第二章 空气负荷计算与送风量

第二章空调负荷计算与送风量空调房间冷（热）、湿负荷是确定空调系统送风量和空调设备容量的基本依据。在室内外热、湿扰量作用下，某一时刻进入一个恒温恒湿房间内的总热量和湿量称为在该时刻的得热量和得湿量。在某一时刻为保持房间恒温恒湿，需向房间供应的冷量称为冷负荷，相反，为补偿房间失热而需向房间供应的热量称为热负荷，为维持室内相对湿度所需由房间除去或增加的湿量称为湿负荷。房间冷（热）、湿负荷量的计算必须以室外气象参数和室内要求维持的气象条件为依据。第一节室内外空气计算参数一、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（或测相对湿度）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。这两组指标便完整地表达了室内温湿度参数的要求。舒适性空调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；工艺性空调主要满足工艺过程对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。（一）人体热平衡和舒适感周围环境温度（空气温度及围护结构、周围物体表面温度）汗腺分泌散热周围物体表面温度决定了人体辐射散热的强度。汗的蒸发强度不仅与周围空气温度有关，而且和相对湿度、空气流动速度有关。在一定温度下，空气相对湿度的大小，表示空气中水蒸汽含量接近饱和的程度。相对湿度愈高，空气中水蒸汽分压力愈大，人体汗分蒸发量则愈少。所以，增加室内空气湿度，在高温时，会增加人体的热感，在低温时，由于空气潮湿增强了导热和辐射，会加剧人体的冷感。周围空气的流动速度是影响人体对流散热和水分蒸发散热的主要因素之一。气流速度大时，由于提高了对流换热系数及湿交换系数，使对流散热和水分蒸发散热随之增强，亦即加剧了人体的冷感。人体热平衡和舒适感以上各种热交换形式都受人体的衣着影响。衣服的热阻大则换热量小，衣服的热阻小则换热量大。综上所述，人体冷热感与组成热环境的下述因素有关：室内空气温度；室内空气相对湿度；围护结构内表面及其它物体表面温度;人体附近的空气流速；人体的衣着情况（衣服热阻）。人的冷热感除与上述各项因素有关外，还和人体活动量及年龄等因素有关。1、新有效温度和舒适区新有效温度ET*是干球温度、湿度、空气流速对人体冷热感的一个综合指标，该数值是通过对身着0.6clo服装、静坐在流速0.15m/s空气中的人进行热感觉实验，并采用相对湿度为50％的空气温度作为与其冷热感相同环境的等效温度而得出的。即同样着装和活动的人，在某环境中的冷热感与在相对湿度为50％空气环境中的冷热感相同，则后者所处环境的空气干球温度就是前者的ET*。人体热平衡和舒适感两块舒适区:菱形面积(美国堪萨斯州立大学)实验得到;梯形面积是ASHRAE推荐的舒适标准55-74所绘出的舒适区。前者适用于身着0.6~0.8clo服装坐着的人，后者适用于身着0.8~1.0clo服装坐着但活动量稍大的人。两块舒适区重叠处则是推荐的室内空气设计条件。25℃等效温度线正好穿过重叠区的中心。人体热平衡和舒适感2、人体热舒适方程和PMV-PPD指标1984年国际标准化组织根据P.O.Fanger教授的研究结果，提出了室内热环境的评价与测量的新标准化方法（ISO7730）。在ISO7730标准中以PMV-PPD指标来描述和评价热环境。该指标综合考虑了人体活动强度，衣服热阻（衣着情况），空气温度，平均辐射温度，空气流动速度和空气湿度等六个因素。利用人体热平衡的原理，确定了PMV的数学表达式，并利用概率分析方法，确定了PMV和PPD指标之间的数学关系式。P.O.Fanger收集了1396名美国与丹麦受试对象的冷热感觉资料，提出了表征人体热反应（冷热感）的评价指标（PMV-预期平均评价）:人体热平衡和舒适感PMV指标代表了对同一环境绝大多数人的冷热感觉，因此可用PMV指标预测热环境下人体的热反应。