建筑環(huán)境學第八章建筑熱環(huán)境分析

建筑環(huán)境學第八章建筑熱環(huán)境分析第1頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第八章建筑熱環(huán)境分析8.1概述8.2自然室溫與建筑熱環(huán)境的全年分析8.3設(shè)計日逐時空調(diào)負荷與全年逐時空調(diào)負荷計算8.4間歇運行的空調(diào)房間負荷與全年運行能耗計算8.5

空調(diào)設(shè)計負荷的簡化計算方法第2頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月8.1概述?建筑的節(jié)能來自兩方面–良好的建筑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計（含自然通風設(shè)計）–合理的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計及運行措施?建筑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計是建筑節(jié)能的關(guān)鍵和基礎(chǔ)，因此建筑環(huán)境學的首要任務(wù)就是通過建筑熱環(huán)境分析，使設(shè)計者掌握建筑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)律。第3頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月建筑圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計內(nèi)容?已知建筑的功能要求，內(nèi)部各種發(fā)熱狀況，家俱情況等，確定合理的建筑圍護結(jié)構(gòu)：–墻體材料的厚度、層數(shù)、物性（密度、比熱、導熱系數(shù)）–窗戶材料的面積、透光性能、保溫性能–建筑物的密閉程度（門窗的滲透風量）第4頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月有關(guān)圍護結(jié)構(gòu)的問題（1）?哈爾濱的住宅建筑應(yīng)采用多大的窗墻比（普通玻璃和普通墻體材料）？如果墻體材料和玻璃的性能可隨意選擇，在哈爾濱最節(jié)能的建筑具有什么樣的圍護結(jié)構(gòu)？?哈爾濱的商用建筑應(yīng)采用多大的窗墻比（普通玻璃和普通墻體材料）？如果墻體材料和玻璃的性能可隨意選擇，在哈爾濱最節(jié)能的建筑具有什么樣的圍護結(jié)構(gòu)？第5頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月有關(guān)圍護結(jié)構(gòu)的問題（2）?什么樣的圍護結(jié)構(gòu)適合于昆明的氣候特征？什么樣的圍護結(jié)構(gòu)適合于拉薩的氣候特征？吐魯番的氣候應(yīng)采用什么樣的圍護結(jié)構(gòu)形式？?延安窯洞是節(jié)能建筑嗎？?假如材料的特性可任意選擇，你會在珠穆朗瑪峰上建何種建筑？第6頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月有關(guān)圍護結(jié)構(gòu)的問題（3）?歷史的長河形成的南方建筑與北方建筑有何區(qū)別？這種區(qū)別在哪些地方體現(xiàn)了建筑節(jié)能的思想？?如果墻體材料和窗戶材料的性能可任意改變，南方建筑與北方建筑的圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)有何區(qū)別？?徽派建筑與喬家大院的圍護結(jié)構(gòu)有何區(qū)別？是否分別適應(yīng)了當?shù)氐臍夂驐l件？第7頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月空調(diào)負荷與運行能耗?建筑熱環(huán)境分析的另一方面就是得到建筑的空調(diào)負荷，從而為空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計選型打下基礎(chǔ)?如果不考慮具體的空調(diào)系統(tǒng)形式（可避免不同系統(tǒng)形式帶來的差異），而以房間的逐時空調(diào)負荷做為運行能耗的參照標準，就可將建筑的運行能耗與建筑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計聯(lián)系起來第8頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月有關(guān)空調(diào)負荷與能耗的問題（1）?24小時連續(xù)運行的建筑空調(diào)負荷如何計算？間歇運行的建筑空調(diào)負荷如何計算？?間歇運行會省能嗎？一般會節(jié)省多少？間歇運行會帶來哪些問題？?冬天設(shè)計日的空調(diào)負荷采用穩(wěn)態(tài)方式計算會有多大誤差？夏季設(shè)計日若也用穩(wěn)態(tài)方式計算，又會有多大誤差？第9頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月有關(guān)空調(diào)負荷與能耗的問（2）?