1. 空調負荷計算理論 及降低空調負荷 國立台北科技大學能源與冷凍空調工程系蔡尤溪

2. 參考書籍 本講稿資料部份取自 ASHRAE Handbook Fundamentals, 2005 McQuiston, Parker and Spitler, Heating, Ventilating, and Air Conditioning, 6th edition, Wiley, 2005

3. 講習內容 • 空調負荷影響因子概說 • 建築隔熱計算 • 太陽輻射熱計算 • 空調負荷熱平衡概論 • RTS法解析 • 北科大RTS1軟體操作 • 計算演習

4. 空調負荷影響因子概說

5. 空調負荷計算之考量 • 空調負荷計算—設計日逐時負荷主機選用及配置合理空調需求之評估 • 考慮建築儲熱效應，如厚實建築冬暖夏涼尖峰空調負載較小 • 空調負荷受建築使用時間影響，內部負荷與外氣之排程Scheduling)需於計算前擬定 • 每個空間也不同負荷—如外周區較內周區熱，需各別計算(東邊早上熱西邊下午熱)，不可將各別空間最高負荷相加 5/73

6. 空調負荷分類 • 空調負荷主要有三個來源： • 建築外殼(外牆及開窗熱傳導及輻射) • 室內負荷(人、照明、設備散熱等) • 外氣通風負荷(室內外溫濕度差)

7. 熱得 ≠熱負荷 瞬間進入室內 之熱量 造成室內空氣 溫濕度變化 建築量體熱儲存效應 輕型建築負荷 較接近瞬間熱得

8. 熱得分為對流與輻射 定義 對流—瞬間造成溫濕度上升 輻射—熱儲存後再對流釋熱 對流熱成 瞬間熱負荷 空調機 移除熱 瞬間熱得 儲存於建構 及室內物品

9. 如照明空調負荷--部份為輻射熱得 如繼續開燈 空調負荷 儲存熱 關燈後之 空調負荷 空調負荷

10. 降低空調負荷影響因子簡要 • 降低建築外殼熱負荷外牆隔熱、適當開窗、減少太陽熱輻射 • 室內負荷照明節能、減少設備用電等 • 外氣通風負荷(適當外氣量控制)

11. 尖峰空調負載案例—台北辦公 外殼(屋頂、玻璃輻射、玻璃傳導、外牆、隔間牆) 共33% 內部負荷(燈、 人員、辦公器具、風車)共40% 外氣負荷 27%

12. 空調負荷計算程序 • 至少包含以下內容： • 設計基準日之逐時空調負荷計算。 • 計算之輸入參數應包含人員密度、照明用電密度、各項設備用電密度、溫度設定值、各項室內熱負荷等必要之室內熱獲得計算。 • 顯熱及潛熱負荷計算應包含各項建築外殼熱獲得與室內設備與人員發散熱，並應考慮建築體之熱質量效應之影響。

13. 節能之室外設計條件 (取全年0.4%最高發生率)

14. 設計日室外之逐時氣溫 24小時溫度變化以近似正弦變化計算 設計溫度– DR百分比× DR DR值可取6℃，溫度最低在5時(100%)最高在15時(0%)。

15. 室內最小外氣量(通風量) • 註： • 可用最小外氣量每人8.5L/s(每秒公升) • 或其他相關規範或標準如建築技術規則及美國ASHRAE 62.1標準 • 上表參考加州及新加坡規範值

16. 建築隔熱計算

17. 建材熱阻值(綠建築標章計算資料) R值(m2℃/W)

18. 隔熱計算 總熱阻(R1+R2+R3+……..) =0.11+0.086+0.0706+0.043 =0.3096 總熱傳係術 U=3.23 W/m2 ℃ 內空氣膜 0.11 外空氣膜 0.043 鋼筋 混泥土 0.086 石膏板 0.0706

19. ASHRAE 建材資料庫

20. ASHRAE 建材資料庫

21. 外牆 R 值計算案例(英制) U=1/R = 0.07 hr ft 2F/Btu = 0.07 x 5.678 = 0.397 W/m2 C 21/73

22. 熱傳=U (1/R) x 面積 x (內外空氣溫差) 玻璃隔熱

23. 空氣層隔熱(R)

24. 空氣層隔熱 90cm 40cm

25. 太陽輻射熱計算(簡要分析)

