建筑环境学-第3章热湿环境

第三章

建筑热湿环境1影响房间热湿状况的因素

影响建筑物内热湿状况和空气环境的因素有哪些？2影响房间热湿状况的因素

影响建筑物内热湿状况和空气环境的因素室外气象条件（含局部下垫面和建筑的影响）室内发热量和产湿量空调方式（含采暖、空调和自然通风等）室内家俱、设备等蓄热（常被忽略！！）所有这些因素可归纳为外扰和内扰（空调为广义的外扰）3外扰外扰包括室外空气温度、湿度、太阳辐射、风速和风向以及相邻房间的传热，有两种影响方式：热交换：通过透明或半透明围护结构的太阳辐射、围护结构的热传导（含相邻房间）空气交换（包括空气渗透和空调送风）：通过门窗缝隙的为空气渗透，空调送风或排风为空调通风4内扰包括照明、设备、人体的散热和散湿，两种方式：对流散热辐射散热56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)7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8第一节太阳辐射对建筑物的热作用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9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10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11太阳辐射在玻璃中传递过程玻璃的吸收百分比a0:12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。1314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。15总透过率为：总反射率为：第一层半透明薄层的总吸收率为：第二层半透明薄层的总吸收率为：16室外空气综合温度

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1760℃！35℃！室外空气综合温度Solar-airTemperature考虑了太阳辐射的作用对表面换热量的增强，相当于在室外气温上增加了一个太阳辐射的等效温度值。是为了计算方便推出的一个当量的室外温度。如果考虑围护结构外表面与天空和周围物体之间的长波辐射： 如果忽略围护结构外表面与天空和周围物体之间的长波辐射： 18室外空气综合温度

Solar-airTemperature人们常说的太阳下的“体感温度”是什么？室外空气综合温度与什么因素有关？高反射率镜面外墙和红砖外墙的室外空气综合温度是否相同？请试算一下盛夏太阳下的室外空气综合温度比空气温度高多少？19围护结构外表面与环境的长波辐射换热QL包括大气长波辐射以及来自地面和周围建筑和其他物体外表面的长波辐射。如果仅考虑对天空的大气长波辐射和对地面的长波辐射，则有：白天有天空辐射吗？天空辐射（夜间辐射，有效辐射）20第二节建筑围护结构的热湿传递通过围护结构的显热得热通过非透明围护结构的热传导通过玻璃窗的得热外表面对流换热外表面日射通过墙体导热两种方式机理不同21一、通过非透明围护结构的热传导由于热惯性存在，通过围护结构的传热量和温度的波动幅度与外扰波动幅度之间存在衰减和延迟的关系。衰减和滞后的程度取决于围护结构的蓄热能力。22通过非透明围护结构的热传导非均质板壁的一维不稳定导热过程：边界条件：

t(x,0)=f(x)

其中内表面长波辐射：

23通过非透明围护结构的热传导利用室外空气综合温度简化外边界条件：对内表面边界条件计算式中的长波辐射项进行线性化24

实际由内表面传入室内的热量为：

x=0x=Qenv这部分热量将以对流换热和长波辐射的形式向室内传播。只有对流换热部分直接进入了空气。25通过非透明围护结构的热传导板壁各层温度随室外温度的变化26通过非透明围护结构的得热板壁内表面温度同时受室内气温、室内辐射热源和其它表面的温度影响气象和室内气温对板壁传热量的影响比较确定，容易求得内表面辐射对传热量的影响较复杂，涉及角系数和各表面温度27内表面辐射如何影响板壁的传热？Qin’=Qconv+Ql尽管Qin增加了，但Qout

和Qcond却是减少的。Tout,airQoutQcondQin=QconvTin,air28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二、通过玻璃窗的得热得热与玻璃窗的种类及其热工性能有重要的关系。29玻璃窗的种类与热工性能窗框型材有木框、铝合金框、铝合金断热框、塑钢框、断热塑钢框等；玻璃层间可充空气、氮、氩、氪等或有真空夹层；玻璃层数有单玻、双玻、三玻等，玻璃类别有普通透明玻璃、有色玻璃、低辐射(Low-e)玻璃等；玻璃表面可以有各种辐射阻隔性能的镀膜，如反射膜、low-e膜、有色遮光膜等，或在两层玻璃之间的空间中架一层对近红外线高反射率的热镜膜。30玻璃窗的种类与热工性能我国

