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1、第3章 空调负荷计算与送风量的确定空调系统的作用是平衡室、内外干扰因素的影响，使室内温度、湿度维持为设定的数值。在空调技术中将这些干扰因素对室内的影响称为负荷。空调负荷计算的目的在于确定空调系统的送风量并作为选择空调设备(例如空气处理机组中的冷却器、加热器、加湿器等)容量的基本依据。空调的负荷可分为冷负荷、热负荷和湿负荷三种。冷负荷是指为了维持室内设定的温度，在某一时刻必须由空调系统从房间带走的热量，或者某一时刻需要向房间供应的冷量；热负荷是指为补偿房间失热在单位时间内需要向房间供应的热量；湿负荷是指湿源向室内的散湿量，即为维持室内的含湿量恒定需要从房间除去的湿量。3.1 室内、外空气计算参数
2、空调的实质就是通过一定的技术手段对特定空间内空气的品质进行调节，维持室内空气具有一定的状态参数，人们根据这一状态参数对空调设备进行运行管理。对筹建中的空调系统进行设计时，也要按规定的室内空气状态进行计算，这一规定的状态下的参数称为室内空气计算参数或设计参数。室外空气参数对空调设备的工作也有影响。比如，在最炎热的季节，空调的供冷系统要满足负荷工作，而在不太热的季节，或许供冷系统只要部分负荷工作就能满足要求。在进行空调系统设计时，要按照规定的室外空气状态进行计算，这一规定的状态下的参数称为室外空气计算参数或设计参数。3.1.1室内空气计算参数空调房间室内温度、湿度通常用两组指标来规定，即温度、湿度
3、基数和空调精度。室内温、湿度基数是指在空调区域内所需保持的空气基准温度与基准相对湿度；空调精度是指在空调区域内，在工件旁一个或数个测温（测相对湿度）点上水银温度计（或相对湿度计）在要求的持续时间内，所示的空气温度（或相对湿度）偏离室内温（湿）度基数的最大差值。例如，和，这样两组指标便完整地表达了室内温、湿度参数的要求。根据空调的目的和空调系统所服务的对象不同，可分为舒适性空调和工艺性空调。前者主要从人体舒适感出发确定室内温、湿度设计标准，一般不提空调精度要求；后者主要满足工艺过程对室内温、湿度基数和空调精度的特殊要求，同时兼顾人体的卫生要求。1.舒适性空调的室内空气计算参数舒适性空调的室内空气
4、计算参数是基于人体对周围环境温度、相对湿度和风速的舒适性要求，并结合我国经济情况和人们的生活习惯及衣着情况等因素，参照国家现行标准室内空气质量标准（GB/J18883）等资料制定的。从生理上讲，所谓舒适性就是人体能维持正常的散热量和散湿量。通常反映舒适性与否的首先是冷热感觉，人感觉过冷或过热都是不舒适的。这要求保持室内空气一定要具有合适的温度。温度过低，人体散热过多，会产生“冷”感；反之，温度过高，人体热散发不出去，会产生“热”感。其次，室内空气的湿度对人的感觉也有重大影响。即使空气的温度是合适的，但是空气的湿度过高或过低，人也会觉得不舒服。湿度过高，身上出的汗不易蒸发，人会觉得闷，这时即使气
5、温不高，但是人会觉得热。另外，冬季在气温不是很低的南方地区，由于湿度较高，使人感到“湿冷”。湿度过低，则皮肤表面汗分蒸发过快，人体会缺水，甚至导致嘴唇开裂。因此，在规定室内温度的同时还必须规定合适的室内空气的湿度（通常规定适宜的相对湿度）。另外，空气流动速度也影响人的舒适感。在静止的或流速非常小的空气环境中，人体产生的热量和湿量都得不到正常的散发，结果也会使人觉得“沉闷”；流速过大，则会促使人体散热散湿过多，从而产生“冷风”即“冷飕飕”的冷感。因此，室内空气的流速也应作为室内空气设计参数予以规定。除了以上的3者外，空气的新鲜程度，衣着情况，室内各表面的温度高低等对人的感觉也有影响。为了保持室内
