建筑熱濕環(huán)境課件

第四章

建筑熱濕環(huán)境建筑技術科學系2001年1建筑熱濕環(huán)境是如何形成的?是建筑環(huán)境中最重要的內(nèi)容主要成因是外擾和內(nèi)擾的影響和建筑本身的熱工性能外擾：室外氣候參數(shù)，鄰室的空氣溫濕度內(nèi)擾：室內(nèi)設備、照明、人員等室內(nèi) 熱濕源 2基本概念圍護結(jié)構(gòu)的熱作用過程：無論是通過圍護結(jié)構(gòu)的傳熱傳濕還是室內(nèi)產(chǎn)熱產(chǎn)濕，其作用形式包括對流換熱（對流質(zhì)交換）、導熱（水蒸汽滲透）和輻射三種形式。對流換熱(對流質(zhì)交換)圍護結(jié)構(gòu)傳熱傳濕室內(nèi)產(chǎn)熱產(chǎn)濕輻射導熱(水蒸汽滲透)3非透明圍護結(jié)構(gòu)外表面所吸收的太陽輻射熱不同的表面對輻射的波長有選擇性，黑色表面對各種波長的輻射幾乎都是全部吸收，而白色表面可以反射幾乎90％的可見光。圍護結(jié)構(gòu)的表面越粗糙、顏色越深，吸收率就越高，反射率越低。反射吸收5太陽輻射在玻璃中傳遞過程玻璃對輻射的選擇性0.8可見光近紅外線長波紅外線普通玻璃的光譜透過率6太陽輻射在玻璃中傳遞過程將具有低發(fā)射率、高紅外反射率的金屬（鋁、銅、銀、錫等），使用真空沉積技術，在玻璃表面沉積一層極薄的金屬涂層，這樣就制成了Low-e(Low-emissivity)玻璃。對太陽輻射有高透和低透不同性能。低透low-e玻璃7太陽輻射在玻璃中傳遞過程陽光照射到單層半透明薄層時，半透明薄層對于太陽輻射的總反射率、吸收率和透過率是陽光在半透明薄層內(nèi)進行反射、吸收和透過的無窮次反復之后的無窮多項之和。9太陽輻射在玻璃中傳遞過程陽光照射到雙層半透明薄層時，還要考慮兩層半透明薄層之間的無窮次反射，以及再對反射輻射的透過。假定兩層材料的吸收百分比和反射百分比完全相同，兩層的吸收率相同嗎？10室外空氣綜合溫度

太陽直射輻射大氣長波輻射太空散射輻射對流換熱地面反射輻射環(huán)境長波輻射地面長波輻射壁體得熱11室外空氣綜合溫度

Solar-airTemperature人們常說的太陽下的“體感溫度”是什么？室外空氣綜合溫度與什么因素有關？高反射率鏡面外墻和紅磚外墻的室外空氣綜合溫度是否相同？請試算一下盛夏太陽下的室外空氣綜合溫度比空氣溫度高多少？13圍護結(jié)構(gòu)外表面與環(huán)境的長波輻射換熱QL包括大氣長波輻射以及來自地面和周圍建筑和其他物體外表面的長波輻射。如果僅考慮對天空的大氣長波輻射和對地面的長波輻射，則有：白天有天空輻射嗎？試算一個夜間的室外空氣綜合溫度是多少？天空輻射（夜間輻射，有效輻射）14通過圍護結(jié)構(gòu)的顯熱得熱通過圍護結(jié)構(gòu)的顯熱得熱通過非透明圍護結(jié)構(gòu)的熱傳導通過玻璃窗的得熱外表面對流換熱外表面日射通過墻體導熱兩種方式機理不同15通過非透明圍護結(jié)構(gòu)的熱傳導非均質(zhì)板壁的一維不穩(wěn)定導熱過程：邊界條件：

t(x,0)=f(x)

其中內(nèi)表面長波輻射：

17x=0x=Qenv通過非透明圍護結(jié)構(gòu)的熱傳導利用室外空氣綜合溫度簡化外邊界條件：實際由內(nèi)表面?zhèn)魅胧覂?nèi)的熱量為： 這部分熱量將以對流換 熱和長波輻射的形式向 室內(nèi)傳播。只有對流換 熱部分直接進入了空氣。18通過非透明圍護結(jié)構(gòu)的熱傳導板壁各層溫度隨室外溫度的變化19內(nèi)表面輻射如何影響板壁的傳熱？Qin’=Qconv+Ql盡管Qin增加了，但Qout和Qcond卻是減少的。Tout,airQoutQcondQin=QconvTin,air21通過非透明圍護結(jié)構(gòu)的得熱

