辐射时间序列法在大空间建筑辐射热转移负荷计算中的应用研究
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摘 要
大空间建筑分层空调负荷作为大空间空调设计的关键因素，与空调能耗密切
相关。目前，大空间建筑分层空调负荷计算除了考虑空调区的全室负荷，还包括
非空调区向空调区的对流热转移和辐射热转移形成的对流热转移负荷和辐射热
转移负荷，其中辐射热转移负荷部分的计算采用了大量经验数值，对大空间建筑
室内热环境研究方面的指导存在一定的不科学性。为了准确计算大空间辐射热转
移负荷，完善大空间分层空调负荷计算，本课题组提出采用辐射时间序列法计算
大空间分层空调的动态辐射热转移负荷，进一步基于 ASHRAE 文献中的辐射传
递函数系数研究了大空间常见建筑空调区的辐射时间因子，并总结大空间空调区
的辐射转移热转化为辐射热转移负荷的比例，即辐射热转移负荷比例系数 C2。
本文首先运用理论计算的方法分析了四种不同辐射负荷算法，即 谐波反应法、
反应系数法、Z传递函数法以及辐射时间序列法，进一步说明采用辐射时间序列
法计算房间动态辐射负荷的优越性。其次，通过热平衡实验采用壁面对流辐射分
离法直接分离房间辐射得热，避免了估量辐射得热占比误差，研究了房间局部区
域的辐射负荷变化特性并进一步印证了辐射时间因子与辐射传递函数系数间的
矩阵关系，具体实验结果表明：①在完整周期内，采用壁面对流辐射分离法计算
辐射负荷的平均相对误差为 5.3%，而传递函数法为 7.2%，则认为辐射传递函数
系数受壁面热流与换气次数变化的影响可以忽略；②对于实验不同工况，房间各
面辐射负荷变化规律相似，且与加热面相对的壁面辐射负荷最大；③在变壁面热
流条件下，房间各壁面辐射负荷峰值随壁面热流增大而增大，且辐射负荷达到峰
值的时间逐渐减小；④在变房间换气次数条件下，房间屋面辐射负荷随着房间换
气次数的增加而增大，且延迟时间变化不明显，但其它各面随着换气次数的增大
均减小，且辐射负荷达到峰值的时间逐渐减小。
其次，以 ASHRAE 文献中普通房间辐射传递函数系数和相应房间放热衰减
度和延迟时间为基础，对比大空间空调区的放热衰减度和延迟时间可得常见大空
间空调区的辐射时间因子。针对第一类大空间建筑总结出不同外墙结构的辐射热
转移负荷系数值 C2均值分别为 0.95、0.91、0.89、0.86、0.86、0.87 和0.85，相
应峰值负荷比为 0.96、0.94、0.91、0.88、0.86、0.86 和0.83；第二类大空间建筑
总结出不同楼板形式的辐射热转移负荷系数值 C2均值分别为 0.90、0.88 及0.87，
相应峰值负荷比为 0.88、0.89 和0.86，而针对只存在一面外墙三面内墙结构的第
三类大空间建筑，总结出不同内墙结构的辐射热转移负荷系数值 C2均值分别为
0.88、0.86、0.86 和0.87，且相应峰值负荷比为 0.89、0.88、0.86 和0.86。
本文首次采用辐射时间序列法研究大空间空调区辐射转移负荷，其研究成果
为大空间空调区辐射转移负荷的计算提供了理论基础，并进一步完善了大空间分
层空调负荷计算，对辐射时间序列法在工程设计中的应用具有一定的指导意义。
关键词：大空间建筑 辐射时间序列法 辐射传递函数系数 辐射时间因子 辐射
热转移负荷 辐射负荷比例系数
ABSTRACT
As a key factor of the air conditioning design in large space, the stratified
cooling load is closely related to the energy consumption of air conditioning. At
present, the stratified cooling load not only do include the all room load, but it also
include the convection transfer load and radiant transfer load formed by the
convection transfer heat and radiant transfer heat between un-air-conditioned area and
air-conditioned area, but the calculation of radiant transfer load uses a lot of empirical
value, which is a certain unscientific guidance on the reserarch of indoor thermal
environment in large space. In order to calculate the radiant load of large space more
accurately, and perfectly compute the stratified cooling load of large space, in this
group, it is proposed to use the radiant time series method to calculate the dynamic
radiant transfer load of stratified air conditioning in large space, and furtherly
discusses the radiant time factors of common materials about the large space buildings
based on the radiant transfer function coefficients of ASHRAE database, and finally
concludes the ratio factor C2 of radiant transfer load about the common
air-conditioned area in large space buildings, that is the conversion ratio between the
radiant transfer load and radiant heat transfer.
