建筑环境学热湿环境.pptx

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1、会计学1建筑环境学热湿环境建筑环境学热湿环境21.1.基本概念与术语2.2.得热的来源3.3.围护结构的热工特性与通过围护结构的热传导3.1 3.1 通过非透光围护结构的传热过通过非透光围护结构的传热过程程3.2 3.2 通过透光围护结构的传热过程通过透光围护结构的传热过程4.4.冷负荷与热负荷4.1 4.1 基本原理，与得热之间的关系基本原理，与得热之间的关系4.2 4.2 负荷的计算方法负荷的计算方法内容提要（三次课）内容提要（三次课）第1页/共50页31.基本概念与术语基本概念与术语第2页/共50页4建筑热湿环境是如何建筑热湿环境是如何形成的形成的?n n 是建筑环境中最重要的内容是建筑

2、环境中最重要的内容n n 主要成因是外扰和内扰的影响和建筑主要成因是外扰和内扰的影响和建筑本身的热工性能本身的热工性能n n 外扰：室外气候参数，邻室的空气温外扰：室外气候参数，邻室的空气温湿度湿度n n 内扰：室内设备、照明、人员等室内内扰：室内设备、照明、人员等室内热湿热湿源源第3页/共50页5基本概念基本概念n n 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。对流换热对流换热(对流质交换对流质交换)围护结构传热围护结构传热传湿传湿室内产热产湿室内产热产湿辐射辐射导热导热(水水蒸汽蒸汽渗透渗透)

3、第4页/共50页6基本概念基本概念n n 得热得热(Heat Gain(Heat Gain HG)HG)：某时刻在内外扰作用下：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。如果得热进入房间的总热量叫做该时刻的得热。如果得热00，意味着房间失去热量。，意味着房间失去热量。n n 围护结构热过程特点：由于围护结构热惯性的存在，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。迟的关系。得得热热潜热潜热显热显热辐射得热辐射得热对流得热对流得热第5页/共50页72.得热的来源得热的来源(Heat G

4、ain)第6页/共50页8得热的来源得热的来源n n与室内状态无关，只取决于热源的得热n n 室内产热与产湿，得热量热室内产热与产湿，得热量热源发热量源发热量n n室内设备与照明室内设备与照明n n室内人员室内人员n n 通过围护结构的空气渗透导致通过围护结构的空气渗透导致的得热的得热n n 透过透光围护结构的太阳辐射透过透光围护结构的太阳辐射得热得热n n与热源和室内热状态（空气温度、壁面温度）都有关的得热n n 通过非透光围护结构的热传导通过非透光围护结构的热传导n n 通过透光围护结构的热传导通过透光围护结构的热传导第7页/共50页9n n 室内显热热源包括照明、电器设备、人员n n 显

5、热热源散热的形式显热热源散热的形式n n 辐射：进入墙体内表面、空调辐射板、透过玻辐射：进入墙体内表面、空调辐射板、透过玻璃窗到室外、其它室内物体表面（家具、人体等璃窗到室外、其它室内物体表面（家具、人体等）；）；n n 对流：直接进入空气。对流：直接进入空气。n n 显热热源辐射散热的波长特征显热热源辐射散热的波长特征n n 可见光和近红外线：灯具、高温热源（电炉等）可见光和近红外线：灯具、高温热源（电炉等）n n 长波辐射：人体、常温设备长波辐射：人体、常温设备 取决于热源的得热取决于热源的得热取决于热源的得热取决于热源的得热 室内产热与产湿，得热量发热量室内产热与产湿，得热量发热量室内产

6、热与产湿，得热量发热量室内产热与产湿，得热量发热量第8页/共50页10室内产热与产湿（续）室内产热与产湿（续）室内产热与产湿（续）室内产热与产湿（续）n n 室内湿源包括人员、水面、产湿设备n n 散湿形式：直接进入空气散湿形式：直接进入空气n n 围护结构和家具会有一定的蓄湿围护结构和家具会有一定的蓄湿功能功能n n 湿源与空气进行质交换同时一般伴随显热交换n n 有热源湿表面：水分被加热蒸发，有热源湿表面：水分被加热蒸发，向空气加入了显热和潜热，显热向空气加入了显热和潜热，显热交换量取决于水表面积交换量取决于水表面积n n 无热源湿表面：等焓过程，无热源湿表面：等焓过程，室内空气的显热转化

