第三章 建筑热湿环境

1. 第三章 建筑热湿环境

2. 内容提要 • 基本概念与术语 • 围护结构的热工特性与通过围护结构的得热 • 通过非透光围护结构的传热过程 • 通过透光围护结构的传热过程 • 其他得热来源 • 冷负荷与热负荷 • 基本原理，与得热之间的关系 • 负荷的计算方法

3. 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 导热 (水蒸汽渗透) 辐射

6. 对流得热 显热 得热 辐射得热 潜热 基本概念 • 得热(Heat Gain  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。

7. 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

8. 近红外线 长波红外线 可见光 0.8 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

9. 太阳辐射在透光围护结构中的传递 • 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

10. 反射率 透射率 low-e玻璃的透光选择性一层low-e玻璃＋一层普通玻璃

11. 太阳辐射在透光围护结构中的传递 玻璃的吸收百分比a0 :

12. 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。

13. 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？

14. 太阳直射辐射 大气长波辐射 对流换热 太空散射辐射 壁体得热 环境长波辐射 地面长波辐射 地面反射辐射 室外空气综合温度Solar-air Temperature

15. 室外空气综合温度 Solar-air Temperature 60℃！ • 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： 35℃！

16. 室外空气综合温度Solar-air Temperature • 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？

17. 天空辐射（夜间辐射，有效辐射） • 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？

18. 通过非透光围护结构的得热 通过透光围护结构的得热 通过围护结构的显热得热 外表面日射通过墙体导热 外表面对流换热 通过围护结构的显热得热 两种得热方式机理不同

19. 通过非透光围护结构的传热过程

20. 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

21. 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： t (x,0 ) = f (x) 内表面长波辐射

22. x=0 x= Qenv 通过非透光围护结构的热传导 • 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： 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。

23. 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

24. 通过非透光围护 结构的热传导 通过非透光围护 结构的得热 VS 通过非透光围护结构的得热 • 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传热量 • 后者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 • 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传热量。是一些简化工程算法的需要。 ?

25. 通过非透光围护结构的得热基本物理过程分析通过非透光围护结构的得热基本物理过程分析 • 板壁内表面温度同时受室内气温、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

26. Qwall,cond=HGwall-Qwall 室内其他内表面温度如何影响板壁的传热？ ta,out() Qwall,cond Qout t (x,) HGwall=HGconv+HGlw 尽管HGconv增加了，但Qout 和Qwall,cond却是减少的。 ta,in()

27. 通过非透光围护结构的得热基本物理过程分析通过非透光围护结构的得热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的热传导量也是不确定的受其他壁面温度高低与室内辐射热源方向的影响。 • “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。

28. 通过非透光围护结构的得热 • 为了求得所谓的非透光围护结构的得热HGwall，需要规定假定条件： • 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 • 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Qshw＝0。 • 此时，通过该围护结构传入室内的热量就被定义为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空气温度的影响 HGwall = HGwall ,conv＋HGwall,lw

29. 外加辐射 造成的增量 气象与室温决定部分 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 • 将内边界条件线性化，则可利用线性叠加压力将气象与室内气温决定的得热部分与其它部分分离出来 t = t1 + t2 • 围护结构实际传热量与得热的差值为： • 如果室内各表面温度高于空气温度，且有短波辐射，则Qwall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的通过围护结构的得热量。

30. 通过透光围护结构的传热过程

31. 通过玻璃窗的得热 透过玻璃的日射得热 通过玻璃板壁的传热 通过透光围护结构的得热 得热与玻璃窗的种类及其热工性能有重要的关系。

32. 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。

33. 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。部分新建筑采用low-e玻璃。 • 发达国家大型公共建筑多采用高绝热性能的low-e玻璃。

34. 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。

35. 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0.3

36. 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

37. 外遮阳

38. 对流 透过 反射 反射 透过 对流 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

39. 窗玻璃间遮阳Double-skin Facade

40. 通风双层玻璃窗，内置百页

41. 内百页 有通风 无通风

42. 长波辐射 长波辐射 导热和自然对流换热 对流换热 室内表面对玻璃的长波辐射 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-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

43. 通过透光围护结构的得热 • 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： • 原理：玻璃吸热后会向内、外两侧散热 • 成立的条件：如果内外气温一样 • 总得热：HGwind, sol＝HGglass, + HGglass,a

44. 通过透光围护结构的得热 • 可利用对标准玻璃的得热 SSGDi 和 SSGdif进行修正来获得简化计算结果： 实际照射面积比 窗的有效面积系数 玻璃的遮挡系数 遮阳设施的遮阳系数

45. 通过透光围护结构的得热 • 通过透光外围护结构的瞬态总得热量＝通过透光外围护结构的传热得热量＋通过透光外围护结构的太阳辐射得热量： • 上述得热量与通过透光围护结构实际进入室内的热量之间有差别 • 室内外气温不一样，采用 标准玻璃的太阳得热量 SSG求得的HGwind,sol部分 与实际情况存在偏差 • 玻璃实际表面温度变化 带来偏差

46. 其他得热来源

47. 通过围护结构的湿传递 • 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：

48. 温度 实际水蒸汽分压力 饱和水蒸汽分压力 通过围护结构的湿传递 • 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。

49. 其他得热来源：室内产热与产湿 • 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、透过玻璃窗到室外、其它室内物体表面（家具、人体等）； • 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

50. 其他得热来源：室内产热与产湿 • 室内湿源包括人员、水面、产湿设备 • 散湿形式：直接进入空气 • 得热往往考虑围护结构和家具的蓄热，“得湿”一般不考虑“蓄湿” • 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