建筑环境学_吕洁_建筑热湿环境.ppt
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1、建筑环境学_吕洁_建筑热湿环境 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望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太阳辐射对建筑物的热作用外扰内扰窗户透过辐射辐射围护结构热湿传导传导室内外空气对流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
2、建筑物的热作用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太阳辐射对建筑物的热作用吸湿围护结构外表面某时刻的得热(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
3、着衰减和延衰减和延迟迟的关系1 太阳辐射对建筑物的热作用太阳辐射对建筑物的热作用1 太阳辐射对建筑物的热作用太阳辐射对建筑物的热作用一、围护结构外表面一、围护结构外表面所吸收的太阳辐射热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。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,但却能有效有效的阻止长波红外线辐的阻止长波红外线辐射。射。1 太阳辐射对建筑物的热作用太阳辐射对建筑物的热作用 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
4、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。低透低透低透低透low-elow-e玻璃玻璃玻璃玻璃1 太阳辐射对建筑物的热作用太阳辐射对建筑物的热作用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太阳辐射对建筑物的热作用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
5、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太阳辐射对建筑物的热作用半透明薄层的总透过率为: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: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射线的入射角和波长长有关,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
6、辐射对建筑物的热作用太阳辐射对建筑物的热作用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: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;K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太阳辐射对建
7、筑物的热作用二、室外空气综合温度二、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+对流换热量太阳直太阳直太阳直太阳直射辐射射辐射射辐射射辐射大气长大气长大气长大气长波辐射波辐射波辐射波辐射太空散太空散太空散太空散射辐射射辐射射辐射射辐射对流对流对流对流换热换热换热换热地面反射辐射地面反射辐射地面反射辐射地面反射辐射环境长波辐射环境长波辐射环境长波辐射环境长波辐射地面长地面长地面长地面长波辐射波辐射波辐射波辐射壁体得热壁体得热壁体得热壁体得热1 太阳辐射对建筑物的热作用太阳辐射
8、对建筑物的热作用6060!3535!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I/out值。是当量室外温度,非实际室外空气温度,方便计算。室外空气综合温度t tz z的的表达式表达式: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太阳辐射对建筑物的热作用Think,tz 与有效天与有效天空温度空温度Tsky、室外空、室外空气温度气温度tair相同吗?相同吗?与什么因素有关?与什么因素有关?人们常说的人们常说的“体感
9、温体感温度度”是什么?是什么?t tz z: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。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
10、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太阳辐射对建筑物的热作用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/out=3.54.0。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太阳辐射对建筑物的热作用降低降低tz的办法:的办法:三、夜间辐射(三、夜间辐射(有效辐射、长波
11、辐射Qlw、天空辐射)一、通过围护结构的显热得热一、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建筑围护结构的热湿传递与得热通过围护通过围护结构的显结构的显热得热热得热通过非透明围护结通过非透明围护结构的热传导构的热传导通过玻璃窗的通过玻璃窗的得热得热外表面对流换热外表面对流换热外表面日射通外表面日射通过墙体导热过墙体导热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衰减和延迟的关系。的关系。围护结构热容量愈大,蓄热能力愈大围护结构热容量愈大,蓄热能力愈大,
12、愈滞后,波幅衰减愈大。愈滞后,波幅衰减愈大。2 建筑围护结构的热湿传递与得热建筑围护结构的热湿传递与得热墙体、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;内表面温度是导导热热、对对流流、辐辐射射和和蓄蓄热热综综合合作作用用的结果。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
13、间就越长。2 建筑围护结构的热湿传递与得热建筑围护结构的热湿传递与得热2 建筑围护结构的热湿传递与得热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通过非透明围护结构实际传入室内的热量量。对流换热量对流换热量辐射换热量辐射换热量短波辐射得热量短波辐射得热量内表面辐射如何影响板壁的传热?内表面辐射如何影响板壁的传热?HGHGwallwall=HG=HGwall,convwall,conv+HG+HGwall,lwwall,lw尽管尽管尽管尽管Q Qinin增加了,增加了,增加了,增加了,但但但但Q Qout out 和和和和Q Qc