內(nèi)表面輻射導致的傳熱量差值將內(nèi)邊界條件線性化，則可利用線性疊加壓力將氣象與室內(nèi)氣溫的影響與其它部分分離出來，稱作：“通過圍護結(jié)構(gòu)的得熱”，HGt=t1+t2Qin’(即前面的Qenv)和Qin(即HG)的差值為：氣象與室溫決定部分輻射造成的增量22通過玻璃板壁的傳熱透過玻璃的日射得熱通過玻璃窗的得熱通過玻璃窗的得熱得熱與玻璃窗的種類及其熱工性能有重要的關系。23玻璃窗的種類與熱工性能我國

民用建筑最常見的是鋁合金框或塑鋼框配單層或雙層普通透明玻璃，雙層玻璃間為空氣夾層，北方地區(qū)很多建筑裝有兩層單玻窗。

商用建筑有采用有色玻璃或反射鍍膜玻璃。發(fā)達國家

寒冷地區(qū)的住宅則多裝有充惰性氣體的雙玻窗

商用建筑多采用高絕熱性能的low-e玻璃窗。25玻璃窗的種類與熱工性能不同結(jié)構(gòu)的窗有著不同的熱工性能U即傳熱系數(shù)Kglass氣體夾層和玻璃本身均有熱容，但較墻體小。26玻璃窗的種類與熱工性能無色玻璃表面覆蓋無色low-e涂層，可使這種窗的遮檔系數(shù)Cs

低于0.329通過玻璃窗的長波輻射???夜間除了通過玻璃窗的傳熱以外，還有由于天空夜間輻射導致的散熱量采用low-e玻璃可減少夜間輻射散熱

通過玻璃窗的溫差傳熱量和天空長波輻射的傳熱量可通過各層玻璃的熱平衡求得長波輻射導熱和自然對流換熱長波輻射室內(nèi)表面對玻璃的長波輻射對流換熱30遮陽方式現(xiàn)有遮陽方式內(nèi)遮陽：普通窗簾、百頁窗簾外遮陽：挑檐、可調(diào)控百頁、遮陽蓬窗玻璃間遮陽：夾在雙層玻璃間的百頁窗簾，百頁可調(diào)控我國目前常見遮陽方式內(nèi)遮陽：窗簾外遮陽：屋檐、遮雨檐、遮陽蓬31外遮陽和內(nèi)遮陽有何區(qū)別?外遮陽：只有透過和吸收中的一部分成為得熱內(nèi)遮陽：遮陽設施吸收和透過部分全部為得熱對流透過反射反射對流透過32通風雙層玻璃窗，內(nèi)置百頁33內(nèi)百頁無通風有通風34通過圍護結(jié)構(gòu)的濕傳遞濕傳遞的動力是水蒸氣分壓力的差。墻體中水蒸氣的傳遞過程與墻體中的熱傳遞過程相類似：w=Kv(Pout-Pin)kg/sm2水蒸汽滲透系數(shù)，kg/(Ns)或s/m：35實際水蒸汽分壓力飽和水蒸汽分壓力溫度通過圍護結(jié)構(gòu)的濕傳遞當墻體內(nèi)實際水蒸汽分壓力高于飽和水蒸汽分壓力時，就可能出現(xiàn)凝結(jié)或凍結(jié)，影響墻體保溫能力和強度。36室內(nèi)顯熱熱源包括照明、電器設備、人員顯熱熱源散熱的形式

輻射：進入墻體內(nèi)表面、空調(diào)輻射板、透過玻璃窗到室外、其它室內(nèi)物體表面（家具、人體等）；對流：直接進入空氣。顯熱熱源輻射散熱的波長特征

可見光和近紅外線：燈具、高溫熱源（電爐等）長波輻射：人體、常溫設備

室內(nèi)產(chǎn)熱與產(chǎn)濕37室內(nèi)產(chǎn)熱與產(chǎn)濕室內(nèi)濕源包括人員、水面、產(chǎn)濕設備散濕形式：直接進入空氣得熱往往考慮圍護結(jié)構(gòu)和家具的蓄熱，“得濕”一般不考慮“蓄濕”濕源與空氣進行質(zhì)交換同時一般伴隨顯熱交換有熱源濕表面：水分被加熱蒸發(fā)，向空氣加入了顯熱和潛熱，顯熱交換量取決于水表面積無熱源濕表面：等焓過程，室內(nèi)空氣的顯熱轉(zhuǎn)化為潛熱蒸汽源：可僅考慮潛熱交換38人體散熱散濕見第五章！39空氣滲透帶來的得熱夏季：室內(nèi)外溫差小，風壓是主要動力冬季：室內(nèi)外溫差大，熱壓作用往往強于風壓，造成底層房間熱負荷偏大。因此冬季冷風滲透往往不可忽略。理論求解方法：網(wǎng)絡平衡法，數(shù)值求解《流體網(wǎng)絡原理》課程將介紹參考文獻：朱穎心，

