制冷装置设计第二章汇总

第2章制冷负荷计算

冷间是人工降温房间的统称，包括冷冻间、冷却间、冷却物冷藏间、冻结物冷藏间、冰库、冷加工间和低温穿堂。冷间的制冷负荷就是为维持冷间低温单位时间需取出的热量。由于外界环境温度、食品储藏量、食品加工季节和操作等的差异，制冷负荷是不相同的。因此，正确地计算制冷负荷是制冷装置设计的工作之一。

制冷负荷计算是指冷却设备负荷和制冷系统机械负荷的计算，其目的在于合理正确地确定冷却设备负荷和机械负荷，为制冷装置的设计提供依据。同时，还可以通过对构成冷负荷的各个部分热负荷的计算与分析，探讨各种因素对冷负荷的影响，以寻求减少制冷装置冷负荷的方法与途径。

制冷装置工作时，只有当制冷量与热负荷平衡时，冷间才能维持规定的空气温度和相对湿度。通常，制冷装置的热负荷Q由以下几个部分组成：

(1)围护结构传热量Q1由于冷间内外温差和太阳辐射热的作用，通过围护结构的传热量，包括两部分：①由于室内外空气温差(tw-tn)引起的传热量；②冷间围护结构外表面吸收太阳辐射热(△ty=pj/αw)引起的传热量。

(2)货物热量Q2由于货物(食品)与冷问空气之间存在温度差，食品在冷却或冻结过程中放出的热量，或者在冷加工过程中放出的热量，简称为货物热量，包括：①食品热量；

②包装材料和运载丁具热量；③食品冷却时的呼吸热量；④食品冷藏时的呼吸热量。

(3)通风换气热量Q3冷间需要通风换气，外界空气进入冷间而带进的热量，称为通风换气热量，包括：①鲜活食品呼吸需要补充的新鲜空气热量；②操作人员呼吸需要补充的新鲜空气热量。

(4)电动机热量Q4冷间内各种动力设备上的电动机散热量，称为电动机热量；包括：①库房内风机电动机产生的热量；②运输工具电动机产生的热量。

(5)操作热量Q5由于冷问的照明、操作人员散热及开门引起的热量，称为操作热量，包括：①照明热量；②开门热量；③操作人员热量。

南于各种制冷装置的结构和功能各具特点，热负荷的组成与计算亦略有差异，本章将以冷库为主，介绍冷间制冷负荷的组成及计算方法，以及冷却设备负荷与机械负荷汁算方法。

2．1围护结构传热量Ql

冷间温度鄙低于外界环境温度，由于冷间内外的温度差，外界热量通过冷间围护结构向冷间传递。冷间围护结构的传热是复杂的、不稳定的传热过程，受时间、地点、季节、气候、建筑热工特性等诸多因素的影响。外界通过围护结构传人的热量主要受两个方面因素的影响，一是由冷间内外传热温差(tw-tn)引起的传热；二是由于太阳辐射(△ty=Pj/αw)引起的传热。其中，冷间的温、湿度条件是由食品冷加工工艺条件、被储存食品的性质、储存期限及技术经济分析等综合经济指标确定的；而室外的温、湿度条件则受到时间、地点、季节和气候等因素的影响。因此，在进行制冷负荷计算时，既要考虑冷间最不利的环境条件，又要忽略室外热作用中的短期不稳定因素，以保证冷间围护结构在合理、经济的条件下达到设计要求。所以，在进行制冷负荷计算时，必须首先确定冷库室内外的计算温度。

2．1．1综合温度作用下的传热特性

2．1．1．1室外空气综合温度

冷间围护结构传热是在室外空气温度和太阳辐射热的综合作用下进行的，其中室外高温空气通过与外表面的直接换热向围护结构传热。太阳辐射热则是以电磁波形式将能量直接传到围护结构外表面，经吸收转化为热能的。因此，冷间维护结构由外界环境接受的热量可分为两部分，即室外空气以对流方式传给外表面的热量和太阳辐射热量。

1．室外空气以对流方式传给外表面的热量Q1n

室外空气以对流方式传给外表面的热量Q1a(w)，可按下式计算，即

式中，αw为围护结构外表面传热系数[W／(m2·K)]；A为围护结构的外表面积(m2)；

tw为外界环境计算空气温度(℃)；tw1为围护结构的外表面温度(℃)。

2．太阳辐射热量Q1b

在太阳辐射热的作用下，围护结构外表面的温度升高，一部分热量被围护结构所吸收，并传入冷间；另一部分则被围护结构外表面向外反射。因此，围护结构外表面所吸收的太阳辐射热量Q1b(w)可按下式计算，即Q1b=pjA(2-2)式中，p为围护结构外表面对太阳辐射热的吸收系数(无因次量)；．，为计算的围护结构外表面的太阳辐射强度(w／m2)。

