（制冷及低温工程专业论文）冰蓄冷低温送风系统设计软件开发.pdf

摘要 冰蓄冷低温送风系统设计软件开发 摘要 冰蓄冷低温送风技术是为实现电网电力移峰填谷 降低空调系统运行费用而兴 起的一门实用综合技术 并逐渐成为空调系统设计的主流 本文对冰蓄冷低温送风 系统的设计及其相关问题进行了深入研究 并在此基础上丌发了冰蓄冷低温送风系 统设计软件 本文的研究课题是涉及制冷与空调 传热学 软件工程等的交叉学科 问题 l 本文针对冰蓄冷低温送风系统的优化设计问题 通过对目前工程中所采用的 设计方法 思路的分析研究 发现现有的设计方法对冰蓄冷低温送风系统的特殊性 考虑不足 有的甚至沿袭常规系统的设计方法 从而导致设计与实际相差甚远 本 文对冰蓄冷低温送风系统设计方案 思路提出了更新 对系统送风量 风机风管的 温升 冷却盘管等关键设计计算进行了深入的研究 提出了相应的计算方法 并在 基础上 丌发了冰蓄冷低温送风系统设计程序 2 针对目前国内设计采用的建筑物冷负荷计算值比实际冷负荷大 甚至相差成 倍之多的问题 对建立在传递函数上的冷负荷系数法进行了研究 编制了计算程序 计算程序有估算与详细计算两种方法 3 针对传统h d 图作业静态 单一的缺点 本文对描述湿空气湿度的物性参数 及其相互关系进行了分析 在传统湿空气h d 图作业的基础上 结合h d 图的动态 绘制和热湿过程处理 开发了湿空气h d 图及热湿过程分析程序 为湿空气过程分 析 系统的设计提供了基础和分析工具 4 本文采用厦门火炬软件园大楼为工程实例 对冰蓄冷低温送风系统设计软件 进行t n 试 同时完成陔工程的冰蓄冷低温送风空调系统设计 与常规空调系统相 比较 对系统设计进行了经济性能分析 关键词 低温送风 冰蓄冷 冷负荷 焓湿图 软件工程 1 a b s t r a c t d e v e l o p m e n t o f as o f t w a r ef o rc o l da i r d i s t r i b u t i o nw i t hi c es t o r a g es y s t e m a b s t r a c t c o l da i rd i s t r i b u t i o nw i t hi c es t o r a g ef o ra i r c o n d i t i o n i n gi san e w t e c h n o l o g yt om a k e b a l a n c eo ft h ee l e c t r i cs u p p l ya n dt or e d u c et h er u n n i n gc o s to f s y s t e m t h i st e c l m o l o g y h a sb e e nb e c o m i n gt h es t a n d a r di nh a v ci nt h ew o r l d t h ed e s i g np r o c e s so fc o l da i r d i s t r i b u t i o nw i t hi c es t o r a g es y s t e mw a si n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s ac o m p u t e rs o f t w a r e f o rt h ed e s i g no f t h e s y s t e mw a sd e v e l o p e d c o n c e r n i n gw i t ho p t i m i z a t i o no fs y s t e md e s i g n t h i st h e s i sd i s c l o s e dt h ec o m m o n p r o b l e m so fi g n o r i n gt h ep a r t i c u l a r i t yo ft h en e ws y s t e mb ya n a l y z i n gt h et r a d i t i o n a l d e s i g nm e t h o d w h i c h r e s u l t si nt h ed e v i a t i o nb e t w e e nt h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h e i m p r o v e m e n t o v e r s y s t e md e s i g nw a sp r o p o s e d i nt h i sw o r kt oe l i m i n a t e t h e d e v i a t i o n a n das e r i e so fc a l c u l a t i o nm e t h o d sf o rv o l u m eo f a i r t e m p e r a t u r er i s eo fp i p e a n dd e s i g no fc o o l i n gc o i lw e r ee s t a b k s h e d t h es o f t w a r