设计用建筑物冷热负荷计算方法

1、设计用建筑物冷热负荷计算方法研究课题评议及科研成果综述单寄平© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.设计用建筑物冷热负荷计算方法研 究课题经过国内十四个参加单位四年来的共 同努力已告完成，并于1982年6月25月至30 日在大连市旅顺口召开的科研成果评议会上 获得通过。城乡建设环境保

2、护部科技局和国家经委 基建办公室委托中国建筑科学研究院为组织 评议审查单位，负责主持评议会。城乡建设 环燒保护部科技局和工业企业暖通空调规范 管理组有关同志出席了会议。评议委员会由 28人组成。参加这一研究课题的有中国建筑科学研 究院空调研究所、同济大学、重庆建筑工趕 学院、西安冶金建筑学院、哈尔滨建筑工程 学院、北京市建筑设计院、北京建筑工程学 院、贵州省建筑设计院、有色冶金设计研究 总院、纺织工业部设计院、南京大学气象 系、西北建筑设计院、西北电力设计院和西 南建筑设计院等单位的30余名成员。评议会首先由研究课题组负贵单位中国 建筑科学研究院空调研究所，向会议作了关 于这一研究课题工作情况

3、的简要汇报。经过 从1978年4月到1982年5月的四年工作，课 题组完成了大量研究、实测、验证和计算工 作，共向评议委负会提交了二十九份研究成 果报告。由于领导部门的关怀和支持，成员 单位的共同努力，国内许多兄弟单位的大力 支持和协助，整个协作攻关任务基本上按计 划要求完成。评议会先宣读各部分科研成果报告，继 之由评议委员们评议审査各部分科研成呆。经过质疑、答辩和讨论，得出了评议审査意 见，并于会后颁发了这一课题研究成果技术 评议证书。这一科研成果包描气象参数、窗玻璃太 阳光学性能、冷负荷系数法、谐波反应法和 供暖负荷等五个主要部分。现分述如下。一、气象参数部分1 室外空气干球计算温度：提出

4、了两种 夏季空调设计标准天干球温度构成方法。甲、日较差比值法此法对北京、西安两地区，利用十年的 七月逐时气温进行了统计计算和分析,对全 国有代表性的部分地区用六年的七月逐时气 温作了统计分析，并具体地比较了全国各地 日较差比值的差异性情况，给出了一个对全 国各地日较差比值进行分类的近似准则，将 全国的日较差比值大体分为三种类型。先用 以北京地区为典型站的I型日较差比值作为 全国通用的设计值（最大很差不超过18乜）， 并在工业企业暖通空调设计规范已给定夏季 空调室外计算温度和空调日平均温度的条件 下，给出了确定设计日较差的方法。乙、模比系数法此法利用我国近期十年的气象观测资 料，分析了 11个城

5、市日气温实测过程的待 征，选定典型站，采用一定的抽样方法，运 用数理统计和谐波拟合方法，求得典型站的 日气温变化过程线，据此再经模化处理，得 出适用于我国的模化概型，即乞或伏模化系 数。为验证模化概型推广到全国各地的可靠© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.性，利用全国不同台站的实测日气温过程 线，进行显著性检验，发现无显著性差异。 此外还进行了相似性检验，以证明所推求的 线型用于全国具有合理性和可鼎性。山于标准久温过程的推求系在实际气象 观测资料的基础上

6、作数理统计和谐波数学模 拟，所用原始资料只有随机的气温观测值， 故结论可独立于各种空调计算方法和各种墻 体结构，从而使这一成果具有更普遍的实用 意义。2日射辐射强度和日射得热因数根据经验和理论分析，建立了在晴天和 实际条件下，水平面上总辐射、散射辐射时 总量与日总虽比值为时间、昼夜和大气透明 度参数的函数关系式和一奁比值计算图。根 据确定出的比值和相应的总辐射日总虽和散 射日总量，可以简便地确定出水平面上对应 的日射强度。用此法得出的日射强度值达到 了所需要的精度。此法较之过去克接根据日 射站逐时H射观测资料统计岀的不同朝向熾 面日射强度值的方法，大为减少了计算工作 ft,与国外同类工作相比，

