负荷与送风参数

官方地理老师·33 页·深入(追求细节与边界)·0 次浏览·2 天前
暖通基础负荷计算送风设计工程推导

负荷与送风参数

从显热潜热到送风温差:搞懂负荷与送风参数的完整推演逻辑

按 空格/→ 演示下一步

1 / 33 页

全部页面点击任意一页,跳回舞台从这页播放

暖通基础负荷计算送风设计工程推导

负荷与送风参数

从显热潜热到送风温差:搞懂负荷与送风参数的完整推演逻辑

1第 1 页 · 负荷与送风参数

为什么要研究负荷

为什么设计要从负荷算起?因为同一个房间,南窗北窗、白班夜班、人多人少——负荷能差几倍。设计该取谁?这才是所有暖通计算的源头问题。

负荷是设计源头
设备选型、管径、风机水泵——所有步骤都从这一个数字出发
错估引发连锁问题
偏小则不够用,偏大则初投资与运行能耗同步浪费
负荷是动态过程
一天内逐时变化;峰值决定装机,全年累计决定能耗
决定送风参数取舍
Q一定时,送风温差ΔT与风量V反向变化,方案不止一种
医生开方前先诊断对应 →设计前先算负荷

没诊断就开药是乱来;不先算负荷就选设备是赌博

Q=ρcpVΔTQ = \rho\, c_p\, V\, \Delta T
2第 2 页 · 为什么要研究负荷

室内设计参数

上节课我们算出了冬天要补多少热量、夏天要排多少冷量,但光有这些数字还不够——还得先定下室内要达到什么样的「标准」。

干球温度
人体感受冷热的核心指标,决定空调该供多少冷热量
相对湿度
空气中水汽的饱和程度,过干过湿都不舒服
新风量
每人每小时必须引入的室外新鲜空气量
空气洁净度
对 PM2.5、CO₂、细菌等污染物的浓度上限
下馆子点套餐对应 →室内设计参数

温度像主菜管冷热、新风像小菜解腻——四样配齐,体感才算合格

3第 3 页 · 室内设计参数

室外设计计算参数

上节定了室内参数——你想要让人感受怎样。但这页翻到室外:空调要对抗的是天气,参数不能拍脑袋,要从几十年气象数据里统计出来,而且不是越极端越好。

夏季干球温度
取历年平均不保证50h的干球温度,约相当于最热0.6%时段允许短暂超标
夏季湿球温度
同为不保证50h的湿球温度,湿热地区真正决定除湿能力和冷却塔出力
冬季干球温度
取历年平均不保证1d的干球温度,是锅炉防冻与热负荷计算的基准
数据出处
由当地气象台提供多年统计,《暖通规范》附录直接列出主要城市数值
修公路按百年一遇洪水设计对应 →空调按不保证50h工况选型

不是抗住最极端的一次,而是覆盖绝大多数年份都会遇到的情况

4第 4 页 · 室外设计计算参数

冬夏季参数对比

冬夏室外气象参数差异巨大,混用基准会让负荷计算和系统选型全面跑偏。弄清两侧设计逻辑差异是关键。

夏季制冷工况
  • 室外干球温度高(33~35℃)
  • 含湿量大(约18~20 g/kg)
  • 设计目标:排除余热+余湿
  • 易漏算潜热负荷
冬季采暖工况
  • 室外干球温度低(-5~-15℃)
  • 含湿量极小(约1~3 g/kg)
  • 设计目标:补偿围护热损失
  • 新风加湿量常被遗漏
夏季盯'热+湿',重点排余热余湿;冬季盯'冷+干',重点补偿热损并配加湿。两套基准不可互换。
5第 5 页 · 冬夏季参数对比

规范查取步骤

规范查表不是翻字典,要按「建筑→房间→城市→边界」的顺序层层定位。

1
确认建筑类型
确定项目属于住宅、办公、医院等哪一类,决定查哪本规范的哪一章
2
定位房间功能
同一栋楼里,病房、走廊、大堂、机房的设计参数各不相同
3
查室外气象参数
根据项目所在城市,从室外气象参数表查冬夏季干湿球温度
4
查室内设计参数
按房间功能查温度、相对湿度、新风量,作为设备选型依据
5
复核特殊要求
洁净室、手术室、泳池等场所有附加要求,需叠加查专项规范
6第 6 页 · 规范查取步骤

参数查取自测

点击作答

冬季供暖热负荷计算时,应查取下列哪项室外计算参数?

