空调第3章.ppt

1、,第三章 空调负荷计算与送风量的确定,2009-1-29,2,主要内容,室内外空气计算参数（indoor & outdoor design conditions） 得热量与冷负荷的关系 围护结构负荷计算方法 空调区冷负荷(cooling load)的计算 空调区热负荷(heating load) 的计算 冷热负荷的简化算法 空调房间送风状态的确定及送风量 的计算 新风量的确定和风量平衡,空调室内设计参数包括的内容,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

2、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-C S：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

3、 体温上升, S0 体温下降，S=0 热平衡,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

4、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,2009-1-29,9,设计计算参数,1、室内空气设计标准 舒适性空调： 夏 T=2428，40 65，v0.3m/s 冬 T=1822，40 60，v0.2m/s 温湿度、新风量、风速、空气含尘量、噪声等要求见设计手册。 工艺性空调： 降温空调、

5、恒温恒湿、净化空调 设计标准取决于生产工艺过程的要求，可查设计手册,2009-1-29,10,设计计算参数,2、室外空气设计参数 夏季空调室外计算干球温度twg、湿球温度: 历年平均不保证50小时（不保证系针对室外气象） 确定新风状态（负荷） 夏季空调室外计算日平均温度twp： 历年平均每年不保证5天的日平均温度 设计日的逐时干球温度展开方法 余弦函数法： 特点：15时为峰值，资料缺乏时作近似估算用。,2009-1-29,11,设计计算参数,设计日的逐时干球温度展开方法 日较差法： 夏季室外逐时温度： 特点：高温短而峰值高，低温长而峰值小，14时为峰值，9与20时为0。,2009-1-29,1

6、2,日较差法与余弦函数法计算结果比较,2009-1-29,13,设计计算参数,冬季采暖室外空气计算温度和冬季通风设计温度 采暖温度：采用历年平均不保证5天的日平均温度； 通风温度：采用累年最冷月平均温度 夏季通风室外空气计算参数 通风计算温度：历年最热月14时的月平均温度的平均值 通风计算湿度：历年最热月14时的月平均相对湿度的平均值,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

7、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。,得热量与冷负荷的关系,2009-1-29,15,得热量与冷负荷的关系,冷负荷： 维持一定室内热湿环境所需要的在单位时间内从室内除去的热量，包括显热负荷和潜热负荷两部分。 如果把潜热负荷表示为单位时间

8、内排除的水分，则又可称作湿负荷。 热负荷： 维持一定室内热湿环境所需要的在单位时间内向室内加入的热量，包括显热负荷和潜热负荷两部分。 如果只控制室内温度，则热负荷就只包括显热负荷。,2009-1-29,16,得热与冷负荷的关系,上页,2009-1-29,17,各种得热进入空气的途径,潜热得热、渗透空气得热 得热立刻成为瞬时冷负荷 通过围护结构导热、通过玻璃窗日射得热、室内显热源散热 对流得热部分立刻成为瞬时冷负荷 辐射得热部分先传到各内表面，再以对流形式进入空气成为瞬时冷负荷，因此负荷与得热在时间上存在延迟。,2009-1-29,18,得热与冷负荷的关系,冷负荷与得热有关，但不一定相等 决定因

9、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！,2009-1-29,19,负荷的大小与去除或补充热量的方式有关,常规的送风方式空调需要去除的是进入到空气中的得热量。,冷辐射板空调需要去除的热量除了进入到空气中的热量外，还包括贮存在热表面上的热量。,2009-1-29,20,围护结构负荷计算方法,1、概述 得热量和冷负荷 计算方法综述 静态法：当量温差法；谐波分解法。 动态法：谐波反应法；传递函数法。 简化法：冷负荷系数法；谐波法。

10、 动态法的应用假设 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； 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。,下页,2009-1-29,21,1、空调动态负荷 内容：空调动态负荷计算就是针对逐时变化的室外气象条件和室内工作要求的空气温湿度条件，根据围护结构特性计算出全年8760小时逐时的空调负荷值。 用途： 选择节能优化的空调方案及建筑方案 合理匹配设备 优化控制、运行、和管理 是蓄冷空调设计的基础 计算方法 以全年逐时室外气象参数和室内设计参数、围护结构特性、室内热湿情况为依据， 采用热

11、平衡法、反应系数法等方法，利用计算机编程求解（模拟计算）。,2009-1-29,22,围护结构负荷计算方法,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,2009-1-29,23,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,2009-1-29,24,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

12、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。 eQUEST 该软件广泛适用于商业建筑物及系统，三个工具中最容易使用的软件。 用于那些要求简单的建筑物模拟中，而其余两个软件相对而言具有更高级的模拟手段。,2009-1-29,25,模拟分析软件,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）。 可以同时进行建筑物和 HVAC 系统的仿真计算。另外，该软件还有其他一些先进的特点，包括次小时的时间步长、辐射采暖和供冷的模型、完整的气流模拟、建筑材料的