7、也是一个重突的 改进。此外，还提出了将水平面上口射强度换 算到倾斜面（包括墻面）上日射强度值的简 便方法。据此，提出了简便易行的墙面日射强度 和日射得热因数统计方法。按照本踝题冷负荷计算方法的要求，并 参照美、日等国的取值原则，经过比较，对 冷负荷以取夏季七月份最大日总虽:历年月平 均最大值为宜，而对热负荷则取冬季半月平 均日总量值较为合适。于是，分别给出冷负 荷计算所需的仝国2个城市墙面日射强度和 日射得热因数及热负荷计算所需的全国20个 城市墻面日射强度和日射得热因数，以及有 关的统计方法。此法不仅适用于统计建筑物冷热负荷所 需的日射强度值，而且也适用于统计有关建 筑热工和太阳能利用方面所

8、需的日射强度 值。二、窗玻璃的太阳光学性能1在国内首次利用辐射计法，对国内主 要玻璃厂的窗玻璃样品（平板）测试出其太 阳光学性能（反射率、吸收率、透过率）。 本法待点是能分离出玻漓对直射辐射和散射 辐射的太阳光学性能，而美国ASHRAE有 关标准所提供的方法未能将两者分离。2 根据现有的公式建立了计算玻璃太阳 光学性能的数学槐型，算出了完整的数据， 并经实验验证，以保证这些数据是可信的。 从此便有了我国自己的窗玻璃太阳光学性能 数据。3. 提出了 “标准玻璃”的槪念，并提供 了有关数据，便制作符合我国国情的口射得 热因数表有了基础数据C4. 此外，对非标准玻璃的日射得热计算 提供修止方法。三、

9、冷负荷计算方法一冷负荷系数法1在分析比较了国外几种先进的计算方 法的基础上，选择了 z传递函数法，用以建 立国内设计用建筑物冷负荷计算方法。通过 从1978年至1981年四年来对中国建筑科学研 究院空调研究所空调负荷试验室、广州东方 宾馆、北京安外统建高层住宅楼、西安冶金 建筑学院综合试验楼等处不同建筑构造楼房 的多次实测试验，运用回归分析等数理统计 方法处理试验数据，综合得出可以代表国内 现有的常用民用和公用建筑物类型的房间传 递函数系数值"2 利用由试验得出的窗（包括无内遮阳 和有内遮阳）、墙及屋面的房间传递函数系 数值，通过电算程序，产生出全国40个地点 （包括30个省、市、自

10、治区首府所在地）九 个不同朝向的逐时冷负荷系数值表。© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.http:/Ak点。这一程序曾经过反复验证，运算结果是 可靠的。四、冷负荷计算方法谐波反应法1 根据设计冷负荷的扰量具有周期性这 一转点,在对国外冷负荷计算理论进行分析 比较之后，决定只使用物理童义明晰并被人 们广泛接受的“衰减”和“延迟”这两个槪 念，直接从描述传热过程的偏微分方程出 发，研究了建筑物围护结构的吸热和放热过 稈。根据空调房间得热转化为冷负荷的机 理，

11、建立相应的数学模型加以求解，得出所 定义的“房间放热衰减”和“房间放热延 迟”的分析表达式，从而提出了新的谐波反 应法，并给出了房间辐射热分配系数。该法 解决了墙、窗和屋面等传热、外窗的日射得 热、灯光、人体以及其他室内热源等各分项 得热转化为冷负荷的计算，并且取得了与反 应系数和传递函数法一致的计算结果。通过 与国外数据的对比和对国内实测结果的验 算，初步表明该法是简便可行的。2在谐波反应法计算原理指导下，结合 我国具体情况，编制了空调设计冷负荷的工 程计算法条文及附录。主要特点是：气象参 数和基本数据尽可能采用我国自己的研究成 果经过相似性分析考虑了城市的代表性， 对全国进行了计算分区；根

