建筑环境学吕洁建筑热湿环境

建筑环境学吕洁建筑热湿环境第1页/共118页室内热湿环境室内设备、照明、人员等§1太阳辐射对建筑物的热作用外扰内扰窗户透过辐射围护结构热湿传导室内外空气对流室外气候参数室外空气温湿度太阳辐射风速风向变化邻室空气温湿度对流辐射蒸发或吸湿第2页/共118页外扰中的辐射热围护结构外表面辐射围护结构内表面传导对流辐射室内空气室内空气通过缝隙渗透通过开启孔洞侵入辐射围护结构内表面及其他物体表面对流辐射室内空气§1太阳辐射对建筑物的热作用室外空气对流辐射室内透射窗户第3页/共118页外扰中的湿量内扰中的湿量蒸发室外空气传质围护结构内表面蒸发扩散室内空气室内空气通过缝隙渗透通过开启孔洞侵入蒸发室内空气内扰中的热量对流辐射室内空气§1太阳辐射对建筑物的热作用吸湿围护结构外表面第4页/共118页某时刻的得热（HeatGain，HG）：某时刻在内外扰作用下进入房间的总热量，包括显热和潜热。显热对流得热（如室内热源的对流散热、围护结构内表面与室内空气之间的对流换热）辐射得热（如透过窗玻璃进入室内的太阳辐射、照明灯具的辐射得热）由于围护结构本身存在的热惯性，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§1太阳辐射对建筑物的热作用第5页/共118页§1太阳辐射对建筑物的热作用一、围护结构外表面所吸收的太阳辐射热1.不透明物体对太阳辐射的吸收围护结构的表面越粗糙、颜色越深，吸收率越高，反射率越低。第6页/共118页2.半透明物体对太阳辐射的吸收、反射和透过

玻璃对可见光和波长为3um以下的短波红外线来说，几乎是透明的，但却能有效的阻止长波红外线辐射。§1太阳辐射对建筑物的热作用第7页/共118页将具有低发射率、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§1太阳辐射对建筑物的热作用第8页/共118页——空气—半透明薄层界面的反射百分比——射线单程通过半透明薄层的吸收百分比阳光从空气入射进入玻璃薄层，由于分界面的反射作用，只有（1-r）的辐射能进入玻璃层；经玻璃的吸收作用，剩余的（1-r）(1-a0)的辐射能才能抵达第二个分界面；

§1太阳辐射对建筑物的热作用第9页/共118页阳光照射到半透明薄层时，半透明薄层对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。半透明薄层的总吸收率为：半透明薄层的总反射率为：§1太阳辐射对建筑物的热作用半透明薄层的总透过率为：第10页/共118页两层半透明薄层的总透过率为：两层半透明薄层的总反射率为：§1太阳辐射对建筑物的热作用第一、二层半透明薄层的总吸收率分别为：第11页/共118页空气-半透明薄层界面的反射百分比r与射线的入射角和波长有关，其关系式为：其中i1和i2分别为入射角和折射角。入射角和折射角的关系取决于两种介质的性质，即与两种介质的折射指数n有关，其关系式为：

空气的平均折射指数n=1.0；在太阳光谱范围内，玻璃的平均折射指数n=1.526。§1太阳辐射对建筑物的热作用第12页/共118页

半透明薄层对太阳辐射的吸收现象与大气层对太阳光辐射的吸收规律相同，即不同波长的辐射按指数关系衰减：In=I0exp(-KL)辐射强度被吸收的百分比为：式中：L—射线在半透明薄层中的行程，与入射角和折射指数有关；Kλ—消光系数，与半透明薄层的材料物性及射线的波长有关§1太阳辐射对建筑物的热作用对应其波长的材料的消光系数射线在半透明薄层中的行程L取决于：射线单程通过半透明薄层的吸收百分比第13页/共118页可近似认为玻璃对长波辐射不透明；半透明薄层的吸收率、反射率和透过率都随入射角改变。§1太阳辐射对建筑物的热作用第14页/共118页二、室外空气综合温度tz（Solar-airtemperature）§1太阳辐射对建筑物的热作用围护结构外表面得热=太阳辐射热量+长波辐射换热量+对流换热量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15页/共118页§1太阳辐射对建筑物的热作用60℃！35℃！第16页/共118页建筑物外表面单位面积上得到的热量为：tz——室外空气综合温度§1太阳辐射对建筑物的热作用相当于室外气温由原来的tair增加了一个太阳辐射的等效温度αI/αout值。是当量室外温度，非实际室外空气温度，方便计算。第17页/共118页室外空气综合温度tz的表达式：

