CN101476754A - 空调建筑中建筑热环境与建筑节能控制方法 - Google Patents

Abstract

空调建筑中建筑热环境与建筑节能控制方法：依据空调建筑当地最近10年内连续5天以上室外空气温度平均值

Description

空调建筑中建筑热环境与建筑节能控制方法

技术领域

本发明涉及空调建筑中建筑热环境与建筑节能控制方法。

背景技术

1992年联合国“环境发展”大会通过了《21世纪历程》，我国立即响应并提出了《中国21世纪议程》，把“节约能源，降低煤耗，开发再生能源”作为我国“保护环境，坚持可持续发展”的基本国策和重要任务。

在各国总能耗中，建筑耗能约占30％～40％，我国也不例外。同时，我国能源生产总量年平均增长率仅为全国生产总值年平均增长率的1/2。能源生产远滞后于国民经济的发展。加之我国建筑围护结构(屋顶、墙和窗)热工性能不高，采暖系统效率低，导致我国居住建筑采暖能耗均为发达国家的三倍之多。因此，改善室内热环境，提高居民生活质量，节约建筑用能，减轻国家能源生产短缺压力极具紧迫性。

我国建设部《建筑节能“九五”计划和2010年规则》中，提出要求：新建采暖居住建筑，1996年底为止，在1980～1981年当地通用设计能耗水平基础上，普遍降低30％，作为第一阶段；1997～2004年在第一阶段节能基础上再节能30％，作为第二阶段；2005年起，要求在第二阶段节能基础上，再节能30％，作为第三阶段。随着我国建筑节能开展与实施，国家颁布了《民用建筑热工设计规范》(GB-50176-93)和《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》(JGJ-25-2003)。

《民用建筑热工设计规范》是以我国建筑科学研究院胡磷，浙江大学蒋鉴明，重庆建筑大学陈启教授(建筑物理博士导师)为代表的老一代建筑科技者，学习苏联，结合我国国情，解决了我国夏热冬冷和夏热冬暖地区，夏季建筑室内自然通风条件下，室内热环境与围护结构隔热控制设计和我国严寒、寒冷和夏热冬冷地区，冬季建筑室内采暖条件下，室内热环境与围护结构保温控制设计实践问题。其中的“在自然通风条件下围护结构的隔热控制”以多层平壁周期性不稳定传热理论为基础，采用室外气候特征参数统计值平均计算法，在自然通风(开门、开窗)条件下提出了下面温度特征参数不等式作为室内热环境控制条件：

θ_i·max≤t_o·max                     [1.1-1]

式中，θ_i·max—室内自然通风(开门、开窗)条件下，围护结构内表面温度(特征参数)的最大值[℃]：

t_o·max—当地室外空气温度(特征参数)t_o的最大值[℃]。

由多层平壁不稳定传热理论，上式变为：

${\mathrm{\θ}}_{i\·\max }\≤{\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_i+\frac{A_{\mathrm{tsa}}}{v_0}+\frac{A_{t0}}{v_i}\≤t_{o\·\max }---[1.1-2]$

式中，θ_i—围护结构内表面的平均温度[℃]；

      A_tsa—围护结构外表面(考虑太阳辐射)综合温度波幅[℃]；

      v_o—室外综合温度热波由外表面传至围护结构内表面的衰减倍数；

      A_to—室外空气温度谐波的波幅[℃]；

      v_i—室外空气温度谐波由室内传至围护结构内表面的衰减倍数。

显然式[1.1-1]，即室内无空调(自然通风)条件下的热环境控制条件。它只能使室内“人体热平衡”尽可能靠近舒适平衡的“可忍耐热平衡”的范围之内。也只能作此权宜的规定，以控制室内热环境的过热状况。

由式[1.1-2]，在室内自然通风，开门开窗条件下，围护结构内表面温度最大值θ_i·max，是在内表面温度平均值θ_i基础上，取双向热波作用，即室外综合温度热波作用于围护结构外表面和室外空气温度热波作用于围护结构内表面，并分别衰减到内表面上两波合成的结果。依据(苏)A·M·шкловер多层平壁不稳定传热公式，两波分别传至内表面的衰减倍数v_o和v_i由下式确定：

$v_0=0.9e^{\mathrm{\ΣD}/\sqrt{2}}\frac{s_1+{\mathrm{\α}}_i}{s_1+y_{\mathrm{1,0}}}\frac{s_2+y_{\mathrm{1,0}}}{s_2+y_{\mathrm{2,0}}}\·\·\·\frac{s_n+y_{n-\mathrm{1,0}}}{s_n+y_{n,0}}\frac{{\mathrm{\α}}_0+y_{n,0}}{{\mathrm{\α}}_0}---[1.1-3]$

$v_i=0.95\frac{{\mathrm{\α}}_i+y_{i\·f}}{{\mathrm{\α}}_i}---[1.1-4]$

式中：D—多层平壁的热工特性参数—热惰性指标

      s₁，s₂，...，s_n—由内到外，各层材料的蓄热系数[w/m²k](空气间层蓄热系数S＝0)。

      y_1，0，y_2，0…，y_n，0—由内到外各层材料外表面蓄热系数[w/m²k]。

      α_i，α_o—分别为平壁内、外表面的换热系数[w/m²k]。

      y_i·f—平壁内表面蓄热系数[w/m²k].

