民用建筑空调负荷计算中应考虑的几个问题.doc

民用建筑空调负荷计算中应考虑的几个问题（全面版）资料设计参考民用建筑空调负荷计算中 应考虑的几个问题华东建筑设计研究院 叶大法 杨国荣摘要 分析了民用建筑舒适性空调负荷计算中表面传热系数 、 内围护结构负荷 、 渗透风负 荷 、 设备负荷 、 蓄热负荷的确定等问题 。 参考国内外资料 , 整理出了一些简单实用的计算方法 。 关键词 负荷计算 表面传热系数 内围护结构负荷 渗透风负荷 蓄热负荷Problems in air conditioning load calculationfor civil buildingsB y Y e Dafa an d Y ang Guoron gAbstract A nalyses the deter mina tio n of surf ace hea t tr ansfer co ef fic ient, inter io r building e nv elope lo ad, a ir inf iltra tio n lo ad, e quipment loa d a nd hea t stor ag e load, e tc. R ef err ing to the inf or matio n at ho me and abr o ad, summar ize s so me simple a nd pr actica l ca lculation me thods.Keywords loa d ca lculatio n, sur f ace heat tr ansf er coef ficie nt, inte rior building e nvelope loa d, air inf iltra tio n lo ad, hea t sto ra ge loa dEast China Architecture Design &R es earch Institute Co. Ltd. , S hanghai, Chinay国内 舒适性空 调的冷 热负荷 计算一 般参照 采暖 通风 与 空 气调 节 设 计 规 范 (GB 50019 2003 和各种空调设计手册进行 , 近年来又普遍选 用各种根据规范和手册推荐的计算方法编制的电 算软件。这些计算方法和电算软件用于一般的民 用舒适性空调的负荷计算没有什么问题 , 但是用于 大型民用公共建筑就面临一些新的问题 , 譬如 :a 从建筑造型和节能出发 , 出现了一些特殊 的围护结构形式。b 由高大中庭烟囱效应产生的大门冷风渗透 负荷。c 从节能标准和控制要求出发 , 设备选型不 可偏大 , 要求精确地计算负荷 , 因此 , 必须仔细考虑 许多过去曾忽略的问题。d 在两管制系统中一般按冷负荷选择设备和 管道。而在冷热四管制系统中 , 为了选择独立的加 ,于是出现了一些空调热负荷计算的特殊问题。在设计计算中如何考虑这些问题是很多空调 设计者所关心的。当然 , 这里引出的空调负荷计算 问题都不涉及新的计算概念 , 本文只是对设计计算中日益增多的新情况作一些分析和梳理 , 借鉴国内 外的一些资料整理出一些具体的简易计算方法供 设计者参考。 1 表面换热系数表面换热系数对围护结构传热系数影响很大 , 表面换热系数可分为辐射换热系数 r 和表面传热系数c 。 1. 1 外表面换热系数 w在以往的传热系数计算中 , 一般把外表面换热62 暖通空调 HV&AC 2005年第 35卷第 12期y叶大法 , 男 , 1954年 10月生 , 大学 , 高级工程师 , 主任工程师200002上海市汉口路 151号华东建筑设计研究院 (021 632174208858系数 w 视为定值 , 如冬、 夏季外表面换热系数 w d , w x 分别 为 23W/(m 2 和 19W/(m 2 。 实际上外表面换热系数受风速影响较大 , 应按季节 和围护结构位置情况予以区别。在水平气流作用 下屋面风速明显大于垂直外围护结构表面风速 , 由 表 1可见 , 其 w 也要大得多。表 1 外表面换热系数 w W/(m 2 辐射换热系 数 r 表面传热系数 c外表面换热系 数 w1. 2 内表面换热系数 n在以往的传热系数计算中 , 内表面换热系数通 常也取为定值 , 约 8. 