體育場館或影劇院若采用間歇空調(diào)方式運行，需要提前多長時間開啟空調(diào)？?間歇空調(diào)方式下的設(shè)備容量如何選??？?為什么冷庫通常不采用間歇方式運行？?設(shè)計日空調(diào)負荷與全年空調(diào)負荷各有什么用途？第10頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月8.2自然室溫與建筑熱環(huán)境的全年分析?什么是自然室溫？–在建筑物正常的使用條件下，沒有采取強化通風、采暖或空調(diào)等方式來改變室內(nèi)的熱濕狀況，在這樣的條件下形成的室內(nèi)空氣溫度稱為自然室溫?討論：自然室溫反映了什么？第11頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月影響自然室溫的因素?內(nèi)擾發(fā)熱情況：通常無法改變（但可加以利用）?當?shù)貧庀髼l件（室外氣溫變化情況、太陽輻射情況）?圍護結(jié)構(gòu)的情況（墻體材料、窗戶材料及性能）第12頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月自然室溫反映了什么？?自然室溫反映了圍護結(jié)構(gòu)對外界氣候和建筑使用條件的綜合調(diào)節(jié)作用。圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計是否合理，通?？梢酝ㄟ^自然室溫看出來。?如果一個建筑的自然室溫在舒適范圍內(nèi)，則可不用空調(diào)。第13頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)于自然室溫的問題（1）?重型（密度較大，比熱較大）墻體材料在夏季會降低自然室溫嗎？在冬季會提高自然室溫嗎？?輕型（密度較小，比熱較?。w材料在夏季會提高自然室溫嗎？在冬季會降低自然室溫嗎？?建筑物需要保溫材料嗎？是重型材料加保溫材料好呢還是輕型材料？保溫材料放在墻體外表面好呢還是放在內(nèi)表面好呢？第14頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)于自然室溫的問題（2）?窗戶會導致自然室溫在夏季上升、在冬季下降嗎？?全玻璃墻的建筑自然室溫如何變化？?如果玻璃的性能可隨意改變，你會選用多大的窗墻比？采用何種性能的玻璃？?大量的商用建筑采用玻璃幕墻，你認為其合理的地方是什么？不合理的地方又是什么？第15頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月建筑熱環(huán)境的全年分析?氣象參數(shù)具有隨機性，用于熱環(huán)境分析的氣象參數(shù)應(yīng)具有代表性，通常選取“典型年”的氣象參數(shù)為代表?“典型年”有兩種方法得到–歷史上近若干年中氣象參數(shù)最接近這些年平均值的年作為代表年（真實年）–由“平均月”構(gòu)成，每個平均月用歷史上近若干年中氣象參數(shù)最接近這些年此月平均值的月代表（平均月不一定出在同一年）第16頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)于全年氣象參數(shù)的問題?按代表年氣象參數(shù)設(shè)計的建筑是否一定節(jié)能？?在建筑節(jié)能分析（尤其是改造建筑）中通?？傻贸鼋Y(jié)論，采用某技術(shù)后將節(jié)能10%，但實際節(jié)能數(shù)量可能不是這一指標，如何說明你的節(jié)能措施確實有效？?全年氣象參數(shù)是否要考慮城市化帶來的影響？是否要考慮小區(qū)的微氣候？第17頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月全年自然室溫計算?對所考慮建筑列圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面和室內(nèi)空氣的熱平衡方程，如果已知系統(tǒng)的除熱量，則可用前幾章介紹的方法給出圍護結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定傳熱、內(nèi)擾的對流和輻射、圍護結(jié)構(gòu)各表面和空氣得到的各種對流和輻射熱量，從而可以計算圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面和空氣的全年溫度變化?如果除熱量為0，則可得到全年自然室溫第18頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月自然室溫舉例分析?