教室冷热负荷计算

论文报告
课程名：空气调节
指导老师：熊荣辉
报告人：姜宇峰
所在专业：热能与动力工程
一．计算要求
计算教室的采暖冷热负荷。

室外空气计算参数和室内温湿度标准是空调房间冷（热）、湿负荷计算的依据。

空调房间的室内温度、湿度的要求，用两组指标来反映，
空调温度t n= 空调温度基数+空调精度（室内温度允许波动范围）
相对湿度Φn = 相对湿度基数+空调精度（相对湿度允许波动范围）
室内温、湿度设计标准的确定依据：
对于舒适性空调，主要从人体的舒适感来考虑，一般不提空调精度的要求；
对于工艺性空调，要考虑满足工艺过程对温、湿度基数和空调精度的特殊要求，同时兼顾人体的卫生要求。

人体的热平衡和舒适感
人体的舒适状态是由许多因数决定的，其中和热感觉有关的有：
室内空气温度t n 及其在空间的分布和随时间的变化；
室内空气的相对湿度Φn；
人体附近的气流速度v；
围护结构内表面及其它物体表面的温度；
人体的温度、散热及体温调节；
衣服的保温性能及透气性。

人体热平衡
S = M - W - E - R - C（W/㎡）
S = 0，人体状态正常，体温为36.5℃，
S 〉0，人体状态不正常，体温上升，高于36.5℃，
S < 0，人体状态不正常，体温下降，低于36.5℃。

室内空气状态变化与人体冷热感的变化关系
t n 上升，人体对流热C 减少——热感；
Φn 增大，Pqb 增大，人体汗液等蒸发热E 减少——热感；
围护结构内表面和周围物体表面温度上升，人体辐射散热R 减少——热感；
t n 下降，人体对流热C 增大——冷感；
周围空气流速增大，人体对流热C 增大，人体水分蒸发热E 增大——冷感。

有效温度图和舒适区
新有效温度ET*(effective temperture)——通过温度、湿度及气流速度3个要素的组合，表示人体感觉的特别温度。

等效温度线——在等效温度线上各个点所表示的空气状态的实际干球温度、相对湿度不相同，但各点空气状态给人体的冷热感相同。

美国供暖、制冷、空调工程师学会（ASHRAE）推荐的舒适标准55-74
ET*=22.5*~25*，
t n=22~27 ℃Φn =20%~70%
室内热环境的评价指标PMV-PPD
PMV-PPD综合考虑了人体活动情况、着衣情况、空气温度、湿度、流速、平均辐射温度等6各因素。

PMV（Predicted Mean Vote 预期平均评价）——代表了对同一环境绝大多数人的冷热感觉，可用PMV指标来表示对热环境下人体的热反应。

PMV值-3~+3
根据人体热平衡的原理，
人体产热- 对外作功消耗- 体表扩散失热- 汗液蒸发失热-呼吸的显热和潜热交换
=通过衣服的换热
=在热环境内通过对流和辐射的换热
确定PMV的数学分析式。

PPD（Predicted Percentage of Dissatisfied 预期不满意百分率）——表示对热环境不满意的百分数，这是考虑人与人之间生理的差别。

PPD值0~100%
利用概率分析法确定PMV-PPD之间的关系。

舒适性空调的室内空气设计参数（做成表格形式）季节温度/℃相对湿度/% 工作区风速/（m/s）夏季 24~28 40~60 ≤0.3 冬季 18~22 一般建筑可不做规定，高级建筑〉35 ≤0.2
工艺性空调有：一般降温性空调、恒温恒湿空调和净化空调。