7、为潜热室内空气的显热转化为潜热n n 蒸汽源：可仅考虑潜热交换蒸汽源：可仅考虑潜热交换第9页/共50页11取决于热源的得热：人体散热散湿取决于热源的得热：人体散热散湿取决于热源的得热：人体散热散湿取决于热源的得热：人体散热散湿n n 请见第四章第10页/共50页12取决于热源的得热取决于热源的得热取决于热源的得热取决于热源的得热空气渗透带来的得热空气渗透带来的得热空气渗透带来的得热空气渗透带来的得热n n 夏季：室内外温差小，风压是主要动力n n 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。n n 理论求解方法：网络平衡法，数值求解n n流体

8、网络原理流体网络原理课程将介课程将介绍绍n n 参考文献：朱颖心，参考文献：朱颖心，水力网络流动不稳定过程的算水力网络流动不稳定过程的算法，法，清华大学学报清华大学学报,1989,1989年年,第第5 5期期n n 工程应用：缝隙法、换气次数法第11页/共50页13网络平衡法原网络平衡法原理理 节点平衡：节点平衡：AGG0 0 回路压力平衡：回路压力平衡：B P P0 0 各支路和节点均编号。各支路和节点均编号。网络关联矩阵网络关联矩阵A A元素元素 a aij ij：由由 i i 点点到到 j j点点为为1 1，反之为，反之为 -1-1，无关为无关为0 0。基本回路矩阵基本回路矩阵B B元素

9、元素 b bij ij：由由 j j支路与支路与 i i 回路同向回路同向为为1 1，反，反之为之为 -1-1，无关为，无关为0 0。第12页/共50页14通过围护结构的显热通过围护结构的显热得热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光围护结通过非透光围护结构的得热构的得热通过透光围护结构通过透光围护结构的得热的得热外表面对流换热外表面对流换热外表面日射通过墙体的导热外表面日射通过墙体的导热两种得热方式机理不同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日射得热通过透光围护结构的热传导通过透光围护结构的热传导第13页/共50页153.围护结构的热工围护结构

10、的热工特性与通过围护结特性与通过围护结构的热传导构的热传导 3.1 3.1 通过非透光围护结构的传热过程通过非透光围护结构的传热过程3.2 3.2 通过透光围护结构的传热过程通过透光围护结构的传热过程第14页/共50页16非非非非透透透透光光光光围围围围护护护护结结结结构构构构外外外外表表表表面面面面所所所所吸吸吸吸收收收收的的的的太太太太阳阳阳阳辐辐辐辐射射射射热热热热n n不不同同的的表表面面对对辐辐射射的的波波长长有有选选择择性性，黑黑色色表表面面对对各各种种波波长长的的辐辐射射几几乎乎都都是是全全部部吸吸收收，而而白色表面可以反射几乎白色表面可以反射几乎9090的可见光。的可见光。n

11、n 围围护护结结构构的的表表面面越越粗粗糙糙、颜颜色色越越深深，吸吸收收率就越高，反射率越低。率就越高，反射率越低。反射反射吸收吸收第15页/共50页17太阳辐射在透光围护结构中的传递太阳辐射在透光围护结构中的传递太阳辐射在透光围护结构中的传递太阳辐射在透光围护结构中的传递吸收率吸收率 反射率反射率 透射率透射率 1 1反射反射 吸收吸收 透射透射 第16页/共50页18太阳辐射在透光围护结太阳辐射在透光围护结构中的传递构中的传递n n 玻璃对辐射的选择性玻璃对辐射的选择性普通玻璃的光谱透射率普通玻璃的光谱透射率0.8可见光可见光近红外线近红外线长波红外线长波红外线透射率透射率,第17页/共5

12、0页19太阳辐射在透光围护结太阳辐射在透光围护结构中的传递构中的传递n n 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。低透低透low-elow-e玻璃玻璃第18页/共50页20low-e玻璃的透光选择玻璃的透光选择性性一层一层一层一层low-elow-e玻璃玻璃玻璃玻璃 一层普通玻璃一层普通玻璃一层普通玻璃一层普通玻璃透射率透射率反射率反射率第19页/共50页21太阳辐射在透光围护结太阳辐射在透光围护结构中的传递构中的传递玻璃的吸收百分

13、比玻璃的吸收百分比a a0 0:第20页/共50页22太阳辐射在透光围护结太阳辐射在透光围护结构中的传递构中的传递n n 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。第21页/共50页23太阳辐射在透光围护结太阳辐射在透光围护结构中的传递构中的传递n n 阳光照射到双层半阳光照射到双层半透明薄层时，还要透明薄层时，还要考虑两层半透明薄考虑两层半透明薄层之间的无穷次反层之间的无穷次反射，以及再对反射射，以及再对反射辐射的透过。辐射的透过。n n 假定两层材料的吸假定两层材料的吸收百分比和反射百