7第 7 页 · 参数查取自测

负荷的基本概念

前面查了内外参数——室外 35°C、70%,室内 26°C、60%。差值摆在那,空调到底要把多少热量赶出去、多少水分挤出去?这就要算『负荷』。

冷负荷
制冷系统要从室内带走的总热量,单位 W;夏季室内得热大于失热时出现
热负荷
供热系统要向室内补充的热量,单位 W;冬季失热大于得热时出现
湿负荷
需要从空气中除去(夏季)或补充(冬季)的水蒸气流量,单位 g/s 或 kg/h
显热与潜热
冷负荷拆成显热(仅温降)和潜热(湿负荷对应的相变),送风处理路径截然不同
一间闷热的客厅对应 →空调系统的三类负荷

「热」要降温→冷负荷;「黏」要除湿→湿负荷;冬天的冷→热负荷;三件事各算各的账

Q=Q+Q=Q+rDQ_{\text{冷}} = Q_{\text{显}} + Q_{\text{潜}} = Q_{\text{显}} + r \cdot D
8第 8 页 · 负荷的基本概念

负荷构成体系

从总负荷往下展开,先按显热/潜热二分,再追到各路来源。读图沿箭头由上至下。

图解渲染中…
a1室内空调需承担的总冷(热)量a2引起干球温度变化的负荷a3引起湿球温度变化的负荷b2经外窗进入的太阳辐射热
9第 9 页 · 负荷构成体系

围护结构传热过程

围护结构传热不是瞬时穿透,而是经波动→蓄热→衰减→延迟→成荷五步的连续过程。

1
周期性外扰
太阳辐射与室外温度以24小时为周期波动,形成波动热作用
2
外表面蓄热
外表层材料吸收并储存热量,削减传入墙体的热流峰值
3
多层逐层削弱
热波经各层材料蓄热,振幅逐层衰减,相位逐层滞后
4
内表面延迟放热
到达内表面时,峰值较室外时刻滞后2~8小时,振幅明显减小
5
负荷延迟形成
衰减后的热流成为室内冷热负荷,需用反应系数法或冷负荷系数法计算
10第 10 页 · 围护结构传热过程

太阳辐射得热机制

太阳辐射穿过玻璃变成室内得热,要经历五步接力,关键在二次转换。

1
辐射投射玻璃
太阳以短波辐射形式打到玻璃外表面
2
玻璃部分吸收
一部分被反射回天空,一部分被玻璃自身吸收
3
透射辐射入室
余下的短波辐射照到室内地面、墙体、家具
4
物体吸收再辐射
室内物体吸收短波后转为长波辐射向室内释放
5
长波被玻璃截留
玻璃对长波几乎不透明,热被闷在室内加热空气
11第 11 页 · 太阳辐射得热机制

温差传热与日射得热叠加

夏季最热那几天,房间里同时有两股热往里灌:墙体因室外高温往里传热,玻璃窗把太阳辐射直接送进来。这两股热叠加后的峰值,才是空调真正要扛的负荷。

同时发生
夏季最热时段,温差传热与日射得热在同一时刻共同作用于外围护
部位不同
温差传热发生在墙、屋顶等不透明部分;日射得热主要发生在玻璃窗
峰值错开
太阳辐射峰值在正午前后,温差传热峰值因墙体蓄热延迟到13~15点
瞬时可叠加
同一时刻总得热等于温差传热量与日射得热量之和,可线性叠加
取叠加峰值
设计负荷取两者叠加后的最大值,而非各自独立最大值
西晒房间的午后对应 →温差传热与日射得热叠加

西墙午后已晒透,温差传热最大;阳光又从玻璃直射进来,两股热同时把室温推上峰值

Q(t)  =  Q温差(t)  +  Q日射(t)Q_{总}(t)\;=\;Q_{温差}(t)\;+\;Q_{日射}(t)
12第 12 页 · 温差传热与日射得热叠加

负荷机理自测

点击作答

关于围护结构得热的温差传热与日射得热两种机理,下列描述正确的是?

13第 13 页 · 负荷机理自测

人体散热散湿

按活动强度分级的散热散湿量

人体散热散湿
按活动强度分级的散热散湿量
14第 14 页 · 人体散热散湿

设备散热

上一页我们讲了人体的散热散湿,人只是中等热源。但走进数据中心或注塑车间,一排机柜、一台注塑机的发热,可能顶上一屋子人。这页就讲怎么把这些'非人'热源算清楚。

设备两大类
工艺设备(生产用,按工艺类型分项算)与办公设备(电气类,按额定功率简化算)
工艺设备:电动类
Q=1000·N·η₁·η₂·η₃,η₁装机利用、η₂负荷系数、η₃同时使用系数
工艺设备:燃料/蒸汽类
燃料设备按低位热值算散热;蒸汽/热水设备按进出口焓差推算
办公设备:近似全转化
电脑、打印机等电耗最终几乎全变成室内热量,可按额定功率直接计入
散热多为显热且集中
电气设备基本无潜热;热源位置集中,送风设计要照顾局部消除
厨房灶台:坐锅 vs 空烧对应 →工艺设备 vs 办公设备的散热逻辑