ef o r s y s t e md e s i g nw a s d e v e l o p e d o nt h eb a s i sm e n t i o n e da b o v e i nm o s ts i t u a t i o n s c o o l i n gl o a dc a l c u l a t e db yt r a d i t i o n a l m e t h o d si s l a r g e rt h a n t h e a c t u a lo n e c o n c e r n i n gw i t ht h i sd e v i a t i o n c o e f f i c i e n tm e t h o db a s e do nt r a n s f e rf u n c t i o n w a si n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s t h er e s u l tw a su s e dt od e v e l o pa p r o g r a m f o rc a l c u l a t i o no f c o o l i n g l o a d t h i st h e s i sa n a l y z e dt h er e l a t i o no f p a r a m e t e r sd e s c r i b i n gh u m i d i t yo fh u m i da i r b a s e d o nt r a d i t i o n a lo p e r a t i n gm e t h o d o l o g yo fh dg r a p h ap r o g r a mf o rd r a w i n gd y n a m i ch d g r a p ha n da n a l y z i n g a i rc o n d i t i o n i n gp r o c e s sw a s d e v e l o p e d i tw o u l db eu s e df o ra n a l y s i s o fa i rc o n d i t i o n i n gp r o c e s sa n d s y s t e md e s i g n t a k i n ga no f f i c eb u i l d i n gi nx i a m e na sa l l e x a m p l e t h i st h e s i sn o to n l yt e s t e dt h e c o m p u t e rs o f t w a r eb u ta l s oc o m p l e t e ds y s t e md e s i g no fc o l da i rd i s t r i b u t i o nw i t hi c e s t o r a g e a tl a s t t h i st h e s i sd i s c u s s e ds o m ee c o n o m i c a lp r o b l e m so ft h en e w s y s t e ma n d t r a d i t i o n a lo n e s k e yw o r d s c o l da i rd i s t r i b u t i o n i c e s t o r a g e c o o l i n gl o a d h dg r a p h s o f t w a r e e n g i n e e r i n g 符i j 表 拉丁字母 口 人气压力 g机绸充冷t 况r 的容量 c 1 c冷负荷系数 机纽供冷 i 况f 的容量 c l 冷负荷 c r f蓄冷i 况f 的容量系数 c 足 供冷i 况f 的容耸系数 一比热 q窗玻璃的综合遮挡系数 d 湿空气含湿姑 d 日射得热因素 d m 日射得热冈数的虽人值 e s c 蓄玲装置有效容鬣 f 同护结构面积 只传热面积 凡盘管水通断面积 盘管迎风面积 g 送风鼙 h 湿空气焓 鼠 制冷装置蓄冷时间 h d 制冷机组直接供冷时间 k 设计日附加冷负荷 传热系数 k a 外表面修止值 k p吸收系数修止值 设备功率 一水蒸汽分压力 尸 饱和水蒸汽压力 g热茸 9 设计日供冷负荷 t 干球温度 主要符号表 f t u k 4 t 4 希腊字母 口 启 4 p 下标 c o q i i i 绝对温度 冷负荷计算温度逐时值 计算温度地点修止值 露点温度 湿球温度 风管的总传热系数 流体速度 盘管迎面风速 流体流量 温差 对数平均濡筹 放热系数 传热单元数 水当龉比 温度系数 能达到的接触系数 析湿系数 密度 相对湿度 吸湿能力 一次同风点 二次同风点 机器露点 室内 湿空气 室外 第一章绪论 第一章绪论 自2 0 世纪7 0 年代的能源危机以来 能源问题受到全世界人们的普遍关注 解 决能源问题有两条主要途径 一是积极探索 开发利用新能源 二是现有能源的合 理丌发 利用与节约 在新能源的丌发方面 无污染 无噪音的自然能源越来受到 人们的青睐 人们对风能 太阳能 地热 潮汐能等各种自然能源都作了广泛的研 