基于辐射时间序列法的大空间辐射转移负荷研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 2.57MB 97 页 15积分
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I
摘要
建筑节能日益强调的今天，在大空间建筑中，分层空调的形式越来越多。目
前大空间分层空调负荷计算方法主要沿用陆耀庆先生所编《实用供热空调设计手
册》推荐方法，该方法已有 30 多年，它 在计算非空调区对空调区的辐射转移负荷
时所选用的冷负荷系数是基于某高大工厂三天实测数据，无严格验证。本文针对
该冷负荷系数，利用辐射时间序列法进行了一系列的研究，得出冷负荷系数
C2=0.884，同时，提出了基于辐射时间序列法的逐时辐射转移负荷计算方法。论
文的主要工作及研究成果如下：
(1) 改造了原有低温实验室，并进行了相关预实验。在原低温实验室内，构造一
长方体结构的辐射实验室；并在其墙体内侧贴电热膜，其发热功率能够按照
实验需要，由电气控制柜控制输出；通过一系列的布点预实验获得有关壁面
和空气的测点位置，通过一系列的热平衡、风量平衡等预实验，获得该实验
室相关特性。
(2) 提出了用辐射时间序列法获得辐射转移负荷的方法，并用实验进行了验证。
该方法可概括为：在已知地面辐射得热和房间围护结构的前提下，用 PRF/RTF
软件生成地面辐射时间序列因子，再用辐射时间序列法计算得到地面逐时负
荷，进而可求得辐射得热到辐射负荷的冷负荷系数。经实验验证，在实验工
况下平均相对偏差、负荷均值误差和负荷峰值误差最大值分别为 5.71%、3.23%
和2.03%，有较高的精度，从而，为利用辐射时间序列法计算地面冷负荷提
供了一定的依据。
(3) 采用论文提出的辐射转移负荷计算方法，获得一般无窗长方体建筑的冷负荷
系数。论文以 20m40m15m 的建筑结构为标准建筑，在已知辐射转移热量
的情况下，借助 PRF/RTF 软件，获得辐射时间序列因子及其逐时辐射转移负
荷，利用大空间辐射转移冷负荷系数定义，获得了标准建筑的冷负荷系数。
论文通过一系列算例计算发现：冷负荷系数与辐射转移热量振幅峰值比成近
似反比关系，由于大空间地面接收辐射热量的振幅峰值比较小，因此冷负荷
系数较高。研究不同因素对冷负荷系数影响结果发现：气象参数、屋面黑度、
屋顶热工类型、墙体热工类型、地板热工类型、地面黑度等对冷负荷系数有
一定影响，而建筑尺寸和分层高度对其均影响不大。在窗户面积不大的情况
下，利用《实用供热空调设计手册》方法计算大空间辐射转移负荷时，研究
获得了冷负荷系数 C2=0.884，所引起的误差通常不会超过 5%。
(4) 提出逐时辐射转负荷的计算方法。通常可按《实用供热空调设计手册》方法
II
算得逐时辐射转移热并根据建筑结构从 ASHRAE Handbook 中选取对应的辐
射时间序列因子进行计算。若实际建筑构造与 ASHRAE 数据表中情况相差较
大，没有相近建筑结构可选的情况下，需要利用软件重新计算辐射时间序列
因子，否则会引起较大误差。
论文研究工作对大空间辐射转移负荷、分层空调负荷计算、评估分层空调节
能效果具有重要的理论意义和现实意义。
关键字：大空间辐射转移负荷 辐射时间序列法 冷负荷系数
逐时辐射转移负荷
III
ABSTRACT
As the building energy conservation is more and more important, more stratified
air-conditionings are used in large spaces. Currently, the cooling load calculation
method we use is recommended by Lu Yaoqing. The method is included in the
Practical Heating and Air Conditioning Design Manual. In this method, the cooling
load factor of radiant heat transfer between non-air-conditioned area and
air-conditioned area is based on measured data of three days, without verification. And
this method was introduced 30 years ago when the measurement instruments were poor.