在一般空调负荷计算中不考虑围护结构外表面与天空和周围物体之间的长波辐射，则：

§1太阳辐射对建筑物的热作用Think，tz

与有效天空温度Tsky

、室外空气温度tair相同吗？与什么因素有关？人们常说的“体感温度”是什么？

第18页/共118页tz：综合表达了室外空气温度、太阳辐射、围护结构外表面与天空和周围物体之间的长波辐射的一个综合热作用，是考虑了室外空气和太阳短波辐射的加热作用、及围护结构外表面的有效长波辐射的自然散热作用，将三者对外围护结构的共同作用综合成一个单一的室外气象参数。Tsky

：是天空有效辐射温度（因大气吸收太阳辐射和地面长波辐射而具有一定温度，会向地面发出长波辐射），该值与天空气象条件有关。§1太阳辐射对建筑物的热作用tair：距地面1.5m高、背阴处的空气温度。第19页/共118页气温对任何朝向的外墙和屋顶的影响是相同的，但太阳辐射热的影响不同，加上外表面材料和颜色及室外风速的差异，则各朝向的室外空气综合温度就不同了。平屋顶tz最大，其次是西墙，炎热地区须重视屋顶和东西墙的隔热。§1太阳辐射对建筑物的热作用第20页/共118页计算白天的室外空气综合温度时可忽略长波辐射；夜间由于没有太阳辐射，不可忽略建筑物的长波辐射；对于垂直表面近似取Qlw=0；对于水平面，取Qlw/αout=3.5～4.0℃。结构外表面采用浅色平滑的粉刷和饰面材料，以减少太阳辐射热的吸收；屋顶或墙面外侧设置遮阳设施；结构外表面采用对太阳短波辐射吸收率小而长波发射率大材料。§1太阳辐射对建筑物的热作用降低tz的办法：三、夜间辐射（有效辐射、长波辐射Qlw

、天空辐射）第21页/共118页一、通过围护结构的显热得热

通过围护结构形成的潜热得热：主要来自于围护结构的湿传递。§2建筑围护结构的热湿传递与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第22页/共118页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。围护结构热容量愈大，蓄热能力愈大,愈滞后，波幅衰减愈大。§2建筑围护结构的热湿传递与得热第23页/共118页

墙体、屋顶等建筑构件的传热过程，可看作非均质板壁的一维不稳定导热过程。该式描述了围护结构内温度分布情况§2建筑围护结构的热湿传递与得热当同一空间的各内表面之间温差不大的情况下，室内各表面之间的长波辐射可忽略；存在较大温差时室内各表面之间的长波辐射不可忽略;内表面温度是导热、对流、辐射和蓄热综合作用的结果。第24页/共118页

当室外温度有所变化时，围护结构外表面、围护结构本身各部位和内表面的温度变化比室外空气温度的变化时间上有所滞后。距外表面距离越远，滞后的时间就越长。

§2建筑围护结构的热湿传递与得热第25页/共118页§2建筑围护结构的热湿传递与得热该式描述了围护结构内表面传到室内空气的热量，即：通过非透明围护结构实际传入室内的热量。对流换热量辐射换热量短波辐射得热量第26页/共118页内表面辐射如何影响板壁的传热？HGwall=HGwall,conv+HGwall,lw尽管Qin增加了，但Qout和Qcond却是减少的。Tout,airQoutQwall,cond=HGwall-△QwallTin,air§2建筑围护结构的热湿传递与得热第27页/共118页§2建筑围护结构的热湿传递与得热Qwall,cond=HGwall-△Qwall实际传热量得热得热与实际传热量的差值由室外气象条件与室内气温决定由于室内其他表面温度与空气温度不同及室内辐射源存在而造成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28页/共118页§2建筑围护结构的热湿传递与得热通过非透明围护结构的得热:实际通过围护结构传入室内的热量与通过围护结构得热的差值：第29页/共118页二、通过透光外围护结构的得热通过玻璃窗形成的围护结构得热

通过玻璃板壁的传热量

透过玻璃窗的日射辐射得热量

热交换形式：导热1.