在有限厚度的多层平壁条件下，材料层受到周期性波动的温度谐波作用时，其表面的温度波动大小，不仅与材料本身的物理性能有关，而且与边界条件有关。即在顺着温度波前进方向，与该材料层相接触的介质(另一材料层或空气)的热工性能和散热条件对其表面温度波动程度具有影响。

由传热学理论知，材料层表面受到温度谐波热作用时，其表面温度波动振幅的大小，主要取决于“剧烈波动层”范围内的材料热物理性能。这个“剧烈波动层”范围就是该层的“物理计算厚度”—即热惰性指标D＝1.0。所以，对有限厚度材料层，当“剧烈波动层”还没有超出该材料层范围，即材料层的热惰性指标D≥1.0时，则其表面温度波动主要与材料层的热物理性能有关，此时，可近似地认为y＝s；当材料层的D<1.0，即“剧烈波动层”已超出该材料范围时，则材料层背波面的蓄热系数y，作为边界条件对表面温度波动具有影响，此时y≠s。由此，对于材料层“物理计算厚度”D≥1.0和D<1.0的两种情况，分别由下面递推公式确定材料层表面蓄热系数：

[1]、材料层外表面蓄热系数计算：从内侧第一层，即逆温度波前进方向，依次向外逐层推算。

第1层外表面蓄热系数：

当D₁≥1.0时，y_1，0＝s₁                    [1.1-5a]

当D₁<1.0时， $y_{\mathrm{1,0}}=\frac{R_1{S}_1^2+{\mathrm{\&alpha;}}_i}{1+R_1{\mathrm{\&alpha;}}_i}---[1.1-5b]$

式中，α_i—为平壁内侧第1层的边界因素(与室内空气热交换的程度)的影响，R₁，S₁均是反映该层材料热特性参数的影响。

从第二层开始，以后任一层的外表面蓄热系数：

当D_m≥1.0时，y_1，0＝s_m                    [1.1-6a]

当D_m<1.0时， $y_{m,0}=\frac{R_m{S}_m^2+y_{m-\mathrm{1,0}}}{1+R_m{y}_{m-\mathrm{1,0}}},(m=\mathrm{2,3,4}...n)---[1.1-6b]$

式中y_m-1，0表示第m-1层的蓄热特性对第m层的影响。

最外层外表面的蓄热系数，即是平壁外表面的蓄热系数，即：

y_n，0＝y_0·f                              [1.1-6c]

[2]、平壁内表面蓄热系数计算：确定平壁内表面蓄热系数y_i·f时，分下述几种情况进行。

当D₁≥1.0时，y_i，f＝s₁                     [1.1-7]

当D₁<1.0，但D₁+D₂≥1.0时， $y_{i,f}=\frac{R_1{S}_1^2+S_2}{1+R_1{S}_1}---[1.1-8]$

当D₁+D₂+…D_m-1<1.0，而D₁+D₂+…D_m≥1.0时，则按下列递推公式求之：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_{m-1,i}=\frac{R_{m-1}{S}_{m-1}^2+S_m}{1+R_{m-1}{S}_m}\\ y_{m-2,i}=\frac{R_{m-2}{S}_{m-2}^2+y_{m-1,i}}{1+R_{m-2}{y}_{m-1,i}}\\ y_{1,i}=y_{i,f}=\frac{R_1{S}_1^2+y_{2,i}}{1+R_1{y}_{2,i}}\end{array}\right.---[1.1-9]$

当整个平壁的∑D<1.0时，则首先求出最后一层的内表面蓄热系数：

$y_{n\&CenterDot;i}=\frac{R_n{S}_n^2+{\mathrm{\&alpha;}}_o}{1+R_n{\mathrm{\&alpha;}}_o}---[1.1-10]$

式中，R_n—平壁最外一层的传热阻[m²k/w]

      S_n—最外一层材料的蓄热系数[m²k/w]

      α_o—平壁外表面的换热系数[w/m²k](按《规范》α₀＝23.0)

求得y_n·i后，再按式[1.1-9]递推求出平壁内表面的蓄热系数y_i·f。

由上所述，要想求出θ_i·max，则必须按上面各式进行繁杂的计算。同时首先要知道围护结构多层平壁的“构造”所具有的材料特性参数值：各材料层的蓄热系数S，传热阻R和热惰性指标D等。因此，先假定多层平壁“构造”，即各材料层的S，R，D均为已知，代入上面各式最后求出θ_i·max后，代入式[1.1-1]进行判定。倘若式[1.1-1]不成立，尚须重新假定“构造”方案，再重复计算，直到式[1.1-1]完全成立为止。此计算过程称为“反复试算验证法”(“构造”方案假定需凭经验进行)。

