图片来源:多米尼克·阿尔维斯
能源书呆子的更多思考
我将在接下来的几篇博客中讨论热损失和热获得的计算。这些计算是家庭供暖和制冷系统设计的第一步。
为了简短地讨论这个大话题，我将从讨论热损失计算开始。我将在以后的博客中讨论热增益计算和冷却设备。
然而，在深入讨论这个主题之前，有必要回答这个问题，“为什么我需要知道如何执行这些计算?”如果你是一个房主或木匠，你可能不需要知道任何关于计算加热负荷的知识。然而，如果你是一名设计师、建筑师或建造者，这些知识将被证明是有用的——即使你从不自己进行计算，而是依赖于计算机软件或顾问来进行计算。
理解热损失计算背后的原理将帮助你理解建筑物是如何工作的，以及加热和冷却系统是如何工作的。有了这些知识，您与窗户供应商、暖通空调承包商和工程师的对话质量肯定会提高。
室外设计温度
如果要对加热设备的尺寸进行热损失计算，则需要对最坏情况进行计算:即一年中最冷的夜晚。(因为最冷的情况通常发生在晚上，热损失计算不考虑通过窗户获得的太阳能。)当晚的温度称为室外设计温度。(准确地说，室外设计温度通常定义为在一年中最冷的三个月的97.5%的时间内等于或超过的温度。其他来源将室外设计温度定义为一年中99%的温度等于或超过。事实证明，大多数家庭都将保持舒适……
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28日评论
滑尺
良好的线程。我想我需要关掉我的电脑，给我的滑尺上灰尘和油，然后开始工作……
我注意到ASHRAE基本原理的设计温度与ACCA MJ8的设计温度有很大差异。你知道为什么吗?
设计温度vs“最冷”
我很高兴你在某种程度上区分了“一年中最冷的夜晚”和97.5%的设计温度，但我想更强调这一点。97.5%的设计温度的目的是为了避免指定一个系统来应对创纪录的寒冷天气，这种天气很少见，而且只持续几个小时。
对Armando Cobo的回应
阿曼德,
你是对的——你会注意到不同来源的设计温度表并不总是一致的。旧的设计温度表是基于旧的天气数据;随着全球气温在过去几十年里不断变暖，一些设计温度表通过提高设计温度来反映这些变化。
小气候会对设计温度产生很大影响，尤其是在科罗拉多州这样的山区。我在佛蒙特州Wheelock海拔1800英尺处的温度，比在佛蒙特州伯灵顿记录的温度要低得多，所以如果你在一个没有列在设计温度表上的地方建房子，你必须使用一点常识。
注意你的温度计几十年了，在选择你的设计温度时，用你自己的当地知识作为常识性的现实检查。
对Curt Kinder的回应
Curt,
你关于97.5%的设计温度和“一年中最冷的夜晚”之间的差异的观点很重要。
我用了一个简略的短语(“一年中最冷的夜晚”)，以使我的散文更容易读懂，但在技术准确性上有所损失——因此，确实值得重复您强调的观点。
马丁，你提供的链接
马丁,
你在文章中提供的链接来自1985 ASHRAE Fundamentals，其中DFW, TX的设计温度是22/100,ABQ, NM的设计温度是16/94。MJ8的设计温度DFW为24/98,ABQ为18/93。显然，MJ8显示DAL在冬季温度高2°F，在夏季温度低2°F。与此同时，ABQ在冬季升高2华氏度，在夏季降低1华氏度。
我相信莱特软件和精英软件都使用ACCA MJ8，这是大多数暖通空调承包商所使用的。由于2度的温度差在AC机组上可以代表½吨多，我想知道正确的设计温度可能很重要。ASHRAE应该更新他们的表格，还是与ACCA在一个共同的基础上会面?任何想法吗?