锅把热量'做功'带走,散到房间的只是浪费部分;办公设备没'锅',电几乎全变热

Q=1000Nη1η2η3Q = 1000 \cdot N \cdot \eta_1 \cdot \eta_2 \cdot \eta_3
15第 15 页 · 设备散热

照明散热

从上一页设备散热继续——灯具是最普遍、运行最规律的发热源。普通办公室照明功率密度 8~15 W/m²,全开时散热常占夏季冷负荷 15%~25%,不能当小事。

能量分配倒挂
电能大部分变热:白炽灯光效约 10%、荧光灯 20%~30%、LED 30%~40%
散热量计算
Q = N·K,N 是照明安装功率(W),K 综合同时使用与安装方式
安装方式定边界
明装 K≈1,热全进室内;嵌入式灯具若吊顶回风,热被回风带走一部分
光源代际差异
同照度下 LED 总散热下降,本质是 N 变小,K 值变化有限
灯泡用久摸起来发烫对应 →电能的主要去向是热

肉眼只看到「光」,但手能感觉到的「热」才是能量的主体——光只是副产品

Q=Nn1n2n3KQ_{照} = N \cdot n_1 \cdot n_2 \cdot n_3 \cdot K
16第 16 页 · 照明散热

内部热源负荷汇总

  • 内部热源由人体、设备、照明三类构成,占比随功能房间而变
  • 人体同时产生显热与潜热,设备与照明以显热为主
  • 计算需引入同时使用系数、照明功率密度等修正参数
  • 取值必须查规范,不可用经验估算代替
延伸主题:湿负荷汇总与新风量内外热源合成总负荷逐时负荷与峰值确定
17第 17 页 · 内部热源负荷汇总

空气渗透的概念

围护结构传热讲过了,但房间再严实也不是真空罩——门窗、墙体缝隙里,空气会被风压和热压推动悄悄进出。这种非预期的空气泄漏,就是空气渗透。

渗透定义
通过建筑围护结构缝隙非预期流入或流出的空气
风压驱动
外风在迎风/背风面形成压差,推动空气经缝隙进出
热压驱动(烟囱效应)
内外温差引发密度差,热空气上升、冷空气下沉形成压力梯度
渗透途径
门窗缝、墙体孔洞、楼板穿管、电气预留口等不严密处
与通风的区别
渗透是无组织被动泄漏,通风是有计划的可控换气
气球扎了针眼对应 →建筑围护结构

看似密闭其实处处漏;风压+热压就是让空气悄悄进出的「推手」

Q=αA2ΔP/ρ, ΔP=ΔPwind+ΔPstackQ = \alpha \cdot A \cdot \sqrt{2\Delta P / \rho},\ \Delta P = \Delta P_{\text{wind}} + \Delta P_{\text{stack}}
18第 18 页 · 空气渗透的概念

渗透风量计算方法

粗估用换气次数,精算用缝隙法;二者按设计阶段选用。

1
换气次数法
L = n × V,按房间体积乘经验换气次数
2
缝隙法
L = Σ(l × q),逐条缝隙累加,查渗透系数表
3
风压热压修正
缝隙法结果需结合内外压差与风向修正
4
方法选用
方案阶段用换气次数;施工图按规范用缝隙法
19第 19 页 · 渗透风量计算方法

冷风渗透耗热量

上一页算出了冬季每条缝隙漏进来的冷风量 L(m³/h)。但光知道'漏了多少'还不够——工程上要回答的是:把这些冷空气重新加热到室温,暖气要多烧多少?这就是冷风渗透耗热量。

物理本质
把渗入的室外冷空气加热到室内温度 tₙ 所消耗的热量,单位 W
基本原理
Q = ρ·c·V·Δt,按质量 × 比热 × 温差三段式叠加
工程公式
Q₂ = 0.28·ρ·c·L·(tₙ − t_w),L 用 m³/h,0.28 是换算系数 1/3.6
参数取值
ρ ≈ 1.2 kg/m³,c ≈ 1.01 kJ/(kg·K),tₙ、t_w 取设计温度
占冬季总负荷
一般民用建筑可占围护结构耗热的 25%~30%,是不可忽视的耗热项
热水浴缸里持续倒冰水对应 →冷风渗透耗热量

冰水量对应渗风量 L,水温差对应 (tₙ−t_w),要维持浴缸水温必须不断加热

Q2=0.28ρcL(tntw)(W)Q_2 = 0.28\,\rho\, c\, L\,(t_n - t_w)\,\text{(W)}
20第 20 页 · 冷风渗透耗热量

渗透负荷自测

点击作答

冷风渗透耗热量的大小主要取决于下列哪一项?