In this thesis, the cooling load factor (C2) is studied further, and the C2 is 0.884 based
on author’s study. In addition, a dynamic cooling load calculation method of radiant
heat transfer is introduced.
This thesis is mainly focused on the jobs as following below and has achieved
several conclusions:
(1) The laboratory is remoulded into a regular room. The electric films are pasted on
the inner surface of the laboratory wall and an electric control cabinet is set up to
simulate the conduction heat gain through the building envelop. The measurement
points are found with a series of pre-experiments.
(2) The reliability of using the radiant time series method to calculating the radiant
cooling load is confirmed with some experiments. This method can be divided into
the following steps: calculating the radiant heat transfer firstly, generating the
radiant time factors with the PRF/RTF Generator software secondly, calculating
the cooling load of radiant heat transfer with radiant time series method thirdly,
and calculating the cooling load factor lastly. The mean relative deviation, the
error of mean cooling load and the error of maximum cooling load are just 5.71%,
3.23% and 2.03% seperately, under experimental cases.
(3) Based on the study of dynamic cooling load calculation, the cooling load factor is
studied with a series of examples. The factor is defined as the ratio of mean
cooling load to mean radiation heat gain when the heat gain is stored in the floor
The relationship between the cooling load factor and the ratio of the amplitude of
radiant heat transfer to the peak value of radiant heat transfer can be treated as
inverse proportion relationship. As this ratio is small in large spaces, the cooling
load factor is big. And the meteorological parameter, building size, stratification
IV
height and the building construction don’t have much impact on the cooling load
factor. If the building is built of common material and the area of windows is not
large, the value of cooling load factor, C2=0.884, can be used to calculate radiant
cooling load, and the error is less than 5%.
(4) When calculating the dynamic radiant cooling load in a large space, the heat
transfer can be calculated with the method introduced in the Practical Heating and