民用建筑最常见的是铝合金框或塑钢框配单层或双层普通透明玻璃，双层玻璃间为空气夹层，北方地区很多建筑装有两层单玻窗。

商用建筑有采用有色玻璃或反射镀膜玻璃。发达国家

寒冷地区的住宅则多装有充惰性气体的双玻窗

商用建筑多采用高绝热性能的low-e玻璃窗。31玻璃窗的种类与热工性能不同结构的窗有着不同的热工性能

U即传热系数Kglass

气体夹层和玻璃本身均有热容，但较墙体小。32透过单位面积玻璃的太阳辐射得热：玻璃吸收太阳辐射造成的房间得热：注意：玻璃吸热后会向内、外两侧散热总得热：HGsolar＝HGglass,+HGglass,a通过玻璃窗的得热33通过玻璃窗的得热可利用对标准玻璃的得热SSGDi

和SSGdif

进行修正来获得简化计算结果：实际照射面积比玻璃的遮挡系数遮阳设施的遮阳系数窗的有效面积系数34玻璃窗的种类与热工性能无色玻璃表面覆盖无色low-e涂层，可使这种窗的遮档系数Cs

低于0.335通过玻璃窗的长波辐射???夜间除了通过玻璃窗的传热以外，还有由于天空夜间辐射导致的散热量采用low-e玻璃可减少夜间辐射散热

通过玻璃窗的温差传热量和天空长波辐射的传热量可通过各层玻璃的热平衡求得长波辐射导热和自然对流换热长波辐射室内表面对玻璃的长波辐射对流换热36遮阳方式

现有遮阳方式内遮阳：普通窗帘、百页窗帘外遮阳：挑檐、可调控百页、遮阳蓬窗玻璃间遮阳：夹在双层玻璃间的百页窗帘，百页可调控我国目前常见遮阳方式内遮阳：窗帘外遮阳：屋檐、遮雨檐、遮阳蓬37外遮阳和内遮阳有何区别?外遮阳：只有透过和吸收中的一部分成为得热内遮阳：遮阳设施吸收和透过部分全部为得热对流透过反射反射对流透过38通风双层玻璃窗，内置百页39内百页无通风有通风40三、通过围护结构的湿传递湿传递的动力是水蒸气分压力的差。墙体中水蒸气的传递过程与墙体中的热传递过程相类似：w=Kv(Pout-Pin)kg/sm2水蒸汽渗透系数，kg/(Ns)或s/m：41实际水蒸汽分压力饱和水蒸汽分压力温度通过围护结构的湿传递

当墙体内实际水蒸汽分压力高于饱和水蒸汽分压力时，就可能出现凝结或冻结，影响墙体保温能力和强度。42

室内显热热源包括照明、电器设备、人员显热热源散热的形式

辐射：进入墙体内表面、空调辐射板、透过玻璃窗到室外、其它室内物体表面（家具、人体等）；对流：直接进入空气。显热热源辐射散热的波长特征

可见光和近红外线：灯具、高温热源（电炉等）长波辐射：人体、常温设备

室内产热与产湿43第三节以其他形式进入室内的热量和湿量设备与照明的散热加热设备电动设备人体散热散湿见第四章44室内湿源包括人员、水面、产湿设备散湿形式：直接进入空气得热往往考虑围护结构和家具的蓄热，“得湿”一般不考虑“蓄湿”湿源与空气进行质交换同时一般伴随显热交换有热源湿表面：水分被加热蒸发，向空气加入了显热和潜热，显热交换量取决于水表面积无热源湿表面：等焓过程，室内空气的显热转化为潜热蒸汽源：可仅考虑潜热交换45散湿量可用下列公式计算：水蒸气带人室内的潜热量为：46空气渗透带来的得热