究 对利用自然能源作了有益的尝试 如太阳能热水器 土壤源热泵 等 有的已 经实现了商品化 在现有能源的使用方面 从能源的开发 利用 再次利用到节约 的各个方面 人们在各行业中都作出了巨大努力 从我国现阶段的能源结构来看口 人们所利用的能源大部分还是煤 石油等传统能源 因此如何合理开发 利用 节 约现有的能源 提高现有能源的利用效率在我国现阶段显得尤为重要 随着人们生活质量的提高 空调作为一种生活必需品走入人们的同常生活中 作为一耗电大户 人们一直都在不断地对设备 系统进行研究与创新 其目的在于 降低空调系统成本 提高系统的使用效率 在空调设备方面 人们对制冷机组 蓄 冷装置 换热器 风机 冷却盘管等各个部件都不断进行着优化设计 与创新以提高 部件性能与效率 在系统方面 人们进行了大量的研究 提出了许多的新型系统 如变j x l 量系统 冰蓄冷系统 低温送风系统等都从系统的某一部分对系统进行了创 新与优化 取得了很好的功效 1 9 8 3 年 在美国能源部主持召丌的第三次 蓄冰在制冷工程中的应用 专题研 讨会上 首次提出了冰蓄冷低温送风系统 它的提出是暖通空调工程中一次重大的 变革 一 系统组成原理 卜1 课题研究背景 冰蓄冷低温送风系统是一全新的空调系统 综合了冰蓄冷技术与低温送风技术 是冰蓄冷系统与低温送风系统的完美结合 前者属于制冷部分 后者属于送风部分 1 冰蓄冷技术 所谓冰蓄冷 即是在电力负荷低谷期 制冷主机歼机制冷并由冰将冷量储存起 来 在用电高峰期 把储存的冷量释放出来 以满足建筑物空调负荷或生产工艺的 需求 与非冰蓄冷系统相比 冰蓄冷系统具有以下特点 转移制冷机组用电时间 起到了对电网电力负荷移峰填谷的作用 冰蓄冷空调系统的制冷设备容量和装设功率小于常规空调系统 一般可减少 第一币绪论 3 0 5 0 冰蓄冷空调系统的一次投资比常规空调系统要高 如果计入供电增容费及用 电集资费等 有可能投资相当或增加不多 冰蓄冷空调系统的运行费用由于电力部门实施峰 谷分时电价政策 比常规 空调系统要低 分时电份差值愈大 得益愈多 冰蓄冷空调系统中制冷设备满负荷运行的比例增大 状态稳定 提高了设备 利用率 2 低温送风技术 所谓低温送风 即空调系统的送风温度为4 c 1 0 c 比常规空调系统的1 0 1 5 c 的送风温度低 因而称为低温送风 随着暖通空调的发展 空调设计逐渐形成了设计标准 这种 标准 设计参数 多半是出于方便的需要而发展起来 并已在今天的暖通空调行业中根深蒂固了 空 调送风温度标准定为1 3 c 它是由希望保持房间相对湿度5 0 6 0 但又要使冷冻 水供水温度尽量高 制冷机效率高而演变而来的 对于一般办公室来说 1 3 的送 风温度为2 4 c 室温提供了5 0 6 0 的房间相对湿度 这样的送风温度还给冷却盘管 的选择提供了灵活性 因此对于60 c 7 的冷冻水供水温度可有许多种选择方案 然而 这些 标准 设计参数不一定是最舒适的 其一次费用 运行费用不一定是 最优的 j 鸶人们对冰蓄冷供冷系统重新发生兴趣时 降低送风温度的优点渐渐被人们所 认识 由于低温送风使空气输配系统费用与能耗有显著的节省 在降低了相对湿度 后居住舒适度也被公认有了提高 这些好处激励了设计界重新评价 标准 的1 3 c 送风温度 并探索低温送风的潜在好处 于是由少数倡导者开始 低温送风技术被 丌发和逐渐改进 并成为主流 与 标准 送风温度比较 低温送风主要有以下几个方面的优势 降低了机械系统费用 减少了一次费用一直是推动低温送风工程的一个重要 因素 较低的送风温度减少了所要求的送风量 同时减小了风机与风管的尺寸 从 而降低机械系统费用 在某些情况下 出于采用低温送风产生的费用节省可以补偿 添置冰蓄冷供冷系统中的冰槽增加的费用 于是 我们可以在支付和非蓄冷系统一 样或更少一点的设备费用的条件下 实现系统运行费用的节省 降低了楼层高度要求a 较小的风管尺寸还可以降低楼层层高的要求 使建筑 结构 围护结构及其他一些建筑系统费用有了显著的节省 在某些情况下 风管尺 寸被减小到这样的程度 它们可以穿过梁 而不是在梁下通过 低温送风还有助于 使设计者在管网空i l 白j 受到严格限制的工程中 如在一些古建筑改造中 有更多的选 择的方案 提高了房j 白j 的热舒适 低温送风系统维持了较低的相对湿度 能够改善室内 笙二 堕堡 空气品质和热舒适 研究表明 在较低的相对湿度下 感觉更为凉快和舒适 空气 比较新鲜 空气品质更可接受 减少了j 礼机的电耗与电力需求 低温送风系统还提供了能源费用上的节省 j x 0 机能耗由于减少了送风量可以降低3 0 4 0 提高了现有空调系统的供冷能力 低温送风对那些冷负荷超过了现有风机和 管网能力的系统特别有效 通过降低送风温度 业主们可以避免更换或添加现有的 空调设备和管道的开支 3 系统组成 冰蓄冷系统与低温送风系统的结合点在于冰蓄冷提供的冷介质温度证是低温送 风所需冷源温度 表1 一l 4 1 是各种冰蓄冷系统正常供应冷冻水或载冷剂的最低温度 储冰设备的系统类型是决定冷水供应温度的主要因素 表卜2 阁是低温送风三个典型 送风温度下送风范围及所需冷源的温度 表卜1 冰蓄冷系统供水湿度 储冰系统冰 f c 管式全冻结式制冰滑落式容器式冰泥式 山水温度 2 4 3 5 1 3 3 5 1 3 表1 2 低温送风典型送风温度 