Air Conditioning Design Manual, the radiant time series factors can be chosen
from the table which recommended by ASHRAE according to the structure of the
building. The error of the peak cooling load is less than 5%. The radiant time
series factors must be chosen carefully or calculated with PRF/RTF Generator
software in particular case, which the ratio of the amplitude of radiant heat transfer
to the peak value of radiant heat transfer is big.
Key Words: Radiant heat transfer in large spaces, Cooling load factor,
Radiant time series factors, Experimental verification, Dynamic
cooling load calculation
目 录
摘要 ................................................................ I
ABSTRACT .......................................................... III
第一章 绪论 ........................................................ 1
1.1 课题来源及意义 .............................................. 1
1.2 国内外研究现状 .............................................. 2
1.2.1 空调负荷计算方法的发展 ................................. 2
1.2.2 主要空调负荷计算方法特点比较分析 ....................... 5
1.2.3 基于空调负荷的实验研究 ................................. 9
1.3 本文研究内容 ............................................... 10
第二章 辐射实验室设计及实验室特性研究 ............................. 12
2.1 辐射实验室设计 ............................................. 12
2.1.1 原环境实验室系统简介 .................................. 12
2.1.2 基于环境实验室的辐射实验室建设 ........................ 16
2.1.3 墙体表面传热模拟设计 .................................. 18
2.2 实验室特性研究 ............................................. 23
2.2.1 实验用仪器 ............................................ 23
2.2.2 实验室风平衡调节 ...................................... 24
2.2.3 壁面温度及环境温度均匀性实验 .......................... 25
2.2.4 周期性扰量准稳态时间及其热平衡试验 .................... 30
2.3 小结 ....................................................... 32
第三章 基于辐射时间序列法地板辐射负荷及其实验研究 ................. 34
3.1 辐射时间序列（RTS）法计算地面辐射负荷原理 .................. 34
3.1.1 辐射时间序列负荷计算思路 .............................. 34
3.1.2 周期反应系数（PRF）计算方法 ........................... 34
3.1.3 基于辐射时间序列法地板辐射负荷计算方法 ................ 36
3.1.4 辐射时间序列因子（RTF）计算原理及相关软件介绍 ......... 38
3.2 地板辐射负荷实验原理 ....................................... 45
3.2.1 建筑表面对流辐射分离及其实验原理 ...................... 46