14、收百分比和反射百分比完全相同，两分比完全相同，两层的吸收率相同吗层的吸收率相同吗？第22页/共50页24室外空气综合温度室外空气综合温度室外空气综合温度室外空气综合温度Solar-air TemperatureSolar-air Temperature太阳直太阳直射辐射射辐射大气长大气长波辐射波辐射太空散太空散射辐射射辐射对流对流换热换热地面反射辐射地面反射辐射环境长波辐射环境长波辐射地面地面长波长波辐射辐射壁体得热壁体得热第23页/共50页256060！3535！室外空室外空气综合气综合温度温度 Solar-air Solar-air TemperatureTemperaturen n考虑了

15、太阳辐射的作用对表面换热量的增强，相当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。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。是为了计算方便推出的一个当量的室外温度。n n如果考虑围护结构外表面与天空和周围物体之间的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：长波辐射：n n 如果忽略围护结构外表面与天空和周围物体之间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：的长波辐射：第24页/共50页26室外空气综合温度室外空气综合温度Solar-air TemperatureSolar-air

16、Temperaturen n 人们常说的太阳下的“体感温度”是什么？n n 室外空气综合温度与什么因素有关？n n 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？n n 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？第25页/共50页27n n 围护结构外表面与环境的长波辐射换热围护结构外表面与环境的长波辐射换热QQL L包括大气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：和对地面的长波辐射，则有：n n 思考题

17、思考题n n白天有天空辐射吗？白天有天空辐射吗？n n试算一个夜间的室外空气综合温度是多少？试算一个夜间的室外空气综合温度是多少？天空辐射天空辐射天空辐射天空辐射(夜间辐射，有效辐射夜间辐射，有效辐射夜间辐射，有效辐射夜间辐射，有效辐射)第26页/共50页283.1 通过非透光围护结构通过非透光围护结构的传热过程的传热过程第27页/共50页29通过非透光围护结构通过非透光围护结构的热传导的热传导n n由于热惯性存在，通过围由于热惯性存在，通过围护结构的传热量和温度的护结构的传热量和温度的波动幅度与外扰波动幅度波动幅度与外扰波动幅度之间存在衰减和延迟的关之间存在衰减和延迟的关系。衰减和滞后的程度

18、取系。衰减和滞后的程度取决于围护结构的蓄热能力决于围护结构的蓄热能力第28页/共50页30通过非透光围护结构的热传导通过非透光围护结构的热传导n n 非均质板壁的一维不稳定导热过程：n n 边界条件：n n 初始条件：t t(x,0 x,0)=f =f(x x)内表面长波辐射内表面长波辐射第29页/共50页31n n 利用室外空气综合温度简化外边界条件：n n 实际通过围护结构传入室内的热量为：x=0 x=Qwall,cond通过非透光围护结构通过非透光围护结构的热传导的热传导 这部分热量将以这部分热量将以对流换热和长波辐射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。的

19、形式向室内传播。只有对流换热部分直接进入了空气。第30页/共50页32通过非透光围护结构的热传导通过非透光围护结构的热传导n n 板壁各层温度随室外温度的变化第31页/共50页33通过非透光围护结构的热传导通过非透光围护结构的热传导通过非透光围护结构的热传导通过非透光围护结构的热传导基本物理过程分析基本物理过程分析基本物理过程分析基本物理过程分析n n 基本表达式n n 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n n 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n n 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第32页/共50

20、页34QQoutoutt ta,ina,in()室内其他内表面温度如何影响板壁室内其他内表面温度如何影响板壁室内其他内表面温度如何影响板壁室内其他内表面温度如何影响板壁的传热？的传热？的传热？的传热？尽管内表面对尽管内表面对流换热量流换热量增加了，增加了，但但QQout out 和和QQwall,condwall,cond却是减少的。却是减少的。QQwall,condwall,cond|x=x=t t(x,x,)t ta,outa,out()QQwall,condwall,cond|x=x=如果室内辐射特别强烈如果室内辐射特别强烈QQwall,condwall,cond第33页/共50页35通