26. 太陽熱能強度 在大氣層外之太陽輻射，垂直強度約為1367W/m2，穿過大氣層後減弱。 以台灣地區而言，抵達地面時經過雲層 平均約有600 W/m2。

27. 太陽能—超出能見光波長 紅外線占40% 能見光 對數座標

28. 太陽輻射計算基礎 墻之角位 Β太陽高度角 Ψ天頂角 Φ 太陽方位角

29. 偏角之計算 l 緯度 h 時間角度(每小時15度) D 赤緯角 例 l=23o h=15o d=20.6o Sinβ= 0.970

30. 輻射偏差角度(Declination degrees)及ASHRAE Clear Sky Model常數(每月21日)

31. ASHRAE Clear Sky Model Normal direct irradiation 法線日直射W/m2 A：當空氣質量為零時的地表面日射量(W/m2) ( apparent solar constant) B：大氣衰減係數(atmospheric extinction coefficient) 7月21日 晴朗天空午時輻射強度高 GND=1093/exp(0.186/0.970) =902W/m2

32. ASHRAE Clear Sky Model 日散射 C：水平面日散射與法向直達射熱的比值 (sky diffuse factor) 利用前例 Gd = 0.138 x 902 = 125W/m2 非水平面之日散射 例垂直牆α=90, Fws =1/2 Gd = 125 x 0.5 =62.5W/m2

33. ASHRAE Clear Sky Model G = G D + G d 輻射與表面法線 夾角(入射角)之修正 例垂直入射 時入射角= 0 例入射角= 90度 GD = 0

34. 計算例7 月 21日北迴歸線上 屋頂 日射角為 0度 G = 902 + 125=1027W/m2 垂壁 日射角為90度 G = 62.5 W/m2

35. 入射角之計算 α牆傾斜角，水平屋頂為0度，垂壁為90度 ：牆太陽方位角(度) ：牆方位角(度)，以北為０度，順時針方向繞。 ：太陽方位角(度)(相對於北方位) 牆面向西南方位角為225度如太陽方位角為180度時 這面牆的方位角為45度

36. 太陽方位角 例 7月 21日 下午 1:00 d 赤緯角 = 20.6 L 緯度 =23 h 時間角度 15 β 太陽高度角 Sinβ= 0.970 Cosβ=0.243 cos(太陽方位角)= (sin20.6 x cos23 - cos20.6 x sin23 x cos15) /0.243 = -0.121 太陽方位角 =187 (以北順時鐘)

37. 入射角計算例子(依前例) ：牆方位角(度) = 180，以北為０度，順時針方向繞。 ：牆太陽方位角(度)=187-180=7

38. 空調負荷熱平衡概論

39. 熱平衡法(內外牆) 內外牆面太陽輻射，內外部輻射，及對流 牆內熱傳導

40. 內外牆熱平衡 • j 外表面 • j 內表面

41. 一區之熱平衡(外牆) 空調機移除熱 • 忽略熱儲存時 內部負荷之對流 外氣滲入 熱對流

42. 外強穩態熱傳 內外溫差 x 總熱傳U值

43. 外牆太陽輻射及熱對流 太陽輻射 外牆對流 熱對流係數計算(Yazdanian and Klems)

44. 熱對流係數計算

45. 考慮熱儲存 暫態熱傳 利用傳導轉移函數(Conduction transfer function) --以前數小時迭代資料演算

46. 由熱平衡發展出資料庫及計算方法 • 總當量溫差/時間平均法(TETD/TA)，TETD法利用太陽空氣溫度(Sol-Air Temperature) 觀念，考慮建築外殼的動態熱得現象；及包含了輻射熱所造成室內家具之蓄熱與放熱等熱質量效應。 • 傳遞函數法(TFM)，TFM以通過板壁的Z-傳遞函數係數(CTF)計算逐時的太陽輻射熱，配合房間傳遞函數模擬空間空調負荷。 • 冷卻負荷溫差法(CLTD)/太陽冷卻負荷(SCL)，將TFM計算作成資料庫及表格，計算受日光照射的屋頂與牆壁的傳導溫差，以及計算玻璃得自太陽及室內熱源的冷卻負荷係數(CLF) • ASHRAE近年發展輻射時間序列(RTS)，擬取代前方法，以週期反應係數取代了傳導傳遞函數， RTS是簡化方法，允許時間延遲效應，對尖峰冷卻負荷通常過度預測而不是過低預測

47. CLTD/CLF/SCL 方法簡要說明 直接計算逐時空調負荷 已考慮建築體熱儲存 逐時開窗空調負荷

48. CLTD/CLF/SCL 方法簡要說明 逐時內部負荷

49. 輕結構凌晨時屋頂熱傳導往外 CLTD為負 CLTD例 Note: CLTD values are obtained for indoor temperature of 78℉ and outdoor temperature of 85℉.

50. 照明案例 燈熄後尚有空調負荷 CLF例