In this paper, according to the theoretical calculation method, the room radiant
load is compared and analyzed firstly by the four different radiant load methods,
including harmonic reaction method, reaction coefficient method, Z transfer function
method and radiant time series method. Furthermore, the results illustrate that it is
excellent to calculate the room dynamic radiation load by using the radiant time series
method. Secondly, in a thermal equilibrium experiment, the convective and radiant
separation method is adopted to obtain the radiant heat directly, which avoids the
accounting errors. Moreover, this paper also analyzes the radiant characteristics of
room on each side, and further verifies the matrix relationship between radiant time
factors and radiant transfer function coefficients. The results also show that: ①in a
complete cycle, the average relative difference is 5.3% for the wall convection and
radiation separation method, and 7.2% for transfer function method, which reflects
that it can be ignored the impacts of wall heating values and ventilation rates on the
room radiant transfer function coefficients; ②For the experiment in different
conditions, the variation laws of each wall are similar, with the radiant load of the
wall opposed to the heating surface being maximum; ③In changing wall heating
conditions, the maximum radiant load of each walls increase along with the wall
heating values, with the time to reach maximum radiation load gradually shorten;
④In changing room ventilation rates conditions, the radiant load of room roof
increase along with the ventilation rates, and the delay time do not change
significantly, but each other walls are reduced with the increase of ventilation rates,
and its time reaching maximum gradually decreases.
Again, based on the radiant transfer function coefficients and its room
attenuation and delay time of ASHRAE database, the radiant time factor are obtained
by comparing their attenuation and delay time. In regard to the first large space
building, the mean ratio C2 of radiant transfer load respectively is 0.95, 0.91, 0.89,
0.86, 0.86, 0.87 and 0.85 for different exterior structures, corresponding the ratio of
mamxium load is 0.96, 0.94, 0.91, 0.88, 0.86, 0.86 and 0.83 respectively, and for
second large space building, the mean ratio C2 respectively is 0.90, 0.88 and 0.87 for
different floors,, also corresponding the ratio of mamxium load is 0.88, 0.89 and 0.86
respectively. However, for the third large space building where there are only one side
of exterior walls and three sides of the interior structures, the mean ratio C2
respectively is 0.88, 0.86, 0.86 and 0.87 for different interior structures, and the ratio
corresponding mamxium load is 0.89, 0.88, 0.86 and 0.86 respectively.
In this paper, it is first to study the radiant transfer load of air-conditioned area in
large space using the radiation time series method, and the research results provide a
theoretical basis for the calculation of radiant transfer load in a common large space
building, furthermore, they also improve the load calculation of stratified air
conditioning in large space, and provide some guidances for its in engineering design
applications.
Key word: large space building, radiant time series method, radiant transfer