由此可知，该围护结构的隔热控制方法，在理论上，科学、完整、严谨。但存在下面不足：

[1]、计算过程繁杂，且须预先设定围护结构(屋顶、墙)的特性参数后才能反复试算验证，不能直接求出其特性参数值来控制室内热环境状况；

[2]、室内热环境控制是在自然通风(开门开窗)条件下建立的对室内空调(关门关窗)条件下的室内热环境与节能控制不适用。因此对上述优点必须继承，对其不足必须更新发展。

综上所述，《民用建筑热工设计规范》(GB50176-93)只适合当时我国夏热冬冷，夏热冬暖地区夏季自然通风条件下的围护结构(屋顶、墙)的隔热控制和三北寒冷、严寒和夏热冬冷地区冬季室内采暖条件下围护结构的保温控制，对于节能控制毫未涉及；同时两者在传热理论上没能统一起来；在计算方法上需先假定围护结构特性参数值后，才能进行经验性的验算。

《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》是在《民用建筑热工设计规范》(GB50176-93)中，夏季室内自然通风(开门开窗)条件下围护结构隔热控制基础上，建立的我国南方较低纬度沿海“夏热冬暖地区”夏季室内空调条件下《节能标准》。它强调室内自然通风和遮阳等综合措施来解决夏季的围护结构的节能控制。因此，它具有上述《规范》中夏季室内自然通风条件下，围护结构隔热控制中的不足。

根据上面简介，为使各地区《建筑节能设计标准》具有可比性，从夏季室内空调与冬季室内采暖条件下的室内热环境控制和转换为围护结构的隔热和保温控制与节能控制之间的相关性出发，即从此三个层面的控制条件和控制参数与当地气候特征控制参数间的相关性，围护结构(窗，墙)特性控制参数间的相关性出发，找出它们相关性之间的内在联系，在统一、科学、完整的理论指导下，创新出科学、简捷计算方法，统一制定具有中国特色的各地区“建筑节能设计标准”是当前急待解决的重要问题。

由上述现有技术简介可知：“室内自然通风”条件下的《南方节能标准》以及“室内自然通风”条件下的热环境与隔热《规范》和“室内采暖条件”下的热环境与保温《规范》等，存在传热理论上的不统一：例如，“室内自然通风”条件下的热环境与隔热《规范》和“室内自然通风条件”下的《南方节能标准》采用围护结构多层平壁周期性不稳定传热理论；其次，它们还存在计算方法上的不统一：例如，“室内自然通风”条件下的热环境与隔热《规范》和《南方节能标准》，两者均采用了“反复试算验证法”；此计算方法都属于经验性赋值方法。因此，导致上述三个《节能标准》中的围护结构(屋顶、墙)节能特性控制指标失去了“相应可比性”。

另外，上述几个“节能标准”均与相应条件下的《规范》失去了相关性联系，即未能把《节能标准》中相应的围护结构节能控制，与《规范》中的热环境和围护结构(屋顶和墙)的隔热与保温控制三者联系统一起来。同时，《节能标准》未能从围护结构(屋顶和墙)的特性控制指标与围护结构(窗)的特性控制指标间的相关性联系中，由墙的特性控制指标，直接计算锁定窗的特性控制指标，从而导致了窗的特性控制指标人为任意赋值。使三个《节能标准》中围护结构窗相应的特性控制指标也失去了“相应可比性”。

发明内容

本发明所要解决的问题是，提供一种能较好地解决空调建筑中隔热节能问题的空调建筑中建筑热环境与建筑节能控制方法。

本发明提供的技术方案是：

空调建筑中建筑热环境与建筑节能控制方法，包括以下步骤：

一、依据空调建筑当地最近10年内连续5天以上室外空气温度平均值t_o≥28℃的室外空气温度最大值t_o·max和最小值t_o·min以及变化值t_o-τ、当地建筑屋顶水平外表面和西墙外表面太阳辐射照度的日平均值I_H、I_W、最大值I_H max、I_W max计算出当地建筑屋顶水平外表面和西墙外表面的综合温度平均值t_H-sa和t_W-da与其相应波幅值A_H-tsa和A_W-tsa

(一)由当地气象局的测定值，计算当地最近10年内连续5天以上室外空气温度平均值t_o、振幅A₀和初相位

t_o≥28℃，

[1]、室外空气温度平均值：t₀

[2]、室外空气温度波幅：

$A_0=\frac{1}{2}(t_{0.\max }-t_{0.\min })$

[3]、t_0.max所对应的时间τ₀由变化值t_o-τ通过内插法确定：

${\mathrm{\&tau;}}_o=t_{014}+\frac{t_{0.\max }-t_{014}}{t_{014}-t_{020}}\&times;6$

式中：t₀₁₄、t₀₂₀分别为最近10年内连续5天以上室外空气温度平均值t_o≥28℃，的14点和20点时的室外空气温度的平均值；

与初始时间τ₀相对应的初相位

为：

(二)计算t_H-sa和t_W-sa及A_H-tsa和A_W-tsa；

[1]、计算t_H-sa和t_W-sa：

${\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{H-\mathrm{sa}}={\stackrel{\&OverBar;}{t}}_0+\mathrm{\&rho;}\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{I}}_H}{{\mathrm{\&alpha;}}_0},{\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{W-\mathrm{sa}}={\stackrel{\&OverBar;}{t}}_0+\mathrm{\&rho;}\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{I}}_W}{{\mathrm{\&alpha;}}_0}$