6、空气新鲜，空调系统一定要向室内输送一定量的室外空气。一般采用的室内空气计算参数都是对正常衣着而言，对非正常衣着，则要根据情况调整有关参数。室内各表面（墙面、家具表面等）温度影响它们与人体间的辐射热交换，这些温度过高（或过低）使人体不易散热（或散热过多），从而要维持较低（或较高）的室内空气温度，以维持适宜的人体热平衡。空调系统的能耗与许多因素有关，所以空气调节能耗的许多环节都有节能的潜力。假设空气调节室外空气计算参数为定值时，夏季空气调节室内空气计算温度和湿度越低，空调区的计算冷负荷就越大，系统耗能也越大。因此，宜按照国家现行标准“中等热环境PMV和PPD指标的测定及热舒适条件的规定”（GB/T
7、18049），等同于国际标准ISO7730；1994中的PMVPPD指标，在不降低室内舒适度标准的前提下，通过合理组合室内空气计算参数，可以收到明显的节能效果。近年来在工程设计中，有一种倾向：建筑物的档次越高，室内设计温度在冬季就应该越高，在夏季就应该越低。目前，业主、设计人员往往在取用室内设计参数时选用过高的标准，要知道，室内温、湿度取值的高低，与能耗多少有密切关系，在加热工况下，室内计算温度每降低1，能耗可减少510；在冷却工况下，室内计算温度每升高1，能耗可减少810。为了节省能源，应避免冬季采用过高的室内温度，夏季采用过低的室内温度。2005年7月6日，国务院发布了关于做好建设节约型社
8、会近期重点工作的通知，通知中指出在全社会倡导夏季用电高峰期间室内空调温度提高12。夏天空调温度不低于26。因此在取用室内设计计算参数时，既要满足室内热舒适环境的需要，又应符合节能的原则。在舒适性空调中，涉及到热舒适标准与卫生要求的室内设计计算参数有6项：温度、湿度、新风量、风速、噪声声级、室内空气含尘浓度。上述6项参数设计标准的高低，不但从使用功能上体现了该工程的等级，而且是空调区冷热负荷计算和空调设备选择的根据，是估算全年能耗，考核与评价建筑物能量管理的基础。同时又是空调管理人员进行节能运行和设备维修的依据。因此，需要一个科学合理的统一标准。根据我国国家标准室内空气质量标准（GB/T1888
9、3-2002）的规定，室内空气设计计算参数可按表31规定的数值选用。表31 室内空气质量标准序号参数类别参数单位标准值备注1物理性温度2228夏季空调1624冬季采暖2相对湿度4080夏季空调3060冬季采暖3空气流速m/s0.3夏季空调0.2冬季采暖4新风量m3/(h人)30a5化学性二氧化硫SO2mg/m30.501h均值6二氧化氮NO2mg/m30.241h均值7一氧化碳COmg/m3101h均值8二氧化碳CO20.10日平均值9氨NH3mg/m30.201h均值10臭氧O3mg/m30.161h均值11甲醛HCHOmg/m30.101h均值12苯C6H6mg/m30.111h均值13甲
10、苯C7H8mg/m30.201h均值14二甲苯C8H10mg/m30.201h均值15苯并a芘B（a）Png/m31.0日平均值16可吸入颗粒PM10mg/m30.15日平均值17总挥发性有机物TVOCmg/m30.608h均值18生物性菌落总数cfu/m32500依据仪器定19放射性氡222RnBq/m3400年平均值（行动水平b）a 新风量要求不小于标准值，除温度、相对湿度外的其它参数要求不大于标准值。b行动水平即达到此水平建议采取干预行动以降低室内氡浓度。根据我国国家标准采暖通风与空气调节设计规范（GB500192003）的规定，对于舒适性空调，室内计算参数可按表32规定的数值选用。表3
11、2 舒适性空调室内计算参数参数冬季夏季温度 /风速 /m/s相对湿度（）18240.2306022280.34065根据我国国家标准公共建筑节能设计标准（GB501892005）的规定，对于公共建筑空调系统室内计算参数可按表33规定的数值选用。表33 公共建筑空调系统室内计算参数参数冬季夏季温度（）一般房间2025大堂、过厅18室内外温差10风速（） / m/s0.100.200.150.30相对湿度（）306040652. 工艺性空调的室内空气计算参数对于设置工艺性空气调节的工业建筑，其室内参数应根据工艺要求，并考虑必要的卫生条件确定。在可能的条件下，应尽量提高夏季室内湿度基数，以节省建设投