3.2.2 辐射负荷实验工况 ...................................... 49
3.2.3 基于 RTS 的地面辐射负荷计算结果及实验验证 .............. 49
3.3 小结 ....................................................... 52
第四章 大空间地面辐射转移冷负荷系数研究 ........................... 53
4.1 大空间辐射转移负荷概念 ..................................... 53
4.2 大空间地板辐射转移负荷冷负荷系数 C2 确定方法 ................ 54
4.3 不同因素对冷负荷系数 C2 的影响分析 .......................... 63
4.3.1 气象参数对 C2 的影响 ................................... 63
4.3.2 建筑尺度等比例缩放对 C2 的影响 ......................... 65
4.3.3 建筑尺度非等比例缩放对 C2 的影响 ....................... 66
4.3.4 分层高度对 C2 的影响 ................................... 67
4.3.5 屋顶热工类型对 C2 的影响 ............................... 67
4.3.6 屋顶外表面黑度对 C2 的影响 ............................. 69
4.3.7 墙体热工类型对 C2 的影响 ............................... 70
4.3.8 地面热工类型对 C2 的影响 ............................... 71
4.3.9 地面黑度对冷负荷系数 C2 的影响 ......................... 73
4.3.10 大空间建筑辐射转移负荷 C2 的取值 ....................... 74
4.3.11 不同途径获得的冷负荷系数 C2 的分析 ..................... 77
4.3.12 基于不同文献的 C2 计算结果分析 ......................... 79
4.4 基于辐射时间序列法逐时辐射转移负荷计算方法 ................. 83
4.5 小结 ....................................................... 85
第五章 总结与展望 ................................................. 86
5.1 结论 ....................................................... 86
5.2 展望 ....................................................... 87
参考文献 ........................................................... 88
在读期间公开发表的论文和承担的科研项目 ............................. 92
致谢 ............................................................... 93
第一章 绪论
1
第一章 绪论
1.1 课题来源及意义
本研究课题是国家自然科学基金《大空间建筑分层空调负荷计算关键问题研
究》（51278302）的内容之一，其研究工作旨在解决大空间建筑分层空调负荷计算
中辐射转移热转变为辐射负荷的比例问题以及逐时辐射转移负荷的计算问题。
随着人们对室内环境空气品质的要求逐渐提高，建筑空调能耗与日俱增，至
2011 年建筑能耗（不包括生物质能）占全国总能耗的 19.74%[
1
]，其中采暖和空调
能耗占约 50%～70%，因此建筑节能工作越发重要。对体量大、高度高的大空间
建筑而言，室内空调系统气流组织的合理设计对能源的有效利用具有及其重要的
意义[
2
]。一般大空间建筑，如体育馆、剧院、商场、工业厂房等，其高度远高于
室内人员活动区域的高度，为避免不必要的空调能耗，夏季工况下，往往采用分
层空调来实现室内垂直温度的分层，使建筑下部人员活动区域（空调区）内热环
境满足人体热舒适性的要求，建筑上部区域（非空调区）则不属于空气调节的范
围[
3
]。分层空调通过室内气流组织将室内空间分隔成人员活动区的空调区和上部
非空调区，使空调送风区域大大减少，空调能耗显著降低，因此常以节能技术著
称；同时由于空调送风首先进入人员活动的空调区域，使得人员活动环境的空气
品质得到改善，因而又具有改善室内空气品质的特点，分层空调同步实现了建筑
能源的有效利用和人工环境的有效改善。近年来无论是民用还是工业用大空间建
筑，分层空调已成为最常用的首选考虑的一种气流组织形式。随着暖通空调技术
的不断发展和深入研究，实现分层空调的手段逐渐增多，其中最常用的是利用侧
面喷口射流送风的分层空调和利用下部送风中部回风的置换式分层空调。