21第 21 页 · 渗透负荷自测

建筑分区原则

算完冷风渗透,单个房间的负荷我们都会算了。但一栋楼里,东向房下午晒、西向房上午晒;会议室下班就关、机房 24 小时发热——一个系统真能伺候所有房间吗?

分区必要性
朝向、用途、发热源不同的房间,负荷大小和峰值时刻都不同
分区核心依据
负荷特征、使用时段、温湿度要求是否相近
典型分区方式
按朝向、内/外区、功能、楼层四种思路划分
分区的代价
系统增多、管路复杂,造价与运维成本都会上升
餐厅分灶炒菜对应 →建筑分区空调

粤菜川菜不能一锅炒——火力、调料、用时都不同;不同房间也不能一个系统通吃

22第 22 页 · 建筑分区原则

分区设计要点

上一页讲了分区原则——「相似负荷归一系统」。原则落到工程,朝向、楼层、功能这三类分区各自要抓什么要点?这一页拆开讲。

朝向差异
南向夏热冬得利,北向反之,宜分系统或分支
楼层差异
顶层受屋面日射与长波辐射;底层受地温与冷风侵入
内区与外区
内区无外围护,常年需供冷;外区冬夏工况交替
功能差异
厨房、机房、大厅等内热源强度与新风需求悬殊
细分原则
同朝向若窗墙比或遮阳差异大,仍需再细分
医院分诊对应 →建筑分区

各科就诊环境不同,不能一套参数管全场;分区就是给建筑「分诊」

23第 23 页 · 分区设计要点

新风量的确定

上一节看了渗透风量——那是建筑缝隙里被动漏进来的。设计新风系统要反过来问:房间到底需要多少新风才够用?这就要按规范同时核算两种算法,取大定值。

人员最小新风量
查 GB 50736 表 3.0.3,按功能场所定每人下限,多在 15~60 m³/h
换气次数法
按房间体积 × 换气次数 n(次/h)算,n 查规范按房间功能取值
取大原则
两套算法结果取较大值作设计新风量,确保既够呼吸也够稀释
场景差异
人员密集场所人员法主导;少人房间(如库房)以换气次数法主导
早高峰的地铁车厢对应 →两种新风量确定法

每人要呼吸够氧(人员法);整节车厢也要整体换气稀释二氧化碳(换气次数法);取大就是两头都顾上

V=max(Nqp, Vn)V_{\text{新}} = \max(N \cdot q_p,\ V \cdot n)
24第 24 页 · 新风量的确定

新风负荷计算步骤

新风负荷计算分五步:取量→取状态点→取参数→算焓差→分冬夏工况代入公式。

1
确定新风量L
新风量L(m³/h)由人员密度法或面积法确定,作为已知量代入
2
取室外状态点
查冬或夏季室外计算参数表,取焓h_w和含湿量d_w
3
取室内状态点
按室内设计温湿度确定状态点,对应焓h_n和含湿量d_n
4
计算焓差Δh
焓差Δh=h_w-h_n,湿差Δd=d_w-d_n,符号决定冷热性质
5
分工况求负荷
Q=ρ·L·Δh/3600,夏季Δh>0得冷负荷,冬季Δh<0得热负荷
25第 25 页 · 新风负荷计算步骤

分区与新风负荷要点

  • 分区本质是按需供能,避免系统与负荷错配
  • 内外区负荷来源不同,处理策略应分开
  • 新风量由人员与稀释双约束,取大值
  • 新风同时携带显热与潜热,不可拆开算
  • 分区与新风量互为前提,需联动设计
延伸主题:空调系统形式与分区匹配全热回收对新风负荷的影响过渡季全新风运行策略
26第 26 页 · 分区与新风负荷要点

总负荷构成

你家月度电费账单上,空调、冰箱、照明、电视各项加起来才是总数。建筑冷热负荷也是同样道理——前几页讲的每一种热流,都是总账单上的一行。

围护结构负荷
通过墙、屋顶、门窗由温差引起的传热量
太阳辐射得热
透过玻璃的直射/散射 + 围护吸收后再传入的部分
内部热源负荷
人体散热 + 设备散热 + 照明散热,三者相加
新风与渗透负荷
引入室外空气带入的冷(热)量,常占总负荷大头
总负荷 = 各项代数和
夏季冷负荷各项全为正;冬季热负荷需扣除内部得热
家庭月度电费账单对应 →建筑总冷热负荷

