第4講+熱濕環(huán)境+

1、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)境中最重要的內容 主要成因是外擾和內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 內擾：室內設備、照明、人員等室內 熱濕源2基本概念 圍護結構的熱作用過程：無論是通過圍護結構的傳熱傳濕還是室內產(chǎn)熱產(chǎn)濕，其作用形式包括對流換熱（對流質交換）、導熱（水蒸汽滲透）和輻射三種形式。對流換熱(對流質交換)圍護結構傳熱傳濕室內產(chǎn)熱產(chǎn)濕輻射導熱(水蒸汽滲透)3基本概念 得熱(Heat Gain HG)：某時刻在內外擾作用下進入房間的總熱量叫做該時刻的得熱。如果得熱0，意味著房間失去熱量。 圍護結構熱過程特

2、點：由于圍護結構熱慣性的存在，通過圍護結構的得熱量與外擾之間存在著衰減和延遲的關系。得熱潛熱顯熱輻射得熱對流得熱4非透明圍護結構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。 圍護結構的表面越粗糙、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

3、-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玻璃的吸收百分比a0 :8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

4、體得熱1160！35！室外空氣綜合溫度 Solar-air Temperature考慮了太陽輻射的作用對表面換熱量的增強，相當于在室外氣溫上增加了一個太陽輻射的等效溫度值。是為了計算方便推出的一個當量的室外溫度。如果考慮圍護結構外表面與天空和周圍物體之間的長波輻射： 如果忽略圍護結構外表面與天空和周圍物體之間的長波輻射： 12室外空氣綜合溫度Solar-air Temperature 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 圍護結構外表面與環(huán)境

5、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通過圍護結構的顯熱得熱通過圍護結構的顯熱得熱通過非透明圍護結構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通過非透明圍護結構的熱傳導由于熱慣性存在，通過圍護結構的傳熱量和溫度的波動幅度與外擾波動幅度之間存在衰減和延遲的關系。衰減和滯后的程度取決于圍護結構的蓄熱能力。16通過非透明圍護結構的熱傳導 非均質板壁的一維不穩(wěn)定導熱過程：

6、 邊界條件： t (x,0 ) = f (x)其中內表面長波輻射： 17x=0 x=Qenv通過非透明圍護結構的熱傳導 利用室外空氣綜合溫度簡化外邊界條件： 實際由內表面?zhèn)魅胧覂鹊臒崃繛椋?這部分熱量將以對流換熱和長波輻射的形式向室內傳播。只有對流換熱部分直接進入了空氣。18通過非透明圍護結構的熱傳導 板壁各層溫度隨室外溫度的變化19通過非透明圍護結構的得熱 板壁內表面溫度同時受室內氣溫、室內輻射熱源和其它表面的溫度影響 氣象和室內氣溫對板壁傳熱量的影響比較確定，容易求得 內表面輻射對傳熱量的影響較復雜，涉及角系數(shù)和各表面溫度20內表面輻射如何影響板壁的傳熱？Qin=Qconv+Ql盡管Qin

7、增加了，但Qout 和Qcond卻是減少的。Tout,airQoutQcondQin=QconvTin,air21通過非透明圍護結構的得熱 內表面輻射導致的傳熱量差值 將內邊界條件線性化，則可利用線性疊加壓力將氣象與室內氣溫的影響與其它部分分離出來，稱作：“通過圍護結構的得熱”，HG t = t1 + t2 Qin (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 窗框型材有木框、鋁合金框、鋁合金斷熱框、塑鋼框、斷熱塑鋼

8、框等；玻璃層間可充空氣、氮、氬、氪等或有真空夾層；玻璃層數(shù)有單玻、雙玻、三玻等，玻璃類別有普通透明玻璃、有色玻璃、低輻射(Low-e)玻璃等；玻璃表面可以有各種輻射阻隔性能的鍍膜，如反射膜、low-e膜、有色遮光膜等，或在兩層玻璃之間的空間中架一層對近紅外線高反射率的熱鏡膜。24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 不同結構的

9、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 透過單位面積玻璃的太陽輻射得熱： 玻璃吸收太陽輻射造成的房間得熱： 注意：玻璃吸熱后會向內、外兩側散熱 總得熱：HGsolarHGglass, + HGglass,a通過玻璃窗的得熱27通過玻璃窗的得熱 可利用對標準玻璃的得熱 SSGDi 和 SSGdif 進行修正來獲得簡化計算結果：實際照射面積比玻璃的遮擋系數(shù)遮陽設施的遮陽系數(shù)窗的有效面積系數(shù)28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0.3 29通過玻璃窗的長波輻射?夜間除了通過玻璃窗的傳熱

