03第三章第5 节 典型负荷计算方法原理介绍III

1、第三章第五节,典型负荷计算方法原理介绍,冷热负荷的计算,在建筑设备系统工程设计中，冷热负荷的计算是非常重要的工作基础 。 但精确计算负荷有很大的难度 围护结构的传热描述至少是一维的，大量的参数之间存在很强的耦合关系； 由于房间的热过程是时变的，在时间序列上，任何一个时刻的热状况都与历史过程有关。,太难求解了！,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：,发展历程,1946年，美国，当量温差法 20世纪50年代初，苏联，谐波分解法 未区分得热量和冷负荷，冷负荷往往偏大 1967年，加拿大，反应系数法，推动负荷计算研究的革新 1971年，Z传递函数改进的反应系数法，冷

2、负荷系数法 1975年，得出典型建筑的冷负荷温差（CLTD）和冷负荷系数（SCLs），改进完善了冷负荷系数法。 1977年，ASHRAE 手册对冷负荷系数法正式予以采用 1992年，日射冷负荷系数（SCLs） 1982年，我国：谐波反应法、冷负荷系数法,负荷求解方法分类,1、近似按稳态计算； 2、动态计算法变换法求解围护结构的不稳定传热过程； （1）边界条件的离散或分解； （2）求对单元扰量的响应； （3）把对单元扰量的响应进行叠加和叠加积分求和。 谐波反应法 反应系数法 3、采用计算机数值求解，开发出各种专用软件。,稳态计算法,不考虑建筑物以前时刻传热过程的影响 室外温度用空气温度，或室外空

3、气综合温度。 （1）蓄热性能不强的轻型、简易围护结构，缺乏参考数据逐时室内外温差 KF （2）室内外温差的平均值远大于室内外温差的波动值时采暖负荷，采用日平均温差 Qhl=KwallFwall（ta,out - t a,in） ta,out 冬季室外设计温度,Q=KFT,冬夏室内外温差比较,动态计算法,需解决两个主要问题，其一是求解围护结构的不稳定传热过程，其二是求解得热与负荷的转换关系 拉普拉斯积分变换法 求解基本思路 求解三步骤 （1）边界条件的离散或分解； （2）求对单元扰量的响应； （3）把对单元扰量的响应进行叠加和叠加积分。,变换法,“变换”“技巧”利用变换技巧简化运算 例如，可利用

4、对数变换法去计算指数方程,积分变换法,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。,复杂函数,拉(傅)氏变换,简单函数,解析解,函数的解,逆变换,运算简单,傅氏（Fourier）变换,傅氏变换是将一个某自变量（）的函数，变换为对另一个自变量（w）的函数，以便将积分运算变换为相除，把微分（求导）变换为相乘。 原函数 f () G(w) 像函数 定义式： 其中：e-iw = cosw-isinw f ()满足条件： f ()在整个区间（, + ）有定义（意义） f ()内绝对可积。

5、,拉氏（Laplace）变换,定义式： 其中： 0，s是复数,求解基本思路,以外扰或内扰作为输入 I()，系统的输出量 O() 为板壁表面热流量或室内温度的变化 进行拉氏变换 定义系统传递函数G(s) 仅由系统本身决定，与I(s)、 O(s)无关,线性定常系统,采用拉普拉斯变换求得的传递函数来求解建筑负荷，前提条件是系统必须为线性定常系统。 系统 数学表达式（微分方程） 线性系统：描述系统的微分方程（数学模型）是线性方程 定常系统：系统中各参数不随时间改变,建筑围护结构是否为线性定常系统,建筑围护结构导热过程的热平衡的微分方程： 对于普通材料的围护结构的传热过程，在其一般温度变化的范围内，材料

6、的物性参数变化不大，可近似看作是常数。 对于普通材料的围护结构的传热过程采用传递函数求解是可行的 对于物性参数随温度或时间有显著变化的围护结构的传热过程，就不能采用拉普拉斯变换法来求解,线性系统,定常系统,线性定常系统特性,（1）可应用叠加原理对输入的扰量和输出的响应进行分解和叠加； （2）当输入扰量作用的时间改变时，输出响应产生的时间在同向、同量的变化，但输出响应的函数不会改变。,求解三个步骤,变换法求解围护结构的不稳定传热过程，三个步骤： 1、边界条件的离散或分解； 2、求对单元扰量的响应； 3、把对单元扰量的响应进行叠加和叠加积分求和。,输入扰量I(),若干个单元扰量ij(),复域中的单

7、元扰量ij(s),复域中的单元响应oj(s),单元响应oj(),三步骤第一步1：边界条件的分解,把边界条件进行博里叶级数展开 把室外空气综合温度 tz 看成是在一段时期内的以T为周期的不规则周期函数，利用傅里叶级数展开，就可以将其分解为一组以2/T为基频的简谐波函数， （3-86）,截取级数的前n阶 逼近 原曲线,三步骤第一步2：边界条件的离散,把边界条件离散为等时间间隔的、按时间序列分布的单元扰量。 多种方法离散等腰三角波、矩形波 适用非规则的内外扰量,三步骤第二步：求解单位单元扰量的响应,对输入边界条件进行分解或离散后，就可以求解系统对单位单元扰量的响应。 谐波反应法拉氏变换 基于傅里叶级