長8m,寬5m,高3.6m的屋子；設(shè)備5W/m^2,燈光5W/m^2,人員0.05人/m^2；晚上8:00-早上6:00無熱擾；家具系數(shù)1,窗墻比0.3,通風1次/小時,地理位置北京第19頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月輕型與重型材料的比較工況第20頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月冬季設(shè)計日的自然室溫第21頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月夏季設(shè)計日自然室溫第22頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月2月1日-2月5日自然室溫變化圖第23頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月4月1日-4月5日自然室溫變化圖第24頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月7月1日-7月5日自然室溫變化圖第25頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月冬季設(shè)計日不同窗墻比的自然室溫第26頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月冬季設(shè)計日輻射變?yōu)樵瓉韮杀恫煌皦Ρ鹊臏囟鹊?7頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月夏季設(shè)計日不同窗墻比的自然室溫第28頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月夏季設(shè)計日輻射變?yōu)樵瓉韮杀恫煌皦Ρ鹊氖覝氐?9頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月冬季設(shè)計日窗墻比0.6不同通風下的室溫第30頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月夏季設(shè)計日窗墻比0.6不同通風下的室溫第31頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月窗墻比為0.8時的自然室溫第32頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月冬季設(shè)計日自然室溫第33頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月夏季設(shè)計日自然室溫第34頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月夏季加遮陽后設(shè)計日自然室溫第35頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月8.3設(shè)計日逐時空調(diào)負荷與全年逐時空調(diào)負荷計算?在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中，往往只關(guān)注設(shè)計日的負荷，以確定設(shè)備容量?所謂設(shè)計日空調(diào)負荷，是指設(shè)計日氣象參數(shù)以24小時為周期作用于建筑時，該建筑的空調(diào)負荷。設(shè)計日空調(diào)負荷分尖峰負荷和設(shè)計日逐時負荷。?設(shè)計日空調(diào)負荷有兩類計算方法：詳細計算和簡化計算第36頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)計日空調(diào)負荷?按照設(shè)計規(guī)范中當?shù)氐娜蛰椛鋮?shù)，列所考察建筑內(nèi)表面和室內(nèi)空氣溫度的熱平衡方程組，用周期反應(yīng)系數(shù)或普通反應(yīng)系數(shù)方法計算非穩(wěn)態(tài)傳熱，確定室內(nèi)設(shè)計溫度，用迭代法或消元法求解代數(shù)方程組，就可得到各房間逐時需要的除熱量，即為設(shè)計日逐時負荷?因此，只要已知設(shè)計日氣象參數(shù)、建筑內(nèi)擾和建筑結(jié)構(gòu)，就可得到設(shè)計日負荷第37頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月計算設(shè)計日空調(diào)負荷的方程組?房間各壁面和空氣熱平衡方程?將室內(nèi)空氣溫度設(shè)為設(shè)定值，求出HE(n)第38頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)于設(shè)計日空調(diào)負荷求解討論?室內(nèi)空氣溫度是用固定值，還是用溫度范圍（如24±1）？?當室外空氣的焓值低于室內(nèi)空氣時，是采用自然的滲風量，還是采用系統(tǒng)的全新風送風量？第39頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)計日氣象參數(shù)?由于冬季采暖負荷可用穩(wěn)態(tài)方式計算，冬季設(shè)計日只需確定室外計算溫度。室外計算溫度一般取不保證率為5天的日平均溫度?夏季由于墻體的蓄熱特性，室外計算溫度需給出逐時值。夏季設(shè)計日外溫變化過程可用模比系數(shù)給出第40頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月夏季設(shè)計日外溫計算公式?根據(jù)統(tǒng)計，全國主要城市夏季日氣溫變化過程線基本一致，可用下列公式計算第41頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月夏季設(shè)計日最高外溫?采用該城市近十年夏季最熱三個月的日最高氣溫，按不保證率為2.5%和5％得到不同級別的設(shè)計日最高外溫?