水力網(wǎng)絡流動不穩(wěn)定過程的算法，《清華大學學報》,1989年,第5期工程應用：縫隙法、換氣次數(shù)法40網(wǎng)絡平衡法原理節(jié)點平衡：AG＝0回路壓力平衡：B

P＝0各支路和節(jié)點均編號。網(wǎng)絡關聯(lián)矩陣A元素aij：由i點到j點為1，反之為-1，無關為0?；净芈肪仃嘊元素bij：由j支路與i回路同向為1，反之為-1，無關為0。41冷負荷與熱負荷冷負荷：維持一定室內(nèi)熱濕環(huán)境所需要的在單位時間內(nèi)從室內(nèi)除去的熱量，包括顯熱負荷和潛熱負荷兩部分。如果把潛熱負荷表示為單位時間內(nèi)排除的水分，則又可稱作濕負荷。熱負荷：維持一定室內(nèi)熱濕環(huán)境所需要的在單位時間內(nèi)向室內(nèi)加入的熱量，包括顯熱負荷和潛熱負荷兩部分。如果只控制室內(nèi)溫度，則熱負荷就只包括顯熱負荷。42負荷的大小與去除或補充熱量的方式有關常規(guī)的送風方式空調(diào)需要去除的是進入到空氣中的得熱量。冷輻射板空調(diào)需要去除的熱量除了進入到空氣中的熱量外，還包括貯存在熱表面上的熱量。43各種得熱進入空氣的途徑潛熱得熱、滲透空氣得熱得熱立刻成為瞬時冷負荷通過圍護結(jié)構(gòu)導熱、通過玻璃窗日射得熱、室內(nèi)顯熱源散熱對流得熱部分立刻成為瞬時冷負荷輻射得熱部分先傳到各內(nèi)表面，再以對流形式進入空氣成為瞬時冷負荷，因此負荷與得熱在時間上存在延遲。44得熱與冷負荷的關系45得熱與冷負荷的關系冷負荷與得熱有關，但不一定相等決定因素空調(diào)形式

送風：負荷＝對流部分輻射：負荷＝對流部分＋輻射部分熱源特性：對流與輻射的比例是多少？圍護結(jié)構(gòu)熱工性能：蓄熱能力如何？如果內(nèi)表面完全絕熱呢？房間的構(gòu)造（角系數(shù)）注意：輻射的存在是延遲和衰減的根源！4647房間空氣的熱平衡關系排除的對流熱＋空氣的顯熱增值＝

室內(nèi)熱源對流得熱＋壁面對流得熱＋滲透得熱48室內(nèi)熱源對流得熱室內(nèi)熱源得熱＝室內(nèi)熱源對流得熱＋熱源向空調(diào)輻射板的輻射＋熱源向壁面的輻射49壁面對流得熱通過圍護結(jié)構(gòu)的導熱得熱＋本壁面獲得的通過玻璃窗的日射得熱＝壁面對流得熱＋本壁面向空調(diào)輻射設備的輻射＋本壁面向其他壁面的長波輻射＋本壁面向熱源的輻射Qcond50房間的總冷負荷房間的各種得熱空氣的顯熱增值內(nèi)表面輻射導致的傳熱量差值得熱和冷負荷的差值房間空氣熱平衡的數(shù)學表達式對輻射項進行了線性化而導出51第三類邊界條件：太難求解了！典型負荷計算方法原理介紹非均勻板壁的不穩(wěn)定傳熱:其中內(nèi)表面長波輻射：521946.USA1950s.USSR1967.Canada典型負荷計算方法原理介紹目的：使負荷計算能夠在工程應用中實施發(fā)展：由不區(qū)分得熱和冷負荷發(fā)展到考慮二者的區(qū)別53穩(wěn)態(tài)算法不考慮建筑蓄熱，負荷預測值偏大動態(tài)算法，積分變換求解微分方程冷負荷系數(shù)法、諧波反應法：夏季設計日動態(tài)模擬。計算機模擬軟件DOE2(美國)、HASP(日本)、ESP(英國)DeST(清華)常用的負荷求解法54穩(wěn)態(tài)算法方法采用室內(nèi)外瞬時溫差或平均溫差，負荷與以往時刻的傳熱狀況無關：Q＝KFT特點簡單，可手工計算未考慮圍護結(jié)構(gòu)的蓄熱性能，計算誤差偏大應用條件蓄熱小的輕型簡易圍護結(jié)構(gòu)室內(nèi)外溫差平均值遠遠大于室內(nèi)外溫度的波動值55穩(wěn)態(tài)算法舉例：北京室外氣溫和室內(nèi)控制溫度比較56積分變換法原理對于常系數(shù)的線性偏微分方程，采用積分變換如傅立葉變換