13、吸湿和脱附、由用户建立的HVAC系统等。 到目前为止，该软件还没有一个完全的图形用户界面，而只能采用一些工具来帮助准备文本输入文件和后处理的数据结果。,2009-1-29,26,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

14、求。,2009-1-29,27,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

15、换热系数、变物性等非线性问题。,2009-1-29,28,建筑物模拟,方法： 热平衡法 权系数法 热网法 辅助系统的模拟 基本系统的模拟,2009-1-29,29,建筑物模拟的其他方面,现有建筑物。将建筑物模拟用于现有建筑物有时也被称为是逆向模拟或者是校准模拟，ASHRAE手册基础卷 (ASHRAE Handbook,Fundamentals Volume）中对该项研究做了非常好的综述。 自然通风和空气流动。在一些气象条件下，自然通风和空气流动可以用来消除或极大地减少供冷系统的能耗。预测气流速度和能量输送需要有某种形式的气流组织计算模型，该模型可并入CFD 模型中。 照明、采光和可视化。分析采

16、光对减少照明水平的作用以及在设计阶段对照明和采光的效果作可视化分析对建筑设计和照明设计是非常重要的 。,2009-1-29,30,建筑物模拟的其他方面,热舒适性。 热舒适性方面的研究作为一个研究热点问题已经有很多年的历史了，建筑物模拟软件 ( 如 EnergyPlus 和 ESP-r) 具有对人体热舒适性做全年预 测的功能。 湿度传输和霉菌生长。 有些情况下 , 建筑材料对水的吸附和脱附对能耗计算是非常重要的, 另外对试图理解霉菌生长过程也是至关重要的。 控制。利用建筑物模拟来理解控制系统特性越来越普遍 。,2009-1-29,31,建筑物模拟的其他方面,火灾。 对火灾和烟雾的模拟是烟雾控制系

17、统设计的重要组成部分。 建筑物综合可再生能源。 建筑物表面的光电效应会产生电流，从而改变表面的热平衡其性能又决定于表面温度，因此对该系统模拟时要综合考虑。管道式风力涡轮机是另一个例子。,2009-1-29,32,空调区冷负荷的计算,反应系数法(冷负荷系数法)： 任何连续曲线均可离散为脉冲波之和。将外扰分解为脉冲，分别求得脉冲外扰的室内响应，再进行叠加 室内负荷。 把外扰分解为脉冲，负荷为各阶续弦波的脉冲的响应之和 对应离散系统，拉普拉斯变换转化为Z变换 谐波反应法： 把外扰分解为余弦波，负荷为各阶余弦波的响应之和 任何一连续可导曲线均可分解为正(余)弦波之和。把外扰分解为余弦波，分别求出每个正

18、(余)弦波外扰的室内响应，并进行叠加。,2009-1-29,33,武汉市室外干球温度的全年变化,2009-1-29,34,傅立叶级数分解,2009-1-29,35,输入边界条件的处理方法：时间序列离散,2009-1-29,36,设备使用1小时的室内负荷响应,得热：Q(t)输入干扰 负荷：CLQ(t)响应,反应系数法原理图示(1),2009-1-29,37,设备使用2小时的室内负荷,反应系数法原理图示(2),2009-1-29,38,设备使用10小时的室内负荷响应,反应系数法原理图示(3),2009-1-29,39,反应系数法,反应系数的大小即反应了某一项因素对某时刻负荷大小的影响程度。 反应系

19、数为01，相当于影响为0100%。 内外扰的处理 围护结构传热采用冷负荷温度 日射冷负荷采用冷负荷系数 内扰采用冷负荷系数,2009-1-29,40,(a) 围护结构传热冷负荷基本计算式 Qcl() = KF tcl() tin tcl()为冷负荷温度逐时值，与围护结构类型、气象条件、朝向有关。 tcl()反映了室外空气温度、阳光辐射、建筑物蓄热等因素的综合影响。,tin,KF,tcl(t),Qcl(t),冷负荷温度： 一个当量温度,室内温度,2009-1-29,41,(b) 日射冷负荷 Qcl() = F Cs Cn Dtmax Ccl() F为窗面积，Dtmax是日射得热因素最大值 Ccl

20、()是冷负荷系数，与纬度、朝向有关。 Cs为玻璃遮挡系数，Cn为遮阳系数。,反应系数法,2009-1-29,42,内扰冷负荷 Qcl() = HG(0) Ccl ( - 0) HG(0)为内热源散热量 Ccl(- 0)是冷负荷系数 Ccl(- 0)与开始使用时间和连续使用时间有关，与建筑热特性有关。,反应系数法,2009-1-29,43,谐波反应法,对外扰的分解：室外空气综合温度 tz () = tzp+ tz () = tzp+ tzn sin(n + n) = A0+ An sin(2n/T + n) 对外扰的响应形式：围护结构对不同频率外扰有一定的衰减n=An/Bn与延迟n，响应也是傅立