分层空调负荷是确定空调系统向室内提供冷量的依据，也是确定分层空调节
能量的关键。目前大空间建筑分层空调负荷计算方法一直采用陆耀庆教授主编的
《实用供热空调设计手册》
[
4
]中提及的方法，该方法引用了上世纪 80 年代由中国
建筑科学研究院空调研究所和原第一机械工业部设计研究总院共同负责的“分层
空调技术研究课题组”的研究成果[
5
],[
6
]，这一方法的主要思想是将建筑空间分为
上部非空调区和下部空调区，空调区总负荷为常规负荷、对流转移负荷、辐射转
移负荷之和，就是采用对流转移热和辐射转移热考虑非空调区对空调区的影响，
而其他负荷与常规负荷计算方法基本一致。该负荷计算方法是该课题组历时 3年
对某汽轮机高大厂房喷嘴送风分层空调技术进行了一系列较为全面的实验研究、
理论探讨、现场测试之后的总结。从 80 年代起，我国大空间建筑无论是民用建筑
还是工业建筑基本采用此方法，这一方法的提出丰富了我国空调负荷计算方法在
上海理工大学硕士学位论文
2
大空间建筑中的应用，为大空间建筑的分层空调理论及其节能机理分析提供了科
学依据，这一方法沿袭至今已有 30 年。
在上述分层空调负荷计算中，辐射转移负荷计算分为两步：一是辐射转移热
采用非空调区向空调区地板的辐射换热为基数,再乘以比例系数（手册建议取 1.3）
得到非空调区向空调区的总辐射转移热，其中辐射换热计算采用直接辐射模型；
二是对于其得热引起空调负荷过程，以辐射转移热乘以经验系数 C2（手册推荐值
为0.45～0.72，一般可取 0.5）的方法确定辐射转移负荷。
受当时大空间建筑热环境研究程度限制，当时提出的辐射转移负荷计算采用
了许多经验取值与汽轮机高大厂房实测数据，从目前大空间建筑室内热环境发展
以及对建筑节能要求看，当时的计算方法存在了一定的不科学性。其中在辐射转
移负荷计算时，确定辐射转移热形成冷负荷的冷负荷系数 C2 采用了某高大厂房
三天实验的数据[
7
]；为实验需要，除地面外各面贴了铝箔波形纸板，大大加强了
各围护结构的保温性能，同时影响各壁面间的辐射换热，导致地面单位面积接收
的辐射转移热很小，与不贴铝箔波形纸板的情况相差较大，缺乏一定的代表性。
大空间建筑无论是喷嘴送风分层空调还是下送风分层空调，其中辐射转移热
在其它条件不变时，送风方式影响较小。本课题将以辐射转移热中形成辐射转移
负荷的冷负荷系数 C2 为研究重点，通过解决其中诸多的科学问题，获得适应工
程应用的一般分层空调负荷计算方法，并在此基础上提出逐时辐射转移负荷的计
算方法。本研究课题对正确计算分层空调总负荷、评估分层空调节能效果具有重
要的理论意义和实践意义。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 空调负荷计算方法的发展
在日照、室外空气等外扰的作用下，建筑外墙通过内表面向室内传递热量，
该热量分为向室内空气传递的对流热量和向室内其他表面传递的辐射热量两部分。
其中的对流热量直接成为瞬时负荷；而辐射热量被内墙、地面、家具等吸收再以
对流形式传递到空气中，这一部分的辐射热量经过延迟和衰减成为辐射负荷。房
间总负荷应为对流负荷与辐射负荷之和，后者实际上是以对流形式影响空调负荷
的。负荷计算中冷负荷与得热量不相等的根本原因就是辐射得热到辐射负荷的延
迟、衰减作用的存在。
围护结构的负荷计算是空调系统设计的重要工作基础。由于围护结构的传热
过程是非稳态过程，与围护结构材料蓄热特性密切相关，在时间序列上，任何一
个时刻的热状况都与历史过程有关，因此一个最简单的负荷解析也需要通过一组
第一章 绪论
3
庞大的偏微分方程描述来实现，采用差分法虽可对偏微分方程直接求解，但计算
工作量大，且非一般工程设计人员可以掌握。
1946 年美国人 C.O.Mackey 和L.T.Wright 提出了当量温差法。前苏联学者在
20 世纪 50 年代初提出用谐波分解法来计算围护结构的冷负荷。这两种方法的共
同缺点是不区分得热量和冷负荷，即直接把得热量当做冷负荷，没有考虑到辐射
所引起的延迟和衰减，这样计算出的空调冷负荷往往偏大[
8
]。
1956年Brisken和Reque[
9
]最先用数值方法确定了多层平壁墙体对单位温度阶
跃信号的响应过程。数值分析法是用空间与时间区域内有限离散点（称为节点）
上的温度近似值代替原来连续分布的温度场，建立节点温度变量的代数方程（离
散方程）并求解即可得到温度场，进而得到热流密度。导热问题的有限差分表达
式比其他方法更为明确，因而较为常用。其缺点是不能从表达式定性直观了解壁
板材料热物性对传热的影响。
1967 年加拿大人 D.G.Stephenson 和G.P.Mitalas[
10
]提出反应系数法后，推动
了负荷计算研究的革新，其基本特点是把得热量和冷负荷的区别开来。1971 年
Stephenson 和Mitalas[
11
]又用 Z传递函数改进了反应系数法，并提出了适合于手工
计算的冷负荷系数（Weighting factor）法，即可以不需要迭代就可以从得热量一
步直接求解冷负荷的方法。1975 年Rudoy 和Duran[
12
]采用传递函数法求得了一批
典型建筑的冷负荷温差和冷负荷系数，改进并完善了冷负荷系数法。ASHRAE1997