function coefficient, radiant time factor, radiant heat transfer load, the ratio of
radiant load
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论................................................................................................................ 1
1.1 课题研究背景及现状....................................................................................... 1
1.1.1 建筑空调负荷计算方法发展历程 .......................................................... 2
1.1.2 大空间辐射热转移负荷计算特点分析 .................................................. 3
1.1.3 辐射负荷计算软件介绍 .......................................................................... 4
1.2 辐射时间序列法的国内外研究现状............................................................... 5
1.2.1 辐射时间序列法特点 .............................................................................. 5
1.2.2 辐射时间序列法的国外研究现状 .......................................................... 5
1.2.3 辐射时间序列法的国内研究现状 .......................................................... 6
1.3 课题内容及意义............................................................................................... 7
1.3.1 研究目标及意义 ...................................................................................... 7
1.3.2 主要研究内容 .......................................................................................... 7
第二章 建筑辐射负荷计算方法比较.......................................................................... 9
2.1 不同辐射负荷计算方法介绍........................................................................... 9
2.1.1 各种辐射负荷计算方法对比 .................................................................. 9
2.1.2 辐射时间序列法计算原理 .................................................................... 18
2.2 典型建筑辐射负荷计算方法的对比............................................................. 20
2.2.1 案例介绍 ................................................................................................ 20
2.2.2 建筑辐射负荷各方法计算结果 ............................................................ 21
2.2.3 计算结果的分析对比 ............................................................................ 25
2.3 本章小结......................................................................................................... 29
第三章 基于辐射时间序列法的辐射负荷实验研究................................................ 30
3.1 实验方案介绍................................................................................................ 30
3.1.1 实验系统 ................................................................................................ 30
3.1.2 实验方法 ................................................................................................ 33
3.1.3 实验工况确定 ........................................................................................ 37
3.1.4 实验原理 ................................................................................................ 37
3.2 基于辐射时间序列法的辐射负荷机理实验................................................. 40
3.2.1 辐射负荷及其辐射传递系数实验结果与分析 ................................... 40
3.2.3 辐射负荷特性实验结果与分析 ............................................................ 43
3.4 本章小结......................................................................................................... 46
第四章 辐射时间序列法在大空间辐射负荷计算中的应用.................................... 47
4.1 建筑蓄放热特性与结构类型参数分析......................................................... 48