l典型送风濡度 4 7 1 0 l送风温度范闱 3 5 5 8 8 1 1 所需冷源温度 1 2 2 5 6 8 由表1 1 和表卜2 我们可以看到 当低温送风的送风温度取7 时 与冰蓄冷 相结合的低温送风空调系统 能够充分利用冰蓄冷系统所产生的低温冷水 两者互 补不足 低温送风部分的设备投资的减少弥补了冰蓄冷部分投资的增加 使整个系 统的投资与常规系统大致相当 或者更少 同时优势促进 在显著降低系统运行费 用同时提高了空调房间的舒适性 从而提高了空调系统的整体竞争力 在能源消费 逐年增加的情况下 应用冰蓄冷低温送风空调技术具有很大的社会效益和经济效益 二 冰蓄冷低温送风技术在我国应运而生 近年来 我国产业结构的调整和人民物质生活水平的提高 对电力供应不断地 提出新的挑战 目前 我国电力供应仍处于紧张状态 突出的矛盾表现在电网峰谷 负荷差增大 夜间至清晨谷段负荷率低 而白天高峰段电力严重不足 有的电网峰 谷差达2 5 3 0 造成白天经常拉闸限电 晚间有电送不出的现象 改善电力供应 的紧张状况和电力负荷环境已成为当务之急 第一章绪论 一一 在城市现代化建设过程中 电力结构发生了明显的变化 其中建筑物空调系统 的电力负荷比例同益增加 用电结构发生变化 空调用电负荷占电力负荷的比例逐 年增加 据不完全统计 6 到1 9 9 7 年 北京已有2 5 0 余幢宾馆 办公楼和5 0 余家 大商场采用了中央空调 其空调用电负荷达4 0 万k w 相当于华北电网为了调峰 耗资2 7 亿元而兴建的十三陵抽水蓄能电站1 2 的装机容量 以广东省为例 现有空 调装机容量已达1 2 0 x 0 4 k w 并以每年3 0 的速度递增 其用电负荷已占总供电量 的4 5 以上 由于空调负荷在电力谷段用电甚少 对城市电网有巨大的 移峰填谷 的潜力 因此冰蓄冷低温送风空调系统在我国应运而生 并将同益展示它的广阔的 应用前景 三 系统设计软件开发的必要性 一个暖通空调系统的计算项目多 有关计算包括 系统负荷 各种设备的容量 风机 泵的转速以及所需要的功率 风管 水管的管长 管径 流量及保冷层厚度 各种阀门所引起的压力变化 各状态点的湿度 温度 焓等参数 计算过程繁琐 如果靠手算柬完成 工作量巨大 随着计算机技术的发展 计算机和h v a c 技术的 结合同趋紧密和完善 利用计算机来为暖通空调设计服务己成为时代的需要 一套综合性软件除完成以上的计算功能之外还应让用户完成从计算 设备选择 系统设计的全过程 用户只需按提示输入建筑物 周围环境等原始数据 软件则利 用其内置的材料和湿空气物性参数数据库自动选择围护结构的传热参数 各种湿热 源参数等 进行负荷计算 空气处理过程分析 材料和设备的选择计算 最后可以 根据用户要求输出各种计算书和图纸 在国外 从事建筑设备设计软件丌发的研究单位和公司比较多 丌发的产品覆 盖了空调设计的各个部分 在英国 目前此类的单位和公司就有1 0 0 多家 市场上 的设计软件多达4 0 0 多种 其中暖通空调设计软件近1 0 0 种 7 这些软件是根据设 计要求丌发的计算软件包 如负荷计算 能耗分折 管道设计 供热设计 消烟防 火等设计软件包 如h e v a c o m p 的建筑设备设计软件 8 1 及c y m a p 公司的c a dl i n k 建筑设备设计软件1 9 j 国内 从事暖通空调软件丌发的公司有天 f 暖通 鸿业公司 京沽辰技术丌发 公司等 其产品有天正暖通t h v a c l 6 n t z j 暖通空调设计软件包1 1 0 鸿业公司的暖 通空调软件包a c sv 4 2 j 等 利用这些软件 有助于我们提高工作效率 减少工作 量 并获得准确 可视的计算结果 然而 由于我国应用冰蓄冷低温送风技术起步较晚 上述国产软件的适用范围 为常规空调系统 对冰蓄冷部分的设计计算 低温送风送风温度的特殊性等都缺乏 考虑 如果把这些软件应用到冰蓄冷低温送风系统的设计中 势必造成设计的失败 因此 研制一套专用于冰蓄冷低温送风系统设计的软件 已成为冰蓄冷低温送风技 籀一章绪论 术应用与推广的当务之急 卜2 冰蓄冷低温送风技术发展的历史及现状 冰蓄冷低温送风空调系统是一全新的空调系统 与常规空调系统设计相比 在 设计标准 设计方法 系统配置方面都有了很大的变化 它是冰蓄冷技术与低温送 风技术的结合 冰蓄冷技术和低温送风技术在暖通空调发展历史中都有其各自的应 用和发展 直至今天 两者互补的优势为人们所发现 于是由少数倡导者丌始 冰 蓄冷低温送j x l 空调系统逐渐成为空调系统设计的主流 冰蓄冷空调大约出现在1 9 3 0 年前后 当时 美国在教堂 剧院和乳品厂等处间 歇供冷 负荷集中的用户则使用冰蓄冷方式 那时 应用 蓄冷 只是着跟于减少 制冷机装机容量和制冷设备的投资费用 随着机械制造业的发展 制冷设备造价大 幅度降低 节省制冷设备的投资费用逐渐失去吸引力 相反 蓄冷装置价格高昂和 耗电多的不利因素变得突出 使该项技术的应用长期处于停滞状态 2 0 世纪7 0 年代以来 世界范围的能源危机促使蓄冷技术迅速发展 首先在美 国将蓄冷技术作为电力负荷的调峰手段广泛应用在建筑物的空调工程建设中 南加 利福尼皿爱迪生电力公司于1 9 7 8 年率先制定分时计费的电费结构 1 9 8 1 年后推广 应用蓄冷技术 并颁布相关的奖励措施 其他电力公司纷纷开始仿效实行 