建筑设备ppt-03-建筑环境学

第3章建筑环境学3.1绪论所谓建筑环境学，就是指在建筑空间内，在满足使用功能的前提下，如何让人们在使用过程中感到安全舒适、卫生健康的一门科学。建筑环境学主要由建筑外环境、室内空气品质、室内热湿环境与气流环境、建筑声环境和光环境等若干个部分组成。建筑室内环境控制是以人为对象而控制、调节室内空间环境的学科。就学科体系而言,它属于建筑技术科学体系就应用方面而言,它基于建筑空间,涉及建筑环境控制技术和设备建筑环境与设备所包括的领域很广泛,具有多学科交叉的鲜明特点。3.2建筑环境的形成建筑环境必然要受到当地的气候条件、外部周围环境等诸多因素的影响，室外气候的变化、太阳辐射热等都会通过建筑的围护结构传递，使建筑室内环境发生改变。一、太阳辐射热太阳辐射热量的大小用辐射强度I来表示。它是指一平方米黑体表面在太阳照射下所获得的热量值，单位为W／m2。太阳辐射热强度可用仪器直接测量。太阳射线在到达大气层上界时，垂直于太阳射线方向的表面上的辐射强度I0＝1353W／m2（I0亦称为太阳常数）。当太阳辐射线到达大气层时,其中一部分辐射能量被大气层中的臭氧、水蒸气、二氧化碳和尘埃等吸收(其中大部分被水蒸气所吸收)。另一部分被云层中的尘埃、冰晶、微小水珠及各种气体分子等反射或折射,形成漫无方向的散射辐射,亦称天空辐射(其中大部分返回到宇宙空间中去,一部分反射到地球表面)。其余未被吸收和散射的辐射能,则仍按原来的辐射方向,透过大气层沿直线继续前进,直达地面,故称此部分为直射辐射。到达地面的太阳辐射能量是直射辐射能量和散射辐射能量之和。太阳直射辐射是指太阳平行光线直接投射到地面上的能量,故而是有方向的。散射辐射可认为没有方向性,在晴天它只占总辐射能量的一小部分。太阳直射辐射是影响总辐射的主要因素。到达地面的直射辐射的方向,取决于地球对太阳的相对位置。（一）地球对太阳的相对位置地球自转的轴线（NS线）和它绕太阳旋转（即公转）轨道的平面始终保持一个固定的66.5º的倾斜角，而且自转轴总是指向大致相同的方向（北极星附近）。图3－1地球对太阳的相对位置图3－2为由图3--1截取的夏至到冬至这一段期间太阳在中午照射时的几何图形。图3－2夏至、冬至时太阳高度与纬度之关系(地点P为北纬40º)图3－3太阳与地球间图3－4太阳高度角图3－5太阳光的各种角度关系和方位角路程长度纬度(φ):地球表面某地的纬度是该点对赤道平面偏北或偏南之角位移(由地心度量)。太阳赤纬(α):太阳光线对地球赤道的角位移称为太阳赤纬,亦即太阳与地球中心线和地球赤道平面的夹角。全年赤纬在+23.5о~-23.5о之间变化,在夏至时为23.5о,冬至时为-23.5о,春、秋分时赤纬为0о。时角(h):太阳时角是指OP线在地球赤道平面上的投影与当地时间12:00时日、地中心连线在赤道平面上的投影之间的夹角。当地时间12:00时的时角为零,前、后每隔1h,增加360/24=15о,如10:00和14:00均为15X2=30о。地球上某一点所看到的太阳方向,称为太阳位置。太阳位置有两个角度表示:太阳高度角β和太阳方位角A。太阳高度角为太阳方向与水平面的夹角;太阳方位角为太阳方向的水平投影偏离南向的角度。（二）太阳辐射强度1.太阳直射辐射强度离开大气层上界x处的太阳直射辐射强度Ix的梯度与其本身强度成正比（见图3-5），即式中Ix——离开大气层上部边界距离x处的日射强度，W／m2；k——比例常数，m－1。求解上式得Ix=I0exp(-kx)(3-3)k值愈大,辐射强度衰减愈大,故k值称为消光系数,其大小与大气成分、云量等有关。x为太阳光线的行进路程,即太阳光线透过大气层的距离,可由太阳的位置来计算xxkIdxdI当太阳位于天顶时(日射垂直地面),到达地面的太阳辐射强度为Il=I0exp(-kl)令Il/I0=P,称为大气透明度,是衡量大气透明程度的标志,P值愈接近1,大气越清澈,一般为0.65~0.75。