由于人与人之间生理的差别，故用预期不满意百分率（PPD）指标来表示对热环境不满意的百分数。人体热平衡和舒适感在PMV=0处，PPD为5%。这意味着，即使室内环境为最佳热舒适状态，由于人们的生理差别，还有5％的人感到不满意。ISO7730对PMV-PPD指标的推荐值为：PPD10%，即PMV值在－0.5～+0.5之间。相当于在人群中允许有10％的人感觉不满意。《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）中规定采暖与空气调节室内的热舒适性指标宜为：-1≤PMV≤＋1,PPD≈26％。在实际应用中，丹麦有关公司已研制出模拟人体散热机理直接测得室内环境PMV和PPD指标的仪器，可以很方便地对房间热舒适性进行检测和评价。由于PMV指标的提出是在稳定条件下利用热舒适方程导出的，而对于人们在不稳定情况下的多变环境，如由室外或由非空调房间进入空调房间，或由空调房间走出，人的热感觉不同。因此，国内外有人在进一步研究动态环境下的热感觉指标。人体热平衡和舒适感（二）室内空气温湿度计算参数室内空气温湿度设计参数的确定，除了要考虑室内参数综合作用下的舒适条件外，还应根据室外气温、经济条件和节能要求进行综合考虑。1、舒适性空调人体热平衡和舒适感2、工艺性空调工艺性空调室内温湿度基数及其允许波动范围，应根据工艺需要并考虑必要的卫生条件确定。工艺性空调可分为一般降温性空调、恒温恒湿空调和净化空调等。确定工艺性空调室内计算参数时，一定要了解实际工艺生产过程对温湿度的要求。降温性空调对温、湿度的要求是夏季工人操作时手不出汗，不使产品受潮。恒温恒湿空调室内空气的温、湿度基数和精度都有严格要求。净化空调不仅对空气温、湿度提出一定要求，而且对空气中所含尘粒的大小和数量有严格要求。人体热平衡和舒适感二、室外空气计算参数计算通过围护结构传入室内或由室内传至室外的热量，都要以室外空气计算温度为计算依据；另外，空调房间一般使用部分新鲜空气供人体需要，加热或冷却这部分新鲜空气所需热量或冷量也都与室外空气计算干、湿球温度有关。（一）室外空气温、湿度的变化规律1、室外空气温度的日变化室外空气温度在一昼夜内的波动称为气温的日变化（或日较差）。气温日变化是由于地球每天接受太阳辐射热和放出热量而形成的。在一段时间（比如一个月）内，可以认为气温的日变化是以24小时为周期的周期性波动。2、气温的季节性变化3、室外空气湿度的变化空气的相对湿度取决于空气干球温度和含湿量，如果空气的含湿量保持不变，干球温度增高，则相对湿度变小，干球温度降低，则相对湿度加大。就一昼夜内的大气而论，含湿量变化不大（可看作定值），则大气的相对湿度变化规律正好与干球温度的变化规律相反。室外空气计算参数的取值，直接影响通过建筑围护结构的传热量及处理新风的能耗，影响室内空气状态和设备投资。（二）夏季室外空气计算参数1、夏季空调室外计算干，湿球温度夏季空调室外计算干球温度应采用历年平均不保证50h的干球温度；夏季空调室外计算湿球温度应采用历年平均不保证50h的湿球温度。统计干球温度和湿球温度时，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6h的温度值。所谓“不保证”，系针对室外空气温度状况而言；“历年平均不保证”，系针对累年不保证总天数或小时数的历年平均值而言的。2、夏季空调室外计算日平均温度和逐时温度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。夏季空调室外计算日平均温度应采用历年平均不保证5天的日平均温度。夏季空调室外计算逐时温度，可按下式确定shwpttttsh——室外计算逐时温度；twp——夏季空调室外计算日平均温度；β——室外温度逐时变化系数；△tτ——夏季室外计算平均日较差。