14、ondcond却却却却是减少的。是减少的。是减少的。是减少的。T Tout,airout,airQoutQ Qwall,condwall,cond=HG=HGwallwall-Q QwallwallT Tin,airin,air2 建筑围护结构的热湿传递与得热建筑围护结构的热湿传递与得热2 建筑围护结构的热湿传递与得热建筑围护结构的热湿传递与得热Q Qwall,condwall,cond=HG=HGwallwall-Q Qwallwall实际传热量实际传热量得热得热得热与实际传得热与实际传热量的差值热量的差值由室外气象由室外气象条件与室内条件与室内气温决定气温决定由于室内其他表由于室内其他表面
15、温度与空气温面温度与空气温度不同及室内辐度不同及室内辐射源存在而造成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2 建筑围护结构的热湿传递与得热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:热的差值:二、通过透光外围护结构的得热二、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通过透光外围护
16、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:稳态传热计算:2 建筑围护结构的热湿传递与得热建筑围护结构的热湿传递与得热Think,包括哪几种传热方,包括哪几种传热方式式?影响因素有哪些影响因素有哪些?2.透过玻璃窗的太阳辐射得热量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,不成为房间得热不成为房间得热2 建筑围护结构的热湿传递与得热建筑围护结构的热湿传递与得热玻璃窗的种类与热工
17、性能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。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
18、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建筑围护结构的热湿传递与得热玻璃窗的种类与热工性能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建筑围护结构的热湿传递与得热KKK 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:HGsolarHGglass,+HGglass,a通过玻璃窗的太阳辐射得热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建筑围护结构的热湿传递与得热标准太阳得热量标准太阳得热量SSG(Stan
19、dardSolarheatGain):):以某种类型和厚度的玻璃作为标准透光材料标准透光材料,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建筑围护结构的热湿传递与得热遮阳方式遮阳方式 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建筑围护结构的热湿传递与得热通风双层玻璃窗,通风双层玻璃窗,内置百页内置百页2 建筑围护结构的热湿传递与得热建
20、筑围护结构的热湿传递与得热内百页内百页内百页内百页无通风无通风无通风无通风有通风有通风有通风有通风外遮阳和内遮阳有何区别?外遮阳:外遮阳:外遮阳:外遮阳:只有透过只有透过只有透过只有透过和吸收中和吸收中和吸收中和吸收中的一部分的一部分的一部分的一部分成为得热成为得热成为得热成为得热内遮阳:内遮阳:内遮阳:内遮阳:遮阳设施遮阳设施遮阳设施遮阳设施吸收和透吸收和透吸收和透吸收和透过部分全过部分全过部分全过部分全部为得热部为得热部为得热部为得热对流对流透过透过反射反射反射反射对流对流透过透过2 建筑围护结构的热湿传递与得热建筑围护结构的热湿传递与得热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
21、得热量进行修正的方法计算:实际照射面积比实际照射面积比实际照射面积比实际照射面积比玻璃的遮挡系数玻璃的遮挡系数玻璃的遮挡系数玻璃的遮挡系数遮阳设施的遮阳系数遮阳设施的遮阳系数遮阳设施的遮阳系数遮阳设施的遮阳系数窗的有效面积系数窗的有效面积系数窗的有效面积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建筑围护结构的热湿传递与得热2 建筑围护结构的热湿传递与得热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
22、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)(自学)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三、通过围护结构的湿传递湿传递湿传递: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/(Ns)或s/m;PoutPin 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建筑围护
23、结构的热湿传递与得热围护结构内部水蒸气凝结或冻结现象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。实际水蒸汽分压力实际水蒸汽分压力饱和水蒸汽分压力饱和水蒸汽分压力温度温度2 建筑围护结构的热湿传递与得热建筑围护结构的热湿传递与得热式中H0围护结构的总蒸汽渗透阻,m2hPa/g;dm任一分层的厚度,m;m任一分层材料的蒸汽渗透系数,g/(mhPa)
24、,m=1,2,3,n。2 建筑围护结构的热湿传递与得热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.内部冷凝的检验: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建筑围护结构的热湿传递与得热2 建筑围护结构的热湿传递与得热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。检验外墙结构是否会产生
25、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(2)计算室内外空气的水蒸汽分压力ti=16时,Ps=1817.2Pate=4时,Ps=437.3Pa2 建筑围护结构的热湿传递与得热建筑围护结构的热湿传递与得热(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
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