12、资和运行费用。另外，室温基数过低（如20），由于夏季室内外温差太大，工作人员普遍感到不舒适，室温基数提高一些，对改善室内工作人员的卫生条件也是有好处的。由于工艺生产过程的不断改进，生产的产品质量日益提高，品种不断增加，相应地在空气环境参数的控制要求方面也有所提高或有所降低。因此，室内设计计算参数需要与工艺人员慎重研究后确定。某些生产工艺过程所需的室内计算参数见表34。表34 某些生产工艺过程所需的室内空气计算参数工艺过程夏 季冬 季备注温度 /相对湿度（）温度 /相对湿度（）机械加工：一级坐标镗床二级坐标镗床高精度刻线机（机械法）各种计量：标准热电偶检定一、二等标准电池检定直流高、低阻电位计检
13、定精密电桥检定一等量块检定三等量块光学仪器加工：抛光、细磨、镀膜光学系统装配精密刻划电子器件：电容器精缩、制板、光刻扩散、蒸发、纯化外延显象管涂屏阴极、热丝涂敷纺织：（棉）梳棉细纱织布（混纺）梳棉细纱织布（锦纶）卷绕纺丝牵伸、倍拈、络筒实验室（涤纶）卷线纺丝牵伸实验室（腈纶）纺丝、聚合毛条实验室（羊毛）前纺精纺织布制药：（片剂）制片片剂干燥（针剂）混合粉剂充装造纸：薄型纸完成（分切）高级纸完成实验室印刷：电子制版照相凹版制版胶版印刷照相凹版印刷凸版印刷胶片：底片贮存胶卷生产卷烟：原料加工烟丝贮存橡胶：钢丝锭子室高压胶管钢丝编织实验室201231200.10.22012202201201200.
14、2201242200.10.5262822123525124229313032283028303032283022.50.5303225123127135251.5210.533281201283030322830262262828226125126220(0.52)(2023)1.5(2023)1(2427)4(2427)4(2427)4212522252726251232201406540654065707070705060506065654060506060706070506055605560707555605560707571150606526527057010652655652657
15、5658075855055056010256556556065(23)555(5560)2.5(4648)2(4648)2(4050)555655060608050704062.52.560201171200.10.22012202201201200.2201222200.10.5161822123525122222252426232622252427232622.50.5303223123127118221201262826302628222242628226120126220（0.52）2020251232201406540654065707070705060506065654060506
16、0607060705060556055607075556055607075711506065265270570106526556526575658075855055056010256556556065(23)555(5560)2.5(4648)2(4648)2(4050)555655060608050704062.52.560有较高的空气净化要求高的空气净化要求有洁净要求有一定的空气净化要求有较高的空气净化要求冬季可取20冬季可取20冬季可取24冬季可取24冬季可取24冬季可取21冬季可取22注：本表数据摘自空气调节设计手册电子部第十设计研究院编，部分参考井上宇市编空气调节手册。3.1.2 室