ρ为屋顶水平外表面或西墙外表面材料的吸收系数，ρ＝0.7；

α₀为屋顶水平外表面或西墙外表面的换热系数，α₀＝19.0；

[2]当地建筑屋顶水平外表面和西墙外表面太阳辐射当量温度波幅：

$A_{\mathrm{IH}\&CenterDot;\max }=\mathrm{\&rho;}\frac{I_{H\max }-{\stackrel{\&OverBar;}{I}}_H}{{\mathrm{\&alpha;}}_0},$ $A_{\mathrm{IW}\&CenterDot;\max }=\mathrm{\&rho;}\frac{I_{W\max }-{\stackrel{\&OverBar;}{I}}_W}{{\mathrm{\&alpha;}}_0}$

[3]、计算A_H-tsa和A_W-tsa：由室外空气温度波幅A₀和相位角

与太阳辐射当量温度波幅和相位角

和

按下面矢量迭加公式计算：

二、确定空调建筑中隔热时屋顶和墙的传热阻控制指标

[1]、隔热时墙的传热阻控制指标[R_o]_Wmin：由当地建筑八十年代通用设计墙体传热阻值确定；

[2]、隔热时屋顶的传热阻控制指标[R_o]_Hmin：

${\left[R_o\right]}_{H\min }=\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{H-\mathrm{sa}}-28}{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&theta;}}}_i-28}{R}_i;$      28<θ_i≤32 R_i＝0.11；

三、确定空调建筑中不带窗的墙的隔热节能三元控制指标：隔热节能时墙的传热阻控制指标[R_o-E]_Wmin、热惰性控制指标[D_0-E]_W min、热流密度控制指标[q_0-E]_W max

$\left\{\begin{array}{c}{\left[R_{o-E}\right]}_{W\min }=\frac{{\left[R_o\right]}_{W\min }}{1-\mathrm{\&epsiv;}};\\ {\left[D_{0-E}\right]}_{W\min }=2.13\ln \left(1.46A_{W-\mathrm{tsa}}\frac{R_i}{{\left[R_{0-E}\right]}_{W\min }}\right),R_i=0.11;\\ {\left[q_{0-E}\right]}_{W\max }=\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{W-\mathrm{sa}}-28}{{\left[R_o\right]}_{W\min }}(1-\mathrm{\&epsiv;})\end{array}\right.$

式中ε为墙的隔热节能效率，

四、屋顶的隔热节能三元控制指标：隔热节能时屋顶的传热阻控制指标[R_o-E]_H min、热惰性控制指标[D_0-E]_H min、热流密度控制指标[q_0-E]_H max

$\left\{\begin{array}{c}{\left[R_{o-E}\right]}_{H\min }=\frac{{\left[R_o\right]}_{H\min }}{1-\mathrm{\&epsiv;}};\\ {\left[D_o\right]}_{H\min }=2.13\ln \left(1.46A_{H-\mathrm{tsa}}\frac{R_i}{{\left[R_{o-E}\right]}_{H\min }}\right),R_i=0.11;\\ {\left[q_{o-E}\right]}_{H\max }=\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{H-\mathrm{sa}}-28}{{\left[R_o\right]}_{H\min }}(1-\mathrm{\&epsiv;});\end{array}\right.$

五、确定空调建筑中整面是窗的隔热节能三元控制指标

窗的隔热节能传热阻控制指标[R_s-E]_min：

${\left[R_{s-E}\right]}_{\min }=\frac{1}{2}[(\mathrm{\&xi;}-s)+\sqrt{{(\mathrm{\&xi;}-s)}^2+4s}]{\left[R_{o-E}\right]}_{W\min }$

式中，s＝F_s/F_o，F_s窗面积、F_o墙面积，ξ＝1/(1+s)；

窗的隔热节能热惰性控制指标[D_s-E]_min：

${\left[D_{s-E}\right]}_{\min }=2.13\ln (1.46A_{W-\mathrm{tsa}}-\frac{R_i}{{\left[R_{s-E}\right]}_{\min }})$

窗的隔热节能热流密度控制指标[q_s-E]_max：

${\left[q_{s-E}\right]}_{\max }=\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{W-\mathrm{sa}}-28}{{\left[R_{s-E}\right]}_{\min }}$

六、确定空调建筑中带窗的墙中墙和窗的隔热节能三元控制指标

墙的隔热节能传热阻控制指标按照确定、墙的隔热节能热惰性控制指标按照 ${\left[D_{0-E}\right]}_{W\min }=2.13\ln \left(1.46A_{W-\mathrm{tsa}}\frac{R_i}{{\left[R_{s-E}\right]}_{W\min }/\mathrm{\&alpha;}}\right),$ 墙的隔热节能热流密度控制指标按照 ${\left[q_{0-E}\right]}_{W\max }=\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{W-\mathrm{sa}}-28}{{\left[R_o\right]}_{W\min }}(1-\mathrm{\&epsiv;})\&times;\mathrm{\&alpha;}$ 确定；

