第二章空调负荷计算与送风量

.,第二章空调负荷计算与送风量,.,主要内容,第一节室内外空气计算参数,1,第二节太阳辐射热对建筑物的热作用,2,3,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,4,第五节空调房间送风量的确定,5,.,第二章空调负荷计算与送风量,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；为维持室内相对湿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散入房间的热量。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数和室内要求维持的气象条件为依据。,.,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,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%。,一、室内空气计算参数,第一节室内外空气计算参数,.,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,1、人体热平衡,（一）人体热平衡和热舒适感,第一节室内外空气计算参数,.,第一节室内外空气计算参数,.,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!,第一节室内外空气计算参数,.,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,第一节室内外空气计算参数,人体的温度感受系统,.,第一节室内外空气计算参数,.,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,第一节室内外空气计算参数,.,热感觉的测量：问卷调查,第一节室内外空气计算参数,.,热感觉投票和热舒适投票,第一节室内外空气计算参数,.,分度方法和TSV基本一致,PMV指标的7级分度,第一节室内外空气计算参数,.,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。,第一节室内外空气计算参数,.,热感觉的适应性,第一节室内外空气计算参数,.,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：,第一节室内外空气计算参数,.,人体与外界的辐射换热方程,长波辐射,0.80.40.7,0.780.720.7,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,第一节室内外空气计算参数,.,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。,3、有效温度图和ASHRAE舒适区,第一节室内外空气计算参数,.,人体活动量,年龄,性别,第一节室内外空气计算参数,.,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,第一节室内外空气计算参数,.,有效温度ET诺谟图,普通衣着，坐姿轻劳动条件。,第一节室内外空气计算参数,.,(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0.6clo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,第一节室内外空气计算参数,.,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。,第一节室内外空气计算参数,.,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。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。,预测平均评价PMV,第一节室内外空气计算参数,.,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（PredictedPercentDissatisfied）。,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PPD10095exp(0.03353PMV4+0.2179PMV2),即便达到PMV0，仍然有5的人不满意。,预测平均不满意百分数PPD,第一节室内外空气计算参数,.,（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,第一节室内外空气计算参数,.,内外扰量,第一节室内外空气计算参数,.,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。,第一节室内外空气计算参数,二、室外空气计算参数,.,室外空气计算参数,室外空气温度在一昼夜内的波动称为气温的日变化（或日较差）。气温一般在凌晨45点钟最低,随着太阳的逐渐升高，地面获得的太阳辐射热量逐渐增多，到下午23点钟，达到全天的最高值。在一段时间（比如一个月）内，可以认为气温的日变化是以24小时为周期的周期性波动。,第一节室内外空气计算参数,.,第一节室内外空气计算参数,.,第一节室内外空气计算参数,.,说明：,第一节室内外空气计算参数,.,夏季空调室外计算干、湿球温度,夏季空凋室外计算干球温度应采用历年平均不保证50小时的干球温度，夏季空调室外计算湿球温度应采用历年平均不保证50小时的湿球温度。,第一节室内外空气计算参数,.,夏季空调室外计算日平均温度和逐时温度,规范规定：夏季室调室外计算日平均温度，应采用历年平均每年不保证5天的日平均温度。,第一节室内外空气计算参数,.,冬季空调室外计算干、湿球温度,冬季空调室外计算温度应采用历年平均不保证1天的日平均温度,冬季室外计算不必给出湿球温度，只给出相对湿度值,冬季空调室外计算相对湿度应采用累年最冷月平均相对湿度,考虑到围护结构的热惯性，冬季室外温度经围护结构衰减后，其波动值远远小于室内外温差，为了便于计算，围护结构的传热可采用稳定传热方法计算。这样，可以只给出一个冬季室外计算干球温度来计算新风负荷和围护结构传热量。