8、数分解； 冷负荷系数法Z变换 基于时间序列离散发展出来的冷负荷计算法,三步骤第三步：叠加或叠加积分求和,谐波反应法 分解拉氏变换响应逆变换叠加 将扰量分解为简单函数的组合，但正弦函数形的温度波仍是时间的连续函数，故只要将n阶谐波作用下的响应直接叠加，就可得整个扰量作用下的结果。,冷负荷系数法 离散Z变换响应逆变换叠加积分 将扰量按时间序列进行离散，各时刻单元扰量作用的反应要影响到作用后很长一段时间，所以必须用叠加积分法求得整个扰量作用下产生的结果。,求解三个步骤,变换法求解围护结构的不稳定传热过程，需要经历三个步骤，即： 1、边界条件的离散或分解； 2、求对单元扰量的响应； 3、把对单元扰量的

9、响应进行叠加和叠加积分求和。,输入扰量I(),若干个单元扰量ij(),复域中的单元扰量ij(s),复域中的单元响应oj(s),单元响应oj(),谐波反应法,输入（边界条件） 单元正/余弦波 输出也是正/余弦波：衰减和延迟 板壁内表面温度对第 n 阶单元正弦波扰量的响应tin,n() An第n阶输入扰量单元正弦波的振幅 Bn响应单元正弦波的振幅 板壁对该频率下扰量的衰减倍数 延迟时间为 各阶响应叠加 内表面的温度响应 负荷,分解,关键是确定 衰减倍数n 延迟时间n,冷负荷系数法,反应系数法 扰量离散Z变换响应逆变换叠加积分 连续系统：拉普拉斯变换求解，获得s-传递函数。 离散系统：Z变换，求得Z

10、传递函数。,冷负荷系数法是房间反应系数法的一种形式。房间反应系数是一个百分数，它代表某时刻房间的某种得热量，在其作用后诸时刻逐渐变成房间负荷的百分率。因此房间反应系数也被称为冷负荷权系数。,Z变换,所谓Z变换，就是将一个连续函数变换为脉冲序列函数，即为Z-1的多项式。该多项式的系数等于该连续函数在相应次幂的采样时刻上的函数值。例如室外空气综合温度的Z变换为： tz(z)= tz,0+ tz,1 Z-1+ tz,2 Z-2+ （3-89） 反应系数法先求得房间各时刻的得热量，再通过反应系数算出房间冷负荷。 而冷负荷系数法把两个步骤合一，直接从扰量求出房间的冷负荷。,冷负荷系数法把外扰通过围护结构

11、形成的瞬时冷负荷表述成瞬时冷负荷温差（CLTD）或瞬时冷负荷温度的函数。 通过板壁围护结构的冷负荷 tcl,wall()板壁围护结构的冷负荷计算温度，传热量折算而来 通过玻璃窗的日射冷负荷 Djmax是当在玻璃窗朝向上的日射得热因素最大值，单位为W/m2， Ccl()是冷负荷系数。 室内热源形成的冷负荷 冷负荷系数Ccl(-0)是室内热源显热散热冷负荷系数，与热源类型、连续使用时间以及距开使用后的时间(-0)有关。,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),设备使用2小时的室内负荷,反应系数法原理图示(2),设备使用10小时的室内负

12、荷响应,反应系数法原理图示(3),冷负荷系数法的未考虑处,一定程度上反应了得热和冷负荷之间的区别 如被研究的房间与这些简化假定差得比较远，则有误差较大 内表面温度差别比较大、房间形状不规则、室内空气控制温度随时间变化较大时,模拟分析软件,1960年代末，美国的电力和燃气公司，GATE 美国DOE-2、BLAST、EnergyPlus；英国ESP-r；日本HASP；中国DeST等 可用于全年建筑冷热负荷计算 被用于建筑能耗评价、建筑系统能耗分析和建筑设备系统辅助设计,第三章 建筑热湿环境,人体的散热和散湿,室内湿源,设备与照明的散热,负荷的定义,负荷与得热的关系,负荷的数学表达,谐波反应法,冷负

13、荷系数法,围护结构外表面所吸收的太阳辐射热,室外空气综合温度,夜间辐射,第一节太阳辐射对建筑物的热作用,第二节 建筑围护结构的热湿传递,第三节 以其他形式进入室内热量,第四节冷负荷与热负荷,第五节典型负荷计算方法原理介绍,通过非透光围护结构的显热传递过程,通过围护结构的湿传递,室内产热产湿量,空气渗透带来的得热,模拟分析软件,动态计算法,稳态计算法,通过透光围护结构的显热传递过程,SSG,影响传热因素,缝隙法,换气次数法,通过非透光围护结构显热得热概念,第三章主要内容,通过非透明围护结构的得热,通过非透明围护结构的热传导,通过玻璃窗得热,人体的散热和散湿,室内湿源,设备与照明的散热,负荷的定义,负荷与得热的关系,负荷与得热的关系以及数学表达,谐波反应法,冷负荷系数法,围护结构外表面所吸收的太阳辐射热,室外空气综合温度,夜间辐射,第一节太阳辐射对建筑物的热作用,第二节 建筑围护结构的热湿传递,第三节 以其他形式进入室内热量,第四节冷负荷与热负荷,第五节典型负荷计算方法原理介绍,通过围护结构的显热得热,通过围护结构的湿传递,室内产热产湿量,空气渗透带来的得热,模拟分析软件,动态计算法,稳态计算法,思考题,1）热湿环境的影响因素？ 2）室外空气综合温度？夜间辐射？ 3）围护结构内外表面边界条件？ 4）玻璃窗得热包含哪些？具体表达形式？ 5）影响玻璃传热系数的因素？SSG？ 6） 意义