3．围护结构外表面总受热量Q

由式(2一1)和式(2-2)可得，冷间维护结构外表面由外界环境接受的热量p(w)可表示为

比较式(2-1)和式(2-4)可知：由于室外高温空气和太阳辐射热的综合作用，使得冷间围护结构外表面温度上升到某一个温度tz。--在工程上将其称为空气综合温度。在空气综合温度tz的作用下，进入围护结构外表面的热量等于室外空气温度和太阳辐射热共同作用下所进入的热量(相关计算参数的选取见表2-1～表2-3)。

表2一l围护结构外表面对太阳辐射的吸收系数p值

由此可见，所谓空气综合温度相当于室外空气温度由原来的tw 值增加了一个太阳辐射的等效温度ρJ/α值。这一等效温度与太阳辐射热具有相同的效果，称之为太阳辐射的当量温升，以△ty 表示。在冷间制冷负荷计算中，常采用每昼夜太阳辐射强度的平均值，故太阳辐射的当量温升即为昼夜平均当量温升，以△td 表示为

式中，△td 为太阳辐射的昼夜平均当量温升(℃)；p 为围护结构外表面对太阳辐射热的吸收

系数；Jp 为太阳辐射昼夜平均总辐射强度(w ／m 2

)；αw 为围护结构外表面传热系数[W ／(m2·℃)]。

2．1_l_2室外空气综合温度作用下围护结构的传热特性

由于室外空气温度tw和太阳辐射当量温升△ty的周期性变化，导致室外空气综合温度tz 也呈周期性的波动。这样，在室外空气综合温度的作用下，热量通过围护结构的传热过程具有两个特性：一个是热流的衰减，另一个是时间的延迟。

1．室外空气温度的变化规律

由于受到地理纬度、季节更替和昼夜变化的影响，室外空气温度tw的波动周期可视为24h(即一昼夜)。下面以武汉市的气象资料为例予以说明。

图2一l所示为武汉市9月初一天的气象数据。由图可知，一天中最高气温出现在14～15时，最低气温出现在凌晨4-5时。

图2-2所示为武汉市某年的气象数据。一年中最热月在7、8月份，最冷月在l、2月份。表2-3各主要城市部分气象资料

2．太阳辐射的变化规律

与室外空气温度tw 的变化规律相同，太阳辐射强度也受到地理纬度、季节更替和昼夜变化的影响；此外，还应考虑到围护结构外表面的朝向不同的影响。图2-3所示为位于北纬40。地区围护结构各个朝向的总辐射强度。夏季是一年中太阳辐射强度最大的季节，而且围护结构各个不同朝向的外表面所受到的太阳辐射强度是各不相同的。图2-4所示为晴天室外照度逐时变化规律。太阳辐射强度的大小随着昼夜变化而不同，即中午辐射强度最大，早晨和黄昏时辐射强度较小。

3．室外空气综合温度作用下的传热特性

由于室外空气温度tw 和太阳辐射当量温升△ty 的周期性变化，室外空气综合温度tz 以24h 为周期在其平均值上下波动。这样，在空气综合温度tz 作用下，外界环境传人冷间的热量也随之呈周期性的波动，即围护结构各截面上的温度也在平均值上下波动。由图2-5见，这种温度的上下波动是由外向内逐层衰减和延迟的。这就是围护结构在空气综合温度tz 周期性外扰下的两个重要特性--热流衰减特性和时间延迟特性。

(1)衰减度的概念南图2-5可知，在一个周期内，随着室外空气综合温度tz 的波动，围护结构各层的温度波动幅度按由外向内的顺序逐层递减，即 △tz>△twl>△tw2>…>△tn

也就是说，室外空气综合温度的波幅△tz 大于外表面温度的波幅△t w ；而外表面温度的波幅△tw 大于内表面温度的波幅Δtn 。这种温度波动幅度减弱的现象，称为温度波的衰减。温度波在围护结构内的衰减是由于材料的吸热、放热自然形成的。维护结构对温度波幅的衰减能力用衰减度。。来表示。则tn

tx

v ??=

0 式中，△tz 为空气综合温度在各时刻的波幅(℃)；△tn 为与以上对应时刻的内表面温度波幅(℃)。

则整个围护结构对综合温度的衰减度为

(2)温度波动的延迟时间从图2-5中还可以看出，外表面的温度波动迟于空气综合温度的波动，而内表面的温度波动又迟于外表面的温度波动。这种温度的传递在时间上的滞后现象称为温度波动过程的延迟。延迟的时间以ξ表示。若设综合温度最大值出现的时间为Zzmax，