夏季：室内外温差小，风压是主要动力冬季：室内外温差大，热压作用往往强于风压，造成底层房间热负荷偏大。因此冬季冷风渗透往往不可忽略。

理论求解方法：网络平衡法，数值求解《流体网络原理》

参考文献：朱颖心，

水力网络流动不稳定过程的算法，《清华大学学报》,1989年,第5期工程应用：缝隙法、换气次数法47网络平衡法原理节点平衡：AG＝0

回路压力平衡：B

P＝0各支路和节点均编号。网络关联矩阵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B元素bij：由j支路与i回路同向为1，反之为-1，无关为0。48缝隙法换气次数法空气渗透带来的总得热量49第四节冷负荷与热负荷冷负荷：维持一定室内热湿环境所需要的在单位时间内从室内除去的热量，包括显热负荷和潜热负荷两部分。如果把潜热负荷表示为单位时间内排除的水分，则又可称作湿负荷。热负荷：维持一定室内热湿环境所需要的在单位时间内向室内加入的热量，包括显热负荷和潜热负荷两部分。如果只控制室内温度，则热负荷就只包括显热负荷。50负荷的大小与去除或补充热量的方式有关常规的送风方式空调需要去除的是进入到空气中的得热量。冷辐射板空调需要去除的热量除了进入到空气中的热量外，还包括贮存在热表面上的热量。51各种得热进入空气的途径潜热得热、渗透空气得热得热立刻成为瞬时冷负荷通过围护结构导热、通过玻璃窗日射得热、室内显热源散热对流得热部分立刻成为瞬时冷负荷辐射得热部分先传到各内表面，再以对流形式进入空气成为瞬时冷负荷，因此负荷与得热在时间上存在延迟。52得热与冷负荷的关系53得热与冷负荷的关系冷负荷与得热有关，但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：对流与辐射的比例是多少？围护结构热工性能：蓄热能力如何？如果内表面完全绝热呢？房间的构造（角系数）注意：辐射的存在是延迟和衰减的根源！

54负荷的数学表达1.采用送风空调方式的房间冷负荷传到i表面的通过围护结构的导热量+（i表面获得的太阳辐射得热+i表面获得的热源短波辐射得热）=i表面的对流换热+（i表面向其他表面的长波辐射-i表面获得的热源的长波辐射）单个非透光围护结构内表面热平衡关系式55单个透光外围护结构内表面热平衡关系式

因为则56房间空气的热平衡对（1）式两侧就n个非透光围护结构内表面求和，对（4）式就m个透光围护结构内表面求和，然后二式合并，有57将（5）、（6）式合并并进行整理，得房间总冷负荷为582.采用冷辐射板空调方式的房间冷负荷辐射空调方式与送风空调方式的项不同。593.室内空气参数变化时的房间负荷60第三类边界条件：太难求解了！第五节典型负荷计算方法原理介绍非均匀板壁的不稳定传热:其中内表面长波辐射：611946.USA1950s.USSR1967.Canada典型负荷计算方法原理介绍

目的：使负荷计算能够在工程应用中实施发展：由不区分得热和冷负荷发展到考虑二者的区别62稳态算法不考虑建筑蓄热，负荷预测值偏大动态算法，积分变换求解微分方程冷负荷系数法、谐波反应法：夏季设计日动态模拟。计算机模拟软件

DOE2、Energyplus(美国)、HASP(日本)、ESP(英国)DeST(清华)常用的负荷求解法63稳态算法

方法采用室内外瞬时温差或平均温差，负荷与以往时刻的传热状况无关：Q＝KFT

特点简单，可手工计算未考虑围护结构的蓄热性能，计算误差偏大应用条件蓄热小的轻型简易围护结构室内外温差平均值远远大于室内外温度的波动值64稳态算法举例：北京室外气温和室内控制温度比较65积分变换法原理对于常系数的线性偏微分方程，采用积分变换如傅立叶变换

或拉普拉斯变换。积分变换的概念是把函数从一个域中移到另一个域中，在这个新的域中，函数呈现较简单的形式，因此可以求出解析解。然后再对求得的变换后的方程解进行逆变换，获得最终的解。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66为何板壁不稳定传热适用拉普拉斯变换？拉普拉斯变换的应用条件时间变化范围为半无穷区间（0，+）必须是线性定常系统拉普拉斯变换的特点复杂函数变为简单函数偏微分方程变换为常微分方程常微分方程变换为代数方程拉普拉斯变换的解传递矩阵或s-传递函数的解的形式67传递函数与输入量、输出量的关系积分变换法原理传递函数G(s)仅由系统本身的特性决定，而与输入量、输出量无关，因此建筑的材料和形式一旦确定，就可求得其围护结构的传递函数。这样就可以通过输入量和传递函数求得输出量。68应用条件对于普通材料的围护结构的传热过程，在其一般温度变化的范围内，材料的物性参数变化不大，可近似看作是常数，可采用拉普拉斯变换法来求解。对于采用材料的物性参数随温度或时间有显著变化的围护结构的传热过程，就不能采用拉普拉斯变换法来求解。69线性定常系统的特性可应用叠加原理对输入的扰量和输出的响应进行分解和叠加。当输入扰量作用的时间改变时，输出响应的时间在产生同向、同量的变化，但输出响应的函数不会改变。可把输入量进行分解或离散为简单函数，再利用变换法进行求解。求出分解或离散了的单元输入的响应，这些响应也应该呈简单函数形式。再把这些单元输入的响应进行叠加，就可以得出实际输入量连续作用下的系统的响应输出量。70输入边界条件的处理方法

输入边界条件的处理步骤边界条件的离散或分解；求对单元扰量的响应；把对单元扰量的响应进行叠加和叠加积分求和。两种基于积分变换的负荷计算法：函数均采用拉普拉斯变换，边界条件的处理方法不同对边界条件进行傅立叶级数分解：谐波反应法对边界条件进行时间序列离散：反应系数法71武汉市室外干球温度的全年变化72＝＋＋输入边界条件的处理方法：傅立叶级数分解73输入边界条件的处理方法：