4.1.1 房间建筑结构蓄热体常规参数介绍 .................................................... 48
4.1.2 房间建筑结构类型总结 ........................................................................ 49
4.2 ASHRAE 文献中辐射传递函数系数的归纳 ................................................ 51
4.2.1 ASHRAE 文献中蓄放热特性参数计算 ............................................... 51
4.2.2 不同围护结构的辐射时间因子 ............................................................ 55
4.3 大空间建筑辐射时间因子计算..................................................................... 60
4.3.1 大空间建筑材料各参数计算 ................................................................ 61
4.3.2 常见大空间建筑材料的辐射时间因子 ................................................ 65
4.3.3 大空间建筑空调区与普通房间换热特性的类比标准深化 ................ 70
4.4 常见大空间建筑空调区 C2值的总结 ........................................................... 73
4.4.1 常见大空间建筑动态辐射热转移负荷计算 ........................................ 74
4.4.2 常见大空间建筑空调区 C2值计算 ....................................................... 84
4.4.3 辐射时间序列法在大空间中的应用 .................................................... 86
4.5 本章小结......................................................................................................... 87
第五章 结论与展望.................................................................................................... 89
5.1 结论................................................................................................................. 89
5.2 展望................................................................................................................. 91
附 录............................................................................................................................ 93
参考文献...................................................................................................................... 97
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果........................................ 100
致 谢.......................................................................................................................... 101
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
1.1 课题研究背景及现状
随着社会经济、科技发展，大空间建筑越来越多，一般大空间空调负荷比普
通建筑大得多，因此我国建筑能耗逐年上升。准确计算大空间建筑空调负荷，有
效减少建筑能耗成为人们越来越关注的问题。大空间空调负荷与室内气流组织密
切相关。为节约能源，目前，大空间建筑主要气流组织形式是分层空调，即把室
内空间分为上部非空调区和下部空调区，只对下部空调区域进行空调。一般大空
间分层空调负荷相对于大空间全室空调最大节约率可达 50%[1]，分层空调形式大
大节约了建筑能耗，减少了空调设备初投资，改善了人员工作区的环境条件，所
以分层空调是大空间气流组织的主流形式。
由于大空间空调只对下部人员活动区进行空调的特点，造成上部非空调区温
度要高于空调区温度，则大空间非空调区与空调区间存在热转移，主要包括对流
转移热和辐射转移热，即大空间分层空调负荷计算与普通房间全室空调负荷计算
不同，其不仅包含空调区的传统负荷，还包含非空调区向空调区转移的对流热和
辐射热形成的辐射热转移负荷和对流热转移负荷。
随着国内外学者对分层空调相关研究的逐渐深入，大空间建筑分层空调负荷
计算迅速发展。1982 年，中国研究院主要通过模型实验和现场实测方法研究分
析了多股交叉非等温射流气流组织的计算以及分层空调负荷计算[2]。在随后的发
展过程中，国内各大高校，如湖南大学[3]、哈尔滨建筑大学[4]相继通过数值模拟
方法对分层空调负荷计算提出了简化模型，而西南交通大学进一步对大空间建筑
分层空调的对流热转移分析对比研究，并对设计参数进行了敏感性分析[5]。目前，
工程设计中关于大空间建筑分层空调负荷的计算，一直采用陆耀庆教授主编的
《实用供热空调设计手册》[6]中提及的方法，该方法是以空调区的空调负荷作为
大空间的分层空调负荷，除考虑一般全室空调负荷计算项目之外，同时计算了由
非空调区向空调区的热转移所引起的冷负荷，即包括对流热转移负荷和辐射热转
移负荷。此方法广泛应用于我国大空间建筑分层空调负荷计算中，一定程度上缩
小了大空间分层空调负荷计算因采用全室空调引起的误差，使大空间分层空调负
荷的计算结果更加接近实际。
上海理工大学硕士学位论文
2
1.1.1 建筑空调负荷计算方法发展历程
随着经济的进一步发展，人类对生活环境以及环境舒适度的要求越来越高，
此时建筑空调系统应运而生。近年来，频频发生的环境问题和能源危机使人们意
识到建筑空调系统负荷计算的关键性，在 建筑空调发展的过程中，空调系统负荷
计算方法逐步完善，其中主要包括以下发展时期：
（1）稳定传热计算阶段
在人类空调技术发展初期, 由于房间多种建筑结构材料相对粗糙，且高层建
筑也较少，并且计算工具发展较慢，所以人们处理空调冷负荷的方法也相对比较
简单，当时各国计算空调冷热负荷多采用稳定计算方法, 该法主要是根据建筑围
护结构的面积及其传热系数、室内外设计温度差计算相应建筑的得热量, 该方法
没有区分房间得热量和冷负荷两个不同概念，把稳定传热得热量直接当作房间冷