内表面温度最大值出现的时间为Zzmax,则维护结构总的延迟时间ξ0值为

式中，ξ0为维护结构总的延迟时间(h)；Zzmax为综合温度最大值出现的时间；Zzmax为内

表面温度最大值出现的时间。

图2-5中综合温度最大值出现的时间Zmax为12时；内表面温度最大值出现的时间为16时，

则维护结构总的延迟时间ξ0为

(3)冷库维护结构的延迟时间和衰减度计算围护结构对温度波幅的衰减和延迟作用是由于材料对热流的阻尼作用和蓄热作用所致，阻尼作用的大小可用热阻尺来体现，它表示材料抵抗导热的能力。材料对热流的阻尼作用。使得热流通过围护结构的传递速度减慢。蓄热作用的大小可用蓄热系数s表示，它表示当热流呈周期性波动时，围护结构材料层进行着对热流的蓄积和释放过程。

维护结构对热流的阻尼和蓄热作用的总合可用热惰性指标D=Rs来表示。多层材料的热惰性指标D等于各层材料热惰性指标D。值之和，即D=RlSl+R2s2+…+RnSn(2-8)式中R为围护结构各层材料的热阻(m2·℃／w)；Sn为围护结构各层材料的蓄热系数[w／(m2·℃)]。通常，将室外空气温度波动的作用下，通过围护结构传人冷间的热量视为两部分，即平均传热量和波动传热量。平均传热量受室外空气昼夜平均气温的影响，波动传热量受室外空气温度振幅(日最高温度和日平均温度之差)的影响。由于围护结构有一定的蓄热能力，当室外温度降低时，又会有部分热量从围护结构内反射到室外。因此，室外空气温度振幅反应到围护结构内表面要比外表面小，这个过程称为衰减，减少的倍数称为衰减度。在一般情况下，材料堆密度大、蓄热能力大、结构层次多的围护结构，衰减度就大；反之则小。对于冷库围护结构的延迟时间ξ0(h)和衰减度可采用下列经验公式计算，即延迟时间

式中，e为自然对数的底；∑D为各层材料的热惰性指标之和；R。为围护结构外表面热阻(m2·℃／w)；∑R为各层材料热阻之和(m3·℃／w)。

几种材料的热惰性指标D、衰减度t，0和延迟时间ξ0见表2-4。

表2-4几种材料的热惰性指标D、衰减度v0和延迟时间ξ0

注：1．D>6的围护结构称为重型结构；4

2．D>4的中、重型结构，其衰减度”0都在300倍以上，说明室外综合温度的变化，经围护结构衰减后传至内

表面的振幅就很小。在工程计算中，此类围护结构的波动传热量可以忽略不计，仅计算平均传热量即可。

3．对于D>6的重型结构，其延迟时间ξ0约在20h以上。

例如：以天津地区气象资料为例，极端最高温度tmax=39．6℃，屋面外表面传热系数

αw=23w／(m2．℃)，水平面太阳辐射强度最高值Jmax=959W／m2，绿豆砂保护屋面(浅

黑)的吸收系数p=0．65，夏季空气调节室外计算日平均温度t wp=29℃，水平面太阳辐射强度昼夜平均值Jp=323W／m2，则

极端最高综合温度tmax为

温度波动的延迟时间对冷库围护结构传热量的影响过程如图2-6所示。如果在14-

15时围护结构外表面的温度为66．7℃的热流，传人库内大约需要20h的时间，也就是说，在第二天的10～ll时才能传人库内。但是，由于室外空气综合温度tz是一个周期性变化的温度值；随着室外日照情况的变化，tz在14时之后开始下降；一直到凌晨3～4时，室外空气综合温度tz达到最低值25℃左右。在室外空气温度下降期间，室外空气综合温度tz 始终低于66．7℃。与此同时，温度为66．7℃的热流与室外空气综合温度也产生了一个温度

差(△tzmax-tz)。在这个温度差的作用下，一部分热流将返回室外，使得传人库内的热量更少。

2．1．2围护结构传热量Q。的计算

为了方便计算，将室外空气综合温度tz划分为两部分，即平均温度twp和波动值△td。其中，平均温度Δtz包括室外空气平均温度twp和太阳辐射的昼夜平均当量温升△td；而波