美国从 事蓄冷系统丌发及冰蓄冷专用制冷机丌发的公司达数十家 至1 9 9 7 年 美国空调蓄 冷系统已相当普及 约有4 0 0 0 多个蓄冷系统在运行 蓄冷容量7 0 1 0 4 k w h 以上的 系统l 5 f 鲜见 加拿大和欧洲一些国家也重新将冰蓄冷技术弓 入建筑物的空调 积 极丌发蓄冷设备和系统 实施的工程也逐年增多 闩本在8 0 年代丌始普及蓄冷系统的应用 1 9 9 0 年以前主要发展水蓄冷 以后 0 年j 白j 冰蓄冷空调系统增长迅速 发展到2 0 0 2 年 同本共有1 5 0 0 0 个蓄冷空调 系统在运行 我国台湾省自1 9 8 4 年引进冰蓄冷及控制设备 建成台湾第一个冰蓄冷 空调系统以来 蓄冷空调系统发展很快 到2 0 0 2 年底已经建成了7 5 0 个冰蓄冷空调 系统 进入2 0 世纪9 0 年代以来 蓄冷技术在我国大陆地区也得到了发展 中电深圳 1 一贸公司在其办公大楼采用了法国冰球式蓄冷系统 使装机容量降低了4 5 以上 北京西泠工程公司研制的有压罐式齿球蓄冷器已获得国家专利 并应用于北京同报 社综合办公楼蓄冷空调系统中 取得了一些使用经验和数掘 截至到2 0 0 2 年底 已 建成2 3 3 项蓄冷空调系统 虽然我国蓄冷空调起步较晚 但在全国范围内采用蓄冷 空调的工程 f 在逐年增加 有些蓄冷空调工程还具有较高的水平 为我国蓄冷空调 工程的设计 施工及运行积累了宝贵的经验 并对我国蓄冷空调的今后发展起到了 推动作用 第一帝绪论 低温送飙技术首次出现在1 9 4 7 年 美国在住宅与小型商业建筑改造加装空调时 采用了9 送风温度 采用高速射流散流器使冷风与室内空气在进入房i 副的很短距 离内混合 许多医院在6 0 年代就设计用2 c 4 c 的一次风向定风量的房间诱导器 送风 然而这些应用都局限在某些特殊用途的场合 8 0 年代 当人们对冰蓄冷供冷系统重新发生兴趣时 降低送风温度的优点渐渐 被人们所认识 1 9 8 3 年 在美国能源部主持召丌的第三次 蓄冰在制冷工程中的应 用 专题研讨会上 首次提出了与冰蓄冷相结合的低温送风系统 1 9 8 5 年术 两座 采用冰蓄冷低温送风系统总建筑面积约为4 6 4 5 0 m 2 的空调建筑在美国投入运行 l 此后采用冰蓄冷低温送风的空调建筑面积不断增加 台湾的台北国贸大楼于1 9 8 8 年 建成 总建筑面积9 力多平方米 采用与冰蓄冷相结合的低温送风系统 运行效果 良好 并于1 9 9 1 年获得美国a s h r a e 的科技奖 进入g o 年代以来 人们对与冰蓄冷低温送飙空调系统 i j 热舒适性 冷却 盘管 1 6 17 术端装置 送风温度 1 9 l 等相关的问题进行了一系列的专题研究 使冰 蓄冷低温送风系统的形式同趋多样 设计方法更加完善 冰蓄冷低温送风空调系统 的优势越来越为人们所认识 在产业部门的努力下 已成功地丌发出低能耗 高性 能的专用设备 随着冰蓄冷技术在我国的发展 冰蓄冷低温送风系统在降低电力峰值需求 降 低运行费用 节省建筑空削方面显示的优势 已受到了我国空调制冷行业的青睐 目前我国正在运行的冰蓄冷低温送风系统有杭州建设银行 国家电力调度中一1 1 大楼 m j 另外还有西北电力调度中心大楼等几个系统正在建设中 国内一些研究单位对 冰蓄冷低温送风空调系统相关问题也 丌始了理论与试验研究 2 1 2 2 1 如浙江大学冰蓄 冷低温送风实验室对冰蓄冷低温送风系统 术端设备 冷却盘管及相关问题进行了 广泛的研究 深入研究和加快发展冰蓄冷低温送风系统已成为当代重要的焦点课题 卜3 本文主要研究内容 本文对冰蓄冷低温送风空调系统的设计进行了广泛的研究 在此基础上丌发了 用于冰蓄冷低温送城空调系统设计的软件包 其目的是为冰蓄冷低温送风空调系统 设计提供一个快捷 正确的设计工具 本文内容主要包括以下几个方面 系统设计研究与程序开发 与常规空调系统比较 对新系统的特殊性进行了 深入的研究与思考 对其关键设计提出了全新的设计方案与思路 在此基础上 丌 发了冰蓄冷低温送风系统设计程序 冷负荷计算 针对目静国内冷负荷计算方法的缺陷 对建立在传递函数基础 上的冷负荷系数法进行了研究 并开发了冷负荷计算程序 湿空气研究 对描述湿空气湿度的物性参数及其相互关系进行了分析 在传 第一章绪论 统湿空气h d 图作业的基础上 结合h d 图的动态绘制和热湿过程处理 开发了湿 空气h d 图及热湿过程分析程序 采用厦门火炬软件园大楼为工程实例 对冰蓄冷低温送风系统设计软件进行 了测试 同时完成该工程的冰蓄冷低温送风空调系统设计 并对系统设计进行了经 济性能分析 塑兰里竺堡茎垄型堡堡型 第二章软件开发理论基础 冰蓄冷低温送风系统设计软件以系统设计为中心 综合了冰蓄冷低温送风系统 设计 冷负荷计算 湿空气物性与焓湿图等多方面的内容 本章介绍了作者对上述 内容所作的研究结果 这些结果为软件开发提供了理论基础 2 1 冷负荷系数法计算房间冷负荷 经过多年工程经验发现 过去设计采用的建筑物冷负荷往往比实际需要的大的 多 在一些高层建筑的实测中也证实了这一情形 对此国外的研究工作比较活跃 先后产生了一系列的计算方法 如反应系数法 1 传递函数法 2 i 冷负荷系数法 3 1 1 9 7 8 年 我国成立了建筑物冷热负荷计算方法研究课题组 对冷负荷计算进行了深 入的研究 经过多年的努力 