我包括了ACCA MJ8，让其他人检查他们的设计温度。
对Armando Cobo的回应
阿曼德,
谢谢——我很欣赏Manual J设计条件文档的链接。
灯泡
我说的不是郁金香。干球?湿球吗?这些术语长期以来一直令人困惑。也许马丁会在下篇文章中讨论这些问题。
对戈登·泰勒的回应
戈登,
本文中提到的温度都是干球温度——即普通温度计上显示的温度。(要测定湿球温度，你需要一种不同类型的温度计——在温度计底部有一块湿布包裹着灯泡。这种类型的温度计被称为“吊带干湿计”，因为它被设计成一圈悬挂，以促进湿布中的水分蒸发。)
幸运的是，热损失计算不需要考虑湿球温度或湿度。
如果你有兴趣了解更多关于心理计量学的知识，你可以看看我关于这个主题的博客:露点计算真的有必要吗?
你可能也会对这篇有用的文章感兴趣:干球，湿球和露点温度．
暖通空调承包商通常进行负荷计算吗?
我想知道这些计算是否经常由承包商完成。能源之星V3在第2.18节的检查清单中要求它。第9节要求进行气流测试。我不明白为什么在安装任何暖通设备之前不需要这样做。
也许这将成为一个近乎恐怖的故事.....
我大约一年前买的房子需要一个新炉子。我要求一个高效率的煤气炉，并在必要时检查和维修管道。一个新的95%的煤气炉安装，我被保证管道是好的。
炉子似乎安装得很好，除了整个房子的加湿器在安装完成后没有重新连接，而且在阁楼的穿孔口上留下了很大的缺口。这对我来说不是什么大不了的事，但在爬行空间的供应管道是另一个故事。
他们不可能被检查过。镀锌的矩形管道，放在肮脏的地板上，已经完全生锈了。几年来，谁知道有多长时间，软水器上有一根柔软的铜排水管搁在镀锌钢上。它完全被腐蚀了，铜管上有个洞，所以水管里都是水。管道内部是绝缘的。我猜绝缘层上的黑色东西是霉菌。另一段圆形镀锌风管完全断开。
所以，当温度低于45华氏度时，我没有使用超级高效的炉子来加热，而是打开电烤箱，打开吊扇来散热。这样看来，我8岁的女儿哮喘发作的几率更小。我很高兴我每天工作12个小时，我对女儿有一半的监护权，所以我们俩都不经常在这里。我也很幸运，房子很小，大约1000平方英尺，绝缘性能很好。
我的猜测是，大多数承包商都知道，很少有房主会真正进入爬楼空间检查他们的工作，尤其是那些90多年的老房主，比如我的祖父母，我房子的前主人。此外，我猜很少有房主会要求查看他们的负荷计算。我从妈妈和阿姨那里买了房子，她们在父母去世后继承了房子。
我想附上一些照片，但分辨率太高，超过了2MB的附件限制。我看看我是否可以调整它们的大小，稍后再发布。
对David Martin的回应
大卫,
Q。“暖通空调承包商进行负荷计算的情况普遍吗?”
答:不。
例如，我住在波士顿的哥哥最近联系了三家暖通空调承包商，要求他们为一台新炉子投标。他要求他们进行负荷计算，但没有一个人能做到。这三家承包商都建议他安装一台新炉子，其额定热负荷是他房子设计热负荷的三倍。(当承包商说他们不能做的时候，我为他计算了热损失。)
有关此问题的详细信息，请参见使用手动J和手动D节能．
理解基本原理
另一个很棒的话题。如果建模者真正理解了大多数建模工具“黑匣子”之外的热损失计算，那么能量模型将更加准确和有意义;我期待着跟随这个博客系列。
回复David Martin和Martin Holladay
对于需要更换现有供暖系统的现有房屋，通常更准确的方法是使用以前系统的燃料使用量和燃烧器效率来对比冬季计费期间的base-65F供暖日数，或者使用石油账单上的“k因子”。
要确定计费期间的供暖天数，请在degreedays.net上找到您附近的气象站，并下载跨越日期的电子表格，将账单的日期加起来，然后除以燃料使用量。
根据每加热度日的燃料使用量，将其转换为每加热度小时燃烧器的BTU输出很简单。将这个常数乘以65华氏度和供暖设计温度之间的差值，这就是供暖系统需要提供的整个房屋负荷。
例如:根据账单显示，一栋房子在1月15日至2月13日期间使用了238温的天然气，账单期间的degreedays.net总数为1251取暖度数。这是~0.19热/硬盘，或19000BTU/硬盘。在82%的熔炉中，这是(19000 x 0.82=) 15,580BTU/HDD。一天24小时，即(15580/24=)650BTU每加热度小时。
