建筑熱過程講稿

建筑空調負荷計算與建筑非穩(wěn)定傳熱分析

BuildingCoolingLoadCalculation

&ApplicationofBuildingSimulation主要內容一、建筑空調負荷計算(BuildingcoolingLoadCalculation)1、建筑空調負荷計算的發(fā)展過程2、目前的空調負荷計算方法3、國內空調負荷計算方法應用情況二、建筑圍護結構非穩(wěn)定傳熱分析(BuildingTransientHeatTransferAnalysis)1、圍護結構非穩(wěn)定傳熱分析方法2、頻域回歸方法3、方法的應用狀況

建筑圍護結構非穩(wěn)定傳熱分析，是空調負荷計算和建筑仿真的理論基礎和重要組成部分。建筑空調負荷計算的發(fā)展過程第一個階段，穩(wěn)態(tài)傳熱計算時期1911年，空調之父—Carrier發(fā)表了合理的溫濕度公式和絕熱飽和理論開始；不區(qū)分房間得失熱量和房間冷熱負荷兩個不同概念；把穩(wěn)定傳熱得熱量直接當作房間冷熱負荷。第二個階段：準穩(wěn)態(tài)傳熱計算時期

Mackey和Wright于1944、1946年發(fā)表了關于周期熱流計算的文章，提出當量溫差法：前蘇聯(lián)在1952年出版的《周期熱作用下的傳熱》中提出了諧波反應法；仍未區(qū)分房間的得失熱量和房間冷熱負荷。第三個階段：動態(tài)負荷計算時期反應系數(shù)法與z傳遞函數(shù)法(TFM)：Stephenson和Mitalas于1967和1972年提出；熱平衡方法：空調冷熱負荷的一種精確計算方法，它是通過求解房間的熱平衡方程來計算冷熱負荷的；輻射時間級數(shù)(RTS)方法：基于冷熱負荷計算是以氣象參數(shù)周期性地作用于圍護結構的這一假設條件。*有學者認為：空調系統(tǒng)動態(tài)負荷模擬與能耗分析(HVACSystemSimulationandEnergyAnalysis),BuildingSimulation為第四個階段:1979(DOE-2,TRNSYS,Energy+，HVACSim,etc.)目前的空調負荷計算方法1、反應系數(shù)法(ResponseFactorsMethod)和z傳遞函數(shù)法(TransferFunctionMethod，TFM)2、輻射時間序列法(RadiantTimeSeriesMethod,RTSM)傳遞函數(shù)法輻射時間序列法概述國內空調負荷計算的應用情況國內60年代才開始有空調應用，空調負荷計算以前蘇聯(lián)的諧波反應法為基礎。1978年研究自己的空調負荷計算方法。1982年確立，包括氣象參數(shù)、窗玻璃光學性能、冷負荷系數(shù)法、諧波反應法及供暖負荷五個部分。一直被使用。2001年頒布《冬冷夏熱地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》，要求用動態(tài)計算方法計算空調負荷，推薦用DOE-2和DEST等軟件計算。正在考慮開發(fā)基于輻射時間序列方法（RTSM）的計算軟件。目前，已經(jīng)開發(fā)了國內常用墻體和屋頂?shù)膫鳠醾鬟f系數(shù)和周期反應系數(shù)等基礎數(shù)據(jù)表。二、建筑非穩(wěn)定傳熱分析通過圍護結構的傳熱得熱是空調負荷和建筑能耗的重要組成部分；冬冷夏熱地區(qū)氣溫和太陽輻射的變化較大，建筑圍護結構處于非穩(wěn)定傳熱狀態(tài)；建筑非穩(wěn)定傳熱分析是建筑空調負荷計算、空調系統(tǒng)模擬、建筑能耗模擬、建筑節(jié)能性能評價的基礎；它的創(chuàng)新決定著負荷計算或能耗模擬方法的發(fā)展和進步。

建筑非穩(wěn)態(tài)傳熱分析的目的

建筑非穩(wěn)態(tài)傳熱分析方法數(shù)值分析方法：偏微分方程+有限差分法法（1965，BriskenandReque）諧波分析法：周期室外氣象參數(shù)+傅立葉級數(shù)展開(1944,MackeyandWright，前蘇聯(lián))反應系數(shù)法:求墻體對單位三角溫度的響應的逐時值傳遞函數(shù)法:求墻體對單位三角溫度的響應的z-變換反應系數(shù)和z-傳遞函數(shù)的計算方法1、直接求根法(DirectRoot-findingMethod)：

(經(jīng)典方法)

(

StephensonandMitalas1967,1972；HarrisandMcquiston1988)

傳熱偏微分方程+拉普拉斯變換傳熱超越型s-傳遞矩陣特征值(特征根)拉普拉斯逆變換單位溫度三角波響應逐時離散值(反應系數(shù))或Z-變換(z-傳遞函數(shù))。

(易丟根導致計算錯誤)反應系數(shù)和z-傳遞函數(shù)的計算方法2、狀態(tài)空間法(StateSpaceMethod)：

(JiangYi,1982;OuyangandHaghighat,1991；etc.);傳熱墻體偏微分方程狀態(tài)空間模型矩陣冪級數(shù)展開Leverrier-Faddeeva變換z-傳遞函數(shù)系數(shù)。

(大矩陣的冪級數(shù)分解計算，迭代計算時間長)反應系數(shù)和z-傳遞函數(shù)的計算方法3、時域法(TimeDomainMethod)：

(Davies1996,1997)

單層墻體偏微分方程和傅立葉方程溫度激勵響應(斜坡激勵)+零時瞬態(tài)響應逐層演推反應系數(shù)和z-傳遞函數(shù)系數(shù)。

(需要逐層演推，且求多個時間延遲的迭代計算時間長)反應系數(shù)和z-傳遞函數(shù)的計算方法4、頻域回歸法[FrequencyDomainRegression(FDR)Method]：

(YoumingChen&ShengweiWang,2000,2003)墻體傳熱傳遞矩陣（超越型s-傳遞函數(shù)）理論頻率響應特性多項式s-傳遞函數(shù)拉普拉斯逆變換（Z變換）反應系數(shù)、周期響應系數(shù)、z-傳遞函數(shù)系數(shù)。

(計算簡單，不會出現(xiàn)錯誤結果。但多項式的項數(shù)和頻率點數(shù)對計算精度有影響。)頻域回歸法(FDRMethod)1、傳熱傳遞矩陣a、平板墻體b、圓柱形墻體c、圓柱形墻體頻域回歸法(FDRMethod)2、理論頻率響應特性用jω代替墻體傳熱傳遞矩陣的拉普拉斯變量s，ω為頻率，j為復數(shù)理論頻率響應特性G(ω)。計算時，先計算墻體每層的傳遞矩陣的復頻率函數(shù)，通過矩陣乘積來得到理論頻率響應特性G(ω)。，

頻域回歸法(FDRMethod)3、多項式s-傳遞函數(shù)，

通過回歸方法（簡單的矩陣計算）頻域回歸法(FDRMethod)4、拉普拉斯逆變換，

頻域回歸法(FDRMethod)5、離散或z-變換a.反應系數(shù)b.周期反應系數(shù)c.z-傳遞函數(shù)頻域回歸法(FDRMethod)6、變時間步長的模擬模型(BuildingSimulation)，

a.b.多項式s-傳遞函數(shù)頻域回歸法(FDRMethod)JeffreySpitler，OklahomaStateUniversity,1999為配合輻射時間序列方法的應用，應用HarrisandMcquiston(1988)計算出的導熱傳遞函數(shù)系數(shù)計算出ASHRA