21、叶级数形式： tin,n () = An/nsin(2n/T+n-n) 通过围护结构形成的负荷：叠加tin,n ()可得出tin()，通过tin()和室内热平衡就可求出负荷。,2009-1-29,44,谐波反应法,玻璃窗冷负荷 传热温差用外气温而不是室外综合温度： Qcl() = KF t() = KF twp tin + twn sin(n + n) 内扰冷负荷 对内扰响应的分解方法类似对外扰响应的分解。,2009-1-29,45,谐波反应法的简化算法,算法繁琐，故需要简化 传导部分(墙、窗)： Qcl() = KFt- t为负荷温差，表中值为室温26时温差，可修正。算法同冷负荷系数法。 日

22、射部分：Qcl() = xgxdCnCsFJ() xg窗有效面积系数，xd地点修正系数，J()为负荷强度。 xdJ相当于冷负荷系数法的DmaxQcl()，xgF相当于冷负荷系数法的F。 内扰部分： Qcl() = HG(0) JX - o JX - o为设备负荷强度系数( - 0时刻)，同冷负荷系数法的Ccl()。,2009-1-29,46,两种负荷算法总结,谐波反应法的简化算法与冷负荷系数法形式一致。 为了便于手工计算，均把内外扰通过一个板壁形成的冷负荷分离出来，作为一个孤立的过程处理，不考虑与其它墙面和热源之间的相互影响。 不能分析变物性的材料如相变材料制成的围护结构热过程。,2009-1

23、-29,47,两种负荷算法总结,只是在一定程度上反应了得热和冷负荷之间的区别，对辐射的影响作了很多简化： 对墙体内表面之间的长波辐射作了简化处理，给定比例 忽略了透过玻璃窗日射落在墙内表面上的光斑的影响 热源对流和辐射比例给定，与墙表面角系数给定 把室内空气温度看作是常数 如果房间与简化假定相差较远，则结果的误差较大，如内表面温度差别大、房间形状不规则、室内空气控制温度随时间变化等。,2009-1-29,48,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

24、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,室内热源、湿源的散热散湿形成的冷负荷与湿负荷,2009-1-29,49,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,2009-1-29,50,室内热源、湿源的散热散湿形成的冷负荷与湿负荷,1、室内热

25、源散热量 工艺设备散热 电动设备 n1：利用系数，n2：电动机负荷系数，n3：同时使用系数，N：安装功率，：电动机效率，n4：考虑排风带走热量的系数 电热设备 电子设备 同上,2009-1-29,51,室内热源、湿源的散热散湿形成的冷负荷与湿负荷,照明得热 白炽灯：Q=1000N： 荧光灯：Q=1000n1n2N 人体散热与散湿 Q=qnW=wn,2009-1-29,52,室内热源、湿源的散热散湿形成的冷负荷与湿负荷,2、室内热源散热形成的冷负荷 JX：负荷强度系数；T:热源工作开始时刻；作用时刻 CLQ：冷负荷系数 3、其他湿源散湿量 敞开水面散湿量：,2009-1-29,53,空调区热负荷

26、的计算,民用建筑：围护结构耗热量门窗缝隙冷风渗透量 工业建筑：其他耗热量设备等散热量 围护结构耗热量基本耗热量附加耗热量 外墙 外窗 外门 内围护结构（与不采暖房间相邻的墙、门、窗、楼板）,2009-1-29,54,空调区热负荷的计算,外墙 a：温差修正 ch：朝向修正（030） f：风力附加修正（510） li：两面外墙修正（5） j：间隙附加（仅白天供暖20，不经常使用30）,2009-1-29,55,空调区热负荷的计算,外门,外窗,内围护结构（与不采暖房间相邻的墙、门、窗、楼板）,k ：外门开启附加（民用65n100n）；公共建筑或工厂：500,2009-1-29,56,空调区热负荷的计算,外门、窗缝隙冷风渗透的耗热量,m : 门窗缝隙综合修正系数（朝向修正、高度热压修正 l：门窗缝隙长度 m L：单位长度缝隙渗入风量 m3/hm b：与门窗构造有关的特性常数和指数 v：气象台观测的基准高度（距地10m）风速,2009-1-29,57,冷热负荷估算,2、空调负荷估算 将整个建筑看成一个房间，按朝向计算其围护结构负荷，若在室人员数为n，则建筑总制冷负荷为（含新风负荷）：Q=（Qw+116.3n）1.5 按负荷指标估算：以旅馆为基础，其他乘系数。 旅馆：7080W/m2，,2009-1-29,58,新风负荷,夏季：Qc.o=Mo(h0-hR) 冬季：Qh.o=MoCp