17、外空气计算参数室外空气计算参数对空调设计而言，主要会从两个方面影响系统的设计容量：一是由于室内外存在温差，通过建筑维护结构的传热量；二是空调系统采用的新鲜空气量在其状态不同于室内空气状态时，需要花费一定的能量将其处理到室内空气状态。因此，确定室外空气的设计计算参数时，既不应选择多年不遇的极端值，也不应任意降低空调系统对服务对象的保证率。我国采暖通风与空气调节设计规范（GB500192003）中规定选择下列统计值作为室外空气设计参数：1） 历年平均不保证1天的日平均温度作为冬季空调室外空气计算温度。用该参数计算冬季新风和围护结构的传热量。由于这个参数对整个空调系统的建设投资和经常运行费用影响不大
18、，因此，没有必要将新风和围护结构传热的计算温度分开。2） 用累年最冷月平均相对湿度作为冬季空调室外计算相对湿度。规定本条的目的是为了在不影响空调系统经济性的前提下，尽量简化参数的统计方法，同时，采用这一参数计算冬季的热湿负荷也是比较安全的。3） 用历年平均不保证50小时的干球温度作为夏季空调室外计算干球温度。即每年中存在一个干球温度，超出这一温度的时间有50小时，然后取近若干年中每年的这一温度值的平均值。另外注意，统计干球温度时，宜采用当地气象台站每天4次的定时温度记录，并以每次记录值代表6小时的温度值核算。4） 用历年平均不保证50小时的湿球温度作为夏季空调室外计算湿球温度。实践证明，在室外
19、干、湿球温度不保证50小时的综合作用下，室内不保证时间不会超过50小时。统计湿球温度时，同样宜采用当地气象台站每天4次的定时温度记录，并以每次记录值代表6小时的温度值核算。5） 用历年平均不保证5天的日平均温度作为夏季空调室外计算日平均温度。取不保证5天的日平均温度，大致与室外计算湿球温度不保证50小时是相对应的。夏季计算经围护结构传入室内的热量时，应按不稳定传热过程计算，因此必须已知设计日的室外日平均温度和逐时温度。6）夏季计算日空调室外计算逐时温度是为适应关于按不稳定传热计算空气调节冷负荷的需要，可按式(31)确定 （31）式中 室外计算逐时温度（）；夏季空气调节室外计算日平均温度（），按
20、暖通空调规范第3.2.9条采用；室外温度逐时变化系数，按表35采用；夏季室外计算平均日较差，应按下式计算： （32）式中 夏季空气调节室外计算干球温度（），按暖通空调规范第3.2.7条采用。表35 室外温度逐时变化系数时刻1234560.350.380.420.450.470.41时刻7891011120.280.120.030.160.290.40时刻1314151617180.480.520.510.430.390.28时刻1920212223240.140.000.100.170.230.26其他符号意义同式（31）。关于室外空气计算参数还需进一步说明的问题是：1） 所谓“不保证”，系针
21、对室外温度状况而言的；所谓“历年不保证”，系针对累年不保证总天数（或小时数）的历年平均值而言的，以免造成概念上的混淆和因理解上的不同而导致统计方法的错误。2） 关于冬季空调系统加热加湿所需费用小于夏季冷却减湿的费用，为了便于计算，冬季围护结构传热量可按稳定传热方法计算，不考虑室外气温的波动。因而可以只给定一个冬季空调室外计算温度作为计算新风负荷和计算围护结构传热之用。另外，由于冬季室外空气含湿量远较夏季小，且其变化也很小，因而不给出湿球温度，只给出室外计算相对湿度值。3） 按暖通空调规范上述条文确定的室外计算参数设计的空调系统，运行时会出现个别时间达不到室内温、湿度要求的现象，但其保证率却是相