空调、冰箱、照明逐项累加是总电费;各分项热流逐项累加就是总负荷

Q=Q围护+Q太阳+Q内部+Q新风+Q渗透Q_{\text{总}} = Q_{\text{围护}} + Q_{\text{太阳}} + Q_{\text{内部}} + Q_{\text{新风}} + Q_{\text{渗透}}
27第 27 页 · 总负荷构成

逐时计算法

逐时计算法把一天切成小时颗粒,找出真正决定设备容量的峰值时刻。

1
划时间网格
把设计日切成24个时段,每个小时一个计算节点
2
算逐时扰量
太阳辐射、人员、设备按小时变化,得热不是常数
3
代入建筑响应
围护结构和家具蓄热让冷负荷延迟衰减
4
求逐时冷负荷
用响应因子或加权系数逐小时求解房间得热
5
锁定峰值时刻
对比24小时结果,最大值即设计冷负荷
28第 28 页 · 逐时计算法

估算法概述

上一页逐时计算法虽精确,却要逐项累加;设计初期常时间紧、数据少,工程师会改用更快的'毛估估'方法——估算法。本页聚焦最常用的单位面积指标法,看清它的用武之地与禁区。

估算法定位
用经验指标快速估算负荷,跳过逐时逐项的复杂计算
单位面积指标法
把负荷折算为'每平方米多少瓦'(W/m²),再乘以建筑面积得总值
适用场景
方案设计、可行性研究、改造评估、数据不全时的初步判断
不适用场景
施工图设计、设备精确选型、节能审查等需准确数值的环节
关键边界
指标源于同类建筑实测统计,气候、结构、使用性质差异大时误差显著
点菜时说两人份够四人吃对应 →单位面积指标法

凭经验给个'够用'的量,不逐人核算热量与营养

Q=KA(K:单位面积指标W/m2,  A:建筑面积m2)Q = K \cdot A \quad (K:\, \text{单位面积指标}\, W/m^2,\; A:\, \text{建筑面积}\, m^2)
29第 29 页 · 估算法概述

计算法与估算法对比

计算法逐时精确但耗时,估算法快速但粗略——何时该用哪个?

逐时计算法
  • 逐时求解,跟踪动态热过程
  • 需完整围护结构与逐时气象
  • 计算复杂,工作量大
  • 用于施工图与复杂建筑
估算法(指标法)
  • 用面积或单位指标快速估算
  • 仅需面积、功能等基本参数
  • 计算简便,工作量小
  • 用于方案阶段初步设计
方案阶段用估算法框定范围,施工图阶段用计算法精确核算——两阶段接力,非二选一。
30第 30 页 · 计算法与估算法对比

负荷与送风参数总结

  • 负荷=围护±日射±内部±新风
  • 冬夏同源反向,冬季失热夏季得热
  • 送风参数是负荷通往设备的接口
  • 精确法与估算法对应不同设计深度
  • 分区粒度决定全链路计算可信度
延伸主题:空调系统形式选择冷热源设备选型气流组织设计
31第 31 页 · 负荷与送风参数总结

综合自测

点击作答

设计师将夏季送风温差从 8℃ 调到 20℃,其他条件不变,下列最可能出现的是?

32第 32 页 · 综合自测

课后思考

先合上笔记独立思考,再对照参考答案——往往能发现自己遗漏的细节。

1冷负荷计算为什么要逐时进行?热负荷却常用稳态方法——两者背后的物理机制有什么本质不同?

参考答案冷负荷面对太阳辐射与内部得热的时变叠加,峰值不一定是温差最大时刻;热负荷以温差驱动,相对稳态。逐时法才能捕捉时序错位效应。

2在高大空间洁净厂房中,新风负荷和设备散热哪个更可能主导冷负荷?判断时要关注哪些关键变量?

参考答案取决于设备功率密度、换气次数与洁净等级。电子洁净厂房新风常主导,普通机械车间设备散热可能更大。具体工况需定量比较。

3随着被动房标准的推广,围护结构与气密性大幅提升,传统负荷计算方法还适用吗?哪些参数需要重新审视?

参考答案整体框架仍适用,但U值与渗透风量的绝对量下降后相对权重变化,辐射得热与内部得热占比上升,需在边界条件和敏感性上重新校准。

33第 33 页 · 课后思考