或拉普拉斯變換。積分變換的概念是把函數(shù)從一個域中移到另一個域中，在這個新的域中，函數(shù)呈現(xiàn)較簡單的形式，因此可以求出解析解。然后再對求得的變換后的方程解進行逆變換，獲得最終的解。B域：問題容易求解對函數(shù)進行積分變換求解A域：問題難以求解對函數(shù)解進行積分逆變換獲得解57為何板壁不穩(wěn)定傳熱適用拉普拉斯變換？拉普拉斯變換的應用條件時間變化范圍為半無窮區(qū)間（0，+）必須是線性定常系統(tǒng)拉普拉斯變換的特點復雜函數(shù)變?yōu)楹唵魏瘮?shù)偏微分方程變換為常微分方程常微分方程變換為代數(shù)方程拉普拉斯變換的解傳遞矩陣或s-傳遞函數(shù)的解的形式58傳遞函數(shù)與輸入量、輸出量的關系積分變換法原理傳遞函數(shù)G(s)僅由系統(tǒng)本身的特性決定，而與輸入量、輸出量無關，因此建筑的材料和形式一旦確定，就可求得其圍護結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)。這樣就可以通過輸入量和傳遞函數(shù)求得輸出量。如果輸入原函數(shù)是指數(shù)函數(shù)，則不需變換直接輸入，即可求得解的原函數(shù)。59應用條件對于普通材料的圍護結(jié)構(gòu)的傳熱過程，在其一般溫度變化的范圍內(nèi)，材料的物性參數(shù)變化不大，可近似看作是常數(shù)，可采用拉普拉斯變換法來求解。對于采用材料的物性參數(shù)隨溫度或時間有顯著變化的圍護結(jié)構(gòu)的傳熱過程，就不能采用拉普拉斯變換法來求解。60線性定常系統(tǒng)的特性可應用疊加原理對輸入的擾量和輸出的響應進行分解和疊加。當輸入擾量作用的時間改變時，輸出響應的時間在產(chǎn)生同向、同量的變化，但輸出響應的函數(shù)不會改變?？砂演斎肓窟M行分解或離散為簡單函數(shù)，再利用變換法進行求解。求出分解或離散了的單元輸入的響應，這些響應也應該呈簡單函數(shù)形式。再把這些單元輸入的響應進行疊加，就可以得出實際輸入量連續(xù)作用下的系統(tǒng)的響應輸出量。61輸入邊界條件的處理方法輸入邊界條件的處理步驟邊界條件的離散或分解；求對單元擾量的響應；把對單元擾量的響應進行疊加和疊加積分求和。兩種基于積分變換的負荷計算法：函數(shù)均采用拉普拉斯變換，邊界條件的處理方法不同對邊界條件進行傅立葉級數(shù)分解：諧波反應法對邊界條件進行時間序列離散：反應系數(shù)法62武漢市室外干球溫度的全年變化63＝＋＋輸入邊界條件的處理方法：傅立葉級數(shù)分解64輸入邊界條件的處理方法：

時間序列離散

65兩種積分變換法反應系數(shù)法(冷負荷系數(shù)法)：任何連續(xù)曲線均可離散為脈沖波之和。將外擾分解為脈沖，分別求得脈沖外擾的室內(nèi)響應，再進行疊加室內(nèi)負荷。對應離散系統(tǒng)，拉普拉斯變換轉(zhuǎn)化為Z變換諧波反應法：任何一連續(xù)可導曲線均可分解為正(余)弦波之和。把外擾分解為余弦波，分別求出每個正(余)弦波外擾的室內(nèi)響應，并進行疊加。66