窗的隔热节能传热阻控制指标按照

确定、窗的隔热节能热惰性控制指标按照 ${\left[D_{s-E}\right]}_{\min }=2.13\ln \left(1.46A_{W-\mathrm{tsa}}\frac{R_i}{{\left[R_{s-E}\right]}_{\min }/\mathrm{\&alpha;}}\right),$ 窗的隔热节能热流密度控制指标按照 ${\left[q_{s-E}\right]}_{\max }=\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{W-\mathrm{sa}}-28}{{\left[R_{s-E}\right]}_{\min }/\mathrm{\&alpha;}}$ 确定；

其中 $\mathrm{\&alpha;}=\frac{\frac{{\left[R_{s-E}\right]}_{\min }\&CenterDot;{\left[R_{o-E}\right]}_{W\min }(1+s)}{{\left[R_{s-E}\right]}_{\min }+s{\left[R_{o-E}\right]}_{W\min }}}{{\left[R_{o-E}\right]}_{W\min }}$

按照上述墙、屋顶和窗的隔热节能三元控制指标来控制墙、屋顶和窗的隔热节能性能。

上述步骤三和四中ε＝空调建筑节能效率×70％。空调建筑节能效率可按国家标准中的有关规定取值。如中国国家标准规定空调建筑节能效率不低于50％，则步骤三和四中ε＝0.350；对于空调建筑节能效率为65％，则步骤三和四中ε＝0.455。

本发明“建筑热环境与建筑节能设计相关控制法”的优点：

依据前面对建筑热环境和建筑节能控制各层面控制问题的论述与论证，显然本发明具有下列优点：

[1]充分发挥了我国几十年所积累气象资料的使用价值，尤其采用“室外气候特征控制参数的统计平均值法”(见步骤一)，使建筑节能各层面的控制指标的计算，简单快捷，投入成本小。

[2]免除了已知“典型建筑”计算模型的有关窗墙面积比，体形系数，围护结构热惰性指标等参数限制，消除了种种人为随意性，同时，使建筑师发挥建筑设计创作中的主动性。

[3]在《民用建筑热工设计规范》基础上，改进並统一了夏季室内空调热环境控制条件，使夏季室内空调条件下的热环境控制条件统一到多层平壁周期性不稳定传热理论基础上。

[4]尤其是创新地提出了“多层平壁周期性不稳定传热简化公式”(热惰性控制指标计算公式)，使得室内热环境控制条件，由原来的“反复试算验证法”改变成“直接计算锁定法”，免除了繁杂的计算，大大地简化了计算过程，便于建筑师掌握。

[5]在室内空调热环境控制基础上，对围护结构(墙、屋顶)的隔热控制层面上的隔热热工特性控制参数的限定值(即控制指标)，“直接计算锁定”，概念清晰，计算简捷。

[6]由于有窗围护结构的窗墙面积比的不同，导致其窗墙並联等效传热阻随之变化，使得有窗围护结构总体的节能控制不能完全达到围护结构应具有的节能效率的控制要求，只能达到节能效率控制所要求的88％～100％范围之内变化。为了国家统计建筑节能效率的真实、准确、可靠性，则提出了“窗墙並联等效传热阻形式不变原理”(步骤六)，按建筑各种不同的窗墙面积比所确定的上述范围内节能效率百分比值，同除窗和墙的传热阻，以调整窗和墙的传热阻控制指标，使有窗围护结构能完全达到国家规定的节能效率100％的要求。

具体实施方式

1.1 当地夏季气象资料的计算(以汉口夏季室外气象资料为例)(本发明中所述平均值均为算术平均值)：

1、由湖北省气象局按汉口最近10年最热月(夏季)空气温度(t_o≥28[℃])测定值(如、下表01所示)，计算室外空气温度的平均值t_o，振幅A₀和初相位

(初始时间τ₀)。

表01 汉口t₀≥28[℃](夏季)室外空气温度测定值

[1]、室外空气温度平均值：由表0.1取值为：t₀＝30.2924[℃]

[2]、室外空气温度振幅：

[3]、室外空气温度最大值所对应的初始时间，由内插法公式确定为：

${\mathrm{\&tau;}}_o=14+\frac{34.4337-33.5388}{33.5388-30.6517}\&times;6=15.8632\left[h\right]$

与初始时间τ₀相对应的初相位：

室外空气温度谐波精确到基波的瞬时值(时间坐标以正午时间为坐标原点)：

t_0τ＝30.29+3.82cos[15(τ-9.86)]

或t_0τ＝30.29+3.82cos[15τ-147.95]

2、由湖北省气象局按汉口最近10年最热月，太阳辐射照度值(水平面、东、西、南、北墙面)测定值(如下表02所示)。

表02 汉口夏季最热月太阳辐射日平均总量与日平均值、日最大值及其出现时间

[1]、太阳辐射当量温度平均值I[w/m²]由表02取值计算(结果见表03所示)：

[2]、室外综合温度平均值由式

计算(结果由表03所示)：

[3]、太阳辐射当量温度波幅(按《民用建筑热工设计规范》)由式 $A_{I.\max }=\mathrm{\&rho;}\frac{I_{\max }-\stackrel{\&OverBar;}{I}}{{\mathrm{\&alpha;}}_0}$ 计算(结果由表03所示)

