建筑环境学第3章热湿环境

1第三章建筑热湿环境清华大学建筑学院建筑技术科学系21.基本概念与术语2.得热的来源3.围护结构的热工特性与通过围护结构的热传导3.1通过非透光围护结构的传热过程3.2通过透光围护结构的传热过程4.冷负荷与热负荷4.1基本原理，与得热之间的关系4.2负荷的计算方法内容提要（三次课）31.基本概念与术语4建筑热湿环境是如何形成的?是建筑环境中最重要的内容主要成因是外扰和内扰的影响和建筑本身的热工性能外扰：室外气候参数，邻室的空气温湿度内扰：室内设备、照明、人员等室内热湿源5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)6基本概念得热(HeatGainHG)：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72.得热的来源(HeatGain)8得热的来源与室内状态无关，只取决于热源的得热室内产热与产湿，得热量＝热源发热量室内设备与照明室内人员通过围护结构的空气渗透导致的得热透过透光围护结构的太阳辐射得热与热源和室内热状态（空气温度、壁面温度）都有关的得热通过非透光围护结构的热传导通过透光围护结构的热传导9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、其它室内物体表面（家具、人体等），透过玻璃窗到室外；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、常温设备取决于热源的得热(1)——室内产热与产湿，得热量＝发热量10室内产热与产湿（续）室内湿源包括人员、水面、产湿设备散湿形式：直接进入空气围护结构和家具会有一定的蓄湿功能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11取决于热源的得热(2)：人体散热散湿请见第四章12取决于热源的得热(3)——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13网络平衡法原理节点流量平衡：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。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光围护结构的得热通过透光围护结构的得热外表面对流换热外表面日射通过墙体的导热两种得热方式机理不同通过透光围护结构的日射得热通过透光围护结构的热传导153.围护结构的热工特性与通过围护结构的热传导3.1通过非透光围护结构的传热过程3.2通过透光围护结构的传热过程16非透光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17太阳辐射在透光围护结构中的传递吸收率α＋反射率γ＋透射率τ＝1反射γ吸收α透射τ18太阳辐射在透光围护结构中的传递玻璃对辐射的选择性——普通玻璃的光谱透射率0.8可见光近红外线长波红外线透射率τ,％19太阳辐射在透光围护结构中的传递Low-e玻璃：性能特殊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20low-e玻璃的透光选择性一层low-e玻璃＋一层普通玻璃透射率反射率21太阳辐射在透光围护结构中的传递(1-r)ao1r(1-r)A(1-r)(1-ao)(1-r)(1-ao)r(1-r)2(1-ao)(1-r)(1-ao)2r(1-r)2(1-ao)2rBC(1-r)(1-ao)4r3(1-r)2(1-ao)4r3(1-ao)4(1-r)r4(1-r)(1-ao)3r3ao(1-r)(1-ao)2r2(1-r)(1-ao)3r2(1-r)2(1-ao)3r2(1-r)(1-ao)3r3DE(1-r)(1-ao)2r2ao(1-r)(1-ao)rao玻璃的吸收百分比a0:)exp(10KLa−−=22太阳辐射在透光围护结构中的传递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、吸收率和透射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。23太阳辐射在透光围护结构中的传递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？24室外空气综合温度Solar-airTemperature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2560℃！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：outLoutairzQaIttαα−+=outairzaIttα+=26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？27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：思考题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？])[(444gggskyskywggskywLTxTxTxxQεεσε−−+=天空辐射(夜间辐射，有效辐射)283.1通过非透光围护结构的传热过程29通过非透光围护结构的热传导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30通过非透光围护结构的热传导非均质板壁的一维不稳定导热过程：边界条件：初始条件：t(x,0)=f(x)xtxxaxtxat∂∂∂∂∂∂τ∂∂)()(22+=0,,|)()],0()([=−=++−xoutlwsoloutaoutxtxQQtt∂∂λτταδ∂∂λττεσττδα==−=−−+−∑xshwjimjijijinainxtxQTTxtt|)()]()([)](),([441,内表面长波辐射31利用室外空气综合温度简化外边界条件：实际通过围护结构传入室内的热量为：x=0x=δQwall,cond通过非透光围护结构的热传导0|)()],0()([=−=−xzoutxtxtt∂∂λτταδ∂∂λ=−=xcondwallxtxQ|)(,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。32通过非透光围护结构的热传导板壁各层温度随室外温度的变化33通过非透光围护结构的热传导基本物理过程分析基本表达式板壁内表面温度t同时受室内气温、室内辐射热源和其它表面的温度影响，从而影响总传热量气象和室内气温对板壁传热过程的影响比较确定，容易求得内表面辐射对传热过程的影响较复杂，涉及角系数和各表面温度δ∂∂λ=−=xcondwallxtxQ|)(,34Qoutta,in(τ)室内其他内表面温度如何影响板壁的传热？尽管内表面对流换热量增加了，但Qout和Qwall,cond却是减少的。Q’wall,cond|x=δt(x,τ)ta,out(τ)Qwall,cond|x=δ如果室内辐射特别强烈……Qwall,cond35通过非透光围护结构的热传导基本物理过程分析结论即便室外气象参数与室内空气温度是确定的，实际通过非透光围护结构进入到室内的热传导量Qwall,cond也是不确定的受其他壁面温度高低与室内辐射热源方向的影响即便室内外完全没有温差，Qwall,cond也不一定是零！36∑+++=outaviiinvKββλδβ1111通过围护结构的湿传递——潜热得热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/s⋅m2水蒸汽渗透系数，kg/(N⋅s)或s/m：37饱和水蒸汽分压力温度实际水蒸汽分压力通过围护结构的湿传递——潜热得热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。38思考题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？(例如：太阳总辐射照度800W/m2)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？3.2通过透光围护结构的传热过程3940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玻璃层数有单玻、双玻、三玻等玻璃层间可充空气、氮、氩、氪等或有真空夹层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。41玻璃窗的种类与热工性能住宅建筑我国住宅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。发达国家寒冷地区的住宅则多装有充惰性气体的多层玻璃窗。大型公共建筑我国大型公共建筑多采用有色玻璃或反射镀膜玻璃。越来越多的新建筑采用low-e玻璃。发达国家寒冷地区的大型公共建筑多采用高绝热性能的low-e玻璃。42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。43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，可使这种玻璃的遮挡系数Cs低于0.344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45外遮阳46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反射对流透过对流透过反射47窗玻璃间遮阳Double-skinFacade：有两层窗框hfloornpw2θndpw1θo48通风双层玻璃窗，内置百页49内百页无通风有通风50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-ε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