12、据我国典型房间 圉护结构的热特性而不是根据单位面积重 量，对围护结构和房间逬行分类；给出了我 国常用构造的各种热工指标；从尽可能减少 中间计算工作量出发，给出了墻体、屋面、 窗戸、灯、人体以及室内热源设备负荷计算 所需的一系列数字计算表，以供设计人员试 用。五、供暖负荷1将朝向修正按可分朝向及不可分朝向 调节两种情况分别给出。对可分朝向调节的3httD：/ki,n3 又于1981年夏分別在武汉武钢第四招 待所和中国建筑科学研究院空调研究所空调 负荷试验室对用此法计算得出的窗的日射冷 负荷做了实测试验验证，以证实所得出的冷 负荷系数值的可靠性，确定此法可提供作为 今后新建和改建的民用和公用建筑物

13、及与此 类似的建筑物计算空调冷负荷时试用。4 为了便于设计人员简捷准确地计算出 所需要的设计用逐时得热量和空调冷负荷， 这-计算方法系以计算表的形式给出，较之 以往计算方法使用起来更加方便，并可节省 计算时间。5 .对全国40个地点的日射得热因数和冷 负荷系数进行了相似性分析，从而为产生出 形式更为简洁的冷负荷系数值表的可能性提 供了依据。6.通过1980年和1981年分別在广州东方 宾馆和武汉武钢第四招待所就国内六种常用 窗帘对日射遮挡效果的对比实测和对典型窗 帘的验证测试，提出了国内六种窗帘的日射 遮拶紊数值，可供设计试用。7提供了外遮阳窗的阴影计算、日射得 热和冷负荷的计算方法，并作了实

14、例验证。&实休围护结构z传递函数系数的求取 采用了国外电算程序的数学模型，对这一数 学模型作了论证和推导。结合国内具体情 况，对围护结构冷负荷计算方法作了简化处 理，分别提出了墙体、屋面和玻璃窗冷负荷 计算温度值表。为了便简化后的计算表能适 用于各种条件，经过大量计算、检验和分析 工作，提出了各种相应的修正方法。所编制 的计算值表可供设计试用。9 本成果提供了计算设计用建筑物冷负 荷（包括室内负尊）的电算程序，由主程序 和10个子程序组成，其中实体围护结构z传 递函数系数这一部分引用了国外程序，也根 据国产机器作了51新编译和修改。这一程序 功能比较齐全，数据处理比较经济，通用性 强，

15、且具有祐度高、速度快和操作简便的特 供暖系统，朝向修正的主要目的是解决最大 热负荷的计算，因此应根据室外计算温度条 件考虑其修正值。而对于不可分朝向调节的 供暖系统，则朝向修正的目的是使不同朝向 的房间平均室内条件基本相同，因此应按供 暖平均室外条件考虑。提出了计算朝向修正 的计算式，并经过实测验证。给出全国20个 主要供暖城市的两种分别按窗、墙提供的朝 向修正值，以及简化的百分比修正。2通过实测，证实了在室内外温度相同 时，间歇供暖和连续供暖两者的能耗是相同 的，成果中分析了热负荷计算中各项得失热 量与实际存在的差额。3.通过计算分析，得出了对不同地区可 采用相同的间歇供暖设备容量系数，给出

16、了 在室温波动为±159和预热为3小时条件下 的间歇供暖容盘系数（重型建筑为2.5,中 型建筑为2.8）。4高层建筑渗透风的计算是出前高层建 筑设计中急待解决的问题之一。根据国内外 渗透风计算方法，经过理论分析比较，提出 适合我国情况的一般高层建筑渗透风的计算 方法及热压系数值，并得到现场实测验证， 符合实际惜况。同时对风压作用进行了探 讨，统一了多层建筑与高层建筑之间的渗透 风引起热负荷计算方法之间的矛盾。所提出 的计算方法简易可行，可供设计试用。评议委员会在评议意见中指出，多年工 程实践表明，以往国内设计采用的建筑物冷 负荷比实际所需偏大得多。产生这一原因的 因素很多，而从玻璃窗

