建筑环境学 热湿环境

建筑环境学热湿环境第1页/共84页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)第2页/共84页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第3页/共84页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。反射吸收第4页/共84页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第5页/共84页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玻璃第6页/共84页7太阳辐射在玻璃中传递过程玻璃的吸收百分比a0:第7页/共84页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。第8页/共84页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？第9页/共84页10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第10页/共84页1160℃！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： 第11页/共84页12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？第12页/共84页13

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？试算一个夜间的室外空气综合温度是多少？天空辐射（夜间辐射，有效辐射）第13页/共84页14通过围护结构的显热得热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第14页/共84页15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。第15页/共84页16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：

第16页/共84页17x=0x=Qenv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：实际由内表面传入室内的热量为： 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。第17页/共84页18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第18页/共84页19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第19页/共84页20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,air第20页/共84页21通过非透明围护结构的得热

内表面辐射导致的传热量差值

将内边界条件线性化，则可利用线性叠加压力将气象与室内气温的影响与其它部分分离出来，称作：“通过围护结构的得热”，HGt=t1+t2Qin’(即前面的Qenv)和Qin(即HG)的差值为：气象与室温决定部分辐射造成的增量第21页/共84页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。第22页/共84页23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。第23页/共84页24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。第24页/共84页25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。第25页/共84页26

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通过玻璃窗的得热第26页/共84页27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第27页/共84页28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0.3第28页/共84页29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第29页/共84页30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、遮阳蓬第30页/共84页31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第31页/共84页32通风双层玻璃窗，内置百页第32页/共84页33内百页无通风有通风第33页/共84页34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：第34页/共84页35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。第35页/共84页36

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

室内产热与产湿第36页/共84页37室内产热与产湿

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：可仅考虑潜热交换第37页/共84页38人体散热散湿

见第五章！第38页/共84页39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》课程将介绍参考文献：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、换气次数法第39页/共84页40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。第40页/共84页41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。第41页/共84页42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。第42页/共84页43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。第43页/共84页44得热与冷负荷的关系第44页/共84页45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！第45页/共84页46第46页/共84页47房间空气的热平衡关系

排除的对流热＋空气的显热增值＝

室内热源对流得热＋壁面对流得热＋渗透得热第47页/共84页48室内热源对流得热室内热源得热＝室内热源对流得热＋热源向空调辐射板的辐射＋热源向壁面的辐射第48页/共84页49壁面对流得热通过围护结构的导热得热＋本壁面获得的通过玻璃窗的日射得热＝壁面对流得热＋本壁面向空调辐射设备的辐射＋本壁面向其他壁面的长波辐射＋本壁面向热源的辐射Qcond第49页/共84页50房间的总冷负荷房间的各种得热空气的显热增值内表面辐射导致的传热量差值得热和冷负荷的差值房间空气热平衡的数学表达式

对辐射项进行了线性化而导出第50页/共84页51第三类边界条件：太难求解了！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：第51页/共84页521946.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第52页/共84页53

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(美国)、HASP(日本)、ESP(英国)DeST(清华)常用的负荷求解法第53页/共84页54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第54页/共84页55稳态算法举例：北京室外气温和室内控制温度比较第55页/共84页56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第56页/共84页57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第57页/共84页58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。

如果输入原函数是指数函数，则不需变换直接输入，即可求得解的原函数。第58页/共84页59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。第59页/共84页60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。第60页/共84页61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：反应系数法第61页/共84页62武汉市室外干球温度的全年变化第62页/共84页63＝＋＋输入边界条件的处理方法：傅立叶级数分解第63页/共84页64输入边界条件的处理方法：

时间序列离散

第64页/共84页65两种积分变换法

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。第65页/共84页66

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)第66页/共84页67设备使用2小时的室内负荷反应系数法原理图示(2)第67页/共84页68设备使用10小时的室内负荷响应反应系数法原理图示(3)第68页/共84页69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第69页/共84页70

(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第70页/共84页71(b)日射冷负荷

Qcl()=FCsCnDt·maxCcl()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()反应系数法第71页/共84页72

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)反应系数法第72页/共84页73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。第73页/共84页74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+

twnsin(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。第74页/共84页75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()。第75页/共84页76两种积分变换法总结

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。第76页/共84页77两种积分变换法总结

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。第77页/共84页78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：