提出了建立在传递函数法基础上的冷负荷系数法 4 1 一 传递函数机理与冷负荷系数法 传递函数被定义为 当初始条件为零时 输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变 换之比 它是一种以系统参数表示的线性定常系统输入量与输出量之间的关系式 用之可表达系统本身的特性 与输入量本身与系统的初始状态无关 在冷负荷计算中 我们可将围护结构连同室内空气视为一个热力系统 将f 1 射 和室外温度变化等视为作用于其上的扰量 而将围护结构内表面的热流和温度以及 室温等作为这一热力系统对扰量的响应 此时就可将扰量作为系统的输入 而将其 响应作为系统的输出 于是 输入与输出便可为一组无穷多的信号 因此当空调房 i 旬热力系统的传热函数确认之后 便可根据作用于其上的扰量 计算出这一空调房 州热力系统的响应 具体地说 若以空调房间的得热量为扰量 则通过空调房间传 递函数便可以计算出其响应 冷负荷 根据热力系统传递函数的定义 若扰量为得热以q t 表示 作为响应的空调冷 负荷以c l t 表示 系统的传递函数以g s 表示 则有 c l t g s q t 2 1 若已知系统的传递函数 便可由系统的扰量按式 2 1 求出其响应的拉氏变换 再通过求逆变换得出其响应c l t 究竟通过何种途径以得出表征得热与冷负荷之间关系的数学表达式 不同的计 算方法有不同的处理办法 国外早在1 9 6 7 年便提出建立标准房间 构筑由室内各面 围护结构组成的热平衡方程组 通过高阶矩阵方程求解的方法得到结果 这对于 计算各表面之间的逐时相互辐射和各表面温度的逐时变化来说 无疑是可以达到足 8 笫二章软件开发理论拱础 够精确的程度 但对同样重要的同射透过玻璃窗进入室内的情况却无法做出同等精 确的计算 其原因在于透过窗玻璃的同射在室内各面上的照射面积及其在各面上的 分配情况是随时唰而变化 从而引起复杂的动态吸热和放热过程 存在颇多未明之 点 迄今尚无法构筑精确的方程加以描述 勉强为之 则势必需加入一系列假设条 件 从而导致理论计算和实践状况的严重脱节 冷负荷系数法通过实验室和一些典型建筑物的实测试验数据 用数理统计方法 以求得房问传递函数系数值 同时 对不同的得热类型采用不同的房间传递函数系 数以计算室内的空调冷负荷 简化了计算 对同射得热转变为空调冷负荷的计算 利用传递函数法的基本方程和相应的房问传递函数系数产生出空调冷负荷系数 而 对墙体 屋而等围护结构传热得热转变为空调冷负荷则利用与之相应的传递函数系 数产生出冷负荷温度 二 冷负荷系数法计算房间冷负荷 1 透过玻璃窗的同射得热引起的冷负荷 透过玻璃窗进入室内的日射得热由透过窗玻璃直接进入室内的同射和窗玻璃吸 收闩射后以对流和辐射方式再传入室内的热量这两部分组成 由于窗的类型 遮阳设施 太阳入射角及日射强度等因素的各种组合实在太多 欲将同射得热与同射强度直接建立函数关系以求解是困难的 于是采取了一种对比 计算的方法 首先确定以厚度为3 m m 的我国常用普通平板玻璃作为 标准玻璃 在特定的 内 外表面对流放热系数 8 7 和口 1 8 6 w m 2 的条件下 得出夏季 以 7 月份为代表 通过这一 标准玻璃 的f 1 射得热量 称之为r 射得热因素 以d 表示 d t n j n t i j n 沁q j n a j t t 2 2 1 式中山 直射r 射强度在玻璃法线方向分量 w m 2 如 散射同射强度 w m 2 r w 玻璃的直射只射透过率 r d 玻璃的散射同射透过率 玻璃的直射r 射吸收率 d 玻璃的散射同射吸收率 玻璃吸收r 射后传向室内的部分 对于 标准玻璃 n 0 3 1 9 通过大量统计计算工作 在算出我国主要城市夏季九个不同朝向 即东 南 西 北 东北 西南 西北 东南 和水平 的逐时的同射强度值的基础上 计算 出各城市各朝向的同射得热因素的最大值功 一 经过相似分析工作后 6 1 按不同纬 第一章软件开发理论皋础 度带 每一带宽为 2 3 0 纬度 给出各纬度带适用的仍 值 考虑到在非 标准 玻璃情况下 以及不同窗类型和遮阳设施对闩射得热的影 响 可对同射得热因数伪值加以修正 通常用的修正方法是对 标准 情况下的 d 值乘以窗玻i 离的综合遮挡系数 这样 透过玻璃窗的同射得热引起的冷负荷可 按下式方法计算 c l f c z d m a xc z 2 3 式中c l 透过玻璃窗进入室内的同射得热引起的逐时冷负荷 w f 窗玻j 离的净面积 m 2 为了工程使用上的方便 可将窗口面积乘以 有效面积系数c a c z 窗玻璃的综合遮挡系数 功 日射得热因数的最大值 w m 2 c n 冷负荷系数 其中因素c z 仍 c c l 及c a 都可以通过相应的图表进行查取 这样就可方 便地算出全国范围内任一地点不同朝向的透过玻璃窗的日射得热引起的冷负荷 2 围护结构瞬变传热引起的冷负荷 1 外墙和屋面瞬变引起的冷负荷 在闩射和室外气温综合作用下 外墙和屋面瞬变传热引起的空调冷负荷 可按 下式计算 c l f k t 一t 2 4 式中c l 外墙和屋面瞬变传热引起的逐时冷负荷 w f 外墙和屋面的面积 m 2 k 外墙和屋面的传热系数 w m 2 室内设计温度 一一外墙和屋面的冷负荷计算温度的逐时值 在计算式中 有两个关键的因素 传热系数k 