如果第99百分位加热设计温度为+7F，即(65-7=)58个加热度，整个房屋的负荷约为(58 x 650=) 37,700 BTU/小时。
标在油单上的“k系数”是每加仑硬盘数。有138,000BTU/加仑，所以1/(K x 138000) =源燃料BTU/HDD，其余的算术流程与示例中相同。(燃油燃烧器新建时的效率通常在85%左右。)
有人可能会对这些数字产生偏差，比如温控器的节省，锅炉尺寸过大的因素，燃烧器老化的退化，或热水加热和烹饪所使用的燃料，太阳能收益抵消燃料等，但在超级绝缘的被动式太阳能房屋中，所有这些都将是一个个位数的百分比误差因子，而Manual-J方法的误差通常是两位数。
在燃料使用计算上，将设备放大15%并不是效率或舒适的灾难，即使是大质量的锅炉，但它告诉你，大多数加热系统的实际负荷是多么荒谬。从Manual-J中超过15%的尺寸有时会达到铸铁锅炉的AFUE测试数字的边缘。
这种方法不能告诉你房子的状况，或者热量在哪里流失，或者如何改善这种情况。这不是一个能源使用模型，这是一个能源使用的现场测量，而不是它如何离开。接下来的故事最好是用DOE2/BeOpt类型建模，而不是直接使用Manual-J或IBR热损失计算方法。
回复Dana Dorsett
丹娜,
本系列的目的是向读者介绍热损失计算背后的原理。我不建议读者使用这里将要讨论的旧的纸笔I=B=R计算方法。
感谢分享你关于使用历史燃料使用数据来为现有房屋更换炉子的技巧。这是个有用的方法;当然，这种方法不能用于给新家的炉子定尺寸。
这些限制是可以理解的……
显然，历史使用方法不能应用于新住宅，也不能适当地平衡房间间的供热/制冷负荷平衡问题，但当处理不愿或无法运行Manual-J的承包商时，它在确定更换单元的尺寸上开刀了(根据我的经验，大多数都是这样)。
在一个新房子(或新房子)，一个房间一个房间的热量损失计算是必不可少的，但相对来说，除了法律规定的地方(如加利福尼亚州，根据第24条)，很少有人这样做。将热风炉的尺寸放大3倍更多的是舒适度问题，而不是效率问题，但对于大质量锅炉或空气源热泵来说，这是效率灾难。
对几个问题的回应
另一个问题是97.5%和99%设计温度之间的差异。1%的条件显然更广泛，但可能导致规模过大。Man J有内置的安全因素，所以不要冲动地添加更多。
这将是一个非常大的房子2度delta增加半吨的冷负荷。与室外空气温度相比，制冷负荷更多地受窗口太阳增益、内部热源和空气渗入的驱动。与此相关的是，墙体保温R值与冷却负荷相对无关紧要。用负载计算来证明这一点。
关于小气候和海拔高度的评论做得很好。使用附近机场的温度历史来模拟附近树木繁茂的郊区环境是不合适的。相反，必须考虑城市热岛条件。附近的水体(至少在冻结之前)可以控制温度的波动。
David Martin问HVAC潜艇是否进行负荷计算…从2010年3月15日起，建筑法规在我所在的地区生效，规定了系统更换时的负荷计算。这正在蚕食低出价黑客的利润率，并奖励我们这些执行他们的人。如果一个人去执行一个适当的负载计算的麻烦，它是一个小的额外步骤，添加在鼓风机门测试，这有助于巩固负载计算中的一些不确定性。
对粗鲁的善意做出回应
“关于小气候和海拔高度的评论是正确的。使用附近机场的温度历史来模拟附近树木繁茂的郊区环境是不合适的。相反，必须考虑城市热岛条件。附近的水体(至少在冻结之前)可以抑制温度波动。”
ACCA Manual-J设计温度通常来自当地机场的天气历史，而degreeday.net或wunderground.com数据可以从附近的一系列气象站剪切下来，用于计算燃料/硬盘编号。我还没有遇到过一个采暖专家，他使用当地湖泊附近的因素来计算热负荷。遮阳主要是一个热增益/冷却负荷因子，而不是加热负荷因子。在不了解占用占空比和插头负荷的情况下，冷却负荷本质上更难以评估——存在很大的错误空间。