22、当高的。为了在特殊情况下保证全年达到预定的室内温、湿度参数（这种情况是很小的），完全确保技术上的要求，必须另行确定适宜的室外计算参数，甚至采用累年极端最高或极端最低干、湿球温度等，但它对空调系统的初投资影响极大，必须采取极为谨慎的态度。仅在部分时间（如夜间）工作的空调系统，如仍按常规参数设计，将会使设备富裕能力过大，造成浪费，因此，设计时可不遵守上述有关规定，应根据具体情况另行确定适宜的室外计算参数。随着采暖通风与空气调节设计规范（GB50019-2003）和公共建筑节能设计标准（GB50189-2005）的推出以及我国各地方建筑节能设计标准的编写和实施，明确一套切实反映我国气象环境特点和规律
23、的建筑热环境分析专用的气象资料已经成为规范和标准实施的必要条件。为了解决逐时气象数据的问题，中国气象局气象信息中心与清华大学建筑技术科学系合作，以全国气象台站实测气象数据为基础建立了一整套全国主要地面气象站的全年逐时气象资料。挑选了遍布全国各个气候区的具有代表性的270个台站，收集了这270个地面气象台站19702003年的实测气象数据。这些实测数据当中，既有逐日的实时观测数据，日总量数据和日极值数据，也有具备逐时观测条件的台站的逐时观测数据。对于部分设有逐小时观测的台站资料，清华大学开发了一套计算逐小时数据的方法。与前人的工作条件相比，该研究的实测数据不仅更为丰富，而且具有中国气象资料的权威
24、性。在此基础上，该研究成果在我国建立了包括全国270个站点的建筑环境分析专用气象数据集。该数据集包括根据观测资料整理出的设计用室外气象参数，以及由实测数据生成的动态模型分析用逐时气象参数。中国建筑热环境分析专用气象数据集一书的附录除了给出所存270个台站的信息以外，还给出了270个台站的设计用室外气象参数的数值，本教材摘录了其中的部分主要城市的室外计算参数，如附录4所示，以方便查询。该书还附有数据光盘。3.2 得热量与冷负荷的关系房间得热量是指通过围护结构进入房间的，以及房间内部散出的各种热量。由两部分组成：一是由于太阳辐射进入房间的热量和室内外空气温差经围护结构传入房间的热量；另一部分是人体
25、、照明、各种工艺设备和电气设备散入房间的热量。根据性质的不同，房间得热量可分为潜热和显热两类，而显热又包括对流热和辐射热两种成分。为了节省投资和运行费用，在计算得热量时，只计算空气调节区（在房间或封闭空间中，保持空气参数在给定范围之内的区域）得到的热量（包括空气调节区自身的得热量和由空气调节区外传入的得热量，例如分层空气调节中的对流热转移和辐射热转移等），处于空气调节区域外的得热量不应计算。按照现行的采暖通风与空气调节设计规范（GB50019-2003）上的规定，空调区的夏季计算得热量，应根据下列各项确定：1） 通过围护结构传入的热量。2） 通过外窗进入的太阳辐射热量。3） 人体散热量。4）
26、照明散热量。5） 设备、器具、管道及其他内部热源的散热量。6） 食品或物料的散热量。7） 渗透空气带入的热量。8） 伴随各种散湿过程产生的潜热量。围护结构热工特性及得热量的类型决定了得热量和冷负荷的关系。在瞬时得热中的潜热得热及显热得热中的对流成分是直接放散到房间空气中的热量，它们立即构成瞬时冷负荷。而显热得热中的辐射成分则不能立即成为瞬时冷负荷。因为辐射热透过空气传递到各围护结构内表面和家具的表面，提高这些表面的温度。一旦其表面温度高于室内空气温度时，它们又以对流方式将贮存的热量再散发给空气。这种室内各表面的长波辐射过程是一个无穷次反复作用的过程，一直要达到各表面温度完全一致才会停止。当然，
27、如果考虑到围护结构内装修和家具的吸湿和留湿作用，潜热得热也会存在延迟。确定空调区冷、热负荷的大小，需要掌握各种得热的对流和辐射的比例。但是对流散热量与辐射量的比例又与热源的温度和室内空气温度有关，各表面之间的长波辐射量也与各内表面的角系数有关，因此准确计算其分配比例是非常复杂的工作。表3-6给出了各种瞬时得热中的热量成分。其中照明和机械设备的对流和辐射的比例分配与其表面温度有关，人体的显热和潜热比例分配也与人体所处的状况有关，该表仅是为了计算方便而针对一般情况得出的参考结论。表3-6 各种瞬时得热量中所含热量成分 从上述分析可知，在多数情况下冷负荷与得热量有关，但并不等于得热量。如果采用送风空