和冷负荷计算温度逐时值o 建筑物外墙 屋面的传热系数与建筑物的材料 构造以及厚度相关 不同建筑 物相差较多 经过大量的统计工作 对各种不同材料 构造和厚度的外墙和屋面归 类 通过图表共给出3 0 3 种外墙和3 2 4 种屋面 包括通 1 和不通风的屋面 的传热 系数髟的值及相关的物理特性 逐时冷负荷计算温度与建筑物所在地 建筑物内外表面放热系数 吸收系数有 关 其处理方法是确立一 标准计算温度 然后根据实际情况进行修正 标准计算温度 条件 以北京的气象参数数据为依据 以7 月份代表夏季 所采用的室外同平均温度2 9 c 室外最高温度3 3 5 c 外表面放热系数为1 8 6 第一帝软件开发理论摧础 w m 2 内表面放热系数为8 7w 脚2 外墙和屋面的吸收系数为p o 9 0 a 修汇方法 对不同设计地点 值应加上地点修正值t d 当外表面放热系数不等 于1 8 6 w m 2 时 应将t 值乘以修下值地 建筑围护的结构表面经久保持中 浅邑的 则可将f 吸收系数修正值印 各修正值都可以通过相应的图表查取 根据 综合修f f 结果 外墙和屋面的冷负荷计算温度为 t r f d 女 k 2 5 相应的冷负荷计算式为 c l f k t f 2 玻璃窗瞬变传热引起的冷负荷 在室内外温差作用下 玻璃窗瞬变引起的空调冷负荷 同的公式计算 即 c l f k t 一f 2 6 可按与式 2 4 形式相 式中c 玻璃窗瞬变传煞 j 起的逐时冷负荷 w f 窗口面积 m 2 k 玻璃窗的传热系数 w m 2 室内设计温度 t 一一玻璃窗的冷负荷计算温度的逐时值 式中也有两个关键的因素 传热系数k 和冷负荷计算温度的逐日寸值k 玻璃窗 的传热系数与玻璃窗的类型 单层或双层 玻璃内 外表面放热系数 内遮阳设施 等因素楣关 面窗玻璃冷负荷计算温度逐时值也是先确立 标准计算湿度 后根据 实际情况修开i 两个因素都可以通过相关图表查取 3 内部热源引起的冷负荷 1 照明散热引起的冷负荷 照明设备的散热量属于稳定得热 只要电压稳定 这 得热是不随时间变化的 所散发的热量由辐射和对流两部分组成 受光灯的辐射成分约占5 0 白炽灯的辐 射成分约占8 0 而其余部分是对流成分 照明散热的对流成分直接与室内空气换 热成为瞬时冷负荷 其辐射成分则首先为室内围护结构 主要是楼板或地面 和家 具所吸收 这部分热量便储存于其中 当其温度高于室内空气温度后 才以对流方 式与室内空气进行换热 这就使得这些辐射成分的得热形成了滞后负荷 因此在计 算冷负荷时必须考虑这种时滞的影响 对某一时刻恧言 照明散热形成钓实际冷负 荷是低于瞬时得热的i 根据照明灯具的类型及安装方式不同 其冷负荷计算方式分别如下 第一章软件开发理论苯础 对荧光灯 c l t l i i 1 2 n c 2 7 对白炽灯 c l n c 2 8 式中c 三一 照明引起的冷负荷 w 一一照明灯所需功率 w n 镇流器消耗功率系数 当荧光灯的整流器装设在空调房问内时取n 1 2 当荧光灯整流器装设在顶棚内时可取疗 1 0 灯罩隔热系数 当荧光灯罩上部穿有小孔 下部为玻璃板 可利用自 然通风散热于顶棚内时取 尸o 5 o 6 而荧光灯罩无通风孔者 则视 顶棚内通风情况取n 2 o 6 o 8 艮 照明散热冷负荷系数 冷负荷系数与灯具类型 安装方式 空调设备运行时间和丌灯时间及丌灯后的 小时数相关 可通过图表查取 2 人体散热引起的冷负荷 由于人体活动状态 劳动强度 服装及室内环境等情况不同 散热量也各不相 同 在人体散发的热量中 辐射成分约占4 0 对流成分约占2 0 其余的4 0 n 作 为潜热成分散出 首先可将人体的潜热散热作为瞬时冷负荷考虑 而在总显热散热 中 占三分之一的对流成分也必然成为瞬时冷负荷 但另外占三分之二的辐射散热 则与f 1 射和照明散热情况类似 首先为室内围护结构及家具等所吸收 根据其蓄热 能力 经过一定时间后 再以对流方式给予室内空气 从而形成滞后负荷 由于建筑物中的人群是由男子 女子和儿章组成 成年女子和儿童的散热量低 于成年男子 一般 成年女子与成年男子散热量之比为o 8 4 而儿奄与成年男子散 热量之比为o7 5 可先给出我国成年男子在不同室温 不同劳动强度 静坐 极轻 轻 中 重 下的显热 潜热和散湿量 然后便可根据建筑物中男 女和儿蕈比例 的概略分别数值借助一个相应的修正系数来处理这一问题 这一修 f 系数通常称为 群集系数 人体显热散热引起的冷负荷计算式为 c l q 忉 c 2 9 式中 人体散热引起的冷负荷 w q 来自室内全体人体的显热得热 w 群集系数 o c 人体显热散热冷负荷系数 人体显热散热冷负荷系数q l 取决于人员在室内停留的时间 从进入室内时起 第一章软件开发理论某础 至计算时刻的时问以及空凋的运转时间等 q 与c c 可以通过相关的图表查取 3 设备散热引起的冷负荷 空调房间的设备 用具及其它散热表面所散发的热量包括显热和潜热两个部分 对既散发显热又散发潜热的设备和用具等 其潜热散热量即作为瞬时冷负荷 而其 显热散热量则与照明和人体的显热散热一样 也包括对流成分和辐射成分 设备和 用具等显热散热中的辐射成分所占的百分比因其表面温度而异 表面温度愈高 则 所占的百分比就愈大 由于各种设备和用具种类繁多 其辐射成分所占的百分比由 2 0 至8 0 不等 