二．计算求解
10.教室冬季采暖热负荷计算
1).已知条件
教室所在地：南京理工大学
纬度：北纬32°02′
冬季采暖室外日平均温度≤8℃的天数：110天
冬季日平均温度≤8℃期间的平均温度：-1.2℃
冬季室外平均风速：1.6m/s
2). 根据人体的舒适性条件选择室内设计温度：18℃
3). 根据围护结构特点选择和计算的传热系数K:
外墙：K1=1/（Rn+Rλ+Rw）
其中查表知
Rn=0.115m2K/w
Rw=0.04 m2K/w
Rλ=0.76 m2K/w (按空心砖墙350毫米，外抹水泥砂浆，内外均粉刷白灰)
K1=1/(0.115+0.04+0.76)=1.09 w/ m2K
当室内外温差为24.2℃时为防止结露，外墙的最大传热系数为1.47w/ m2K，
因此，取K1=1.09 w/ m2K
外窗（双层钢窗）：传热系数K2=3.3w/ m2K
外门（单框木门）：传热系数K3=4.65 w/m2K
4)．计算
（1）.计算的基本传热量和附加耗热量
因建筑平面图不详，故取正方形模型计算各部分面积，房间层高取4米；
教室有大窗12扇，规格1*1.5m；
中窗18扇，规格1*1m;
注意到教室前后门均有一个0.2*0.2的玻璃小窗，故计算时也应注意；
建筑面积为100平方米的教室各部分面积如下（外墙面积按总墙面积的50%计算）：
外墙：F1=10*4*4*0.5-18.04-1.96=60 m2
外窗：F2=1.5*12*0.5+1*18*0.5+0.2*0.2*2*0.5=18.04m2
外门：F3=1*2*2*0.5-0.2*0.2*2*0.5=1.96 m2，
Q1=K1*F1*(tn-tw)=1.09*60*(18+1.2)=1255.68w
Q2=K2*F2*(tn-tw)=3.3*18.04*(18+1.2)=1143.01w
Q3=K3*F3*(tn-tw)=4.65*1.96*(18+1.2)=174.99w
（2）. 计算加热渗入空气所需的热量（换气次数法）
Q4=0.278*C*V*N*ρ*(tn-tw)
式中：C:冷空气比热容，取C=1kJ/kg.K
V:建筑物体积，V=100*4=400m3
N：换气次数，取N=1次/小时
ρ冷空气密度，1.35kg/ m3
故：渗入空气所需的热量Q5=0.278*1*100*4*1*1.35*（18+1.2）*1000/3600=800.64w
（3）. 求出房间采暖系统的热负荷
Q=Q1+Q2+Q3+Q4
=1255.68+1143.01+174.99+800.64
=3374.32w
则冬季教室的暖通热负荷为3374.32w
20.教室夏季制冷冷负荷计算
@@@基本条件：教室所在地：南京理工大学
纬度：北纬32°02′
夏季室外平均风速：2.8m/s
夏季室外平均温度：30.7℃
根据人体的舒适性条件选择室内设计温度：18℃
因建筑平面图不详，故取正方形模型计算各部分面积，房间层高取4米；
教室有大窗12扇，规格1*1.5m；
中窗18扇，规格1*1m;
注意到教室前后门均有一个0.2*0.2的玻璃小窗，故计算时也应注意；
建筑面积为100平方米的教室各部分面积如下（外墙面积按总墙面积的50%计算）
（一）外墙和内墙的冷负荷计算
1）通过墙体、天棚的得热量形成的冷负荷，可按下式计算：
CLQτ=KF⊿tτ-ε W
式中K——围护结构传热系数，W/m2•K；
F——墙体的面积，m2；
β——衰减系数；
ν——围护结构外侧综合温度的波幅与内表面温度波幅的比值为该墙体的传热衰减度；τ——计算时间，h；
ε——围护结构表面受到周期为24小时谐性温度波作用，温度波传到内表面的时间延迟，h；τ-ε——温度波的作用时间，即温度波作用于围护结构内表面的时间，h；
⊿tε-τ——作用时刻下，围护结构的冷负荷计算温差，简称负荷温差。

在计算冬季暖通热负荷时，已求得外墙：F1=10*4*4*0.5-18.04-1.96=60 m2
外墙传热系数K=：1.09W／(m2．K)
所以得CLQτ=1.09 * 60*（30.7-18）=830.58w
2）、内维护结构冷负荷
内维护结构是指内隔墙及内楼板，它们的冷负荷是通过温差传热而产生的，可视作稳态传热，计算式为：
CL=Kn *Fn *(twp+△tf–tns)（ W ）
式中Kn——内墙或内楼板传热系数[W/(m2•℃)]；
Fq——内墙或内楼板面积（m2）；
twp——夏季空调室外计算日平均温度（℃）；
△tf——附加温升，取邻室平均温度与室外温度的差值（℃）。

CL=1.05*150*（12.7+5）=2787.75w
（二）窗户的冷负荷计算
通过窗户进入室内的得热量有瞬变传热得热和日射得热量两部分，日射得热量又分成两部分：直接透射到室内的太阳辐射热qt和被玻璃吸收的太阳辐射热传向室内的热量qα。