尽管如此，使用附近机场的天气数据(而不是更当地的气象站)，很少会像在高密度或高层城市中心那样，在中等密度的单户住宅开发中，在供暖负荷数字中出现严重错误。
如果在当地站点和气象站/机场之间有一个显著的海拔三角洲，使用一个粗略的3F/1000'绝热温度三角洲模型就足够了。即使在估计和绝对设计温度之间有5华氏度的delta，对于美国5及以上气候区的位置来说，仍然只是一个个位数的百分比误差。
鼓风机门测试的“额外小步骤”几乎可以使直接计算热负荷的成本增加一倍。即使在中等紧张的房屋中，更高的精度也不太可能值得额外的费用，除非客户已经承诺改造空气密封或达到特定的BTU/hr或cfm数字，这超出了大多数炉/锅炉更换的范围。对于更广泛性质的节能改造，或渗透率可以主导热负荷的高r建筑，确定验证是重要的。
回到设计温度
抱歉把我们带回去，这可能不是合适的论坛，但既然你在谈论设计温度:我一直在试图让ACCA改变图森的设计温度。我们显然是少数几个需要提交手册J的建筑部门之一，我们会审查它。使用较高的冷却设计温度是承包商计算增加AC吨位的一种方式。
ACCA设计临时工来自《国际管道规范》附录D ??我不知道这是什么时候更新的，温度是2.5%…显然这个标准已经不再使用了。ASHRAE的设计温度在2010年进行了更新，现在ASHRAE使用1%的温度103.6，至少在我从当地机械工程师那里得到的表格中是这样的。然后，我让当地的天气服务研究1%的温度，结果是108(与数据集的日期范围无关)。从102到108将产生不同，当基本设计标准甚至无法建立时，我如何审查手册J以确定正确的设计?
对富人的回应
ACCA Manual-J的2011年最新设计临时版本如下:
http://www.energystar.gov/ia/partners/bldrs_lenders_raters/downloads/Outdoor_Design_Conditions_508.pdf
请注意，某些地区的第99百分位加热温度与其他来源的97.5百分位数字相差不到1度，但图森列出的第99百分位冷却温度为103F，与ASHRAE的103.6F设计温度相差不大。
UA计算和温度
马丁，我也做了几十年的热损失计算(从1978年开始)，在过去的20年里教学生做这个。我认为这是非常重要的，让他们对不同建筑组件对整体UA的不同贡献有一个直观的感觉。然而，我与你和标准ASHRAE方法不同，我认为在完成所有UA (Btu/hrF)之前，不应该引入设计增量T或HDD。我认为最有价值的是停下来看看不同区域的UA贡献，比如上层的地下室墙壁，下层的地下室，窗户，渗透等等。人们可以通过做很多这些来学习很多东西，一旦你有了建筑几何图形，用手来做是非常快的。然后你就会知道建筑的哪些部分是最大的贡献者。
在为所有传输和渗透载荷制作了一个完整的UA表之后，然后可以继续使用UA快速计算设计载荷或季节载荷。虽然许多人认为这是做事的老方法，计算机程序将是更好的方法，但迈克尔·布拉斯尼克的工作(正如你最近指出的)表明相反的情况。
我的学生每年都会在学校附近的现有建筑上做很多这样的手工UA计算，通过比较不同建筑类型和条件的结果，我们可以快速浏览建筑物，并使用一些基本的R值信息，很好地猜测整体建筑的UA。多年来做了几百次这样的练习，你会惊奇地发现自己学到了很多东西。
第二点:我很惊讶人们对Design Temps和HDD的历史天气数据如此感兴趣。根据我所在地区38年前的本地硬盘数据，过去10年我们的硬盘数量比25年前低了大约20%。我猜现在的设计温度也比当时高8或10华氏度。这里已经发生了重大的气候变化，我们使用旧的价值观将是一个错误。
回应彼得·坦普尔
彼得,
谢谢你的意见。
在明天的博客(本系列的第2部分)中，我将讨论如何使用各种建筑组件的u因子计算设计温度下的热量损失。
估计泄漏
这篇文章提到，泄漏的位置对信封的整体泄漏有很大的影响。我想知道，在一个老房子(50多年)，在最有问题的地方(阁楼渗透，顶板，边缘托梁，拱背等)都进行了专业的空气密封，按照今天的标准，房子有多漏水，最好的猜测是什么?根据ASHRAE的定义，它可能是“中等”吗?
