。不稳定传 热( 波动部分) 的辐射部分，由于该部分热量周期性变化，室内吸、放 热过程有衰减和延滞，故其放热规律为： c l g j ：( 1 - 一) ，虿 ( 3 - 1 3 ) c l a q = f l 口”喜鲁c o s ( 鸭q 瑚( 3 _ 。) 式中，以房间对n 阶辐射热谐量的衰减度。 房间对n 阶辐射热谐量的相位延滞( d e g ) 。 某一时刻通过墙体的放热量( 冷负荷) ： c r q = c l q d + c l q ，+ c l a q ( 3 - 1 5 ) 式中：c l q 某一时刻因对流得热的辐射得热而引起的室内总冷负荷 ( w m 2 ) 。 3 通过内墙和楼板的得热量 对于内墙和楼板，可根据领房和楼上房间的温度作为扰量。对房间 进行传导热及此热量引起对流、辐射热的计算。计算方法同上。 一 奎堕里三奎堂堡主竺塞生望些堕塞 ：! ! ： 3 3 通过窗户的得热量“ 通过窗户的室内得热量是由室内外温差和太阳辐射所引起的。当太 阳照射到窗户上时，除了一部分辐射能量反射回大气之外，其中一部分 能量透过玻璃以短波形式直接进入室内；另一部分被玻璃吸收，提高了 玻璃温度，然后以对流和长波辐射的方式向室内外散热。上述进入室内 得热量的各部分均含有辐射热成分，由房间的放热衰减和放热延滞再形 成相应实际放热量。 1 室内得热量 通过玻璃窗进入室内的热量与太阳辐射情况和室内外温差有关。 太阳辐射投射到玻璃外表面，有相当数量的太阳热辐射直接进入室 内，这部分热量为： q r2 d 7 d + l s 7 一 ( 3 1 6 ) 式中：q f 一透过玻璃直接进入室内的太阳辐射热( w i n 2 ) ： i d 一太阳辐射直射强度在玻璃窗表面法线方向的分量( w m z ) ； i s 太阳辐射散射强度( w m 2 ) ； t d ，t 。玻璃窗直射、散射透过率。 玻璃还吸收了一部分太阳辐射热，从而提高了自身的温度。这一温 度可能高于室内外空气温度，于是玻璃的内外表面分别以对流和辐射方 式向室内外散热。玻璃吸收的太阳辐射热为： q ，= id a d 4 - i s 吐。 ( 3 1 7 ) 式中，d ，a i 一玻璃窗直射、散射吸收率。 玻璃的散热量为： a u ( t 一r ) + a w ( “一t w ) ( 3 1 8 ) 三三= 2 塑塑塑：! ! ! 塑主堑塞竺望些望奎 c 【n 为内表面放热系数，。为外表面放热系数，t b 为玻璃内外表面温 度。 当玻璃处于热平衡时 g 。= a ( f 6 一t ) + 口。0 6 一t 。) 或 屯一“：堕竺二盟 + 口w ( 3 1 9 ) 玻璃吸收太阳辐射热后，向室内的散热量为 卧：口。以一，。) ：垒必盟二剑 a + 口w 2 壶亡”， a 口” 2 k + 地一“ ( 3 2 0 ) 式中：k 忽略自身热阻时的玻璃传热系数( w m 2 k ) ； n 墨为玻璃吸收太阳辐射后散向室内的热量的百分数。 通过玻璃传向室内的总能量为 q = q ，+ g = q ，+ 寸。+ k ( r 。一t n ) ( 3 - 2 1 ) 上式也可写成日射得热和传热得热两部分： g = g ，+ g 。 ( 3 2 2 ) 其中目射得热 g ，= 吼+ n q 。 传导得热 g c = k ( t 。一“) 日射得热取决于诸多因素，从太阳辐射方面来说，辐射强度，入射 太原理工大学硕士研究生毕业论文 角均依纬度、月份、日期、时间的不同而不同。从窗户本身的结构来说， 它随玻璃的光学性能，窗户结构、特性、是否有遮阳装置等而异。此外， 还与内外放热系数有关。 2 室内冷负荷 ( 1 ) 传导得热引起的冷负荷 玻璃窗的传导得热是由于室内外温差引起的，由于玻璃的蓄热量很 小，可忽略不计，则温度波的相位延滞e n = o ，传导衰减度u n 2 警。 室内得热量q 。可用谐波形式表示为 g 。= 世( ，w 一，) + k a 。c o s ( o ) 。f p 。) = k a 。c o s ( ( d 。_ z - - c p 。) ( 3 - 2 3 ) 式中a 。为n 阶室外空气温度谐波f 的波幅。 相应的冷负荷 c l q 。= 所k 争c o s ( 0 3 n c - - 伊。一占：) + 尻k 4 。c o s ( o ) r 吼) n = 0 一n = 0 ( 3 2 4 ) 式中p f 为传导得热中辐射热的比例，。为房间对n 阶窗户传导得热 中辐射扰量的衰减度和相位延滞。 ( 2 ) 日射得热引起的冷负荷 通过窗户进入室内的日射得热q f 同样可用谐波形式表示 圹荟聃s(dnt-n ( 3 - 2 5 ) = u、j z ) ， 式中b 。