28、调，则冷负荷就是得热量中的纯对流部分。如果热源只有对流散热，各围护结构内表面和各室内设施表面的温差很小，则冷负荷基本就等于得热量，否则冷负荷与得热量是不同的。如果有显著的长波辐射部分存在，由于各围护结构内表面和家具的蓄热作用，冷负荷与得热量之间就存在着相位差和幅度差，冷负荷对得热的响应一般都有延迟，幅度也有所衰减。因此，冷负荷与得热量之间的关系取决于房间的构造、围护结构的热工特性和热源的特性。热负荷同样也存在这种特性。图3-1是太阳辐射得热量与冷负荷之间的关系示意图。由该图可知，实际冷负荷的峰值大致比太阳辐射得热量的峰值少40，而且出现的时间也迟于太阳辐射热得热量峰值出现的时间。图中左侧阴影部
29、分表示蓄存于结构中的热量。由于保持室温不变，两部分阴影面积是相等的。图3-1 得热量与冷负荷之间的关系图3-2是照明得热和实际冷负荷之间的关系示意图。由于灯光照明散热比较稳定，灯具开启后，大部分的热量被蓄存起来，随着时间的延续，蓄存的热量就逐渐减小。图3-2中上部曲线表示荧光灯的瞬时得热，下部曲线表示使空调房间保持温度恒定时，由荧光灯引起的实际冷负荷。阴影部分表示蓄热量和从结构中除去的蓄热量。图3-2 照明得热和实际冷负荷之间的关系另外，空调系统在间歇使用时，室温存在一定的波动，从而引起围护结构额外的蓄热和放热，结果使得空调设备要自房间多取走一些热量。这种在非稳定工况下空调设备自房间带走的热量
30、称为除热量。图3-3表达上述几个概念之间的关系。图3-3 得热量、冷负荷与除热量之间的关系图3-4给出了建筑物空调区的计算冷负荷和空调系统计算冷负荷的形成过程及组成。图3-4建筑物内空调系统计算冷负荷组成框图3.3 围护结构负荷计算方法围护结构的负荷计算是空调系统设计的重要工作基础。由于围护结构的传热过程是时变的，在时间序列上，任何一个时刻的热状况都与历史过程有关，因此一个最简单的房间的负荷计算也需要通过求解一组庞大的偏微分方程组才能完成。采用差分法可对偏微分方程直接求得数值解，但计算工作量大，且方法非一般工程设计人员可以掌握。为了达到能够在工程设计中实际应用的目的，研究人员在开发可供建筑设备
31、工程师在设计中使用的负荷求解方法方面进行了不懈的努力。1946年美国人C. O. Marckey和L. TWeight提出了当量温差法。前苏联AT等人在50年代初提出用谐波分解法来计算围护结构的冷负荷。这两种方法的共同缺点是不区分得热量和冷负荷，所以计算出的空调冷负荷往往偏大。1967年加拿大人DGStephenson和GPMitalas提出反应系数法后，推动了负荷计算研究的革新，其基本特点是把得热量和冷负荷的区别在计算方法中体现出来。1971年Stephenson和Mitalas又用Z传递函数改进了反应系数法，并提出了适合手工计算的冷负荷系数(Weighting Factor)法，即可以不需
32、要迭代就可以从得热一步直接求解冷负荷的方法。1975年Rudoy和Duran采用传递函数法求得了一批典型建筑的冷负荷温差和冷负荷系数，改进并完善了冷负荷系数法。ASHRAE 1977年的手册对冷负荷系数法正式予以采用。1992年McQuiston和Spitler又提出日射冷负荷系数的概念，对透过玻璃窗的日射冷负荷计算进行了改进。我国从20世纪70年代开始对负荷计算方法展开了研究，1982年经原城乡建设环境保护部主持、评议通过了两种新的冷负荷计算法：谐波反应法和冷负荷系数法。这些方法针对我国的建筑物特点推出了一批典型围护结构的冷负荷温差(冷负荷温度)以及冷负荷系数(冷负荷强度系数)，为我国的暖通