通过透光外围护结构的传热量因玻璃薄，导热系数大，惰性小，传热近似按稳态传热计算：§2建筑围护结构的热湿传递与得热Think，包括哪几种传热方式?影响因素有哪些?第30页/共118页2.透过玻璃窗的太阳辐射得热量

照到窗玻璃表面的阳光一部分被反射，不成为房间得热一部分透过玻璃进入室内，成为房间得热一部分被玻璃吸收，使玻璃温度升高其中一部分以对流和辐射的形式传入室内，成为房间得热一部分也以对流和辐射的形式但散到室外，不成为房间得热§2建筑围护结构的热湿传递与得热第31页/共118页玻璃窗的种类与热工性能§2建筑围护结构的热湿传递与得热窗框型材：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：充空气、氮、氩、氪等或有真空夹层；玻璃层数：单玻、双玻、三玻等；玻璃类别：普通透明玻璃、有色玻璃、低辐射(Low-e)玻璃等；镀膜（玻璃表面）：反射膜、low-e膜、有色遮光膜等；镀膜（两层玻璃之间的空间中）：对近红外线高反射率的热镜膜。第32页/共118页我国民用建筑：常用：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：多装有两层单玻窗。商用建筑：采用有色玻璃或反射镀膜玻璃。发达国家寒冷地区的住宅：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。§2建筑围护结构的热湿传递与得热第33页/共118页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气体夹层和玻璃本身均有热容，但较墙体小。§2建筑围护结构的热湿传递与得热KKK第34页/共118页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通过玻璃窗的太阳辐射得热§2建筑围护结构的热湿传递与得热第35页/共118页标准太阳得热量SSG（StandardSolarheatGain）：

以某种类型和厚度的玻璃作为标准透光材料，其在无遮挡条件下的太阳得热量。入射角为i时的标准玻璃的太阳得热量计算式：

式中g—标准太阳得热率。§2建筑围护结构的热湿传递与得热第36页/共118页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§2建筑围护结构的热湿传递与得热第37页/共118页通风双层玻璃窗，内置百页§2建筑围护结构的热湿传递与得热第38页/共118页内百页无通风有通风第39页/共118页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§2建筑围护结构的热湿传递与得热第40页/共118页透过玻璃窗的实际太阳辐射得热量采用对标准玻璃的太阳得热量进行修正的方法计算：

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§2建筑围护结构的热湿传递与得热第41页/共118页§2建筑围护结构的热湿传递与得热通过透光外围护结构的得热量：

通过透光外围护结构的得热量与实际传热量之间同样有差别，其原因是：玻璃两侧表面与空气之间的温差不同玻璃不仅通过对流散热，还通过长波辐射散热玻璃吸热后内部温度分布和内表面温度会有显著变化室内存在辐射热源时对总传热量有影响通过透光外围护结构的得热量的其他计算方法（自学）

第42页/共118页一般情况：忽略透过围护结构的水蒸气；恒温恒湿或低温环境：考虑通过围护结构的水蒸气渗透三、通过围护结构的湿传递湿传递：当围护结构两侧空气的水蒸气分压力不相等时，水蒸气将从分压力的高侧向低侧转移。围护结构的水蒸汽渗透系数Kv：在稳定情况下，单位时间内通过单位面积围护结构传入室内的水蒸汽量W，与两侧空气中水蒸汽分压力差的比值。式中Kv—水蒸汽渗透系数，kg/（N·s）或s/m；Pout–Pin