21、过非透光围护结构的热传导通过非透光围护结构的热传导通过非透光围护结构的热传导通过非透光围护结构的热传导基本物理过程分析基本物理过程分析基本物理过程分析基本物理过程分析n n 结论n n 即便室外气象参数与室内空即便室外气象参数与室内空气温度是确定的，实际通过气温度是确定的，实际通过非透光围护结构进入到室内非透光围护结构进入到室内的热传导量也是不确定的的热传导量也是不确定的受其他壁面温度高低与受其他壁面温度高低与室内辐射热源方向的影响。室内辐射热源方向的影响。n n 尽管通过围护结构的热传导量不确定，但有时又需要用“得热”的概念，那怎么定义通过围护结构的热传导得热呢？第34页/共50页36通过非

22、透光围护结构的得热通过非透光围护结构的得热n n 为了定义通过非透光围护结构的得热为了定义通过非透光围护结构的得热HGHGwallwall，采用了，采用了以下假定条件以下假定条件n n 假定除所考察的围护结构内表面以外，其他各室内表面的假定除所考察的围护结构内表面以外，其他各室内表面的温度均与室内空气温度一致温度均与室内空气温度一致n n室内没有任何其他短波辐射热源发射的热量落在所考察的室内没有任何其他短波辐射热源发射的热量落在所考察的围护结构内表面上，即围护结构内表面上，即Q Qshwshw0 0。n n 此时，通过该围护结构传入室内的热量就被定义为此时，通过该围护结构传入室内的热量就被定义

23、为通过非透光围护结构的得热。主要反映了室外气象参通过非透光围护结构的得热。主要反映了室外气象参数和室内气温相对固定的影响，剔除了内表面辐射等数和室内气温相对固定的影响，剔除了内表面辐射等复杂因素的影响：复杂因素的影响：HGHGwallwall=HGHGwall,convwall,convHGHGwall,lwwall,lw第35页/共50页37通过非透光围护结构的得热通过非透光围护结构的得热 内表面辐射导致的传热量差值内表面辐射导致的传热量差值内表面辐射导致的传热量差值内表面辐射导致的传热量差值n n 将内边界条件线性化，则可利用线性叠加原理将气象与室内将内边界条件线性化，则可利用线性叠加原理

24、将气象与室内气温决定的得热部分与其它部分分离出来气温决定的得热部分与其它部分分离出来 t=tt=t1 1+t t2 2n n 围护结构实际传热量与围护结构实际传热量与“得热得热”的差值的差值为：为：n n如果室内各表面温度高于空气温度，且有短波辐射，则如果室内各表面温度高于空气温度，且有短波辐射，则 Q Qwallwall是正值，即实际条件下通过围护结构导热传到室内的是正值，即实际条件下通过围护结构导热传到室内的热量小于上述定义下的通过围护结构的得热量。热量小于上述定义下的通过围护结构的得热量。气象与室温决定部分气象与室温决定部分外加辐射外加辐射造成的增量造成的增量第36页/共50页38通过非

25、透光围护结构的得热通过非透光围护结构的得热n n“通过非透光围护结构的得热”实际上是一个假设的量量级上与“通过非透光围护结构的热传导量”相当，但把受其他壁面温度与室内辐射热源影响部分忽略了，存在数值上的偏差。通过非透光围护通过非透光围护结构的热传导结构的热传导通过非透光围护通过非透光围护结构的得热结构的得热VS?第37页/共50页39通过非透光围护结构的得热通过非透光围护结构的得热n n 前者是考虑在内外扰动以及整个房间所有围护前者是考虑在内外扰动以及整个房间所有围护结构相互作用下通过一堵墙体的实际传热量结构相互作用下通过一堵墙体的实际传热量n n 后者是把一堵墙体割裂开来，仅考虑在内外扰后者

26、是把一堵墙体割裂开来，仅考虑在内外扰动作用下通过一堵墙体的传热量动作用下通过一堵墙体的传热量n n 目的在于把房间每一堵墙体的得热求出来，然后进行目的在于把房间每一堵墙体的得热求出来，然后进行叠加，以求得通过整个房间围护结构的总得热量。是叠加，以求得通过整个房间围护结构的总得热量。是一些简化手工工程算法的需要。一些简化手工工程算法的需要。通过非透光围护通过非透光围护结构的热传导结构的热传导通过非透光围护通过非透光围护结构的得热结构的得热VS第38页/共50页40通过围护结构的湿传通过围护结构的湿传递递潜热得潜热得潜热得潜热得热热热热n n 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