twg——夏季空调室外计算干球温度；0.52wgwpttt夏季室外空气计算参数室外温度逐时变化系数时刻123456β-0.35-0.38-0.42-0.45-0.47-0.41时刻789101112β-0.28-0.120.030.160.290.40时刻131415161718β0.480.520.510.430.390.28时刻192021222324β0.140.00-0.10-0.17-0.23-0.26（三）冬季室外空气计算参数由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。冬季空调室外计算温度应采用历年平均不保证1天的日平均温度。当冬季不使用空调设备送热风而仅使用采暖装置供暖时，则应采用采暖室外计算温度。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。冬季空调室外计算相对湿度采用累年最冷月平均相对湿度。（四）建筑环境分析专用气象数据集第二节太阳辐射热对建筑物的热作用一、太阳辐射热的基本知识太阳辐射热量I是指一平方米黑体表面在太阳照射下所获得的热量值。太阳射线在到达大气层上界时，垂直于太阳射线方向的表面上的辐射强度I0＝1353W/m2(I0亦称为太阳常数）。当太阳辐射线到达大气层时，其中一部分辐射能量被大气层中的臭氧、水蒸汽、二氧化碳和尘埃等吸收。另一部分被云层中的尘埃、冰晶、微小水珠及各种气体分子等反射或折射，形成漫无方向的散射辐射，亦称天空辐射。其余未被吸收和散射的辐射能，则仍按原来的辐射方向，透过大气层沿直线继续前进，直达地面，故称此部分为直射辐射。到达地面的太阳辐射能量是直射辐射能量和散射辐射能量之和。太阳直射辐射是指太阳平行光线直接投射到地面上的能量，是有方向的，受到一系列因素影响。散射辐射可认为没有方向性，在晴天它只占总辐射能量的一小部分，所以太阳直射辐射是影响总辐射的主要因素。到达地面的直射辐射的方向，决定于地球对太阳的相对位置。（一）地球对太阳的相对位置纬度（Φ）：地球表面某地的纬度是该点对赤道平面偏北或偏南之角位移（由地心度量）。太阳赤纬（d)：太阳光线对地球赤道的角位移称为太阳赤纬，亦即太阳与地球中心线和地球赤道平面的夹角。地球对太阳的相对位置时角（h)：太阳时角是指OP线在地球赤道平面上的投影与当地时间12点时日、地中心连线在赤道平面上的投影之间的夹角。当地时间12点时的时角为零。地球上某一点所看到的太阳方向，称为太阳位置。太阳位置有两个角度表示：太阳高度角β和太阳方位角A。太阳高度角为太阳方向与水平面的夹角，太阳方位角为太阳方向的水平投影偏离南向的角度。地球对太阳的相对位置（二）太阳辐射强度1、太阳直射辐射强度离开大气层上界x处的太阳直射辐射强度Ix的梯度与其本身强度成正比0kxxIIexxdIkIdxk值愈大，辐射强度衰减愈大，故k值称为消光系数，其大小与大气成分、云量等有关。x为太阳光线的行进路程，即太阳光线透过大气层的距离，可由太阳位置来计算。当太阳位于天顶时（日射垂直地面），到达地面的太阳辐射强度为0kllIIe令Il/I0=P，称为大气透明度，是衡量大气透明程度的标志，P值愈接近1，大气越清彻。当太阳不在天顶，太阳高度角为β时，路程长度l'=l/sinβ。0kxxIIe地球表面处与太阳光线垂直平面上的太阳直射辐射强度（法线直射辐射强度）0mNIIP'1lmlsin大气质量到达地面的太阳辐射强度的大小取决于地球对太阳的相对位置（亦即地理纬度、季节、昼夜等），即与太阳射线对地面的高度角和它通过大气层的路程等因素有关，此外，还与大气透明度有关。太阳辐射强度2、建筑物各表面所受到的太阳辐射强度（1）直射辐射水平面上的直射强度垂直面上的直射强度（2）散射辐射水平面上的散射辐射垂直平面上的散射辐射强度太阳辐射强度太阳辐射强度（3）太阳总辐射强度水平面上的总辐射强度垂直平面上的总辐射强度式中ID―地面反射辐射强度，W/m2。暖通规范给出了在标准大气压力下，