动值

△tw包括室外空气温度的波动值△tw和太阳辐射的波动值△Jρ/αw。即

式中，ΔJ为冷厍每一朝向辐射强度的波动值(W／m2)；l，JP为太阳辐射昼夜半士习总辐射强度

(W／m2)；p为围护结构外表面对太阳辐射热的吸收系数，见表2-2；twp为室外空气平均温度(℃)；△tw外空气温度的波动值(℃)。

同样，传人围护结构的热量也包括两部分：①由于室外空气平均综合温度tzp与室内空

气温度tn之差传入围护结构的热量平均值Qp(w)；②由于室外空气综合温度波动△tz引起

由此可见，最后一项的热量波动仅仅只有0．76W／m。，这里没有考虑延迟时问对这部分

热量的影响；若将延迟时间的影响因素考虑进去，也就是考虑当夜间温度降低时有部分热量由同护结构的内表面传向室外，其热量波动还会减少。因此，对于D>4的中、重型结构，可以将这部分热量忽略不计。而D<4的轻型结构由于其衰减度较小，延迟时问较短，则不能忽略。

对于因太阳辐射的昼夜变化发生的这部分传热量，计算起来比较复杂。因此，用室内外

温差修正系数。来表示太阳辐射的昼夜平均值对围护结构传热量的影响程度，设

围护结构表面传热示意图如图2-7 所示。

表2-5围护结构外表面和内表面传热系数αw、αn和热阻Rw、Rn

注：地面下为通风加热管道和隔热层直接铺设于土壤上的地面以及半地下室外墙埋人地下部分，外表面传热系数αw

均不计。

2)围护结构各构造层材料的厚度应按实际设计厚度计算，隔气层为一毡二油按5mm计

算，隔气层为二毡三油按10mm计算。

例2-1外墙的建筑结构做法(从外到内)如下：

①白色外墙涂料。

⑦25mm厚1：2．5水泥砂浆抹面。

③370mm厚砖砌体。

④25mm厚1：2．5水泥砂浆找平层。

⑤冷底子油一道。

⑥二毡三油隔气层按10mm计算，一毡二油隔气层按5mm计算。

⑦200mm厚高密度聚苯乙烯泡沫塑料隔热层。

⑧120m m厚砖砌体。

⑨25mm厚1：2．5水泥砂浆抹面。

⑩白色内涂料两道。

3)围护结构各隔热层材料的热导率A在冷库设计中可采用式(2-20)计算，即

λ=bλ0(2-20)

式中，λ为设计采用的热导率[W／(m·℃)]；λ0为正常条件下测定的热导率[W／(m·℃)]；b为热导率的修正系数。

引人热导率的修正系数6，主要考虑通过围护结构传入热量的同时，水蒸气也随之传人，水分会在隔热层内凝结，导致隔热材料的含湿量增大。热导率将会增大。为了保证若干年内，冷库能够正常使用而引入隔热材料热导率的修正系数6值。常用隔热材料热导率的修正系数b值见表2-6。

表2-6常用隔热材料热导率的

修正系数b值

注：水泥膨胀珍珠岩的修正参数，为经过烘干的块状材料并用沥青等不含水粘结材料贴铺、砌筑的数值。

2．围护结构传热面积A

由于冷间各部位的围护结构受太阳辐射和温差引起的传热有所不同，所以应分别计算其传热面积的大小。冷间围护结构的传热面积是由其建筑结构尺寸决定的。而确定具体尺寸时，又要根据冷间所在的位置、墙体的区别，按一定的原则确定。通常，围护结构传热面积的长、

宽、高应按如下规定确定：

(1)长度计算(见图2-8)。

1)具有墙角的外墙长度：外墙外侧到外墙外侧为L1；外墙外侧到内墙中心线为

L2、L3。

2)没有墙角的外墙长度：内墙中心线到内墙中心线为L4。

3)内墙的长度：外墙内表面到外墙内表面为L5；外墙内表面到内墙中心线为L6、L8。

(2)高度计算(见图2-9)。

1)底层为地下室的外墙高：地坪隔热层下表面到自然地坪面为h2；自然地面到上一层楼板面为h1。

2)底层无地下室的外墙高：地坪隔热层下表面到上一层楼板面为h3。

3)中间层外墙高度：本层楼板面到上一层楼板面为h4。

4)顶层外墙高度：有阁楼时，本层楼板面至阁楼隔热层上表面为h5；无阁楼时，本层楼板面至屋面隔热层上表面为h6。

5)底层中间层内墙高度：本层楼板面到上一层楼板面为h7、h8。

6)顶层内墙高度：顶层楼板面到阁楼隔热层下表面为h9；顶层楼板面到屋面隔热层下表面为h10。

(3)计算围护结构传热面积时应注意的问题(见图2一10)。

1)计算内墙、外墙的面积时不应扣除库门所占的面积。

2)计算楼板面积时不扣除门斗面积。