环境建筑学-第4章热湿环境-wowowo654321

第四章

建筑热湿环境清华大学建筑学院建筑技术科学系2001年1建筑热湿环境是如何形成的?是建筑环境中最重要的内容主要成因是外扰和内扰的影响和建筑本身的热工性能外扰：室外气候参数，邻室的空气温湿度内扰：室内设备、照明、人员等室内 热湿源 2基本概念围护结构的热作用过程：无论是通过围护结构的传热传湿还是室内产热产湿，其作用形式包括对流换热（对流质交换）、导热（水蒸汽渗透）和辐射三种形式。对流换热(对流质交换)围护结构传热传湿室内产热产湿辐射导热(水蒸汽渗透)3基本概念

得热(HeatGainHG)：某时刻在内外扰作用下进入房间的总热量叫做该时刻的得热。如果得热<0，意味着房间失去热量。围护结构热过程特点：由于围护结构热惯性的存在，通过围护结构的得热量与外扰之间存在着衰减和延迟的关系。得热潜热显热辐射得热对流得热4非透明围护结构外表面所吸收的太阳辐射热不同的表面对辐射的波长有选择性，黑色表面对各种波长的辐射几乎都是全部吸收，而白色表面可以反射几乎90％的可见光。围护结构的表面越粗糙、颜色越深，吸收率就越高，反射率越低。反射吸收5太阳辐射在玻璃中传递过程玻璃对辐射的选择性0.8可见光近红外线长波红外线普通玻璃的光谱透过率6太阳辐射在玻璃中传递过程将具有低发射率、高红外反射率的金属（铝、铜、银、锡等），使用真空沉积技术，在玻璃表面沉积一层极薄的金属涂层，这样就制成了Low-e(Low-emissivity)玻璃。对太阳辐射有高透和低透不同性能。低透low-e玻璃7太阳辐射在玻璃中传递过程玻璃的吸收百分比a0:8太阳辐射在玻璃中传递过程阳光照射到单层半透明薄层时，半透明薄层对于太阳辐射的总反射率、吸收率和透过率是阳光在半透明薄层内进行反射、吸收和透过的无穷次反复之后的无穷多项之和。9太阳辐射在玻璃中传递过程阳光照射到双层半透明薄层时，还要考虑两层半透明薄层之间的无穷次反射，以及再对反射辐射的透过。假定两层材料的吸收百分比和反射百分比完全相同，两层的吸收率相同吗？10室外外空空气气综综合合温温度度太阳直射辐射大气长波辐射太空散射辐射对流换热地面反射辐射环境长波辐射地面长波辐射壁体得热1160℃℃！35℃℃！室外外空空气气综综合合温温度度Solar-airTemperature考虑虑了了太太阳阳辐辐射射的的作作用用对对表表面面换换热热量量的的增增强强，，相相当当于于在在室室外外气气温温上上增增加加了了一一个个太太阳阳辐辐射射的的等等效效温温度度值值。。是是为为了了计计算算方方便便推推出出的的一一个个当当量量的的室室外外温温度度。。如果果考考虑虑围围护护结结构构外外表表面面与与天天空空和和周周围围物物体体之之间间的的长长波波辐辐射射：：如果果忽忽略略围围护护结结构构外外表表面面与与天天空空和和周周围围物物体体之之间间的的长长波波辐辐射射：：12室外外空空气气综综合合温温度度Solar-airTemperature人们们常常说说的的太太阳阳下下的的““体体感感温温度度””是是什什么么？？室外外空空气气综综合合温温度度与与什什么么因因素素有有关关？？高反反射射率率镜镜面面外外墙墙和和红红砖砖外外墙墙的的室室外外空空气气综综合合温温度度是是否否相相同同？？请试试算算一一下下盛盛夏夏太太阳阳下下的的室室外外空空气气综综合合温温度度比比空空气气温温度度高高多多少少？？13围护护结结构构外外表表面面与与环环境境的的长长波波辐辐射射换换热热QL包括括大大气气长长波波辐辐射射以以及及来来自自地地面面和和周周围围建建筑筑和和其其他他物物体体外外表表面面的的长长波波辐辐射射。。