—围护结构两侧水蒸汽的分压力差，Pa。§2建筑围护结构的热湿传递与得热第43页/共118页围护结构内部水蒸气凝结或冻结现象当围护结构内任一断面上的水蒸气分压力＞该断面温度所对应的饱和水蒸气分压力，在此断面会有水蒸气凝结；当该断面温度＜零度，出现冻结现象。后果导致围护结构传热系数增大；加大围护结构传热量；加速围护结构的损坏。预防措施围护结构尽量采用外保温层；内保温时应设置隔汽层。实际水蒸汽分压力饱和水蒸汽分压力温度§2建筑围护结构的热湿传递与得热第44页/共118页式中H0—围护结构的总蒸汽渗透阻，m2·h·Pa/g；dm—任一分层的厚度，m；μm—任一分层材料的蒸汽渗透系数，g/（m·h·Pa），m=1，2，3，…n。§2建筑围护结构的热湿传递与得热围护结构内任一层内界面上的水蒸汽分压力：式中—从室内一侧算起，由第一层至第m-1层的蒸汽渗透阻之和.第45页/共118页内部冷凝的检验：根据室内外空气温湿度确定水蒸汽分压力Pi和Pe计算围护结构各层水蒸汽分压力，做“P”分布线根据室内外空气温度，确定各层温度，做“Ps”分布线根据“P”线和“Ps”线相交与否来判定围护结构内部是否会出现冷凝现象§2建筑围护结构的热湿传递与得热第46页/共118页§2建筑围护结构的热湿传递与得热【例】检验外墙结构是否会产生内部冷凝。已知室内空气温度=16℃，相对湿度=60%，采暖期室外平均气温=－4℃，平均相对湿度=50%。【解】（1）计算各分层的热阻和水蒸汽渗透阻d2098.95251.51166.670.00006670.0001990.000120.1730.2630.0250.810.190.810.140.050.02振动砖板泡沫混凝土石灰砂浆∑R=0.461，∑H=2517.13第47页/共118页（2）计算室内外空气的水蒸汽分压力ti=16℃时，Ps=1817.2Pate=－4℃时，Ps=437.3Pa§2建筑围护结构的热湿传递与得热第48页/共118页（3）计算围护结构内部各层的温度和水蒸汽分压力§2建筑围护结构的热湿传递与得热第49页/共118页冷凝区§2建筑围护结构的热湿传递与得热第50页/共118页冷凝条件取决于热量和蒸汽通道上的材料热阻。结构两边的温湿度§2建筑围护结构的热湿传递与得热第51页/共118页冷凝的补救措施最有效通风供热隔热保温长时间低温供热比短期高温效果好，须与通风设施共用根据水蒸气进难出易原则布置保温层（即从外往里热阻逐渐减小，水蒸气渗透阻逐渐增大）绝热材料导热系数λ＜0.25的材料保温材料隔热材料用于控制室内热量外流用于防止室外热量进入室内§2建筑围护结构的热湿传递与得热第52页/共118页保温和隔热的区别：评价指标不同传热过程不同保温指冬季的传热过程，按稳定传热计算隔热指夏季传热过程，按以24h为周期的周期性传热计算保温性能用传热系数或热阻评价隔热性能用围护结构内表面最高温度值评价构造措施不同：由多孔轻质保温材料构成的轻型围护结构保温性能较好，隔热性能较差。保温层设置方式外保温内保温夹芯保温§2建筑围护结构的热湿传递与得热第53页/共118页外保温的优点：有效切断热桥，防结露容重大的材料层设室内一侧，间歇供热时对室内气温有一定调节作用，提高热稳定性提高外墙内表面温度，改善热舒适环境对主体起保护作用符合防潮设计原则旧楼改造不影响住户比内保温厚度小（含湿率小，温度梯度大）外保温的缺点：造价高，施工技术要求严，使用环境苛刻§2建筑围护结构的热湿传递与得热第54页/共118页内保温的优点：易施工和维修，造价低，对材料性能要求不高内保温的缺点：不适于湿度大地区或潮湿房间条件受热桥传热加强的影响，需增加保温层厚度才能达到相应节能效果，造价升高内侧悬挂固定物件困难需在保温层低温侧设吸湿空气层，在保温层高温侧设隔气层（塑料薄膜、防水卷材、铝箔等）夹芯保温的特点：属于隐蔽工程，施工要求高，热桥处因温差增大易结露，耗热量增大空气层在围护结构中有多种应用：吸声、防潮、去湿、集热、通风等，厉害着呢！§2建筑围护结构的热湿传递与得热第55页/共118页一、室内产热产湿量室内热湿源人体设备照明设施显热潜热显热潜热显热皮肤呼吸出汗§3以其他形式进入室内的热量和湿量第56页/共118页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§3以其他形式进入室内的热量和湿量第57页/共118页§3以其他形式进入室内的热量和湿量室内湿源包括人员、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58页/共118页1.设备与照明的散热影响因素室内设备电动设备加热设备不同时使用实际运行功率＜装机容量电动设备的能量是否消耗在室内§3以其他形式进入室内的热量和湿量电子设备发热量计算：式中N—电动设备的安装功率（kw）；n1—安装系数，一般取0.7～0.9；n2—负荷系数；n3—同时使用系数。（w）第59页/共118页电动设备散热量计算：电动机和工艺设备均在房间内时：（w）式中—电动机功率，与电机型号、负荷情况有关。§3以其他形式进入室内的热量和湿量（w）（w）明装的白炽灯：对于荧光灯：照明设备散热量（属于稳定得热，不随时间变化）：式中N—照明设备的安装功率（kw）；n3—同时使用系数，一般为0.5～0.8；n6—整流器消耗功率系数，明装取1.2；