热负荷，即：没有考虑建筑物的蓄、放热特性。
（2）周期热作用下的不稳定传热计算阶段
随着社会科学技术的发展，人们对环境舒适度的要求越来越高，其中空调技
术发展从稳定传热计算房间负荷发展到周期热作用下的不稳定传热计算房间负
荷。随之，美国的 C.O.Mackey 和L.T. Wright [7]两位学者，于 1944 年发表的《均
质墙体的周期热流》和 1946 年发表的《周期热流一组合的墙或屋顶》两篇文章
中均提到了一种拟稳定传热计算法，该法主要是把周期性变化外扰作用下的围护
结构的传热过程采用稳定传热相同形式的公式进行计算，即 Q=KFΔθc，其中 Δθc
为室外空气综合温度与室内空气温度的差值，即：当量温差。该研究成果为美国
空调冷热负荷计算方法的发展奠定了基础，多年之后并被 ASHRAE 手册所采用，
该方法对世界其他国家的空调负荷发展影响较为深远。目前，我国多种场合下的
空调负荷计算方法仍以该方法为基础。
在长期研究分析空调负荷计算的基础上，前苏联某学者在二十世纪四五十年
代初提出了用谐波分解法计算建筑围护结构的负荷。该负荷计算方法是将室外日
射辐射及空气温度等拟为余弦函数形式，即以室外空气综合温度表示周期作用的
外扰, 基于一阶傅立叶方程，建立相关定解问题，从而求解房间负荷的方法，被
1986 年的 CIBSE 所采纳[8]。其中，谐波反应法不仅考虑了外扰量经过围护结构
时所引起的幅度衰减和时间延迟，并进一步通过计算房间的吸放热衰减系数考虑
了房间整体的不稳定热作用。
（3）逐时动态负荷发展阶段
当空调负荷计算进入到动态负荷发展时期时，主要是通过引入冷负荷系数进
一步考虑房间整体的蓄放热特性，即考虑热量进入房间以后在形成负荷过程中所
第一章 绪论
3
引起的幅度衰减和时间延迟，该时期的发展很大程度上完善了空调负荷的计算。
其中，1965 年，美国 Carrier 公司首次考虑建筑结构的蓄放热问题对房间空调负
荷的影响，并提出最初形态的动态负荷计算方法——蓄热负荷系数法(SLFM)。
该方法除了考虑房间围护结构传导热问题外，还考虑了太阳辐射通过外窗进入房
间且被房间各壁面及家装吸收后并重新释放的影响，从而给出蓄热负荷系数以描
述房间的蓄、放热过程，该系数值分别根据建筑的八个不同朝向、不同纬度，空
调系统的不同运行时间，不同开灯时间，以及室内温度变化等情况制成了蓄热系
数表[9]。该方法是人们开始思考房间内部得热与房间负荷关系的开端，对后来很
多负荷计算方法都有启发作用。
随着建筑空调负荷的发展，1968 年加拿大 D.G.Stephenson 和G.P.M.italas 两
位学者提出反应系数法计算空调负荷，此法关键在于首先将随时间连续变化的扰
量曲线离散为按时间序列分布的单元扰量，以求解系统对单元扰量的响应，并将
求得的反应系数通过叠加计算出最终结果。该方法提出以后便掀起了革新房间负
荷计算方法的研究[10]，其本质在于把房间得热量和房间负荷的区别在计算方法
中真正的体现出来，且该方法不局限于周期性扰量，但其计算量较大，收敛困难。
于是，两位学者在 1971 年对反应系数法作出了进一步的改进，即后来出现的 Z
传递函数法，该 方法主要是指在已知室内外设计参数条件下，调用数据库并对传
递函数系数进行修正之后，即可近似计算出外围护结构传热引起的室内逐时得热
量，进而计算出逐时冷负荷，该方法简化了房间负荷计算量，但计算过程仍较繁
琐。
Spitler[11]等学者于 1997 年首次提出了计算空调负荷的新方法-辐射时间序列
法（Radiant Time Series Method, RTSM），该法主要是指将房间各围护结构中所
产生的总得热量按一定的划分标准分为辐射部分和对流部分，从而引入辐射时间
因子(Radiant Time Factors，RTF)，将逐时辐射得热转化为逐时辐射负荷，然后
与对流得热求和即可求得房间总的逐时负荷。辐射时间序列法是由热平衡方法简
化而来，物理意义明确。该方法在计算空调负荷时所需的中间变量较少无需迭代，
计算过程简便且精度相对较高，尤其在边界条件离散的情况下，该方法的优越性
更加明显。
1.1.2 大空间辐射热转移负荷计算特点分析
大空间建筑通常体积较大，且高度较高。所以在空调系统设计中，为了合理
利用大空间结构特点以减少能源消耗，一般会通过合理的气流组织将室内分层上
下两个区域，即所谓分层空调，工程设计中通常是中部送风、下部回风或者下部
送风中部回风两种气流组织形式，只对大空间建筑下部人员活动区域进行空调送
上海理工大学硕士学位论文
4
风，而上部较大空间不采用空调。分层空调会在建筑中部形成一个温度变化特性
不同的分层面，分层面以上的空间称为非空调区，以下即为空调区。由于非空调
区的围护结构各内表面温度与空调区各内表面温度会存在一定差异，故在两区之
间会产生辐射热交换和对流热交换，交换的热量称辐射转移热和对流转移热[6]。
其中大空间分层空调辐射负荷计算特点如下：
（1）除考虑空调区的辐射负荷计算外，还要考虑非空调区向空调区的辐射
转移热所引起的辐射转移负荷。
（2）空调区辐射转移热在形成负荷的过程中存在幅度衰减与时间延迟，即
空调区在接受该辐射热量以后，只有部分辐射热释放给室内空气形成空调区的瞬
时负荷，而剩余部分则被围护结构各表面以及地板所吸收和贮存，待其表面温度
高于室内空气温度，再以对流方式将贮存的热量散发给空气。
1.1.3 辐射负荷计算软件介绍
（1）DOE-2 是开发最早、应用最为广泛的建筑能耗分析软件，主要由美国
能源部（Department of Energy, DOE）资助，该软件主要包括空气系统模块、负
荷计算模块以及经济分析模块。其中，负荷计算模块主要采用传递函数法(权系
数)，利用建筑相关描述信息及气象参数条件计算建筑全年逐时负荷。但由于该
软件计算空调负荷没有严格考虑房间热平衡，模拟结果精确度不高[12]。
（2）Energy Plus 软件[13]是一个于 1996 年研发，2001 年投入使用的用来模
拟建筑物及其相关的供热、通风和空调等设备的无用户图形界面计算核心，由美
国能源部和劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory,
LBNL）共同开发。该软件具备多种优点，其中包括采用先进的集成同步的负荷
/设备/系统模拟方法和热平衡法、模块化开发式结构等，但它仅是模拟催动器，
不是一个用户界面，其界面有待开发，所以该软件缺乏一定的广泛适用性。
（3）DeST 软件[14]是清华大学在 AutoCAD 基础之上，面向大部分住宅类建
筑系统设计，并对建筑热特性进行性能预测以及评估的计算软件。该软件充分考
虑了系统设计的阶段性，可以根据设计的不同阶段采用不同的模拟方法，并且在
不同的模拟模块之间建立起详细具体的数据连接，而 DeST 主要适用平台为
Windows95/98/NT，从建筑描述到系统分析能够全面提供图形界面，但该软件在
我国工程界并未普及应用。
（4）PRF/RTF Generator[15]是由俄克拉何马州大学研究开发的用以计算动态
负荷的软件，其中周期反应系数（Periodic Response Factors，PRF）用来进行热
传导计算即 PRF 代表了在内外表面对流和辐射综合作用下的建筑围护结构每个
表面的瞬时传导响应，而 RTF 主要是代表一个区域的热响应和房间辐射得热转
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2025-01-09 5
作者：侯斌
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：105 页
大小：7.08MB
格式：PDF
时间：2025-01-09