（a）窗户瞬变传热得形成的冷负荷
本次工程窗户为3.0mm厚玻璃，主要计算参数K=3.3 W/m2•K。

工程中用下式计算：
CLQτ=KF⊿tτ W
式中K——窗户传热系数，W/m2•K；
F——窗户的面积，m2；
⊿tτ——计算时刻的负荷温差，℃。

所以CLQτ=3.3*18*12.7=754.38w
（b）窗户日射得热形成的冷负荷
日射得热取决于很多因素，从太阳辐射方面来说，辐射强度、入射角均依纬度、月份、日期、时间的不同而不同。

从窗户本身来说，它随玻璃的光学性能，是否有遮阳装置以及窗户结构（钢、木窗，单、双层玻璃）而异。

此外，还与内外放热系数有关。

工程中用下式计算：CLQj•τ= xg xd Cs Cn Jj•τ W
式中xg——窗户的有效面积系数；
xd——地点修正系数；
Jj•τ——计算时刻时，透过单位窗口面积的太阳总辐射热形成的冷负荷，简称负荷，W/m2；Cs——窗玻璃的遮挡系数；
Cn——窗内遮阳设施的遮阳系数。

计算得CLQj•τ=8392.28w
（三）外门的冷负荷计算
当房间送风两大于回风量而保持相当的正压时，如形成正压的风量大于无正压时渗入室内的空气量，则可不计算由于门、窗缝隙渗入空气的热、湿量。

如正压风量较小，则应计算一部分渗入空气带来的热、湿量或提高正压风量的数值。

（a）外门瞬变传热得形成的冷负荷
Q3=K3*F3*(tn-tw)=4.65*1.96*(30.7-18)=115.75w
（b）外门日射得热形成的冷负荷
四工的教室所有门均很少被阳光照射，故日射热的冷负荷可忽略不计。

（c）热风侵入形成的冷负荷
CL=ρ空气•Gw•(iN-iW)/3600（ W ）
式中ρ空气——空气密度(kg/m3)]；
Gw——空气流量（m3/h）；
iN——夏季空调室内状态点焓值（kj/kg）；
iW——夏季空调室外状态点焓值（kj/kg）
新风量按35 m3/（h•人）来计算，空气密度1.29，共100人，iN为90.57 ，iW为58.45 新风冷负荷为1.29*100*35*（90.57-58.45）/3600=40.28kw
（四）室内得热冷负荷计算
（a）电子设备的冷负荷
电子设备发热量按下式计算：
Q=1000n1n2n3N W
式中Q——电子设备散热量，W；
N——电子设备的安装功率，kW；
n1——安装系数。

电子设备设计轴功率与安装功率之比，一般可取0.7~0.9；
n2——负荷功率。

电子设备小时的平均实耗功率与设计轴功率之比，根据设备运转的实际情况而定。

对于电子计算机，国外产品一般都给出设备发热，可按其给出的数字计算。

本次设计每台计算机Qs=150W。

老师上课时使用计算机一台，功率为150w；投影仪一台，300w。

（b）照明设备
照明设备散热量属于稳定得热，一般得热量是不随时间变化的。

根据照明灯具的类型和安装方式的不同，其得热量为：
日光灯10台，平均功率36w，合计功率为360w.
灯光照明引起的冷负荷按下式计算
CL=Qd•Fd（W ）
式中Qd——室内照明冷负荷估算指标（W/m2)
Fd——空调房间面积（m2）
取Qd=15.56 W/m2，
则CL=1556w
（c）人体散热
人体散热与性别、年龄、衣着、劳动强度及周围环境条件等多种因素有关。

人体散发的潜热量和对流热直接形成瞬时冷负荷，而辐射散发的热量将会形成滞后的冷负荷。

实际计算中，人体散热可以以成年男子为基础，成以考虑了各类人员组成比例的系数，称群集系数。

对于不同功能的建筑物中的各类人员（成年男子、女子、儿童等）不同的组成进行修正，下表给出了一些建筑物中的群集系数，作为参考。

于是人体散热量为：
Q=qnn′ W
式中q——不同室温和劳动性质时成年男子散热量，18°C、轻度劳动强度下人体的散热量为163w；
n——室内全部人数，n取100；
n′——群集系数,取0.96
故人体散热引起的热负荷为100*163*0.96=15.65kw
所以，教室夏季制冷冷负荷为
Q=830.58+2787.75+754.38+8392.28+115.75
+40280+450+1556+15650
=70.82kw
三.计算说明
1）.对于南京理工大学的四工教室，因上下楼层及邻室均为采暖房，故可不考虑楼板及内墙的散热量，对于底层和层，其热负荷会稍高，学校在施工期间已经对地面及屋顶作保温处理。