如如果果仅仅考考虑虑对对天天空空的的大大气气长长波波辐辐射射和和对对地地面面的的长长波波辐辐射射，，则则有有：：白天天有有天天空空辐辐射射吗吗？？试算算一一个个夜夜间间的的室室外外空空气气综综合合温温度度是是多多少少？？天空空辐辐射射（（夜夜间间辐辐射射，，有有效效辐辐射射））14通过过围围护护结结构构的的显显热热得得热热通过过围围护护结结构构的的显显热热得得热热通过非透明围护结构的热传导通过玻璃窗的得热外表表面面对对流流换换热热外表表面面日日射射通通过过墙墙体体导导热热两种种方方式式机机理理不不同同15通过过非非透透明明围围护护结结构构的的热热传传导导由于于热热惯惯性性存存在在，，通通过过围围护护结结构构的的传传热热量量和和温温度度的的波波动动幅幅度度与与外外扰扰波波动动幅幅度度之之间间存存在在衰衰减减和和延延迟迟的的关关系系。。衰衰减减和和滞滞后后的的程程度度取取决决于于围围护护结结构构的的蓄蓄热热能能力力。。16通过非透透明围护护结构的的热传导导非均质板板壁的一一维不稳稳定导热热过程：：边界条件件：t(x,0)=f(x)其中内表表面长波波辐射：：17x=0x=Qenv通过非透透明围护护结构的的热传导导利用室外外空气综综合温度度简化外外边界条条件：实际由内内表面传传入室内内的热量量为：这部分热热量将以以对流换换热热和长波波辐射的的形式向向室室内传播播。只有有对流换换热热部分直直接进入入了空气气。18通过非非透明明围护护结构构的热热传导导板壁各各层温温度随随室外外温度度的变变化19通过非非透明明围护护结构构的得得热板壁内内表面面温度度同时时受室室内气气温、、室内内辐射射热源源和其其它表表面的的温度度影响响气象和和室内内气温温对板板壁传传热量量的影影响比比较确确定，，容易易求得得内表面面辐射射对传传热量量的影影响较较复杂杂，涉涉及角角系数数和各各表面面温度度20内表面面辐射射如何何影响响板壁壁的传传热？？Qin’=Qconv+Ql尽管Qin增加了，但Qout和Qcond却是减少的。Tout,airQoutQcondQin=QconvTin,air21通过非非透明明围护护结构构的得得热内表面面辐射射导致致的传传热量量差值值将内边边界条条件线线性化化，则则可利利用线线性叠叠加压压力将将气象象与室室内气气温的的影响响与其其它部部分分分离出出来，，称作作：““通过过围护护结构构的得得热””，HGt=t1+t2Qin’(即前面面的Qenv)和Qin(即HG)的差值值为：：气象与室温决定部分辐射造成的增量22通过玻璃板壁的传热透过玻璃的日射得热通过玻璃窗的得热通过玻玻璃窗窗的得得热得热与与玻璃璃窗的的种类类及其其热工工性能能有重重要的的关系系。23玻璃窗窗的种种类与与热工工性能能窗框型型材有有木框框、铝铝合金金框、、铝合合金断断热框框、塑塑钢框框、断断热塑塑钢框框等；；玻璃璃层间间可充充空气气、氮氮、氩氩、氪氪等或或有真真空夹夹层；；玻璃璃层数数有单单玻、、双玻玻、三三玻等等，玻玻璃类类别有有普通通透明明玻璃璃、有有色玻玻璃、、低辐辐射(Low-e)玻璃等等；玻玻璃表表面可可以有有各种种辐射射阻隔隔性能能的镀镀膜，，如反反射膜膜、low-e膜、有有色遮遮光膜膜等，，或在在两层层玻璃璃之间间的空空间中中架一一层对对近红红外线线高反反射率率的热热镜膜膜。24玻璃窗窗的种种类与与热工工性能能我国民用建建筑最最常见见的是是铝合合金框框或塑塑钢框框配单单层或或双层层普通通透明明玻璃璃，双双层玻玻璃间间为空空气夹夹层，，北方方地区区很多多建筑筑装有有两层层单玻玻窗。。