7W /(m 2 。随着大面积 玻璃幕墙的出现 , 外窗玻璃内表面气流上升或下降 速度明显增大 , 所以玻璃内表面换热系数增大到约 12W/(m 2 。其他各种表面因位置和热流方 向不同也可略加区分 (详见表 2 。对于沿窗设置 有风机盘管、 窗边风机或送风口的外窗 , 当沿窗表 面气流速度 v 5m/s 时 , 可按 c =5. 6+4. 0v (平 滑面 计算其表面传热系数 c , 其辐射换热系数 r 为 4. 5W/(m 2 。内 表 面 换 热 系 数 n = 10 1+4. 0v 。表 2 内表面换热系数 n W/(m 2 围护结构方向 热流方向 内表面换热系数 n 水平 向上 9 26倾斜 45 向上 9. 08垂直 水平 8. 29倾斜 45 向下 7. 49水平 向下 6. 132 内围护结构负荷民用公共建筑常见的内围护结构负荷产生于 空调区域与非空调区域之间的围护结构 , 如走廊、 厕所、 楼梯间、 仓库、 机房、 避难层、 车库等的围护结 构。内围护结构冷热负荷一般采用稳定传热方法 计算 , 在我国现行的 采暖通风与空气调节设计规 范 中规定用温差修正因数 a (见表 3 和温差 t ls (见表 4 来计算内围护结构负荷。热负荷计算式为Q h =aFK (t n -t w (1 冷负荷计算式为(wp ls n ( 式 (1 , (2 中 Q h , Q c 热、 冷负荷 , W;F 传热面积 , m 2;K 传热系数 , W/(m 2 ; t n 室内设计温度 , ; t w p 夏季空调室外日平均温 度 , ;t w 冬 季 室 外 空 调 计 算 温 度 , 。表 3 温差修正因数 a围 护 结 构 a 外墙、 屋顶、 地面以及与室外相通的楼板等 1. 00闷顶、 与室外空气相通的非供暖 地下室上面的楼 板等0. 90与有外门窗的不供 暖楼梯 间相 邻的 隔墙 (16层建筑 0. 60与有外门窗的不供暖楼梯 间相邻的 隔墙 (730层建筑 0. 50非供暖地下室上面的楼板 (外墙上有窗时 0. 75非供暖地下室上面的楼板 (外墙 上无窗且位于室 外地坪以上 0. 60 非供暖地下室上面的楼板 (外墙 上无窗且位于室 外地坪以下 0. 40 与有外门窗的非供暖房间相邻的隔墙 0. 70与无外门窗的非供暖房间相邻的隔墙 0. 40伸缩缝墙、 沉降缝墙 0. 30防震缝墙 0. 70表 4 温 差 t ls邻室散热量 /(W/m 2 t ls / 很少 (如办公室和走廊 02233231165在大量的工程计算中发现 , 用于计算冷负荷的 温差值 t ls 可选数据太少 , 分类也不适合民用公共 建筑的实际情况 , 且用其算出的负荷偏大。如上海 地区办公楼室内温度为 24 , t wp 为 30 , 无相邻 外窗的内走廊的 t ls 若取 1 , 走廊温度便达到了 31 , 计算温差为 7 。这显然偏大了 , 因为走廊 总有一些新风、 回风或排风经过 , 带走一些走廊负 荷 , 降低走廊温度 , 一般情况 下温度约 为 2728 。有些手册采用不稳定传热计算 , 通风良好的非 空调房间计算温差也仅有 35 。在此 , 笔者推荐另一套内围护结构温差修正因 数 a 供读者参考 (见表 5 。计算公式同式 (1 。 3 渗透风负荷建筑物门、 窗和墙体等外围护结构存在各种缝 隙 , 大门开启时也会产生开敞口。室外风压、 室内 63暖通空调 HV&AC 2005年第 35卷第 12期 设计参考表 5 内围护结构温差修正因数 aa 供暖 供冷 办公楼 非空调房间 0. 40. 4走廊 部分走廊回风 0. 30. 1走廊回风 0. 10. 3厕所 排风并从走廊补风 0. 40. 4排风并从室外补风 0. 80. 8仓库等 0. 30. 3多层、 高层住宅 非空调房间 0. 30. 3别墅 非空调房间 0. 60. 9走廊 0. 60. 7会导致室内外存在压差。在压差作用下 , 室外空气 渗透进入室内形成渗透风负荷。在我国北方地区 , 供暖负荷计算普遍考虑了渗透风负荷计算 , 而在空 调负荷计算中 , 由于通常认为设置的新风系统或空 调系统中引入的新风能对房间加压 , 防止渗透风侵 入 , 而不计算渗透风负荷。