年的手册对冷负荷系数法正式予以采用。1992 年McQuiston 和Spitler 又提出日射
冷负荷系数的概念，对透过玻璃窗的日射冷负荷计算进行了改进[8]。
1979 年Hittle[
13
]用谐波反应法将室外空气综合温度变化用傅立叶级数表示，
用衰减度和延迟时间来表征墙体热力系统对正弦波信号频率的响应。该方法只需
求解衰减度和延迟时间两个参数，是较为简便的工程计算方法，被 1986 年的
CIBSE[
14
]采纳。假设室内温度恒定，室外温度以天为周期呈正弦变化，Mackey
和Wright[
15
],[
16
]用谐波法计算了通过墙体和屋顶的得热。Van Gorcum[
17
],Pipes[
18
],
及Hittle[
19
]等学者为谐波法的改善和发展做出了贡献。
我国从 20 世纪 70 年代开始对负荷计算方法展开了研究，1982 年经原城乡建
设环境保护部主持、评议通过了两种新的冷负荷计算法：谐波反应法和冷负荷系
数法。这些方法针对我国的建筑物特点推出了一批典型围护结构的冷负荷温差（冷
负荷温度）和冷负荷系数（冷负荷强度系数），为我国的暖通空调设计人员提供了
实用的设计工具。另外，随着计算机应用的普及，应用上述原理研发的软件运营
而生，使用计算机模拟软件作为辅助设计，或进行负荷设计依据，或对整个建筑
物的全年能耗和负荷状况进行分析，这已经普及于暖通空调领域设计以及建筑节
上海理工大学硕士学位论文
4
能中的能耗分析[8]。
1997 年,Spitler[
20
]等提出了辐射时间序列法(Radiant Time Series Method)，简
称RTS 法或者 RTSM 法。RTS 法是近年来出现的一种新的空调冷负荷计算方法，
国内外的一些专家学者对该方法进行了一系列的介绍[
21
],[
22
]、改进[
23
],[
24
],[
25
]、验证
[
26
],[
27
]和应用[
28
],[
29
],[
30
]。辐射时间序列法的求解思路为：将室内各种得热划分为对
流部分和辐射部分，采用辐射时间序列因子（RTF：Radiant Time Series Factors）
把辐射得热部分转化为冷负荷，而把对流得热直接变为即时冷负荷。与利用反应
系数法计算冷负荷一样，辐射时间序列法也是根据得热量来计算冷负荷，不同的
是在辐射时间序列法中，得热量指的是辐射得热量而不包括对流得热量，对流得
热直接转换成即时冷负荷。直接以辐射得热为对象计算辐射得热中转变的负荷比
采用总得热计算其中负荷的方法，无论是使精度方面还是物理意义方面都前进了
一大步。在辐射时间序列法中，只需把每一时刻对流得热和辐射得热所形成的冷
负荷相加，便得到每一时刻的总负荷。该方法主要计算步骤在于计算辐射时间序
列因子，计算所需的中间变量少，它充分利用了外扰周期性输入的特点，大大减
少了传统计算方法中不必要的计算量，是现有的反应系数法、传递函数法及其它
冷负荷计算方法的有效发展。
近年来，国内对于空调负荷的计算方法研究的较多的是辐射时间序列法。顾
小松[
31
]以辐射时间序列法计算值为标准，从墙体得热、墙体得热形成冷负荷、太
阳辐射得热形成冷负荷以及内热源得热形成冷负荷四个方面详细地比较了谐波反
应法和反应系数法这两种方法的计算结果，证明反应系数法比谐波反应法有更高
的精度，并指出了造成差异的原因，主要是因为对于扰量的处理方式不同所造成
的，反应系数法将外扰处理为一系列等腰三角形的离散扰量，谐波反应法将外扰
处理为一系列傅里叶级数的连续扰量。并对利用谐波反应法计算负荷提出了改进
措施，即对辐射得热部分不需考虑再向邻室传递热量；对太阳辐射在各内壁面的
分配可只考虑分布于地面；对内热源引起的冷负荷的计算误差较大，宜用反应系
数法计算。并且编写了 windows 环境下基于反应系数法的空调负荷计算程序，克
服了现存软件的不精确、界面不友好等不足之处。王朋[29]在辐射时间序列法的框
架内对建筑系统各部件（屋顶、墙体、地板、窗户以及内部热源）进行了模型构
建。并以 Energy Plus 和HvacLoadExploer 计算结果为依据，比较了采用辐射时间
序列法获得的负荷结果，总结出了所建模型的合理和不足之处，分析辐射时间序
列法应用在大量玻璃面积建筑会产生过量估计的原因在于辐射时间序列法的绝热
假设，基于此研究结果，开发了逐时负荷计算软件。周娟[30]在研究应用辐射时间
序列方法进行空调负荷计算时，首先采用一种新的多层墙体非稳态传热分析方法
摘要：

I摘要建筑节能日益强调的今天，在大空间建筑中，分层空调的形式越来越多。目前大空间分层空调负荷计算方法主要沿用陆耀庆先生所编《实用供热空调设计手册》推荐方法，该方法已有30多年，它在计算非空调区对空调区的辐射转移负荷时所选用的冷负荷系数是基于某高大工厂三天实测数据，无严格验证。本文针对该冷负荷系数，利用辐射时间序列法进行了一系列的研究，得出冷负荷系数C2=0.884，同时，提出了基于辐射时间序列法的逐时辐射转移负荷计算方法。论文的主要工作及研究成果如下：(1)改造了原有低温实验室，并进行了相关预实验。在原低温实验室内，构造一长方体结构的辐射实验室；并在其墙体内侧贴电热膜，其发热功率能够按照实验需...

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