商用建建筑有有采用用有色色玻璃璃或反反射镀镀膜玻玻璃。。发达国国家寒冷地地区的的住宅宅则多多装有有充惰惰性气气体的的双玻玻窗商用建建筑多多采用用高绝绝热性性能的的low-e玻璃窗窗。25玻璃窗窗的种种类与与热工工性能能不同结结构的的窗有有着不不同的的热工工性能能U即传热热系数数Kglass气体夹夹层和和玻璃璃本身身均有有热容容，但但较墙墙体小小。26透过单单位面面积玻玻璃的的太阳阳辐射射得热热：玻璃吸吸收太太阳辐辐射造造成的的房间间得热热：注意：：玻璃璃吸热热后会会向内内、外外两侧侧散热热总得热热：HGsolar＝HGglass,+HGglass,a通过玻玻璃窗窗的得得热27通过玻玻璃窗窗的得得热可利用用对标标准玻玻璃的的得热热SSGDi和SSGdif进行修修正来来获得得简化化计算算结果果：实际照照射面面积比比玻璃的的遮挡挡系数数遮阳设设施的的遮阳阳系数数窗的有有效面面积系系数28玻璃窗窗的种种类与与热工工性能能无色玻玻璃表表面覆覆盖无无色low-e涂层，可使使这种窗的的遮档系数数Cs低于0.329通过玻璃窗窗的长波辐辐射???夜间除了通通过玻璃窗窗的传热以以外，还有有由于天空空夜间辐射射导致的散散热量采用low-e玻璃可减少少夜间辐射射散热通过玻璃窗窗的温差传传热量和天天空长波辐辐射的传热热量可通过过各层玻璃璃的热平衡衡求得长波辐射导热和自然然对流换热热长波辐射室内表面对对玻璃的长长波辐射对流换热30遮阳方式现有遮阳方方式内遮阳：普普通窗帘、、百页窗帘帘外遮阳：挑挑檐、可调调控百页、、遮阳蓬窗玻璃间遮遮阳：夹在在双层玻璃璃间的百页页窗帘，百百页可调控控我国目前常常见遮阳方方式内遮阳：窗窗帘外遮阳：屋屋檐、遮雨雨檐、遮阳阳蓬31外遮阳和内内遮阳有何何区别?外遮阳：只有透过和和吸收中的的一部分成成为得热内遮阳：遮阳设施吸吸收和透过过部分全部部为得热对流透过反射反射对流透过32通风双层玻玻璃窗，内内置百页33内百页无通风有通风34通过围护结结构的湿传传递湿传递的动动力是水蒸蒸气分压力力的差。墙墙体中水蒸蒸气的传递递过程与墙墙体中的热热传递过程程相类似：：w=Kv(Pout-Pin)kg/sm2水蒸汽渗透透系数，kg/(Ns)或s/m：35实际水蒸汽分压力饱和水蒸汽分压力温度通过围护结结构的湿传传递当墙体内实实际水蒸汽汽分压力高高于饱和水水蒸汽分压压力时，就就可能出现现凝结或冻冻结，影响响墙体保温温能力和强强度。36室内显热热热源包括照照明、电器器设备、人人员显热热源散散热的形式式辐射：进入入墙体内表表面、空调调辐射板、、透过玻璃璃窗到室外外、其它室室内物体表表面（家具具、人体等等）；对流：直接接进入空气气。显热热源辐辐射散热的的波长特征征可见见光光和和近近红红外外线线：：灯灯具具、、高高温温热热源源（（电电炉炉等等））长波波辐辐射射：：人人体体、、常常温温设设备备室内内产产热热与与产产湿湿37室内内产产热热与与产产湿湿室内内湿湿源源包包括括人人员员、、水水面面、、产产湿湿设设备备散湿形式：直直接进入空气气得热往往考虑虑围护结构和和家具的蓄热热，“得湿””一般不考虑虑“蓄湿”湿源与空气进进行质交换同同时一般伴随随显热交换有热源湿表面面：水分被加加热蒸发，向向空气加入了了显热和潜热热，显热交换换量取决于水水表面积无热源湿表面面：等焓过程程，室内空气的显显热转化为潜潜热蒸汽源：可仅仅考虑潜热交交换38人体散热散湿湿见第五章！39空气渗透带来来的得热夏季：室内外外温差小，风风压是主要动动力冬季：室内外外温差大，热热压作用往往往强于风压，，造成底层房房间热负荷偏偏大。