n7—安装系数，明装取1.0。这并不意味着计算的简单,你得确定使用时间.第60页/共118页§3以其他形式进入室内的热量和湿量2.人体的散热散湿（第4章）：与代谢率有关3.室内湿源水温（℃）＜30405060708090100β0×1084.55.86.97.78.89.610.612.5散湿量计算：式中Pb—水表面温度下的饱和空气的水蒸汽分压力，Pa；

Pa—空气中的水蒸汽分压力，Pa；

B—当地实际大气压，Pa；

F—水表面蒸发面积，m2；

β—蒸发系数，kg/（N·s），β=β0+3.63×10-8v，β0是不同水温下的扩散系数；v—水面上的空气流速，m/s。第61页/共118页（a）孔口出流：流速较高，流动处于阻力平方区：（b）渗流：流速缓慢，流道断面细小而复杂，流动处于层流区：§3以其他形式进入室内的热量和湿量气体流动阻力：≈△P

△P=RL+ZPa二、空气渗透带来的得热第62页/共118页（c）门窗缝隙的空气渗透：介于孔口出流和渗流之间通过门窗缝隙的空气渗透量的计算：

式中Fd—当量孔口面积，Fd=al，m3/（h·Pa1/1.5）；a—实验系数，取决于门窗气密性；

l—门窗缝隙长度，m；Fcrack—门窗缝隙面积，m2。

§3以其他形式进入室内的热量和湿量决定空气渗透量的因素室内外压力差△P风压热压夏季冬季空调房间室内正压室内无正压不考虑空气渗透考虑风压作用第63页/共118页风压造成空气渗透的估算方法换气次数法缝隙法§3以其他形式进入室内的热量和湿量1.缝隙法

La=klal式中La—房间空气渗透量，m3/h；

la—单位长度门窗缝隙的渗透量，m3/（h·m）；

l—门窗缝隙总长度，m；k—主导风向不同情况下的修正系数。2.换气次数法La=nV式中n—换气次数，次/h；V—房间容积，m3。美国的估算方法：式中v—室外平均风速，m/s；a、b、c—系数。你认为哪一种方法更科学合理些呢？第64页/共118页§3以其他形式进入室内的热量和湿量由于空气渗透带来的得热：式中hout—室外空气的比焓；hin—室内空气的比焓；—空气密度。由渗透空气带来的显热得热：通过室内外的空气温差求得由渗透空气带来的湿量：通过室内外的空气含湿量差求得第65页/共118页按是否随时间变化分

稳定得热

瞬变得热

按性质不同分

显热得热潜热得热（即湿负荷：单位时间内需排除的水分）

显热负荷

潜热负荷（需要控制相对湿度时）

§4冷负荷和热负荷一、负荷的定义1.

得热量某时刻通过各种途径进入房间的总热量2.热负荷为维持一定室内热湿环境所需要的单位时间内向室内加入的热量3.冷负荷显热负荷潜热负荷（即湿负荷）为维持一定室内热湿环境所需要的单位时间内从室内除去的热量瞬时冷负荷滞后冷负荷第66页/共118页瞬时冷负荷辐射围护结构及家具瞬时得热§4冷负荷和热负荷二、负荷与得热的关系1.瞬时得热与瞬时冷负荷的关系对流室内空气对流(延迟)第67页/共118页通过围护结构导热进入室内的得热