实际上房间能否保持正 压取决于室外风向和风速 , 当迎风面风速较大时风 压很可能会大于室内正压值。另外 , 房间能否保持 正压还取决于空调通风系统运行时送风量与回风 量的比例 , 空调通风系统很可能使一部分房间产生 负压。因此 , 作为一般的保持房间正压的措施 利用新风加压 , 不是在上述所有条件下、 在所有区 域中都能保证实现房间正压的。另外民用舒适性空调系统多为间歇运行系统。 在无新风加压的非运行期间 , 室外潮湿的渗透风侵 入室内 , 水汽被室内装饰材料吸收 , 在下一个运行 期间释放形成潜热负荷。因此 , 民用舒适性冷暖空调系统应该区别下列 不同情况考虑渗透风负荷计算 :a 门、 窗和墙体气密性很高的建筑 可以不考 虑冷、 热渗透风负荷 , 如设有不可开启固定窗的办 公楼。b 门、 窗和墙体气密性一般的建筑应考虑冷、 热渗透风负荷 , 渗透风量可按换气次数 (见表 6 法 计算。表 6 渗透风换气次数 h -1建筑构造 换气次数供暖 供冷混凝土 (大型建筑 00. 20混凝土 (小型建筑 0. 20. 60. 10. 2欧式木结构 0. 30. 60. 10. 3日式木结构 0. 51. 00. 20. 6注 :外窗均为铝合金窗框。c 门厅及地下入口处等区域由于烟囱效应 , 渗透风量很大。夏季供冷时渗透风从室内流出可 不考虑计算。冬季供暖时渗透风从室外流入 , 必须 考虑计算 (见表 7 。表 7 考虑烟囱效应 、 供暖 时大门渗透风量h /m 室内外温差 / 渗透风量 /(m 3/s单层门 (手动 双层门 (手动 P =250人 P =500人 P =750人 P =1000人 P =250人 P =500人 P =750人 P =1000人50 1520251. 11. 21. 31. 92. 02. 12. 72. 82. 93. 33. 43. 50. 50. 60. 60. 91. 01. 11. 31. 41. 61. 5 1. 7 1. 8100 1520251. 31. 82. 12. 32. 83. 13. 13. 63. 93. 94. 44. 70. 70. 91. 11. 31. 61. 81. 82. 12. 42. 1 2. 6 2. 9200 1520252. 12. 42. 83. 23. 94. 44. 45. 35. 85. 76. 17. 11. 21. 31. 41. 92. 12. 32. 62. 83. 13. 1 3. 3 3. 6注 :P 为每扇门每 h 的出入人数 ; h 为建筑高度。渗透风负荷基本计算式为Q is =c p tV i =1. 2 tV i (3 Q il = dV i =3000 dV i (4 式 (3 , (4 中 Q is 渗透风显热负荷 , W; Q il 渗透风潜热负荷 , W; c p 空气的比定压热容 , J/(g ;水的汽化潜热 , J/g ; t 室内外干球温度差 , ; d 室内外含湿量差 , g/g; V i 渗透风量 , L/s 。4 设备负荷在以往的普通办公室中 , 设备用电器插座容量 仅为 510W/m 2。近年来随着现代化 智能办公 ,64设计参考 暖通空调 HV&AC 2005年第 35卷第 12期W/m 2。设备负荷在空调室内负荷 中所占的比例 越来越大 , 应该得到重视。目前设备负荷计算以用单位面积指标估算为 主。为了提高计算准确性 , 计算设备负荷时可参考 表 8, 9。电 脑等办公 设备更 新很快 , 寿命 周期很 短 , 近来带自动休 眠节电功能的个 人电脑日见增 多 , 设备负荷计算时应密切注意办公设备这方面的 发展动向。表 8 办公设备发热量设备名称 发热量 /(W/台 电子打字机 100个人电脑、 电脑终端 200C AD 终端 500800电子黑板、 机 100个人电脑黑白打印机 50个人电脑彩色打印机 300终端用线打印机 500小型电脑、 办公电脑中心 1000以上 复印机 300表 9 办公 设备同时使用系数设备名称 同时使用系数 备 注个人电脑、 电子打印机 0. 50. 7综合工作站 0. 40. 6含个人电脑、 电子打字 机、 、 电传机等 专用工作站 0. 60. 8CAD 终端站等复印机 0. 60. 8其他 0 10. 