时间序列离散

74两种积分变换法反应系数法(冷负荷系数法)：任何连续曲线均可离散为脉冲波之和。将外扰分解为脉冲，分别求得脉冲外扰的室内响应，再进行叠加室内负荷。对应离散系统，拉普拉斯变换转化为Z变换

谐波反应法：任何一连续可导曲线均可分解为正(余)弦波之和。把外扰分解为余弦波，分别求出每个正(余)弦波外扰的室内响应，并进行叠加。75

设备使用1小时的室内负荷响应得热：Q(t)－－输入干扰负荷：CLQ(t)－－响应 反应系数法原理图示(1)76设备使用2小时的室内负荷反应系数法原理图示(2)77设备使用10小时的室内负荷响应反应系数法原理图示(3)78反应系数法反应系数的大小即反应了某一项因素对某时刻负荷大小的影响程度。

反应系数为0~1，相当于影响为0~100%。内外扰的处理围护结构传热采用冷负荷温度日射冷负荷采用冷负荷系数内扰采用冷负荷系数79

(a)围护结构传热冷负荷基本计算式

Qcl()=KF[tcl()–tin]

tcl()为冷负荷温度逐时值，与围护结构类型、气象条件、朝向有关。

tcl()反映了室外空气温度、阳光辐射、建筑物蓄热等因素的综合影响。tinKFtcl(t)Qcl(t)冷负荷温度：一个当量温度室内温度8081(b)日射冷负荷

Qcl()=FCsCn

Dt·max

Ccl()F为窗面积，Dt·max是日射得热因素最大值

Ccl()是冷负荷系数，与纬度、朝向有关。

Cs为玻璃遮挡系数，Cn为遮阳系数。Qcl(t)D·maxFCsCnCcl()反应系数法8283内扰冷负荷

Qcl()=HG(0)

Ccl

(-0)

HG(0)为内热源散热量

Ccl(-0)是冷负荷系数

Ccl(-0)与开始使用时间和 连续使用时间有关，与建 筑热特性有关。QQcl()Ccl(t

-0)反应系数法848586谐波反应法对外扰的分解：室外空气综合温度

tz

()=tzp+tz

()=tzp+

tznsin(n+n) =A0+

Ansin(2n/T+n)

对外扰的响应形式：围护结构对不同频率外扰有一定的衰减n=An/Bn与延迟n，响应也是傅立叶级数形式：

tin,n()=An/nsin(2n/T+n-n)]

通过围护结构形成的负荷：叠加tin,n()可得出tin()，通过tin()和室内热平衡就可求出负荷。87谐波反应法玻璃窗冷负荷传热温差用外气温而不是室外综合温度：

Qcl()=KFt()=KF[twp–tin+

twn

sin(n+n)]

内扰冷负荷对内扰响应的分解方法类似对外扰响应的分解。88谐波反应法的简化算法

算法繁琐，故需要简化传导部分(墙、窗)：Qcl()=KFt-t为负荷温差，表中值为室温26℃时温差，可修正。算法同冷负荷系数法。日射部分：Qcl()=xgxdCnCsFJ()

xg窗有效面积系数，xd地点修正系数，J()为负荷强度。

xdJ相当于冷负荷系数法的D·maxQcl()，xgF相当于冷负荷系数法的F。内扰部分：Qcl()=HG(0)JX-oJX-o为设备负荷强度系数(-0时刻)，同冷负荷系数法的Ccl()。89两种积分变换法总结谐波反应法的简化算法与冷负荷系数法形式一致。为了便于手工计算，均把内外扰通过一个板壁形成的冷负荷分离出来，作为一个孤立的过程处理，不考虑与其它墙面和热源之间的相互影响。不能分析变物性的材料如相变材料制成的围护结构热过程。90两种积分变换法总结只是在一定程度上反应了得热和冷负荷之间的区别，对辐射的影响作了很多简化：

对墙体内表面之间的长波辐射作了简化处理，给定比例忽略了透过玻璃窗日射落在墙内表面上的光斑的影响热源对流和辐射比例给定，与墙表面角系数给定把室内空气温度看作是常数如果房间与简化假定相差较远，则结果的误差较大，如内表面温度差别大、房间形状不规则、室内空气控制温度随时间变化等。91模拟分析软件

GATE，60年代末，美国，稳态计算现在美国：DOE-2、BLAST、EnergyPlus、NBSLD

英国：ESP

日本：HASP

中国：DeST92模拟分析软件：美国，反应系数法

DOE-2