两种冷负荷计算方法的比较

第26卷第4期 2008年 8月 低 温 与 特 气 Low Temperature and Specialty Gases Vo1．26．No．4 Aug．，2008 两种冷负荷计算方法的比较 裴 芳 ，刘小兵 (西华大学 能源与环境学院 研2，四川 成都 金牛 610039) 摘要：详细介绍了谐波反应法和冷负荷系数法两种空调冷负荷的计算方法，并通过一计算实例对两种方法的结 果进行比较，发现两种方法对房问总冷负荷的计算结果基本一致，但在围护结构传热形成冷负荷计算上，尤其 是外墙冷负荷及外窗日射得热冷负荷两项上存在较大差别。 关键词：负荷计算；谐波反应法；冷负荷系数法 中图分类号：TB61 1 文献标识码：A 文章编号：1007-7804(2008)04—0015—04 Comparison of Two M ethods of Cooling Load Calculation For Buildings PEI Fang，LIU Xiao—bing (Xihua University，Chengdu 610039，China) Abstract：This article particularly introduces two methods of load calculation for building，the harmonic respondency meth— od and the cooling load function．And it makes a comparison of the two methods by a small case，which shows that the results of the two kinds of caculation are generally same，just on the factor of cooling load caused by exterior protected construction， especially the cooling load genetated by the solar radiation transferred by the exterior wall and window．they are different in some degree． Key Words：cooling load calculation；harmonic respondency method ；CLF 1 空调负荷计算方法的发展 1946年美国的 C O Mackey和 L T Wight提出 了用当量温差法(ETD)计算通过围护结构的负荷计 算方法；50年代初，苏联的A T IIIKoaoBep等人又 提出了谐波分解法。这两种方法共同的缺点是对得 热量和冷负荷不加区分，所以空调冷负荷计算量往 往偏大。 20世纪 60年代初，美国 Carrier公司在多年研 究基础上，提出了蓄热负荷系数(SLF)法。此法考 虑了由窗进入房间的太阳辐射被围护结构及家具吸 收后重新放出的影响，以蓄热负荷系数的方式给 出，设计使用上比较方便。1967年加拿大人 D G Stephonsen和G P Mitalas提出反应系数(Response— Factor)法后，使负荷计算从粗放的稳态计算发展 到较为精确的动态计算。1971年 Stephonsen和 Mi— talas又用 z传递函数改进了反应系数法，并提出 收稿 日期：2008-06-07 了适合手算的冷负荷系数法(CLF)并被 1972年 ASHRAE基础手册采用。 1997年，Spider等提出 了辐射时 间序列 法 (Radiant Time Series Method)，简称 RTS。该方法 将墙体、屋顶、窗等得热量和冷负荷区别开来，引 入辐射系数，并给出了该方面定量的计算方法。该 方法是对前述的当量温差法、传递函数法、冷负荷 系数法 的有效 发展，适 于计算机计算。Spider、 Fisher、Ipseng等对于该方法的周期性响应 系数、 计算方法等都有深入的研究。 我国于上世纪 70～80年代开展了新计算方法 的研究，并于 1982年评议通过了谐波反应法和冷 负荷系数法两种新的空调冷负荷计算方法。 