,第一节室内外空气计算参数,.,一、太阳辐射热的基本知识,太阳辐射能的去向,第二节太阳辐射热对建筑物的热作用,.,第二节太阳辐射热对建筑物的热作用,.,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,第二节太阳辐射热对建筑物的热作用,.,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）,第二节太阳辐射热对建筑物的热作用,.,（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,第二节太阳辐射热对建筑物的热作用,.,二、室外空气综合温度Solar-airTemperature,建筑物外表面单位面积上得到的热量为：,为综合温度,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,.,一、概述,（一）得热量和冷负荷的基本概念得热量(HeatGainHG)：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，室温有一定的波动，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。,第三节通过围护结构的得热量及其形成的冷负荷,.,得热量=潜热+显热（对流热）+显热（辐射热）瞬时冷负荷=潜热+显热（对流热）+显热（辐射热）（围护结构）蓄热能力（热容量）冷负荷衰减延迟时间热容量重型结构,第三节通过围护结构的得热量及其形成的冷负荷,.,AirConditioning-Chapter2,.,（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！,第三节通过围护结构的得热量及其形成的冷负荷,.,得热与冷负荷的关系,第三节通过围护结构的得热量及其形成的冷负荷,.,第三节通过围护结构的得热量及其形成的冷负荷,.,（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,第三节通过围护结构的得热量及其形成的冷负荷,.,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,第三节通过围护结构的得热量及其形成的冷负荷,.,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,第三节通过围护结构的得热量及其形成的冷负荷,.,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,第三节通过围护结构的得热量及其形成的冷负荷,.,第三节通过围护结构的得热量及其形成的冷负荷,.,（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,第三节通过围护结构的得热量及其形成的冷负荷,.,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。,第三节通过围护结构的得热量及其形成的冷负荷,.,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,第三节通过围护结构的得热量及其形成的冷负荷,.,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。,第三节通过围护结构的得热量及其形成的冷负荷,.,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,第三节通过围护结构的得热量及其形成的冷负荷,.,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,第三节通过围护结构的得热量及其形成的冷负荷,.,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,第三节通过围护结构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：,第三节通过围护结构的得热量及其形成的冷负荷,.,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。,第三节通过围护结构的得热量及其形成的冷负荷,.,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,第三节通过围护结构的得热量及其形成的冷负荷,.,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,第三节通过围护结构的得热量及其形成的冷负荷,.,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,第三节通过围护结构的得热量及其形成的冷负荷,.,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,第三节通过围护结构的得热量及其形成的冷负荷,.,通风双层玻璃窗，内置百页,第三节通过围护结构的得热量及其形成的冷负荷,.,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,第三节通过围护结构的得热量及其形成的冷负荷,.,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,第三节通过围护结构的得热量及其形成的冷负荷,.,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,第三节通过围护结构的得热量及其形成的冷负荷,.,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。,第四节室内热源、湿源的散热散湿形成的冷负荷与湿负荷,.,室内显热热源包括照明、电器设备、人员显热热源散热的形式辐射：进入墙体内表面、空调辐射板、透过玻璃窗到室外、其它室内物体表面（家具、人体等）；对流：直接进入空气。显热热源辐射散热的波长特征可见光和近红外线：灯具、高温热源（电炉等）长波辐射：人体、常温设备,第四节室内热源、湿源的散热散湿形成的冷负荷与湿负荷,.,室内湿源包括人员、水面、产湿设备散湿形式：直接进入空气得热往往考虑围护结构和家具的蓄热，“得湿”一般不考虑“蓄湿”湿源与空气进行质交换同时一般伴随显热交换有热源湿表面：水分被加热蒸发，向空气加入了显热和潜热，显热交换量取决于水表面积无热源湿表面：等焓过程，室内空气的显热转化为潜热蒸汽源：可仅考虑潜热交换,第四节室内热源、湿源的散热散湿形成的冷负荷与湿负荷,.,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,第四节室内热源、湿源的散热散湿形成的冷