10、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 內遮陽：普通窗簾、百頁窗簾 外遮陽：挑檐、可調控百頁、遮陽蓬 窗玻璃間遮陽：夾在雙層玻璃間的百頁窗簾，百頁可調控 我國目前常見遮陽方式 內遮陽：窗簾 外遮陽：屋檐、遮雨檐、遮陽蓬31外遮陽和內遮陽有何區(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，內置百頁33內百頁無通風有

11、通風34通過圍護結構的濕傳遞 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構的濕傳遞 當墻體內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)凝結或凍結，影響墻體保溫能力和強度。36 室內顯熱熱源包括照明、電器設備、人員 顯熱熱源散熱的形式 輻射：進入墻體內表面、空調輻射板、透過玻璃窗到室外、其它室內物體表面（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（

12、電爐等） 長波輻射：人體、常溫設備 室內產(chǎn)熱與產(chǎn)濕37室內產(chǎn)熱與產(chǎn)濕 室內濕源包括人員、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構和家具的蓄熱，“得濕”一般不考慮“蓄濕” 濕源與空氣進行質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， 室內空氣的顯熱轉化為潛熱 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：室內外溫差小，風壓是主要動力 冬季：室內外溫差大，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，

13、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：AG0 回路壓力平衡：B P0 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。 基本回路矩陣B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： 維持一定室內熱濕環(huán)境所需要的在單位時間內從室內除去的熱量，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排除的水分，則又可稱作濕負荷。 熱負荷： 維持一定室內熱

14、濕環(huán)境所需要的在單位時間內向室內加入的熱量，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)的送風方式空調需要去除的是進入到空氣中的得熱量。 冷輻射板空調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 通過圍護結構導熱、通過玻璃窗日射得熱、室內顯熱源散熱 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

15、冷負荷與得熱有關，但不一定相等 決定因素 空調形式 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？ 圍護結構熱工性能：蓄熱能力如何？如果內表面完全絕熱呢？ 房間的構造（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 室內熱源對流得熱 壁面對流得熱滲透得熱48室內熱源對流得熱室內熱源得熱 室內熱源對流得熱熱源向空調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構的導熱得熱 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Q

16、cond50房間的總冷負荷房間的各種得熱空氣的顯熱增值內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)、HAS

17、P(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 采用室內外瞬時溫差或平均溫差，負荷與以往時刻的傳熱狀況無關： QKFT 特點 簡單，可手工計算 未考慮圍護結構的蓄熱性能，計算誤差偏大 應用條件 蓄熱小的輕型簡易圍護結構 室內外溫差平均值遠遠大于室內外溫度的波動值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

18、：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，就可求得其圍護結構的傳遞函數(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

19、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構的傳熱過程，在其一般溫度變化的范圍內，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構的傳熱過程，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。 可把輸入量進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

20、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響應，再

21、進行疊加 室內負荷。 對應離散系統(tǒng)，拉普拉斯變換轉化為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)弦波外擾的室內響應，并進行疊加。66設備使用1小時的室內負荷響應得熱：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小時的室內負荷反應系數(shù)法原理圖示(2)68設備使用10小時的室內負荷響應反應系數(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01，相當于影響為0100%。 內外擾的處理 圍護結構傳熱采用冷負荷溫度 日射冷負荷采用冷負荷系數(shù) 內擾采用

22、冷負荷系數(shù)70 (a) 圍護結構傳熱冷負荷基本計算式Qcl() = KF tcl() tin tcl()為冷負荷溫度逐時值，與圍護結構類型、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：一個當量溫度室內溫度71(b) 日射冷負荷Qcl() = F Cs Cn Dtmax Ccl() F為窗面積，Dtmax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)DmaxF Cs CnCcl()反應系數(shù)法72 內擾冷負荷Qcl() = HG(0) Ccl

23、 ( - 0) HG(0)為內熱源散熱量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+ tzn sin(n + n) = A0+ An sin(2n/T + n) 對外擾的響應形式：圍護結構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) 通過圍護結構形成的負荷：疊加tin,n ()可得出tin()，通過tin()和室內熱平

24、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() = KF t() = KF twp tin + twn sin(n + n) 內擾冷負荷 對內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DmaxQcl()，xgF相當于冷負荷系數(shù)法的F。 內擾部分： Qcl(

25、) = HG(0) JX - o JX - 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 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構熱過程。77兩種積分變換法總結 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，則結果的誤差較大，如內表面溫度差別大、房間形狀不規(guī)則、室內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，用戶數(shù)估計達