一部分以长波辐射方式传递到围护结构内表面及家具表面，提高其表面温度后再以对流换热方式传递给空气（存在延迟）

一部分以对流换热方式直接传递给空气

渗透空气得热潜热得热

室内热源散发的显热§4冷负荷和热负荷直接成为瞬时冷负荷围护结构内表面和家具表面有吸湿、蓄湿作用（存在延迟）直接进入空气同通过围护结构导热情况任一时刻房间瞬时得热量的总和未必等于同一时间的瞬时冷负荷第68页/共118页透过玻璃窗进入室内的太阳辐射得热先传递给室内各表面吸收和贮存，使其表面温度高于空气后以对流换热方式进入空气，成为瞬时冷负荷。（存在延迟）§4冷负荷和热负荷2.瞬时日射得热量与冷负荷的关系开灯关灯灯具开启后，大部分热量被蓄存起来；随着照明时间的延续，蓄存的热量逐渐减少；关灯后，蓄存在结构中的热量再逐渐放出来成为房间冷负荷。3.照明得热和实际冷负荷之间的关系第69页/共118页有关，但不等于得热，取决于房间的构造、围护结构的热工特性和热源的特性；实际冷负荷的峰值比太阳辐射热的峰值少约40%，出现时间迟于太阳辐射热峰值出现的时间；得热量转化为冷负荷过程中存在衰减和延迟现象，由围护结构和家俱等的蓄热能力决定。§4冷负荷和热负荷冷负荷与得热量的关系：第70页/共118页空调负荷计算必须考虑围护结构的吸热、蓄热和放热过程；不同性质的得热量所形成的室内逐时冷负荷是不同的，确定房间逐时冷负荷时必须按不同性质的得热分别计算，需要掌握各种得热的对流和辐射的比例；照明和机械设备的对流和辐射的比例分配与其表面温度有关；人体的显热和潜热比例分配与人体所处的状况有关。§4冷负荷和热负荷第71页/共118页三、负荷的数学表达§4冷负荷和热负荷1.常规送风空调系统的负荷空调对流除热量＝室内热源对流得热＋内表面i的对流换热＋渗透显热得热房间空气的热平衡关系第72页/共118页室内热源对流得热＝室内热源得热-热源向内表面短波辐射-热源向内表面长波辐射§4冷负荷和热负荷第73页/共118页§4冷负荷和热负荷

内表面i的对流换热＝通过围护结构传到i表面的导热得热＋i表面获得的热源短波辐射得热+i表面获得的热源长波辐射得热-i表面向其他表面的长波辐射第74页/共118页空调系统的总冷负荷：§4冷负荷和热负荷总冷负荷显热冷负荷潜热冷负荷室内热源显热得热非透光围护结构得热透光围护结构得热渗透得热非透光围护结构得热与实际传热之差室内热源潜热渗透潜热第75页/共118页§4冷负荷和热负荷2.有冷辐射板的空调系统的负荷传到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表面向空调辐射板的长波辐射-i表面获得的热源的长波辐射得热)通过玻璃热传导传到i表面的得热量+i表面吸收的通过玻璃本身的太阳辐射=i表面的对流换热+i表面向其他表面的长波辐射+i表面向空调辐射板的长波辐射-i表面获得的热源的长波辐射得热第76页/共118页§4冷负荷和热负荷适用于各种形式空调系统的通用显热冷负荷表达式：对流除热量辐射除热量热源显热得热∑壁面得热∑窗得热渗透显热得热内表面辐射导致的传热量差值热源显热得热∑窗得热渗透显热得热∑壁面传热量第77页/共118页§4冷负荷和热负荷显热冷负荷与房间得热量间的差值：∑室内存在热源的短波辐射得热因室内表面温度≠空气温度导致的长波辐射差值因室内辐射存在导致室内各壁面温度变化而改变的对流换热量第78页/共118页§4冷负荷和热负荷在与常规送风空调系统维持相同的室内空气温度的情况下：冷辐射板系统的冷负荷可能高于常规送风空调系统的冷负荷，这是因为外围护结构内表面温度会因此而降低，导致通过围护结构传入室内的热量增加；同样，热辐射板空调系统的热负荷也可能高于常规送风空调系统的热负荷第79页/共118页§4冷负荷和热负荷3.室内空气参数变化时空调系统的除热量空调系统实际显热除热量=显热冷负荷-因空气增温所需消耗的热量空调系统对流除热量＋空气的显热增值＝室内热源对流得热＋内表面i的对流换热+渗透显热得热第80页/共118页§5典型负荷计算方法原理介绍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1946.USA1950s.USSR1967.Canada当量温差法谐波反应法谐波分解法冷负荷系数法冷负荷温差法反应系数法负荷计算法第81页/共118页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