[4]、综合温度波幅计算：由室外空气温度波幅A₀和相位角

与太阳辐射当量温度波幅A_I·max和相位角

按下面矢量迭加公式计算。(下面诸参数计算过程和计算结果如表03所示。)

①水平面上的综合温度波幅与相位角：

相应延迟到时间τ_H·tsa＝4.98/15＝0.43[h]

②东墙面上综合温度波幅与相位角：

相位角

超前量：

延迟时间超前：τ_E·tsa＝-1.33[h]

③西墙上综合温度波幅与相位角：

相应延迟时间：ξ_W·tsa＝75.6/15＝5.04[h]

④南墙上综合温度与延迟相位角

相应延迟时间τ_S·tsa＝16.13/15＝1.08[h]。

⑤北墙上综合温度与延迟相位角：

相应延迟时间τ_N·tsa＝19.60/15＝1.31[h]。

表03 太阳辐射当量温度、室外空气温度和室外综合温度的平均值波幅与相位角

1.2 围护结构—屋顶和墙的隔热控制与其三元隔热控制指标计算

1、围护结构—墙体隔热特性参数计算

[1]墙内表面平均温度θ_i：

以西墙为基准，已知当地汉口墙的隔热传热阻[R₀]_min＝0.5[m²k/w]，则西墙内表面平均温度为：

[2]在要求屋顶与西墙内表面平均温度均为θ_i＝29.4[℃]条件下，则屋顶的传热阻为：

${\left[R_0\right]}_{\min }=\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{\mathrm{sa}}-28}{{\mathrm{\&theta;}}_i-28}{R}_i=\frac{38.6-28}{29.4-28}\&times;0.11=0.83[m^{2}k/w]$

2、围护结构一屋顶和墙的隔热三元控制指标：

[1]墙的隔热三元控制指标：

$\left\{\begin{array}{c}{\left[R_o\right]}_{\min }=0.5[m^{2}k/w]\\ {\left[D_o\right]}_{\min }=2.13\ln (1.46\&times;14.2\frac{0.11}{0.5})=3.20\\ {\left[q_o\right]}_{\max }=\frac{34.5-28}{0.5}=3.25[w/m^2]\end{array}\right.$

[2]屋顶的隔热三元控制指标：

$\left\{\begin{array}{c}{\left[R_o\right]}_{\min }=\frac{38.6-28}{29.4-28}\&times;0.11=0.83[m^{2}k/w]\\ {\left[D_o\right]}_{\min }=2.13\ln (1.46\&times;23.4\frac{0.11}{0.83})=3.22\\ {\left[q_o\right]}_{\max }=\frac{38.6-28}{0.83}=12.77[w/m^2]\end{array}\right.$

1.3 围护结构—墙与屋顶隔热-节能三元控制指标计算

1、墙、屋顶的隔热节能三元控制指标：

[1]、墙的隔热节能指标，国家规定现阶段节能总效率为50％，而围护结构隔热节能效率占70％，即为ε＝0.35，则有：

$\left\{\begin{array}{c}{\left[R_{0-E}\right]}_{\min }=\frac{{\left[R_0\right]}_{\min }}{1-\mathrm{\&epsiv;}}=\frac{0.5}{1-0.35}=0.77[m^{2}k/w]\\ {\left[D_{0-E}\right]}_{\min }=2.13\ln \left(1.46A_{\mathrm{tsa}}\frac{R_i}{{\left[R_{0-E}\right]}_{\min }}\right)=2.13\ln \\ {\left[q_{0-E}\right]}_{\max }=\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{\mathrm{sa}}-28}{{\left[R_{0-E}\right]}_{\min }}=\frac{34.5-28}{0.77}=8.44[w/m^2]\end{array}\right.(1.46\&times;14.2\&times;\frac{0.11}{0.77})=2.31$

[2]、屋顶隔热节能控制指标则有：

$\left\{\begin{array}{c}{\left[R_{0\&CenterDot;E}\right]}_{\min }=\frac{0.83}{0.65}=1.28[m^{2}k/w]\\ {\left[D_{0\&CenterDot;E}\right]}_{\min }=2.13\ln (1.46\&CenterDot;23.4\frac{0.11}{1.28})=2.29\\ {\left[q_{0\&CenterDot;E}\right]}_{\max }=\frac{38.6-28}{1.28}=8.28[w/m^2]\end{array}\right.$

2、窗的隔热节能三元控制指标：由“窗墙相关性原理”在已知窗墙面积比s(窗面积与墙面积之比)则有：

式中，[R_0-E]_min—墙的隔热节能传热阻[m²k/w]，[R_s-E]_min—在窗墙面积比s已知条件下窗的隔热节能传热阻[m²k/w]。一相应窗墙比s时的窗墙相关性系数。由此可知：