設備使用1小時的室內(nèi)負荷響應得熱：Q(t)－－輸入干擾負荷：CLQ(t)－－響應 反應系數(shù)法原理圖示(1)67設備使用2小時的室內(nèi)負荷反應系數(shù)法原理圖示(2)68設備使用10小時的室內(nèi)負荷響應反應系數(shù)法原理圖示(3)69反應系數(shù)法反應系數(shù)的大小即反應了某一項因素對某時刻負荷大小的影響程度。反應系數(shù)為0~1，相當于影響為0~100%。內(nèi)外擾的處理圍護結(jié)構(gòu)傳熱采用冷負荷溫度日射冷負荷采用冷負荷系數(shù)內(nèi)擾采用冷負荷系數(shù)70(a)圍護結(jié)構(gòu)傳熱冷負荷基本計算式 Qcl()=KF[tcl()–tin]

tcl()為冷負荷溫度逐時值，與圍護結(jié)構(gòu)類型、氣象條件、朝向有關。tcl()反映了室外空氣溫度、陽光輻射、建筑物蓄熱等因素的綜合影響。tinKFtcl(t)Qcl(t)冷負荷溫度：一個當量溫度室內(nèi)溫度71(b)日射冷負荷 Qcl()=FCsCnDt·maxCcl()F為窗面積，Dt·max是日射得熱因素最大值

Ccl()是冷負荷系數(shù)，與緯度、朝向有關。Cs為玻璃遮擋系數(shù)，Cn為遮陽系數(shù)。Qcl(t)D·maxFCsCnCcl()反應系數(shù)法72內(nèi)擾冷負荷 Qcl()=HG(0)

Ccl(-0)

HG(0)為內(nèi)熱源散熱量

Ccl(-0)是冷負荷系數(shù) Ccl(-0)與開始使用時間和 連續(xù)使用時間有關，與建 筑熱特性有關。QQcl()Ccl(t-0)反應系數(shù)法73諧波反應法對外擾的分解：室外空氣綜合溫度tz()=tzp+tz()=tzp+

tznsin(n+n) =A0+

Ansin(2n/T+n)對外擾的響應形式：圍護結(jié)構(gòu)對不同頻率外擾有一定的衰減n=An/Bn與延遲n，響應也是傅立葉級數(shù)形式：tin,n()=An/nsin(2n/T+n-n)]通過圍護結(jié)構(gòu)形成的負荷：疊加tin,n()可得出tin()，通過tin()和室內(nèi)熱平衡就可求出負荷。74諧波反應法玻璃窗冷負荷傳熱溫差用外氣溫而不是室外綜合溫度：Qcl()=KFt()=KF[twp–tin+

twnsin(n+n)]內(nèi)擾冷負荷對內(nèi)擾響應的分解方法類似對外擾響應的分解。75諧波反應法的簡化算法算法繁瑣，故需要簡化傳導部分(墻、窗)：Qcl()=KFt-t為負荷溫差，表中值為室溫26℃時溫差，可修正。算法同冷負荷系數(shù)法。日射部分：Qcl()=xgxdCnCsFJ()xg窗有效面積系數(shù)，xd地點修正系數(shù)，J()為負荷強度。xdJ相當于冷負荷系數(shù)法的D·maxQcl()，xgF相當于冷負荷系數(shù)法的F。內(nèi)擾部分：Qcl()=HG(0)JX-oJX-o為設備負荷強度系數(shù)(-0時刻)，同冷負荷系數(shù)法的Ccl()。76兩種積分變換法總結(jié)諧波反應法的簡化算法與冷負荷系數(shù)法形式一致。為了便于手工計算，均把內(nèi)外擾通過一個板壁形成的冷負荷分離出來，作為一個孤立的過程處理，不考慮與其它墻面和熱源之間的相互影響。不能分析變物性的材料如相變材料制成的圍護結(jié)構(gòu)熱過程。77兩種積分變換法總結(jié)只是在一定程度上反應了得熱和冷負荷之間的區(qū)別，對輻射的影響作了很多簡化：

對墻體內(nèi)表面之間的長波輻射作了簡化處理，給定比例忽略了透過玻璃窗日射落在墻內(nèi)表面上的光斑的影響熱源對流和輻射比例給定，與墻表面角系數(shù)給定把室內(nèi)空氣溫度看作是常數(shù)如果房間與簡化假定相差較遠，則結(jié)果的誤差較大，如內(nèi)表面溫度差別大、房間形狀不規(guī)則、室內(nèi)空氣控制溫度隨時間變化等。78模擬分析軟件GATE，60年代末，美國，穩(wěn)態(tài)計算現(xiàn)在美國：DOE-2、BLAST、EnergyPlus、NBSLD英國：ESP日本：HASP中國：DeST79模擬分析軟件：美國，反應系數(shù)法DOE-2由美國能源部主持，美國LBNL開發(fā)，于1979年首次發(fā)布的建筑全年逐時能耗模擬軟件，是目前國際上應用最普遍的建筑熱模擬商用軟件，