27、与墙体中的热传递过程相类似：w=Kv(Pout-Pin)kg/sm2n n水蒸汽渗透系数，kg/(Ns)或 s/m：第39页/共50页41饱和水蒸汽分压力饱和水蒸汽分压力温度温度实际水蒸汽分压力实际水蒸汽分压力通过围护结构的湿传通过围护结构的湿传递递潜热得潜热得潜热得潜热得热热热热n n 当墙体内实际水蒸汽分压力当墙体内实际水蒸汽分压力高于饱和水蒸汽分压力时，就高于饱和水蒸汽分压力时，就可能出现凝结或冻结，影响墙可能出现凝结或冻结，影响墙体保温能力和强度。体保温能力和强度。第40页/共50页423.2 通过透光围护结构通过透光围护结构的传热过程的传热过程第41页/共50页43玻璃窗的种类与热工

28、性能玻璃窗的种类与热工性能n n窗框型材有木框、铝合金框、铝窗框型材有木框、铝合金框、铝合金断热框、塑钢框、断热塑钢合金断热框、塑钢框、断热塑钢框等框等n n玻璃层数有单玻、双玻、三玻等玻璃层数有单玻、双玻、三玻等n n玻璃层间可充空气、氮、氩、氪玻璃层间可充空气、氮、氩、氪等或有真空夹层等或有真空夹层n n玻璃类别有普通透明玻璃、有色玻璃类别有普通透明玻璃、有色玻璃、低辐射玻璃、低辐射(Low-e)(Low-e)玻璃等玻璃等n n玻璃表面可以有各种辐射阻隔性玻璃表面可以有各种辐射阻隔性能的镀膜，如反射膜、能的镀膜，如反射膜、low-elow-e膜、膜、有色遮光膜等，或在两层玻璃之有色遮光膜等

29、，或在两层玻璃之间的空间中架一层对近红外线高间的空间中架一层对近红外线高反射率的热镜膜。反射率的热镜膜。第42页/共50页44玻璃窗的种类与热工性能玻璃窗的种类与热工性能n n住宅建筑n n 我国住宅建筑最常见的是铝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，双层玻璃间为普通透明玻璃，双层玻璃间为空气夹层，北方地区很多建筑空气夹层，北方地区很多建筑装有两层单玻窗。装有两层单玻窗。n n发达国家寒冷地区的住宅则多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。装有充惰性气体的多层玻璃窗。n n大型公共建筑 n n 我国大型公共建筑多采用有我国大

30、型公共建筑多采用有色玻璃或反射镀膜玻璃。部分色玻璃或反射镀膜玻璃。部分新建筑采用新建筑采用low-elow-e玻璃。玻璃。n n 发达国家大型公共建筑多采发达国家大型公共建筑多采用高绝热性能的用高绝热性能的low-elow-e玻璃。玻璃。第43页/共50页45玻璃窗的玻璃窗的种类与热种类与热工性能工性能n n 不同结构的窗有着不同的热工性能n n U即传热系数Kglassn n 气体夹层和玻璃本身均有热容，但较墙体小。第44页/共50页46玻璃窗的种类与热工性能玻璃窗的种类与热工性能n n 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0.3 第45页/共50页47

31、遮阳方式遮阳方式n n 现有遮阳方式现有遮阳方式n n 内遮阳：普通窗帘、百页窗帘内遮阳：普通窗帘、百页窗帘n n 外遮阳：挑檐、可调控百页、遮阳蓬外遮阳：挑檐、可调控百页、遮阳蓬n n 窗玻璃间遮阳：夹在双层玻璃间的百页窗玻璃间遮阳：夹在双层玻璃间的百页窗帘，百页可调控窗帘，百页可调控n n 我国目前常见遮阳方式我国目前常见遮阳方式n n 内遮阳：窗帘内遮阳：窗帘n n 外遮阳：屋檐、遮雨檐、遮阳蓬外遮阳：屋檐、遮雨檐、遮阳蓬第46页/共50页48外遮阳外遮阳第47页/共50页49外遮阳和内遮阳有何区别外遮阳和内遮阳有何区别?外遮阳：外遮阳：只有透过只有透过和吸收中和吸收中的一部分的一部分成为得热成为得热内遮阳：内遮阳：遮阳设施遮阳设施吸收和透吸收和透过部分全过部分全部为得热部为得热反射反射对流对流透过透过对流对流透过透过反射反射第48页/共50页50窗玻璃间遮阳窗玻璃间遮阳 Double-skin Facade Double-skin Facade 第49页/共50页51感谢您的观看。第50页/共50页