日較差則以平均溫度為依據(jù)，選取平均溫度最高的46天或92天，得到日較差的平均值，作為設(shè)計日的日較差第42頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月模比系數(shù)?分析發(fā)現(xiàn)，各城市均可用下列標準模比系數(shù)構(gòu)成設(shè)計日過程線第43頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)于設(shè)計日氣象參數(shù)?冬季設(shè)計日采用室外計算溫度與采用設(shè)計日逐時溫度計算出的負荷有多少差別？?模比系數(shù)可得到不同城市夏季設(shè)計日逐時外溫，但其他氣象參數(shù)（如濕度、太陽輻射、風速等）如何確定？?如果有近若干年的氣象參數(shù)（生成的或?qū)崪y的），如何確定設(shè)計日的氣象參數(shù)？第44頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)計日空調(diào)負荷的計算方法?設(shè)計日逐時空調(diào)負荷計算步驟：–計算各種墻體的反應(yīng)系數(shù)（或衰減倍數(shù)）–計算設(shè)計日逐時溫度和室外空氣綜合溫度–計算各種內(nèi)擾（分對流和輻射）–計算圍護結(jié)構(gòu)各表面得到的太陽輻射和內(nèi)擾輻射熱量–計算各房間的空氣滲透量–列各房間熱平衡方程，求解熱平衡方程組第45頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月全年逐時空調(diào)負荷計算?如果已知所需要的房間溫度，則用房間熱平衡方程組可以得到各個房間所需要的除熱量，此除熱量即為房間全年空調(diào)負荷?全年空調(diào)負荷一般為室內(nèi)溫度全天保持不變，但冬天和夏天可以保持不同的室內(nèi)溫度?當采用間歇方式運行時，所需的空調(diào)負荷為間歇運行空調(diào)負荷第46頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月全年氣象參數(shù)的獲得?最早采用氣象臺的實測數(shù)據(jù)–可靠，但早期不是逐時的，有些項目未測–不是所有城市的氣象數(shù)據(jù)都齊全?生成氣象數(shù)據(jù)法–江億院士提出的隨機氣象模型：通過對氣象參數(shù)的整理發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過某種變換后，氣象參數(shù)具有很好的統(tǒng)計規(guī)律；利用反變換可生成在統(tǒng)計意義上與已有數(shù)據(jù)相同的氣象數(shù)據(jù)第47頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月8.4間歇運行的空調(diào)房間負荷與全年運行能耗計算?間歇運行空調(diào)系統(tǒng)除熱量、空調(diào)負荷及室溫變化如下圖所示，分為調(diào)節(jié)期、間歇期和預(yù)冷期第48頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)于間歇運行的空調(diào)負荷?很多人將間歇運行的空調(diào)逐時的除熱量也稱之為空調(diào)負荷，這個說法是不準確的。間歇運行的空調(diào)負荷不僅取決于不需要空調(diào)和需要空調(diào)的時間段，還取決于提前多長時間開啟空調(diào)以使需要空調(diào)時的溫度能得到保證。因為在提前開啟空調(diào)的時間段里，房間的參數(shù)是不必保證的，也是不能保證的。第49頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月調(diào)節(jié)期的除熱量?調(diào)節(jié)期的除熱量不等于空調(diào)負荷?當我們僅說空調(diào)負荷時是指連續(xù)運行，如把間歇運行的除熱量說成負荷時，則為間歇空調(diào)負荷第50頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月計算間歇運行空調(diào)系統(tǒng)負荷的方法?房間蓄熱反應(yīng)系數(shù)法（適用于設(shè)計日負荷及設(shè)備選型）?逐時分析法（適用于全年分析或設(shè)計日分析）第51頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月房間蓄熱反應(yīng)系數(shù)?當房間空氣溫度發(fā)生一個單位等腰三角波形的變化時，此后各時刻房間圍護結(jié)構(gòu)和家俱等蓄存或放出的熱量，稱為房間蓄熱反應(yīng)系數(shù)，單位為W/℃?影響蓄熱反應(yīng)系數(shù)的因素–圍護結(jié)構(gòu)蓄熱–家俱、設(shè)備蓄熱–空氣滲透第52頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月房間蓄熱反應(yīng)系數(shù)的計算?令太陽輻射和各種內(nèi)擾均為0，室內(nèi)外空氣溫度和壁體的初值也均為0，在－和＋間作用一單位待等腰三角波，列各壁面和空氣的熱平衡方程，可求得各時刻的除熱量HE(j)?