2 谐波法与冷负荷系数法的理论介绍 2．1 谐波反应法 维普资讯 http://www.cqvip.com 16 低 温 与 特 气 第26卷 室外空气综合温度作用下形成空调负荷有两个 过程：一是室外综合温度作用(外扰)形成室内得 热量；另一个是室内得热量经围护结构和室内家具 等吸热、放热，最后形成冷负荷的过程。两者的共 同点是扰量具有周期性及围护结构和整个房间对扰 量具有由外向内逐渐衰减和延迟作用。当室外综合 温度作用于围护结构外表面，内表面温度和热流将 产生衰减和延迟，该热流值即为室内得热量，其中 对流部分直接变为室内冷负荷；辐射部分则要经室 内围护结构和家具等的吸热、放热反应后再形成冷 负荷，该负荷有衰减和延迟，因此，衰减度和延迟 时间是谐波法的两个重要，它们与材料热阻和 蓄热系数有关。 谐波法计算过程繁冗 ，为便于手算，工程简化 计算方法如下 J： 1．外墙和屋面传热冷负荷。 外墙或屋面传热形成的计算时刻冷负荷(W)， 按下式计算： CLQr =KFAt 式中，F为计算面积， ；下为计算时刻，点钟； — 为温度波作用时刻，即温度波作用于外墙或屋 面外侧的时刻；At ．，为作用时刻下，通过外墙或屋 面的冷负荷计算温差，简称负荷温差，℃。 2．通过外窗进入室内的太阳辐射热量而致冷 负荷。 (1)外窗瞬时传热冷负荷： CL =KFAt 式中，CLr为通过外墙和屋面的得热量所形成的冷 负荷，w；F为外墙和屋面的面积，m ；K为玻璃 窗传热系数，2．9W／(1TI ·℃)；At为计算时刻的负 荷温差，℃。 (2)玻璃窗的日射得热引起的冷负荷 CLQh = XdC C。F ．， 式中，F 为窗户面积，1TI ；Xj为有效面积系数； 为地点修正系数；C 为窗玻璃的遮挡系数；C 为窗内遮阳设施的遮阳系数； ． 为计算时刻时， 透过单位窗口面积的太阳总辐射热形成的冷负荷， 又称负荷强度，W／m 。 2．2 冷负荷系数法 Mitalas和 Stephenson(1967)提出的反应系数法 (传递函数法)就是将墙体和房间分别当作线性的 热力系统，利用系统传递函数得出某种单位扰量下 的各种反应系数，再用反应系数来求解传热量和热 负荷，计算得热和冷负荷，不考虑外扰是否呈周期 性变化，也不用傅里叶级数表示，用时间序列表示 外扰变化。 传递函数法是对反应系数法的一种改 进。计算由得热量引起的房间冷负荷时，将围护结 构连同空气视为一个热力系统，将空调房间得热量 作为系统的输入扰量，而空调冷负荷作为这一热力 系统的输出，即对扰量的响应。冷负荷系数法是建 立在：传递函数基础上的一种简化手算方法。它把 得热计算和负荷计算两步合并成一步，通过冷负荷 温度(或冷负荷温差)直接从外扰来计算负荷。冷 负荷温度可以根据某地的气象、室内设计参 数、不同建筑类型等典型条件事先计算成表格查 用。对日射得热采用与冷负荷强度意义类似的冷负 荷系数来简化计算。其基本计算式 如下 1．外墙和屋面瞬变传热形成的冷负荷： Q。㈩ =KF(f：( )一t )k。kp 式中，Q ㈩为通过外墙和屋面的得热量所形成的冷 负荷，W；K为外墙和屋面的传热系数，W／(II1 · oC)；F为外墙和屋面的面积，m2；t。 为外墙或 屋面冷负荷逐时计算温度，℃；t 为室内设计温 度，oC；t：( )=t。( )+td，f ( )为经过修正的本地外 墙或屋面计算温度逐时值，oC；t 为地点(上海市) 修正值，oC；k。为外表面放热系数修正值；kp为吸 收系数修正。 2．(1)外窗瞬时传热冷负荷： Q。( )=KF(t。( )一t ) 式中，Q 为外玻璃窗瞬变传热引起的冷负荷， w；F为窗 口面积，rn ；K为玻璃窗传热系数， W／(rn ·oC)。 (2)玻璃窗的日射得热引起的冷负荷 Q ( )=C A C CiDj CLQ 式中，A 为窗户面积，rn ；C 为有效面积系数； C 为窗玻璃的遮阳系数；Ci为窗内遮阳设施的遮 阳系数；C。 为窗玻璃冷负荷系数；Dj 为夏季各 纬度带的日射得热因数最大值，W／m 。 3 谐波法及冷负荷系数法的实例计算 比较 实例简介：上海某商务大厦一层某办公室，面 积50 m ，层高4．2 rn，东外墙面积 18．78 rn ，K= 2．01 w／(rn ·℃)，内墙面积 5．04 rn ，K=1．