为n 阶日射得热量谐波的波幅。 相应的冷负荷 - 2 4 一 太原理工大学硕士研究生毕业论文 c l q ，：乃 兰争c 。s ( r 一吼一s ：) 】+ 风r a 玩c 。s ( a j o r - 妒。) n 。o p n 0 ( 3 - 2 6 ) 式中p f 为传导得热中辐射热的比例，“。，。为房间对n 阶窗户传导得热 中辐射扰量的衰减度和相位延滞。 3 4 照明得热 照明设备所消耗的电能，部分转化为光能，一部分直接转化为热 能。热能以对流、传导和辐射方式向周围散热，其中对流、传导热量直 接传给空气。转化光的那部分能量，也被周围的物体吸收，再转化为热 能以对流、传导和辐射方式传给空气或物体。 照明能量中，所含各种形式能量的比例如表3 1 所示。 表3 - i 照明类型白炽灯 荧光灯 可见光1 0 1 8 热辐射7 0 3 1 镇流器18 对流和传导 2 0 3 3 如果白炽灯或荧光灯装在一定形式的灯具中，上述分配比例将有所 变化。 根据照明灯具的类型和安装方式不同，得热量为 白炽灯 q = n ( 3 - 2 7 ) 荧光灯 q = n l n 2 n ( 3 - 2 8 ) 奎璺堡三查兰堡主堕壅圭兰些堡壅 ：型： 式中：n 照明灯具所需功率( w ) ： n ，镇流器消耗功率系数，明装荧光灯、镇流器在室内时取1 2 ： 暗装荧光灯，镇流器在顶棚内时取1 0 ： n 2 灯罩隔热系数，当荧光灯罩上部穿有小孔，可自然通风散 热至顶棚内时，取0 5 - 0 6 ；荧光灯罩无通风孔，视顶棚内通风情况取 06 - 08 。 3 5 人体得热 人体散热与性别、年龄、衣着、劳动强度和周围环境条件( 温湿度) 等多种因素有关。在人体散发热量中，辐射成分约占4 0 ，对流成分约 占2 0 ，其余的4 0 贝1 j 作为潜热成分散出。在总显热散热中，占三分之 一的对流成分直接被空气吸收，另外三分之二的辐射热则与日射和照明 散热中辐射热情况类似，首先为室内围护结构及家具所吸收，经过一定 时间，再一对流形式散出。 成年女子和儿童的散热量低于成年男子，分别可按成年男子的8 5 和7 5 计算。 在人员群集的场所，随房间使用性质的不同，有不同比例的成年男 子、女子和儿童组成。在计算时，可用成年男子的散热量为基数，再乘 以以修正系数，称群集系数。群集系数如表3 2 所示。 则人体散热量 q = q n l n 2 ( 3 - 2 9 ) 式中：q 不同室温和劳动性质时成年男子的全热散热量( w 人) ； n 1 室内人数； n 2 群集系数。 太原理工大学硕士研究生毕业论文 表3 - 2 场所n2 彰、剧院 0 8 9 旅馆，办公室 o 9 3 百货商场 0 8 9 图书馆阅览室 0 9 6 体育馆 0 9 2 3 6 设备散热得热啪 室内设备大致有电动设备、电子设备，加热设备和燃气设备等。这 些设备散出的热量包括显热和潜热两部分，其比例随设备性质不同而异- 对于餐厅供餐时的散热量中，约有5 0 为显热，5 0 3 白潜热。其中显热 散热量与照明和人体显热散热一样，也包括对流成分和辐射成分。显热 散热中，辐射部分所占百分比与其表面温度有关，表面温度越高，所占 比例就越大，各种设备在显热中辐射成分所占的比例在2 0 8 0 ( 一般 可按辐射成分占7 0 ) 计算。设备散发出的显热中的辐射成分和照髓、 人体的显热散热相同，也首先被围护结构和物体吸收，提高温度后再放 给室内空气。 本文所研究房间为餐厅，所以在餐厅中用餐时，每个人还需增加： 食物全热1 7 4 5 w i n ，食物显热s t w a ，食物潜热8 7 w a ，食物散湿 量1 1 5 9 ，人h ，作为设备散热量州。 太原理工大学硕士研究生毕业论文 3 7 各种得热形成冷负荷的规律”1 在进行房间空气温度计算时，需要考虑进入房间的各种热量。室内 总得热量是指某一时刻由室外进入室内和由室内热源散发在室内的热量 总和，这些得热量来源于太阳辐射、室外气温、室内的灯光、人员和设 备等。得热量中显热量的对流成分和潜热部分直接发散给室内空气，变 成室内瞬时冷负荷，而显热量的辐射成分不会全部或立刻变成室内瞬时 冷负荷。因为辐射热首先被围护结构和家具等室内物体吸收，当这些物 体表面吸热，并使温度升高到高于周围空气时，一部分热量以对流方式 传给周围空气，另一部分被结构物所储存，下表3 3 为各种得热量中所 含有的辐射和对流成分比例；r 为辐射热比例，仍为对流热比例。 3 3 热源 辐射热( ，) 对流热备注 ( 岛1 。，) 日射( 无内遮阳) 1 0 日射( 有内遮阳)0 6