33、空调设计人员提供了实用的设计工具。另外，随着计算机应用的普及，使用计算机模拟软件进行辅助设计或对整个建筑物的全年能耗和负荷状况进行分析，已经成为暖通空调领域的一个研究热点。目前国内外常用的负荷求解的方法主要包括：稳态计算法；采用积分变换求解围护结构负荷的不稳定计算方法；采用模拟分析软件计算法；3.3.1 稳态计算法稳态计算法的特点是不考虑建筑物历史时刻传热过程的影响，而仅采用室内外瞬时或平均温差与围护结构传热系数、传热面积的积来求取负荷值。该方法在计算过程中由于不考虑建筑的蓄热性能，所求得的冷、热负荷往往偏大。该计算误差会随围护结构的蓄热性能的变好而加大，因而容易造成设备投资的浪费。但稳态计算
34、法可以用于计算蓄热性能不强的轻型、简易围护结构的负荷近似计算中，计算过程也因此变得非常简单直观，甚至可以直接手工计算。此外，如果室内外温差的平均值远远大于室内外温差的波动值时，采用平均温差的稳态计算带来的误差也比较小，在工程设计中是可以接受的。例如在我国北方的冬季，室外温度的波动幅度远小于室内外的温差(见图3-5)，因此目前在做空调热负荷计算时，采用的就是基于日平均温差的稳态计算法，即 (3-3)式中 HL围护结构的基本耗热量形成的热负荷（W）； a 围护结构的温差修正系数； F 围护结构的面积（m2）； K 围护结构的传热系数W/（m2）； 冬季空调室内的计算温度（）；冬季空调室外计算温度（
35、）。但计算夏季冷负荷是不能采用日平均温差的稳态算法的，否则可能导致完全错误的结果。因为尽管夏季日间瞬时室外温度可能要比室内温度高很多，但夜间却有可能低于室内温度，因此与冬季相比，室内外平均温差并不大，但波动的幅度却相对比较大，如果采用日平均温差的稳态算法，则导致冷负荷计算结果偏小。另一方面，如果采用逐时室内外温差，忽略围护结构的衰减延迟作用，则会导致冷负荷计算结果偏大。图3-5 冬夏季室外气温变化与室内外温差比较3.3.2 采用积分变换求解围护结构负荷的不稳定计算方法积分变换法的原理是对于常系数的线性偏微分方程，采用积分变换如傅里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
36、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。采用哪一种积分变换取决于方程与定解条件的特点。对于板壁围护结构的不稳定传热问题的求解，可采用拉普拉斯变换。通过拉普拉斯变换，可以把复杂函数变为简单函数，把偏微分方程变换为常微分方程，把常微分方程变换为代数方程，使求取解析解成为可能。采用积分变换法求解围护结构的不稳定传热过程，需要经历3个步骤，即：边界条件的离散或分解；求对单元扰量的响应；对单元扰量的响应进行叠加。根据对输入的边界条件的处理不同，求解围护结构传热的方法也不同。目前对边界条件处理的主要方法有：1） 把边界条件进行傅
37、里叶级数展开。例如把室外空气综合温度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。谐波反应法是基于傅里叶级数分解的冷负荷计算法。2） 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。对于一条给定的扰量曲线，可以用多种方法离散，例如离散为等腰三角波或矩形波等。由于这种离散方式不需要考虑扰量是否呈周期变化，因此适用于各种非规则的内外扰量。传递函数法是基于时间序列离散发展出来的冷负荷计算法。3.3.3 采用模拟分析软件计算法自20世纪60年代末，美国的电力和燃气公司开发了一些以小时为步长的模拟建筑负荷的计算机模拟程序，如G