76W／ (i"I1 ·℃)、放热衰减度 =2。0(楼板的 =1．5， 综合考虑，房间类型为中型)，地面 K=3．13 w／(rn 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 裴 芳，等：两种冷负荷计算方法的比较 17 · qC)，内门面积2．52 m ，K=2．90 W／(m ·qC)， 东外窗面积 14．4 m ，K=3．4 w／(nl ·qC)。 空气参数：大气压 1005．30 kPa，室外计算干 球温度 34．oO℃，室外相对湿度 83．00％，空调 日 平均计算温度 3O．4 qC，计算日较差 6．90 qC，室外 湿球温度 28．2O qC，室外平均风速3．00 m／s。 考虑该大厦用于商务办公，空调的运行时间主 要为上班时间，所以计算负荷时取 6～18时。笔者 采用前述两种负荷计算理论，按照其简化计算方 法，分别对此办公室冷负荷进行了计算，谐波法得 出此房间最大冷负荷(不包括新风冷负荷)出现在 上午 9点钟，为 6053 W；冷负荷系数法得出房间 最大冷负荷(不包括新风冷负荷)出现在上午 9点 钟，为6677 W。具体结果如表 1、2。 表 1 谐波法计算得出房间总冷负荷 单位：W 我们把两种方法计算出的各项冷负荷在总冷负 荷中所占比例示于图 1中。 2400 ： 21OO 18OO ； 1 500 誊1200 9OO 600 3OO O 外墒 商他热 商 F1射 人 员 灯 光 墒 内 ¨ 楼扳 设桥 负荷项 日 图 1 房间各项负荷组成比较 维普资讯 http://www.cqvip.com l8 低 温 与 特 气 第26卷 6OO．O 5OO．O 400．0 300．0 200．0 1OO．O O．O 06：00 07：00 08：00 09：00 l0：00 ll：00 l2：00 l3：00 ¨ ：00 l5：00 l6：00 1 7：00 18：00 时 刻 图2 两种算法下东外墙冷负荷比较 3000．0 } 2500．0 辖 2000． 0 1500．O l000．0 500．0 O．0 4 结 论 06：00 07：00 08：00 09：00 10：00 1l：00 12：00 13：00 14：00 15：00 16：00 17：00 18：00 时 刻 图3 两计算方法下的东外窗日射得热冷负荷比较 通过计算和上述图示，容易发现两种方法对房 间总冷负荷的计算结果基本一致，但在围护结构传 热形成冷负荷，尤其是外墙传热冷负荷及外窗日射 得热冷负荷两项上存在较大差别。 在外墙传热和外窗瞬时传热上，两种方法的手 算公式都演化成了基本的传热公式，即 Q=KFAt， 对比它们的简化公式，区别就是谐波法的 △ ．，和冷 负荷系数法的( ( )一￡ )。而此处的 △ 和 ￡ ( )则都 是根据一些典型条件事先计算成的表格里查出的。 在外窗日射得热引起冷负荷一项中，谐波法使用了 负荷强度的概念，即计算时刻透过单位窗口面积的 太阳总辐射热形成的冷负荷，而冷负荷系数法则采 用另外两个因子 CLQ·D_ma ，即窗玻璃冷负荷系数 与夏季各纬度带的日射得热因数最大值的乘积。 两种手算公式都是由原理论公式简化而来，简 化后公式中又各存在多个由先前理论值集成的“负荷 参数”，在计算建筑负荷时这些输入数据以及其它不 确定参数，比如维护结构的传热系数、建筑内人员 的数量及活动方式、室外气象参数等，这些不能精 确确定的参数比模型简化带来的误差更难以确定。 随着对负荷问题应用研究的发展，各种空调负荷模 拟软件及模型纷纷出现，至于比较本文中哪种方法 的简化与计算更接近实际值，笔者认为值得考究。 参考文献： [1]王 朋．建筑空调动态负荷计算分析[D]．上海 ：上海交 通大学 ，2007． [2]陆 桢．重庆市高层办公建筑空调负荷特性与能耗分析 研究[D]．重庆：重庆大学，2007． [3]赵荣义 ，等．空气调节 [M]．3版．中国建筑工业 出版 社 ，1994． [4]陆亚俊，等．暖通空调[M]．北京：中国建筑工业出版 社 ，2005． 作者简介： 裴 芳 (1982一)，女，助理工程师，研究生在读，研究 方向：建筑环境模拟与测试技术。 维普资讯 http://www.cqvip.com