35 间歇性空调的蓄热负荷民用舒适性空调系统一般都是白天运行、 夜间 和休息日停止工作 , 为间歇性运行空调系统。在间 歇性空调系统的非运行时间里 , 供冷工况下室内温 度会上升 , 供热工况下室内温度会下降 , 使得建筑 物蓄热或蓄冷。当空调系统再次启动时建筑物内 蓄入的热量或冷量会以放热或吸热的方式再次变 为负荷 , 构成所谓间歇性空调系统的蓄热负荷。 蓄热负荷在空调系统刚启动时最大 , 以后逐渐 减小。除东向房间外 , 夏季室内最大负荷一般不出 现在上午刚上班时间 , 室内负荷与蓄热负荷之和通 常不会超过室内最大负荷 , 不会影响到设备选型 , 因此可不考虑计算。而东向房间上午刚上班时室 内负荷很可能已达到最大值 , 如果再加上房间的蓄 热负荷就会超过室内最 大负荷 , 因 此必须考虑计 算。夏季东向房间蓄热负荷可按 1020W/m 2计 冬季室内外温差较大 , 空调系统间歇运行所产 生的房间室温落差以及蓄热量也较大。而且冬季 早上气温低 , 日照少 , 无论哪个朝向 , 都可能出现室 内负荷最大值。此时蓄热负荷和室内负荷之和会 超过室内最大负荷值 , 直接影响系统设计和设备选 择 , 因此必须考虑计算。冬季供暖蓄热负荷可按下 式计算 :Q s =q s C k dw (5 式中 Q s 冬季供暖蓄热负荷 , W/m 2;q s 基准蓄热负荷 (见表 10 , W/m 2; C k 蓄热负荷修正因数 (见图 1 ;d 房间进深修正因数 (见表 11、 图 2, D 是从外 墙到内 区末端 墙的长 度 , 如 果中间 有内隔 墙 , 则是外 墙到内 隔 墙的长度 ;w 预热时间修正因数。表 10 各大城市基准蓄热负荷 W /m 2地区 上海 南京 北京 沈阳 哈尔滨 基本蓄热负荷 q 5360636773 注 :1 表中基准蓄热负荷是设定室温 22 时的值。非设定室温 情况下需加以修正。2 表中所列 系标准 运行 (周 六半日 运行 , 周 日停 运 时 的数 据。供暖运行方式与标准运行不同时应乘以系数 :0. 7(周六、 日与 平时同样运行 ; 1. 1(周六、 日都停止运行 。3 本表系借用国外气候类似城市的数据。图 1 蓄热负荷修正因数 (注 :本图按国外资料近似取用 表 11 房间进深修正因数房间进深 D /m 修正因数 d510/D52角落房间或大房间的房间进深 D 可按图 3近 似计算。办公楼顶层的蓄热负荷可通过对标准层 D65暖通空调 HV&AC 2005年第 35卷第 12期 设计参考 图 2 房间进深示意图图 3 D 的近似计算法为 6W/m 2, D 5m 时附加值为 12W/m 2。 6 通风窗 (air flow window 方式通风窗一般 由内层可开启玻 璃窗、 外层玻璃 窗、 中间的遮阳百叶以及空气循环系统构成 见图 4 , 通过窗间空气流通和遮阳百叶的组合作用达到 遮阳隔热、 减少日射负荷或回收热量等效果。通风 窗可分为循环型和排出型两种。循环型通风窗的 窗间空气热量供暖时可回收利用 , 供冷时可排出。 根据朝 向不同 , 窗 间风量 约为 3075m 3/(m h 。排出型通风窗 在内、 外层间设 有可以直接排 气的风机 , 排风直接排出窗外。表 12给出了通风 窗的综合遮阳系数 S c和传热系数。7 双层围护结构立面 (double skin facade 方式为了追求立面通透 , 一些现代化建筑采用了大 面 积玻璃幕墙。为了减少因此增加的空调负荷 , 欧图 4 通风窗示意图表 12 通风窗 的综合遮阳系数和传热系数窗通风量 G /(L/(m s 0112233综合遮阳系数 S c0. 330. 240. 20. 19传热系数 K /(W/(m 2 2. 61. 61. 31. 0注 :1 K 为百叶放下时的值。2 表中 S c , K 是两层透明玻璃内置淡色百叶时 的值 , 外层为 吸热玻璃或反射玻璃也适用 , 但对于吸 热玻璃 , 计 算时应 采用吸热玻璃用标准日射得热。洲较早地采用了双层围护结构的方式 :外层为透明 结构 , 两层之间相距 0. 52m , 中间设有可调节的遮阳百叶 , 通过调节外层玻璃幕墙的上下可开闭的 通风口面积 , 可组织夏季自然排风排热或在冬季积聚热量计算日射得热负荷时 , 冬季供暖时日射得热负 荷作为安全因素不计入 , 仅计算夏季供冷峰值负荷 时的日射得热负荷。