因此冬冬季冷风渗透透往往不可忽忽略。理论求解方法法：网络平衡衡法，数值求求解《流体网络原理理》课程将介绍参考文献：朱朱颖心，水力网络流动动不稳定过程程的算法，《清华大学学报报》,1989年,第5期工程应用：缝缝隙法、换气气次数法40网络平衡法原原理节点平衡：AG＝0回路压力平衡衡：BP＝0各支路和节点点均编号。网络关联矩阵阵A元素aij：由i点到j点为1，反之为-1，无关为0。基本回路矩阵阵B元素bij：由j支路与i回路同向为1，反之为-1，无关为0。41冷负荷与热负负荷冷负荷：维持一定室内内热湿环境所所需要的在单单位时间内从从室内除去的的热量，包括括显热负荷和和潜热负荷两两部分。如果把潜热负负荷表示为单单位时间内排排除的水分，，则又可称作作湿负荷。热负荷：维持一定室内内热湿环境所所需要的在单单位时间内向向室内加入的的热量，包括括显热负荷和和潜热负荷两两部分。如果只控制室室内温度，则则热负荷就只只包括显热负负荷。42负荷的大小与与去除或补充充热量的方式式有关常规的送风方方式空调需要要去除的是进进入到空气中中的得热量。。冷辐射板空调调需要去除的的热量除了进进入到空气中中的热量外，，还包括贮存存在热表面上上的热量。43各种得热进入入空气的途径径潜热得热、渗渗透空气得热热得热立刻成为为瞬时冷负荷荷通过围护结构构导热、通过过玻璃窗日射射得热、室内内显热源散热热对流得热部分分立刻成为瞬瞬时冷负荷辐射得热部分分先传到各内内表面，再以以对流形式进进入空气成为为瞬时冷负荷荷，因此负荷荷与得热在时时间上存在延延迟。44得热与冷负荷荷的关系45得热与冷负荷荷的关系冷负荷与得热热有关，但不不一定相等决定因素空调形式送风：负荷＝＝对流部分辐射：负荷＝＝对流部分＋＋辐射部分热源特性：对对流与辐射的的比例是多少少？围护结构热工工性能：蓄热热能力如何？？如果内表面面完全绝热呢呢？房间的构造（（角系数）注意：辐射的的存在是延迟迟和衰减的根根源！4647房间空气的热热平衡关系排除的对流热热＋空气的显显热增值＝＝室内热源对流流得热＋壁面对流得热热＋渗透得热48室内热源对流流得热室内热源得热热＝室内内热源对流得得热＋热源向空调调辐射板的辐辐射＋热源向向壁面的辐射射49壁面对流得热热通过围护结构构的导热得热热＋本壁面获得得的通过玻璃璃窗的日射得得热＝壁面对流流得热＋本壁面向空空调辐射设备备的辐射＋本壁面向其其他壁面的长长波辐射＋本壁面向热热源的辐射Qcond50房间的总冷负负荷房间的各种得得热空气的显热增增值内表面辐射导导致的传热量差值值得热和冷负荷的差值房间空气热平平衡的数学表表达式对辐射项进行行了线性化而而导出51第三类边界条条件：太难求解了！！典型负荷计算算方法原理介介绍非均匀板壁的的不稳定传热热:其中内表面长长波辐射：521946.USA1950s.USSR1967.Canada典型负荷计算算方法原理介介绍目的：使负荷荷计算能够在在工程应用中中实施发展：由不区分得热和和冷负荷发展到考虑二二者的区别53稳态算法不考虑建筑蓄蓄热，负荷预预测值偏大动态算法，积积分变换求解解微分方程冷负荷系数法法、谐波反应应法：夏季设设计日动态模模拟。计算机模拟软软件DOE2(美国)、HASP(日本)、ESP(英国)DeST(清华)常用的负荷求求解法54稳态算法方法采用室内外瞬瞬时温差或平平均温差，负负荷与以往时时刻的传热状状况无关：Q＝KFT特点简单，可手工工计算未考虑围护结结构的蓄热性性能，计算误误差偏大应用条件蓄热小的轻型型简易围护结结构室内外温差平平均值远远大大于室内外温温度的波动值值55稳态算法举例例：北京室外气温温和室内控制制温度比较56积分变换法原原理对于常系数的的线性偏微分分方程，采用用积分变换如如傅立叶变换或拉普拉斯变换换。