－HE(j)就是房間蓄熱反應(yīng)系數(shù)RS(j)，0時刻房間的蓄熱反應(yīng)系數(shù)RS(0)越大，則房間熱穩(wěn)定性越好第53頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月蓄熱反應(yīng)系數(shù)與蓄熱負荷的關(guān)系?n時刻房間的蓄熱負荷是由此時刻及以前時刻室溫變位造成的，因此蓄熱負荷與蓄熱反應(yīng)系數(shù)存在如下關(guān)系第54頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月室內(nèi)空氣溫度變位?根據(jù)蓄熱反應(yīng)系數(shù)與蓄熱負荷間的關(guān)系?間歇期空調(diào)系統(tǒng)停止，可用下述公式計算逐時室溫變位第55頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月房間升溫反應(yīng)系數(shù)?處于均一溫度的房間，從0時刻起向房間連續(xù)供給單位熱量（1W），則房間空氣溫度變位過程的數(shù)值，稱為房間的升溫反應(yīng)系數(shù)，用RT(j)表示?升溫反應(yīng)系數(shù)也可用房間熱平衡方程組求出，也可用房間蓄熱反應(yīng)系數(shù)求出第56頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月升溫反應(yīng)系數(shù)與蓄熱反應(yīng)系數(shù)的關(guān)系?根據(jù)蓄熱負荷計算公式?升溫反應(yīng)系數(shù)第57頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月逐時分析法計算間歇運行空調(diào)系統(tǒng)負荷?逐時分析法通過逐時過程的分析得到預(yù)冷（熱）期所需要的預(yù)冷（熱）量、空調(diào)運行后各時刻的除熱量（即間歇空調(diào)負荷）、空調(diào)停止后各時間房間熱狀況（空氣溫度、壁體溫度等）–除空調(diào)啟停時間外，還需提供提前預(yù)冷的時間（如1小時、2小時等）第58頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月逐時分析法計算間歇運行空調(diào)負荷的過程?已知初始狀況，即房間溫度、壁體溫度等；計算空調(diào)停止后室內(nèi)空氣溫度的變化過程（房間熱平衡方程組）至預(yù)冷前；?設(shè)定預(yù)冷量，計算在預(yù)冷結(jié)束時空氣溫度是否達到要求狀況；如不是，則調(diào)節(jié)預(yù)冷量，使預(yù)冷結(jié)束時室內(nèi)空氣溫度正好達到要求值；?計算空調(diào)開啟后維持房間空氣溫度為設(shè)定值各時刻的除熱量?如此循環(huán)計算，進入下一天。第59頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)于逐時分析法?如用于計算全年狀況，則經(jīng)過一定時間即可消除初始值的影響；預(yù)冷量中的最大值即為空調(diào)設(shè)備應(yīng)配備的最大容量，全年逐時的除熱量（包括預(yù)冷量）之和即代表了間歇空調(diào)的能耗?如用設(shè)計日的氣象及使用條件反復計算，即可得到設(shè)計日的預(yù)冷量和間歇空調(diào)負荷及空調(diào)停止后室溫的變化情況第60頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月8.5空調(diào)設(shè)計負荷的簡化計算?采用熱平衡方法計算房間的逐時空調(diào)負荷，一般采用成形的軟件進行，手工方法難于實施，工程中經(jīng)常采用簡化方法計算，目前應(yīng)用最多的簡化方法就是冷負荷系數(shù)法?簡化計算的條件和假定–房間尺寸和圍護結(jié)構(gòu)(分為輕、中、重型)–內(nèi)表面接受的太陽輻射百分比不隨時間變化–給定內(nèi)表面接受的內(nèi)擾輻射百分比第61頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月冷負荷系數(shù)法?冷負荷系數(shù)法就是將各種不同類型的得熱量轉(zhuǎn)化為冷負荷溫差或冷負荷系數(shù)，從而直接計算空調(diào)負荷?冷負荷系數(shù)法的計算公式參見《建筑熱過程》138～139頁和《暖通空調(diào)設(shè)計手冊》相關(guān)內(nèi)容第62頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月冷負荷系數(shù)法的來歷?冷負荷系數(shù)實質(zhì)是房間熱平衡法的一種簡化，其思路就是選取有代表性的某地夏季設(shè)計日下的外溫條件，用房間熱平衡法得到逐時空調(diào)負荷，并將其整理成冷負荷溫差，然后對不同地區(qū)進行修正；對輻射得熱，則選取不同類型的圍護結(jié)構(gòu)（輕、中、重），用熱平衡法得到不同類型輻射熱量的逐時空調(diào)負荷，并將其整理成相應(yīng)類型輻射熱的冷負荷系數(shù)第63頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月對冷負荷系數(shù)法的評價?冷負荷系數(shù)法簡單、易行，但由于它忽