参考图 5可根据上下通风口 单位长度的有效开口面积 A e 查出自然换气量、 综 合遮 阳系数 S c 和 双层围护结构内 空气温度 t DS 。 根据 t DS 可计算出内层窗和墙的传热负荷。另外根 据查取的遮阳系数 S c 、 内窗面积和透明 玻璃的标 准日射得热 , 可计算出内窗的日射得热负荷。应说明的是 , 图 5中 :a 不同方位的时刻 南 12:00; 东 9:00; 北 14:00; 西 16:00。b 若上下开口间距离非 18m, 单位长度有效 开口面积计算式为A e =bA (6, S t 66 设计参考 暖通空调 HV&AC 2005年第 35卷第 12期暖通空调 HV&AC 2005 年第 35卷第 12 期 式中 Ae b A 外层围护结构单位长度的有效开口 面积, m / m ; 流量因数( 单纯开口时为 0. 65 ; 单位长度开 口面积( 取上 下部开口 面积的 算术平均值或 较小值 , m / m; H 上下开口间距离, m。 c S c 值已考虑天窗的影响。 d 双层围护结构条件 内、 外侧和上部水 平面均为透明玻璃; 百叶设于内侧玻璃的外侧面; 双层围护的进深为 2 m; 天窗挑出 2 m。 当实际情况与图 5 中条件不同时, 由图可知, 有效开口面积 A e 达到 0. 2 m 2 / m 以上时, tDS 和 S c 的变化已经很小, 说明外侧玻璃种类( 吸热或反射 玻璃 及双层围护结构的进深变化产生的影响已经 很小, 所以当 A e 达到 0. 6 m 2 / m 以上时图中数值 仍可采用。 8 其他 通常夏季空调设计负荷是按夏季太阳辐射照 度( 7 月 21 日 计算, 但南、 东南、 西南三个朝向太 阳辐射照度在太阳高度角较低的秋季( 10 月 会比 夏季更大些, 外遮阳遮挡率会更小些。因此, 日本 的设计资料要求对南、 东南、 西南三个朝向的房间 ( 上接第 38 页 41 姜益 强, 姚杨, 马最 良. 基 于人工 神经网 络的空气 源 热泵 冷热水机 组的 性 能模 拟 J . 流 体机 械, 2002 ( 5 : 59 42 43 44 45 46 47 61 51 52 91 53 姜益 强, 姚杨, 马最良. 空气源热泵 冷水机组的 故障 诊断 J . 制冷学报, 2002, 23( 3 姚 杨. 空 气源 热 泵冷 水 机组 中 压 缩机 性 能的 模 拟 J . 哈尔滨建筑大学学报, 2002, 33( 6 : 87 上海 交通大学, 1993: 24 45 54 55 56 57 33 58 51 27 蔡立 群. 制冷系统故障 诊断的 专家 系统 D . 上海: 赵鹏. 模糊专家系统在制冷系统在 线故障诊断 中的 实现 应用 D . 上海: 上海交通大学, 1995: 37 技术 的应用 J . 制冷学报, 1998, 19( 2 : 20 鲍士 雄, 赵鹏. 制冷系统故障诊 断中模 糊模式 识别 陈友 明, 郝小礼. 建筑能源管理 与控制 系统中 传感 器故 障 及 其 检 测 与 诊 断 J . 暖 通 空 调, 2004, 34 ( 2 : 83 48 49 88 陈友明. 自动故障检测与诊断在暖 通空调中的 研究 与应 用 J . 暖通空调, 2004, 34( 3 : 29 张振 军. 中央空调系统现场检测方法初探 J . 制冷 50 4 2 2 2 设计参考 67 分别计算夏季、 秋季的日射得热负荷并取大值。我 国目前的负荷计算方法或电算软件中还没有考虑 计算秋季参数, 可参照国外资料适当放大。 9 结语 负荷计算是空调设计的基础, 随着我国 公共 建筑节能设计标准 的颁布, 对围护结构的热工性 能和建筑设备的 能耗指标将会 有进一步的要求。 更多地采用新型节能的围护结构, 选择合适的空调 通风设备并使之尽可能运行在高效区, 是建筑节能 的两个主要途径, 因而进一步改进与这两个途径都 相关的负荷计算方法就显得格外重要了。 参考文献 1 空氘調和 衛 生工 仝. 空氘 調和 衛生 工 便覽 M . 13 版, 2002 中 国有 色工 程设 计研 究总 院. 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