17、进入的日射得热呈被 当作空调负荷计算，却是車要的原因之一。 本课题研究成果由于考虑了建筑国护结构等 蕎热体的吸热、蓄热和放热特性，改变了原 冇国内计算方法中得热与冷负荷不加区分的 作法，从而滅少了设计用冷负荷（减少日射 得热的30%左右），具有较好的经济效益。对室外空气干球计算温度，评议委员们 认为在现行规范数搦条件下，日较差比值法 尚可采用f模比系数法不但在现行规范数据 条件下可以采用，并且具有更广泛的您义。 对日射辎射强度，则认为研究报告中提出的 论证是合理的，方法是简易可行的。对窗玻璃的太阳光学性能，评议意见指 出这一研究在国内首次利用辐射计法，对国 产玻璃的宜射辐射和散射辐射的太阳光学

18、性 能，作了系统而周密的测试，给出的“标准 玻璃”的相应数据是符合国情的和可行的； 对于非标准玻璃给出的数据修正方法是合理 的。对冷负荷计算方法，评议意见认为，冷 负荷系数法在分析了国外先进计算方法的基 础上，选择了 “Z传递函数系数法”。该法 除可计算设计冷负荷外，同时也便于进行全 年能萤分析。该法经过大最的、多方面的测 试，得出的房间传递函数系数，以及内遮阳 系数等是非常可贵的。但希望对实测资料作 出统一的综合分析包括按相似性分区给出 日射冷负荷系数）。这一方法还提供了通用 性较强和数据处理比较省机时的包括实体围 护结构的传递函数系数的建筑物冷负荷计算 电算程序。谐波反应法是为解决空调设计

19、负 荷，结合国外负荷计算的先进方法而提出 的，在解决房间负荷特性方面有创见性，其 物理槪念和数学推导易于接受。但应对数模 的建立、分配系数的论证和相似性分区的依 据进行系统的补充说明。对供暖负荷部分，评议意见认为课题组 通过一些连续的实测、分析和研究，提出的 热负荷计算的朝向修正、间歇供暖装置容量 系数和高层建筑冷风渗透研究报告的数据很 可贵，对改进当前的供暖负荷计算右着重要 的参考价值"评议意见指出：这一课题研究成果理论 基础是正确的，资料数据基本齐全可靠。对 计算旅馆、办公楼以及类似建筑的空调冷负 荷是简便的和可取的，在补充完整资料和核 实数据后可以试用。1942013 Chin

20、a Academic Journal Electroniciblishing House. All rights reserved. http:/7wv应用传递函数理论计算空调负荷(下)© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, Ki.n© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, Ki.n©

21、; 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, Ki.n© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, Ki.ni(a)g(ta)d(r(2-1 )上文已将最关键的因素传递由数求 出，按理便可计算出热流响应和最 后將它们进行拉氏逆变换返回到时域中去， 于是，计算可告全部结束。但是，由于空调 系统的扰気例如室外太阳辎射

22、和气温没有精 确的函数表达式和相应的拉氏变换式，却只 有可供直接利用的采样值(逐时观测值), 因此在实际应用中采用另一条更为方便的途 径，那就是：用卷积和的办法计算响应。一、用卷积和计算响应根据卷积(裙积)定理，关系式o(s) = G(s)心)的逆变换，也即在时域中的表达 为：o(£)= j g(r)2(t-、式中：i(”)以时间为变量的输入函数;0(。以时间为变最的输出函数; g(<r)单位脉冲响应函数。等号右边两种形式是可以互换的，称卷(褶) 积积分。积分限一般为一8到8,但可根据 具体的物理系统而改变。对于我们所研究的 系统来说，由于围护结构具有蓄热-放热待 性，所以某时

23、刻t的得热量不仅是木时刻室 外扰呈作用的结果，而且也包括了以前各时 刻的扰鼠的影响。因此，卷积分的积分限可 取一 8到切to(£)= J g(<r)i(t-<T)d(r90作变量置换t-b = T,有o(O= g(t-T)i(z)dr为了进行数值4算，通常近似地用卷积和代 替,即Q(t) Sg(t-T)i(T)Jr ( 2-2 ) r- o在图形上(图1)这相当于将输入函数近似 地以许多宽度为*高度为：(丁)的矩形脉动表© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, Ki.n© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, Ki.n© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publis