随s值而变化；现取s＝1.0为例。

当 $s=1.0,(\mathrm{\&xi;}=\frac{1}{1+1.0}=0.5)$ 时，则有窗的隔热节能控制指标指标

上面围护结构—屋顶、墙、窗隔热节能控制指标如表04所示：

表04 屋顶、墙与窗的隔热节能三元控制指标

1.4 围护结构—屋顶、墙、窗、隔热-节能三元控制指标调节运算

由表04中，围护结构—屋顶、墙与窗的隔热节能三元控制指标，对墙体而言，墙上开了窗，导致整面墙的热路，由单一墙面(未开窗时)传热热路转变为窗墙并联热路，其并联等效传热阻确定即：

$R=\frac{R_s{R}_0(1+s)}{R_s+s{R}_0}\&le;R_0$ 或 $R=\frac{{\left[R_{s-E}\right]}_{\min }{\left[R_{O-E}\right]}_{\min }(1+s)}{{\left[R_{s-E}\right]}_{\min }+s{\left[R_{O-E}\right]}_{\min }}\&le;{\left[R_{O-E}\right]}_{\min }$

式中，R₀—无窗时，墙在室内空调条件下，为确保室内热环境与隔热节能控制所必须具有的隔热节能控制指标[R_O-E]_min。R_S—窗的隔热节能控制指标[R_S-E]_min；s—窗墙面积比。

当s＝1.0时，由表04相应值：

$R_{1.0}=\frac{0.60\&times;0.77(1+1.0)}{0.60+1.0\&times;0.77}=0.67<{\left[R_{O-E}\right]}_{\min }=0.77[m^{2}k/w],$

取 $\mathrm{\&alpha;}=\frac{0.67}{0.77}=0.88,$ 则 ${\left[R_{o-E}^{\&prime;}\right]}_{\min }=\frac{0.77}{0.88}=0.88[m^{2}k/w];{\left[R_{s-E}^{\&prime;}\right]}_{\min }=\frac{0.60}{0.88}=0.68[m^{2}k/w];$

最后，借助“窗墙并联等效传热阻形式不变原理”，围护结构—屋顶、墙、窗的隔热-节能三元控制指标如表05所示：

表05.调整后的屋顶、墙、窗(s＝1.0)的隔热节能三元控制指标

Claims (4)

1.空调建筑中建筑热环境与建筑节能控制方法，包括以下步骤：

一、依据空调建筑当地最近10年内连续5天以上室外空气温度平均值

的室外空气温度最大值t_o·max和最小值t_o·min以及变化值t_o-τ、当地建筑屋顶水平外表面和西墙外表面太阳辐射照度的日平均值I_H、I_W、最大值I_Hmax、I_Wmax计算出当地建筑屋顶水平外表面和西墙外表面的综合温度平均值t_H-sa和t_W-sa与其相应波幅值A_H-tsa和A_W-tsa

(一)由当地气象局的测定值，计算当地最近10年内连续5天以上室外空气温度平均值t_o、振幅A₀和初相位

[1]、室外空气温度平均值：t₀

[2]、室外空气温度波幅：

$A_0=\frac{1}{2}(t_{0.\max }-t_{0.min})$

[3]、t_0.max所对应的时间τ₀由变化值t_o-τ通过内插法确定：

${\mathrm{\&tau;}}_o=t_{014}+\frac{t_{0.\max }-t_{014}}{t_{014}-t_{020}}\&times;6$

式中：t₀₁₄、t₀₂₀分别为最近10年内连续5天以上室外空气温度平均值t_o≥28℃的14点和20点时的室外空气温度的平均值；

与初始时间τ₀相对应的初相位为：

(二)计算t_H-sa和t_W-sa及A_H-tsa和A_W-tsa；

[1]、计算t_H-sa和t_W-sa：

${\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{H-\mathrm{sa}}={\stackrel{\&OverBar;}{t}}_0+\mathrm{\&rho;}\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{I}}_H}{{\mathrm{\&alpha;}}_0},$

${\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{W-\mathrm{sa}}={\stackrel{\&OverBar;}{t}}_0+\mathrm{\&rho;}\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{I}}_W}{{\mathrm{\&alpha;}}_0}$

ρ为屋顶水平外表面或西墙外表面材料的吸收系数，ρ＝0.7；

α₀为屋顶水平外表面或西墙外表面的换热系数，α₀＝19.0；

[2]当地建筑屋顶水平外表面和西墙外表面太阳辐射当量温度波幅：

$A_{\mathrm{IH}.\max }=\mathrm{\&rho;}\frac{I_{H\max }-{\stackrel{\&OverBar;}{I}}_H}{{\mathrm{\&alpha;}}_0},$ $A_{\mathrm{IW}.\max }=\mathrm{\&rho;}\frac{I_{W\max }-{\stackrel{\&OverBar;}{I}}_W}{{\mathrm{\&alpha;}}_0}$

[3]、计算A_H-tsa和A_W-tsa：由室外空气温度波幅A₀和相位角

与太阳辐射当量温度波幅和相位角

和

按下面矢量迭加公式计算：

二、确定空调建筑中隔热时屋顶和墙的传热阻控制指标

[1]、隔热时墙的传热阻控制指标[R_o]_Wmin：由当地建筑八十年代通用设计墙体传热阻值确定；

[2]、隔热时屋顶的传热阻控制指标[R_o]_Hmin：

${\left[R_o\right]}_{H\min }=\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{H-\mathrm{sa}}-28}{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&theta;}}}_i-28}{R}_i;28<{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&theta;}}}_i\&le;32R_i=0.11;$