38、ATE。尽管还是基于稳态计算，但毕竟使人们看到大型建筑全年能耗模拟分析的重要性。此后逐渐出现了美国的DOE-2、BLAST、EnergyPlus、英国的ESP-r、日本的HASP和中国的DeST等可用于全年建筑冷热负荷计算的计算机建筑能耗模拟软件。这些软件已经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。采用模拟法，建筑物和系统的数学模拟必须体现围护结构的热性能，空调系统的热性能和设备的热性能。每一个模拟都可以根据输入量来计算输出量。建筑物的描述，气象参数以及室内散热量作为建筑模拟的输入项，计算室内温度和显热负荷，结果用于作为辅助系统模拟的输入项。辅助系统模拟利用这些信息计算需要
39、基本系统提供的冷水，热水以及蒸汽负荷。最后基本系统模拟根据这些负荷来预测每小时的用电量、用气量或者其它形式能量的消耗。（1） DOE-2 DOE-2是由美国能源部主持，美国劳伦斯伯克利国家实验室开发，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。其中冷热负荷模拟部分采用的是反应系数法，采用室外空气综合温度，外表面的传热系数和内表面的传热系数，并假定室内温度恒定，不考虑不同房间之间的相互影响。（2） ESP-r ESP-r是由英国strathclyde大学于1977至1984年间开发的建筑与设备系统能耗动态模拟软件。负荷计算采用有限差分法，可模拟具有
40、非线性部件的建筑的热过程。该软件实现了建筑物与空调系统的同步仿真，有效地解决了系统模拟的结果可能和空调区负荷不匹配的问题。这种情况在有时是不可避免的（比如冷板和热板温度复位），通常是由操作者的失误而引起的。（3） EnergyPlus EnergyPlus是美国劳伦斯伯克利国家实验室于20世纪90年代开发的商用、教学研究用的建筑热模拟软件。其负荷计算采用的是传递函数法(反应系数法)。3.4 空调区冷负荷的计算3.4.1冷负荷系数法计算冷负荷冷负荷系数法是在传递函数法的基础上为便于在工程中进行手算而建立起来的一种简化计算法。与谐波反应法不同，传递函数法计算得热和冷负荷不考虑外扰是否呈周期性变化，
41、也不用傅里叶级数表示，而是把边界条件按照z变换离散成按时间序列分布的单位扰量，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。为了简化计算，对日射得热所形成的冷负荷，冷负荷系数法利用传递函数法的基本方程和相应的房间传递函数形成了空调冷负荷系数。对经围护结构传入热所形成的冷负荷，冷负荷系数法利用相应传递函数形成了冷负荷温度。这样，当计算某建筑物空调冷负荷时，则可按照相应条件查出冷负荷系数与冷负荷温度，用一维稳定热传导公式即可计算出日射得热形成的冷负荷和经围护结构传入热所形成的冷负荷。具体计算方法如下：1. 围护结构瞬变传热形成冷负荷的计算方法（）外墙和屋顶瞬变传热
42、引起的冷负荷 在日射和室外气温综合作用下，外墙和屋顶瞬变传热引起的逐时冷负荷可按下式计算： （3-4） （3-5）式中 CL外墙或屋顶瞬变传热形成的逐时冷负荷（W）； K外墙和屋顶的传热系数W(m2)，可根据外墙和屋顶的不同构造，由附录5和附录6中查取； F外墙和屋顶的传热面积（m2）； 外墙和屋顶冷负荷计算温度的逐时值（）； 夏季空气调节室内计算温度（）； 以北京地区的气象条件为依据计算出的外墙和屋顶冷负荷计算温度的逐时值（）；根据外墙和屋顶的不同类型分别在附录7和附录8中查取。 地点修正值（）；根据不同的设计地点在附录9中查取。 外表面放热系数修正值，在表3-7中查取； 外表面吸收系数修正值，在表3-8中查取，考虑到城市大气污染和中浅颜色的耐久性差，建议吸收系数一律采用r = 0.90，即。但如确有把握经久保持建筑围护结构表面的中、浅色时，则可乘以表3-8所列的吸收系数修正值。表3-7 外表面放热系数修正值/W/()kcal/(h)14.2（12）16.3（14）18.6（16）20.9（18）23.3（20）25.6（22）