积分变换的的概念是把函函数从一个域域中移到另一一个域中，在在这个新的域域中，函数呈呈现较简单的的形式，因此此可以求出解解析解。然后后再对求得的的变换后的方方程解进行逆逆变换，获得得最终的解。。B域：问题容易求解对函数进行积分变换求解A域：问题难以求解对函数解进行积分逆变换获得解57为何板壁不稳稳定传热适用用拉普拉斯变变换？拉普拉斯变换换的应用条件件时间变化范围围为半无穷区区间（0，+）必须是线性定定常系统拉普拉斯变换换的特点复杂函数变为为简单函数偏微分方程变变换为常微分分方程常微分方程变变换为代数方方程拉普拉斯变换换的解传递矩阵或s-传递函数的解解的形式58传递函数与输输入量、输出出量的关系积分变换法原原理传递函数G(s)仅由系统本身身的特性决定定，而与输入入量、输出量量无关，因此此建筑的材料料和形式一旦旦确定，就可可求得其围护护结构的传递递函数。这样样就可以通过过输入量和传传递函数求得得输出量。如果输入原函函数是指数函函数，则不需需变换直接输输入，即可求求得解的原函函数。59应用条件对于普通材料料的围护结构构的传热过程程，在其一般般温度变化的的范围内，材材料的物性参参数变化不大大，可近似看看作是常数，，可采用拉普普拉斯变换法法来求解。对于采用材料料的物性参数数随温度或时时间有显著变变化的围护结结构的传热过过程，就不能能采用拉普拉拉斯变换法来来求解。60线性定常系统统的特性可应用叠加原原理对输入的的扰量和输出出的响应进行行分解和叠加加。当输入扰量作作用的时间改改变时，输出出响应的时间间在产生同向向、同量的变变化，但输出出响应的函数数不会改变。。可把输入量进进行分解或离离散为简单函函数，再利用用变换法进行行求解。求出出分解或离散散了的单元输输入的响应，，这些响应也也应该呈简单单函数形式。。再把这些单单元输入的响响应进行叠加加，就可以得得出实际输入入量连续作用用下的系统的的响应输出量量。61输入边边界条条件的的处理理方法法输入边边界条条件的的处理理步骤骤边界条条件的的离散散或分分解；；求对单单元扰扰量的的响应应；把对单单元扰扰量的的响应应进行行叠加加和叠叠加积积分求求和。。两种基基于积积分变变换的的负荷荷计算算法：：函数数均采采用拉拉普拉拉斯变变换，，边界界条件件的处处理方方法不不同对边界界条件件进行行傅立立叶级级数分分解：：谐波波反应应法对边界界条件件进行行时间间序列列离散散：反反应系系数法法62武汉市市室外外干球球温度度的全全年变变化63＝＋＋输入边边界条条件的的处理理方法法：傅立叶叶级数数分解解64输入边边界条条件的的处理理方法法：时间序序列离离散65两种积积分变变换法法反应系系数法法(冷负荷荷系数数法)：任何连连续曲曲线均均可离离散为为脉冲冲波之之和。。将外外扰分分解为为脉冲冲，分分别求求得脉脉冲外外扰的的室内内响应应，再再进行行叠加加室内负负荷。。对应离离散系系统，，拉普普拉斯斯变换换转化化为Z变换谐波反反应法法：任何一一连续续可导导曲线线均可可分解解为正正(余)弦波之之和。。把外外扰分分解为为余弦弦波，，分别别求出出每个个正(余)弦波外外扰的的室内内响应应，并并进行行叠加加。