三、确定空调建筑中不带窗的墙的隔热节能三元控制指标：隔热节能时墙的传热阻控制指标[R_o-E]_Wmin、热惰性控制指标[D_0-E]_Wmin、热流密度控制指标[q_0-E]_Wmax

$\left\{\begin{array}{c}{\left[R_{o-E}\right]}_{W\min }=\frac{{\left[R_o\right]}_{W\min }}{1-\mathrm{\&epsiv;}};\\ {\left[D_{0-E}\right]}_{W\min }=2.13\ln \left(1.46A_{W-\mathrm{tsa}}\frac{R_i}{{\left[R_{0-E}\right]}_{W\min }}\right),R_i=0.11;\\ {\left[q_{0-E}\right]}_{W\max }=\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{W-\mathrm{sa}}-28}{{\left[R_o\right]}_{W\min }}(1-\mathrm{\&epsiv;})\end{array}\right.$

式中ε为墙的隔热节能效率，

四、屋顶的隔热节能三元控制指标：隔热节能时屋顶的传热阻控制指标[R_o-E]_Hmin、热惰性控制指标[D_0-E]_Hmin、热流密度控制指标[q_0-E]_Hmax

$\left\{\begin{array}{c}{\left[R_{o-E}\right]}_{H\min }=\frac{{\left[R_o\right]}_{H\min }}{1-\mathrm{\&epsiv;}};\\ {\left[D_o\right]}_{H\min }=2.13\ln \left(1.46A_{H-\mathrm{tsa}}\frac{R_i}{{\left[R_{o-E}\right]}_{H\min }}\right),R_i=0.11;\\ {\left[q_{o-E}\right]}_{H\max }=\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{H-\mathrm{sa}}-28}{{\left[R_o\right]}_{H\min }}(1-\mathrm{\&epsiv;});\end{array}\right.$

五、确定空调建筑中整面是窗的隔热节能三元控制指标

窗的隔热节能传热阻控制指标[R_s-E]_min：

${\left[R_{s-E}\right]}_{\min }=\frac{1}{2}[(\mathrm{\&xi;}-s)+\sqrt{{(\mathrm{\&xi;}-s)}^2+4s}]{\left[R_{o-E}\right]}_{W\min }$

式中，s＝F_s/F_o，F_s窗面积、F_o墙面积，ξ＝1/(1+s)；

窗的隔热节能热惰性控制指标[D_s-E]_min：

${\left[D_{s-E}\right]}_{\min }=2.13\ln \left(1.46A_{W-\mathrm{tsa}}\frac{R_i}{{\left[R_{s-E}\right]}_{\min }}\right)$

窗的隔热节能热流密度控制指标[q_s-E]_max：

${\left[q_{s-E}\right]}_{\max }=\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{W-\mathrm{sa}}-28}{{\left[R_{s-E}\right]}_{\min }}$

六、确定空调建筑中带窗的墙中墙和窗的隔热节能三元控制指标

墙的隔热节能传热阻控制指标按照确定、墙的隔热节能热惰性控制指标按照 ${\left[D_{0-E}\right]}_{W\min }=2.13\ln \left(1.46A_{W-\mathrm{tsa}}\frac{R_i}{{\left[R_{s-E}\right]}_{W\min }/\mathrm{\&alpha;}}\right),$ 墙的隔热节能热流密度控制指标按照 ${\left[q_{0-E}\right]}_{W\max }=\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{N-\mathrm{sa}}-28}{{\left[R_o\right]}_{W\min }}(1-\mathrm{\&epsiv;})\&times;\mathrm{\&alpha;}$ 确定；

窗的隔热节能传热阻控制指标按照确定、窗的隔热节能热惰性控制指标按照 ${\left[D_{s-E}\right]}_{\min }=2.13\ln \left(1.46A_{W-\mathrm{tsa}}\frac{R_i}{{\left[R_{s-E}\right]}_{\min }/\mathrm{\&alpha;}}\right),$ 窗的隔热节能热流密度控制指标按照 ${\left[q_{s-E}\right]}_{\max }=\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{t}}_{W-\mathrm{sa}}-28}{{\left[R_{s-E}\right]}_{\min }/\mathrm{\&alpha;}}$ 确定；

其中 $\mathrm{\&alpha;}=\frac{\frac{{\left[R_{s-E}\right]}_{\min }\&CenterDot;{\left[R_{o-E}\right]}_{W\min }(1+s)}{{\left[R_{s-E}\right]}_{\min }+s{\left[R_{o-E}\right]}_{W\min }}}{{\left[R_{o-E}\right]}_{W\min }}$

按照上述墙、屋顶和窗的隔热节能三元控制指标来控制墙、屋顶和窗的隔热节能性能。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤三和四中ε＝空调建筑节能效率×70％。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤三和四中ε＝0.350。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤三和四中ε＝0.455。