即使是晴天,大气透明度也是逐月不同的,这是大气中水蒸气含量不同的缘故。当太阳不在天顶,太阳高度角为β时,路程长度l’=l/sinβ。地球表面处与太阳光线垂直平面上的太阳直射辐射强度(法线直射辐射强度)为IN=I0Pm式中m=l’/l=1/sinβ,称为大气质量。到达地面的太阳辐射强度的大小取决于地球对太阳的相对位置(亦即地理、纬度、季节、昼夜等),即与太阳射线对地面的高度角和它通过大气层的路程等因素有关,此外,还与大气透明度有关。2.建筑物各表面所受到的太阳辐射强度直射辐射（见图3－6）图3－6太阳射线与建筑物表面间散射辐射太阳总辐射强度（三）围护结构外表面所吸收的太阳辐射热太阳光谱主要是由0.2m～3.0m的波长区域组成的。太阳光谱的峰值位于波长0.5m附近,到达地面的太阳辐射能在紫外区(0.2-0.4m)占的比例很小,约为1%,可见光线区(0.4-0.76m)和红外线区则占主要部分。遂与传热学中提到的一般工业上的高温热源(2000K以下)辐射能量的分布是有区别的。后者波长集中在0.8-40m的红外线范围内,其峰值则位于2.5m以上。由此可知,辐射能量的峰值是随着温度升高而移向波长较短的一侧。当太阳射线照射到非透明的围护结构外表面时,一部分被反射,另一部分被吸收,二者的比例取决于表面的粗糙度和颜色,表面愈粗糙,颜色愈深,反射率越低,吸收率则越高,吸收的太阳辐射热愈多,使之通过围护结构传入室内的热量愈多。同一种材料对于不同波长的热辐射的吸收率(或反射率)是不同的,由图知,黑色表面对各种波长的辐射几乎全部吸收,而白色表面对不同的波长则显著不同,对于可见光几乎90%都反射回去,所以外围护结构表面为白色、浅色或玻璃窗上挂白色窗帘可减少进入室内的太阳辐射热。对于一般高温工业热源的长波热射线(如波长为5~25m)来说,白色表面的反射作用很小,几乎和黑色表面一样,而表面抛光的铝箔则有很高的反射率。二、室外气候一年四季中,空气的温度、湿度是随时变化的。空气的温、湿度与许多因素有关,如地理位置、太阳辐射强度、云和风等。即使在一昼夜内,温、湿度的变化也是很大的。在采暖通风与空气调节工程中,通过围护结构传入室内或由室内传向室外的热量,或由室外传入室内的热量,都与室外的温度和湿度有关。正是由于室内、外空气的温差造成了通过围护结构进行热量的传递。（一）室外空气温度的日变化规律室外空气温度在一昼夜内的波动称为气温的日变化（或日较差）。气温日变化是由于地球每天接受太阳辐射热和放出热量而形成的。在白天,地球吸收太阳辐射热,使靠近地面的空气温度升高;到夜晚,地面得不到太阳照射,还要由地面向大气层放散热量;黎明前为地面放热的最后阶段,故气温一般在凌晨四五点钟最低;随着太阳的逐渐升高,地面获得的太阳辐射热量逐渐增多,到下午两三点钟,达到全天的最高值;此后,气温又随太阳辐射热的减少而下降,到下一个凌晨,气温又达到最低值。图3－9气温日变化曲线在一段时间(比如一个月)内,可以认为气温的日变化是以24h为周期的周期性波动。各地的气温日变化都是以24h为周期的周期性波动,其周期函数可以用正、余弦函数展开(Fourier级数)。图3-9是北京地区1975年夏季最热的一天的气温日变化曲线。(二)气温的季节性变化规律气温季节性变化也呈周期性。全国各地的最热月份一般在7~8月,最冷月份在1月。图3-10给出了北京、西安、上海三个地区10年(1961~1970)的平均气温变化曲线。（三）室外空气湿度的变化空气的相对湿度取决于空气干球温度和含湿量，如果空气的含湿量保持不变，干球温度增高，则相对湿度变小，干球温度降低，则相对湿度加大。就一昼夜内的大气而论,含湿量变化不大(可看作定值),而大气的相对湿度的变化规律正好与干球温度的变化规律相反,即中午相对湿度低,早晚相对湿度高。综上所述，在太阳辐射强度与室外气候的周期综合作用下，对建筑环境产生必然的影响。