DOE-2(美国)、HASP(日本)、ESP(英国)DeST(清华)常用的负荷求解法§5典型负荷计算方法原理介绍第82页/共118页§5典型负荷计算方法原理介绍一、稳态计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83页/共118页§5典型负荷计算方法原理介绍1）计算蓄热性能不强的轻型、简易围护结构的传热过程且缺乏参考数据时：逐时室内外温差×传热系数×传热面积。2）室内外温差的平均值＞＞室内外温差的波动值时：采用平均温差计算。-15-10-505101520253035024681012141618202224夏季室内控制温度夏季室外气温冬季室内控制温度冬季室外气温温度(℃)夏季Dt冬季Dt时间26℃18℃28.6℃－9℃第84页/共118页式中t0—冬季室外设计温度，℃（对空调系统为每年不保证1d、采暖系统每年不保证5d的最低日平均温度）；tin—冬季室内设计温度，℃。§5典型负荷计算方法原理介绍我国北方冬季采暖负荷：用日平均温差的稳态计算法计算夏季冷负荷的计算与冬季相同吗？采用日平均温差或逐时室内外温差会有怎样的结果呢？缺点：计算结果偏大（围护结构蓄热性能愈好误差愈大），设备投资浪费。第85页/共118页二、动态计算法——积分变换法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§5典型负荷计算方法原理介绍第86页/共118页§5典型负荷计算方法原理介绍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第87页/共118页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。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。§5典型负荷计算方法原理介绍积分变换法原理第88页/共118页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。§5典型负荷计算方法原理介绍第89页/共118页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。§5典型负荷计算方法原理介绍第90页/共118页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§5典型负荷计算方法原理介绍第91页/共118页§5典型负荷计算方法原理介绍对边界条件处理的主要方法：1）把边界条件进行傅里叶级数展开——谐波反应法第92页/共118页武汉市室外干球温度的全年变化§5典型负荷计算方法原理介绍第93页/共118页＝＋＋输入边界条件的处理方法：傅立叶级数分解§5典型负荷计算方法原理介绍第94页/共118页§5典型负荷计算方法原理介绍2）把边界条件离散为等时间间隔、按时间序列分布的单元扰量，不需要考虑扰量是否呈周期变化，适于各种非规则的内外扰量——反应系数法、冷负荷计算法第95页/共118页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。§5典型负荷计算方法原理介绍第96页/共118页设备使用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)§5典型负荷计算方法原理介绍第97页/共118页设备使用2小时的室内负荷§5典型负荷计算方法原理介绍反应系数法原理图示(2)第98页/共118页§5典型负荷计算方法原理介绍设备使用10小时的室内负荷响应反应系数法原理图示(3)第99页/共118页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§5典型负荷计算方法原理介绍反应系数法第100页/共118页

(a)围护结构传热冷负荷基本计算式:

Qcl，wall()=KwallFwall[tcl，wall()–ta，in]tcl，wall()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。Ta,inKFTcl,wall(t)Qcl,wall(t)冷负荷温度：一个当量温度室内温度§5典型负荷计算方法原理介绍第101页/共118页§5典型负荷计算方法原理介绍(b)日射冷负荷:

Qcl，wind，sol()=FwindCsCnDjmaxCcl，wind()F为窗面积，Djmax是日射得热因素最大值Ccl，wind()是冷负荷系数，与有无遮阳、纬度、朝向有关。

Cs为玻璃遮挡系数，Cn为遮阳系数。Qcl,wind,sol(t)DjmaxFwindCsCnCcl,wind()第102页/共118页§5典型负荷计算方法原理介绍

(C)内扰冷负荷Qcl，H()=HGH(0)

Ccl，H(-0)

HGH(0)为内热源散热量Ccl，H(-0)是冷负荷系数Ccl，H(-0)与距开始使用后时间、热源特性和连续使用时间有关。QQcl,H()Ccl,H(t-0)第103页/共118页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。§5典型负荷计算方法原理介绍第104页/共118页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。§5典型负荷计算方法原理介绍第105页/共118页2）日射部分：式中xg、xd—分别为窗的有效面积系数和地点修正系数；Cn、Cs—分别为遮阳设施的遮阳系数和窗玻璃的遮挡系数;F—窗口面积;J(τ)—当地玻璃窗的日射负荷强度。XdJ（）相当于冷负荷系数法的DjmaxCcl,wind()XgF相当于冷负荷系数法的Fwind§5典型负荷计算方法原理介绍谐波反应法简化算法1）传导部分(墙、窗