66设备使使用1小时的的室内内负荷荷响应应得热：：Q(t)－－输入干干扰负荷：：CLQ(t)－－响应反应系系数法法原理理图示示(1)67设备使使用2小时时的室室内负负荷反应系系数法法原理理图示示(2)68设备使使用10小时的的室内内负荷荷响应应反应系系数法法原理理图示示(3)69反应系系数法法反应系系数的的大小小即反反应了了某一一项因因素对对某时时刻负负荷大大小的的影响响程度度。反应系系数为为0~1，相当当于影影响为为0~100%。内外扰扰的处处理围护结结构传传热采采用冷冷负荷荷温度度日射冷冷负荷荷采用用冷负负荷系系数内扰采采用冷冷负荷荷系数数70(a)围护结结构传传热冷冷负荷荷基本本计算算式Qcl()=KF[tcl()–tin]tcl()为冷负荷温温度逐时值值，与围护结结构类型、、气象条件件、朝向有有关。tcl()反映了室外外空气温度度、阳光辐辐射、建筑筑物蓄热等等因素的综综合影响。。tinKFtcl(t)Qcl(t)冷负荷温度度：一个当量温温度室内温度71(b)日射冷负荷荷Qcl()=FCsCnDt·maxCcl()F为窗面积，，Dt·max是日射得热热因素最大大值Ccl()是冷负荷系系数，与纬度、、朝向有关关。Cs为玻璃遮挡挡系数，Cn为遮阳系数数。Qcl(t)D·maxFCsCnCcl()反应系数法法72内扰冷负荷荷Qcl()=HG(0)Ccl(-0)HG(0)为内热源散散热量Ccl(-0)是冷负荷系系数Ccl(-0)与开始使用用时间和连连续使用用时间有关关，与建筑筑热特性性有关。QQcl()Ccl(t-0)反应系数法法73谐波反应法法对外扰的分分解：室外外空气综合合温度tz()=tzp+tz()=tzp+tznsin(n+n)=A0+Ansin(2n/T+n)对外扰的响应应形式：围护护结构对不同同频率外扰有有一定的衰减减n=An/Bn与延迟n，响应也是傅立立叶级数形式式：tin,n()=An/nsin(2n/T+n-n)]通过围护结构构形成的负荷荷：叠加tin,n()可得出tin()，通过tin()和室内热平衡衡就可求出负负荷。74谐波反应法玻璃窗冷负荷荷传热温差用外外气温而不是是室外综合温温度：Qcl()=KFt()=KF[twp–tin+twnsin(n+n)]内扰冷负荷对内扰响应的的分解方法类类似对外扰响响应的分解。。75谐波反应法的的简化算法算法繁琐，故故需要简化传导部分(墙、窗)：Qcl()=KFt-t为负荷温差，，表中值为室室温26℃时温差，可修修正。算法同同冷负荷系数数法。日射部分：Qcl()=xgxdCnCsFJ()xg窗有效面积系系数，xd地点修正系数数，J()为负荷强度。。xdJ相当于冷负荷荷系数法的D·maxQcl()，xgF相当于冷负荷荷系数法的F。内扰部分：Qcl()=HG(0)JX-oJX-o为设备负荷强强度系数(-0时刻)，同冷负荷系系数法的Ccl()。76两种积分变换换法总结谐波反应法的的简化算法与与冷负荷系数数法形式一致致。为了便于手工工计算，均把把内外扰通过过一个板壁形形成的冷负荷荷分离出来，，作为一个孤孤立的过程处处理，不考虑虑与其它墙面面和热源之间间的相互影响响。不能分析变物物性的材料如如相变材料制制成的围护结结构热过程。。77两种积分变换换法总结只是在一定程程度上反应了了得热和冷负负荷之间的区区别，对辐射射的影响作了了很多简化：：对墙体内表面面之间的长波波辐射作了简简化处理，给给定比例忽略了透过玻玻璃窗日射落落在墙内表面面上的光斑的的影响热源对流和辐辐射比例给定定，与墙表面面角系数给定定把室内空气温温度看作是常常数如果房间与简简化假定相差差较远，则结结果的误差较较大，如内表表面温度差别别大、房间形形状不规则、、室内空气控控制温度随时时间变化等。。78模拟分析软件件GATE，60