2）.本计算所用数据，部分数据如教室高度及面积均为估算；其他计算常数为查阅资料所得。

四．空调房间送风状态及送风量的确定
空调房间夏季送风状态和平送风量确定的基本步骤：
1）首先根据前面介绍的方法，求得空调房间的冷（热）、湿负荷；
2）确认要消除的室内余热、余湿及维持空调房间要求的空气参数；
3）根据热湿平衡原理，建立
送风气流所吸收的热量= 室内的冷负荷
送风气流所吸收的湿量= 室内的湿负荷
的热湿平衡方程式，由此确定送风量；
4）由热湿比线ε及由空调精度确定的送风温差Δt确定送风状态。

换气次数——房间送风量L（m3/h）和房间体积V（m3）的比值。

n = L / V （次/h）
换气次数是通风和空调工程中常用来衡量送风量的指标。

换气次数越大，送风量也越大，房间空调精度也越高；洁净室的换气次数较普通空调大很多。

空调房间冬季送风状态和送风量确定
基本步骤同夏季。

内容要点：
冬季通过围护结构的温差传热往往是由内向外传递，只有室内热源向室内散热，故冬季室内余热通常比夏季少得多，有时甚至是负值；
余湿量冬夏一样；
送热风时送风温差Δt可比送冷风时大，但必须满足最小换气次数的要求，同时送风温度不应超过45℃；
空调送风量是先确定夏季送风量，冬季的送风量可与夏季同，也可低于夏季；
送风温差Δt大，送风量就小，处理和输送空气的设备也相应减少，系统运行费和初投资都可小。

送风量过小，会导致室内空气温度和湿度分布的均匀性和稳定性。

五．空气的净化与质量控制
1．室内空气的净化标准
室内空气的净化标准是以含尘浓度来划分的。

一般民用和工业建筑的空调房间的净化标准，大致可分为三类：
1）一般净化：一般净化，对室内含尘浓度无具体要求，只要对进气进行一般净化处理。

以温湿度要求为主的民用与工业建筑空调工程都属此类。

2）中等净化：对空气中悬浮微粒的质量浓度有一定要求，通常提出质量浓度指标。

3）超净净化：对空气中悬浮微粒的大小和数量均有严格要求，以粒径颗粒浓度作为浓度指标。

2．空气的含尘浓度表示方法
空气的含尘浓度指单位体积空气中所含的灰尘量，有三种表示方法：
1）质量浓度——单位体积中含有的灰尘质量（kg/m3）；（一般净化标准采用）2）计数浓度——单位体积空气中含有的灰尘颗粒数（粒/ m3或粒/L）；（洁净室的洁净标准采用）
3）粒径颗粒浓度——单位体积空气中所含的某一粒径范围内的灰尘颗粒数（粒/ m3或粒/L）。

3．空气洁净度等级
中国标准：
国家标准《洁净厂房设计规范》（GBJ73-84）规定的洁净度等级
注：对于空气洁净度为100级的洁净室，洁净室内≧5μm尘粒的计数，应进行多次采样。

当其多次出现时，方可认为该测试数值是可靠的。

注：洁净厂房的温度和相对湿度应与其生产及工艺要求相适应，一般温度控制在18~24 ℃
相对湿度控制在45%~65 %
美国联邦标准
制定室内空气环境的洁净度级别要求，是以保证生产过程和产品质量的可靠性及对人体的安全性为出发点，同时也考虑初投资与运行费，是根据经验确定。

4. 空气过滤器的选择
1）空气过滤器的选择应综合考虑
工艺对室内洁净度的要求、室外空气含尘浓度、系统阻力、维护管理、一次投资等各种因素。

2）一般净化要求的空调系统，选用一道初效过滤器，将大颗粒的尘粒滤掉；
中等净化要求的空调系统，可设置初、中效过滤器；
超净要求的空调系统，至少应设置3道过滤器，
注：第1道初效、第2道中效过滤器（预过滤）、第3道高效过滤器（末级过滤）；中校过滤器应设置在系统的正压段；高效过滤其应设置在系统的末端（送风口处）
3）0.3μm级高效过滤器还可用来净化含有放射性尘粒的空气、用于要求无菌的生物洁净室；
0.1μm级高效过滤器用于对≥0.1μm的尘粒有高洁净度要求的场合。