我问的原因是，我试图得到一个准确的冷却负荷计算，我不确定多少空气泄漏估计。对于我55岁，2000平方英尺的殖民地，ACH50从10.4提高到7.0……据我所知，以今天的标准来看，7号仍然漏洞百出。然而，在住宅的关键上下区域进行密封工作后，在现实条件下，每小时的空气变化会大大降低吗?不管怎样，在改善之前，我注意到气味可能会在一个小时内消散，但现在我们需要开一个通风机，否则气味可能会持续几个小时!(我们有一只猫不喜欢埋葬他的生意)
回复Nathan Efrusy
内森,
如果你正在使用本博客中讨论的1975年的I=B=R方法，你可能会把你的房子定义为“紧”。(20世纪60年代和70年代初的旧定义指出，紧凑的房屋在门窗上都有防风雨条。)
请注意，I=B=R方法不是很准确，特别是当涉及到空气泄漏的假设时。
如果您使用更复杂的(最近开发的)软件程序——允许您输入鼓风机门结果的软件程序——当然，您应该使用已知的结果(7.0 ach50)作为输入。
估计漏度(跟踪)
嗨，马丁，谢谢你的澄清。我曾经想象过，暖通空调的家伙使用的Manual J软件有一些类似于I=B=R方法(但以现代标准)来确定空气泄漏，因为大多数人不知道现有房屋的ACH50。但如果是好的软件，它可能有直接输入的选项。
另一个相关的问题…如果我们输入7.0 ACH50，是否有可能高估渗透负荷?例如，如果信封上的所有孔都在中性压力平面上(即不在阁楼/地下室)，那么房子的表现是否与平均4.0 ACH50的房子相似，而洞更分散?无论如何，我肯定会输入7.0，但如果它可能高估渗透，那么我将在结果中牢记这一点。
谢谢!
回复Nathan Efrusy
内森,
如果软件得到了正确的验证——这是一个很大的假设，但验证应该是能源建模软件开发的正常部分——那么您应该输入您的鼓风机门结果，并假设软件模型提供了良好的结果。
鼓风机门测试与空气密封工作一起进行并不罕见，所以很大一部分(可能是大多数)已经进行了鼓风机门测试的家庭也经历了一些空气密封工作。因此，任何类型的软件的验证都依赖于输入鼓风机门的结果，这将涉及到来自像你这样的家庭的数据。
可变输出空气
可变输出空调将大大有助于手动J不准确。
链接断了
“ACCA手册J的设计温度张贴在这里”的链接断开了。这似乎是更新的文件:
https://www.energystar.gov/ia/partners/bldrs_lenders_raters/downloads/County%20Level%20Design%20Temperature%20Reference%20Guide%20-%202015-06-24.pdf
响应User-6803041
谢谢。我已经更正了链接。
嗨,马丁,
谢谢你的帖子——通过阅读它们，我学到了很多!我是住宅暖通空调咨询的新手，对系统的大小和选择有非常系统的方法，其中包括MJ热负荷分析。有很多计算机程序考虑到房子的朝向，热力学，r值，平方。玻璃，电器的镜头。等等。我目前使用的是Rheem的设计之星(我真的很喜欢它)。你可以输入任何地址，它使用国家数据库来填充广场。房子的镜头。之后，您需要与房主进行对话，以完成填充必要的信息，以完成热负荷。话虽如此，你会推荐或建议一个具体的程序或软件可以提供准确的结果吗?提前感谢您的反馈!
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