3.3建筑环境中的热湿环境一、热湿环境的基本概念热湿环境是建筑环境中最主要的内容。室内热湿环境是由室内空气的温度、湿度、气流速度以及壁面的辐射温度等综合而成的一种室内气候。各种室内气候因素的不同组合，可以形成不同的室内热湿环境。（一）与室内热湿环境有关的物理量1.湿空气的组成大气是由干空气和一定量的水蒸汽混合而成的，我们称其为湿空气。地球表面的湿空气中,尚有悬浮尘埃、烟雾、微生物及化学排放物等,这些物质并不影响湿空气的物理性质。在常温常压下干空气可视为理想气体,而湿空气中的水蒸气一般处于过热状态,且含量很少,可近似地视作理想气体。,即可利用理想气体的状态方程式来表示干空气和湿蒸汽的主要状态参数———压力、温度、比容等的相互关系。2.室内空气温度室内空气也是湿空气，其温度对室内环境起着很重要的作用。我国《采暖通风与空气调节设计规范》规定室内空气温度:夏季为22оC~28оC,高层建筑及人们停留时间较长的建筑可取低值,一般建筑及停留时间较短的可取高值;冬季为18оC~24оC,高层建筑及停留时间较长的建筑可取高值,一般只短暂停留的建筑可取低值。在暖通空调工程中,室内温度取值的高低对建筑能耗将产生很大影响,在满足建筑功能要求及人的热舒适度的基础上,尽量取下限,减少建筑能耗。3．室内空气相对湿度对应一定温度下，空气中所含水蒸汽的量有一个最大的限度。超过了这一限度,多余的水蒸气就会从湿空气中凝结出来。当空气中水蒸气的含量达到这一极限时,该空气就称为“饱和”湿空气。如天花板、墙面上有时会出现的水珠,浴室内的雾等,都是饱和之后“超额”的水蒸气凝结而成的。饱和湿空气中水蒸气的分压力称为饱和水蒸气分压力,它将随着温度的变化而相应的改变。湿空气的含湿量dPq——湿空气中的水蒸气分压力,Pa;B——湿空气的压力,一般称为大气压力,以Pa或kPa(千帕)表示。海平面的标准大气压为101325Pa或101.325kPa,相当于1013.25mbar(毫巴)。B应等于干空气的压力与水蒸气的压力之和,即B=Pg+Pq相对湿度,相对湿度是空气中水蒸气的分压力与同温度下饱和水蒸气分压力的比值。Pqb——饱和水蒸气分压力,Pa;db——饱和含湿量,kg/kg(干空气)或g/kg(干空气)。相对湿度表示的是空气接近饱和的程度。φ值小,说明空气的饱和程度小,感觉干燥;φ值大,表示空气饱和程度大,感觉湿润。我国民用建筑及公共建筑舒适性空调室内相对湿度的取值范围为:夏季40%~65%,冬季40%~60%。4．空气平均流速周围空气的流动速度是影响人体的对流散热和水分蒸发散热的主要因素之一。气流速度大时,人体的对流蒸发散热增强,亦即加剧了空气对人体的冷却作用。我国对室内空气平均流速的计算值为:夏季≤0.3m/s,冬季≤0.2m/s。5．围护结构内表面及其他表面的温度周围物体表面温度的高低，决定了人体辐射散热的强度。在同样的室内空气参数条件下,如果围护结构内表面的温度高,人体会增加热感;内表面的温度低,则会增加冷感。我国《民用建筑热工设计规范》对建筑围护结构内表面温度的要求是:冬季要保证内表面最低温度不低于室内空气的露点温度,即保证内表面不结露;夏季要保证内表面最高温度不高于室外空气计算最高温度。（二）影响室内热湿环境的因素影响室内热湿环境的因素主要有：室外的气候的热湿作用：室外空气温湿度、太阳辐射、风速、风向变化等气候参数的变化；邻室的空气温湿度；围护结构材料的热物理性质及构造方法；房屋的朝向与间距；单体建筑的平剖面形式；建筑外部周围绿化情况；室内设备、照明、人员等室内热湿源。二、热湿环境的评价（一）人与室内环境热舒适是指人对环境的冷热程度感觉满意,不因过冷或过热而感到不适。热舒适不仅是保护人体健康的重要条件,而且也是人们正常工作、生活的保证。人在室内感到热舒适的必要条件:人体内产生的热量与向环境散发的热量相等。人体的热平衡可用下式表示在人体新陈代谢的过程中即人体内食物氧化的过程中,单位时间内放出的热量