各种情况下显热和潜热所占的百分比也不一样 如餐厅罩供餐时的 散热量 其中显热约占5 0 而潜热约占5 0 设备和用具 特别是一些饮食用具及实验室设备 往往装有与机械排风系统连 接在一起的排气罩 而对那些无排气罩的设备和用具 则应假定其散发的所有显热 和潜热都进入室内 设备与用具显热散热引起的冷负荷可用下列式计算 c l q c 2 1 0 式中 z 设备散热引起的冷负荷 w p 设备和用具的实践显热散热量 w c a 设备和用具显热散热冷负荷系数 冷负荷系数与设备的排气装置 设备和用具开始使用的f i 7 i e j j 以及从丌始使用时 问算起到计算冷负荷时间的小时数有关 在 一些工艺设备散热量较大的房间 如某些机械车间 室内工艺设备散热引起 的冷负荷可能超过空调总冷负荷的一半以上 电动设备显热量的计算如下 当工艺设备及其电动机都放在室内时 q 月1 月2 月3 二 2 1 1 l l 当只有工艺设备在室内 而电动机不在室内时 q f 2 n 3 n 2 1 2 当工艺设备不在室内 而只有电动机在室内时 1们 9 门l 2 船3 二 2 1 3 j q 武中 一电动设备的安装功率 w 口 电动机功率 可由产品样本查得 一般可取0 7 5 0 8 5 n 利用系数 安装系数 电动机自动实耗功率与安装功率之比 一般可 取o7 0 9 塑 二里竺堡茎丝些堡苎些 一 一电动机负荷比率 指电动机每小时实耗功率与机器设计时最大实耗功率 之比 对精密机床可取o 1 5 o 4 0 对普通机床可取05 0 左右 3 同时使用系数 指室内电动机同时使用的安装功率与总安装功率之比 须根据工艺生产对设备的使用情况加以确定 2 2 湿空气物性及焓湿图 空气环境内的空气成分和人们平时所浣的 空气 实际是干空气加水蒸汽 即 湿空气 湿空气中水蒸汽的含量虽少 但其变化却对空气环境的干燥和潮湿产生重 要影响 且使卒气的物理性质随之变化 本节对描述湿空气湿度的物理量及其相互 关系 湿空气热湿过程和湿空气焓湿图进行了研究 一 描述湿空气湿度各物理量 l 各物理量的分类与定义 描述空气中湿度的物理量很多 可分为基本量 直接量和间接量三大类 表2 一l 中列出目自u 常用的七种摇述湿度的物理量的分类及其定义 表2 一l 各物理鼙的分类与定义 分类物理姑符号单位 定义 湿空气中 水蒸汽单独 1 有的彝积 并具 基本鼙水蒸汽分压力只 p a 有与湿空气相同的湿度时产生的压力 绝对湿度p k g m 3单位体积的湿空气中所含水蒸汽的质鼙 含有一千克干空气的湿空气所含有的水 含湿量d k 蝇 蒸汽鹫 直接苗 空气的绝对湿度雨i 同温度饱羊 状态r 的 吸湿能力 口 吲m 3 绝对湿度之差的绝对值 湿空气的水蒸气压力与同温度j j 饱和 湿 相对湿度 空气的水蒸汽之比 未饱和空气在水蒸汽分压力不变f 冷却 露点温度 至饱和空气时的温度 间接培 热湿交换平衡时 干湿温度计上湿球温度 湿球温度 计的读数 2 各物理量的物理意义及相互关系 水蒸汽分压力 鹕一帝软件开发理论皋础 水蒸汽分压力是衡量空气湿度的基本量 从气体分子运动论的观点看 压力是 气体分子撞击容器壁而产生的宏观效果 所以 水蒸汽分压力大小直接反映水蒸汽 分子含量的多少 另外 由理论推导可得描述湿度的其它各量均与水蒸汽分压力有 关f 如 绝对湿度p 含湿量d 相对湿度 露点温度 湿球温度r p r t d 0 6 2 2 f q 曰一只 妒 p j 只 x 1 0 0 t t 一 巴e 一只 a 曰 式中b 大气压力 p a 绝对温度 k 确 水蒸汽气体常数 r 4 6 1j k g k 干球温度 p 饱和水蒸汽压力 p a a 系数 可根据风速大小计算 绝对湿度与台湿量 绝对湿度表示了单位容积中含有水蒸汽的多少 由于容积随温度变化 即使空 气中的水蒸汽质量不变 温度变化也会使空气的绝对湿度发生变化 因而它不能确 切反映空气中水蒸汽的含量多少 很不方便 为此又引入了含湿量的概念 含湿量 以l k g 干空气作为计算基础 干空气在温度和湿度变化时质量不变 含混量仅随水 蒸汽量多少而改变 因此 用含湿量可确切而方便地表示空气中水蒸汽含量的多少 以上二量均可用来表示空气中水蒸汽的绝对含量 但它们不能反映湿空气接近 饱和的程度或吸湿能力 吸湿能力与相对湿度 表示相对概念的方法通常有差值法和比值法两种 吸湿能力是从差值法引出的 用来反映空气的吸湿能力或空气的潮湿程度 差值愈大 空气愈干燥 湿度小 而 差值越小 空气则愈潮湿 湿度大 相对湿度 采用比值关系 在一定温度下 相 对湿度愈大 表示空气越潮湿 反之办然 相对湿度和吸湿能力确切地反映空气接 近饱和的程度 但都不能表示水蒸汽的绝对含量多少 露点温度与湿球温度 露点温度与湿球温度能矧接反映空气的湿度 露点温度是空气结露与否的临界 温度 是含湿量 或水汽分压 的单值函数 湿球温度是测量空气相对湿度的实用 l 1 l 旧 沿 汜 他 第一章软件开发理论茉础 装置一一干湿球温度计上读出 只要知道空气的干球温度 湿球温度和水蒸汽分压 力三者中的任意两个 就可求出第三个 二 湿空气的焓湿图 在空气调节中 经常需要确定湿空气的状态及其变化过程 湿空气焓混图直观 的描述了湿空气状态变化过程 在反映湿空气的状态参数之问的联系上 取不同的 坐标系可以得到不同的线图形式 常用的湿空气性质图是以焓h 与湿度d 为坐标的焓湿图 为