第四章建筑热湿环境

第四章建筑热湿环境 清华大学建筑学院建筑技术科学系 2001年

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

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

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。

非透明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

近红外线 长波红外线可见光 0.8 太阳辐射在玻璃中传递过程 • 玻璃对辐射的选择性普通玻璃的光谱透过率

太阳辐射在玻璃中传递过程 • 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

太阳辐射在玻璃中传递过程 玻璃的吸收百分比a0 :

太阳辐射在玻璃中传递过程 • 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、吸收率和透过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。

太阳辐射在玻璃中传递过程 • 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？

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

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℃！

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？

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： • 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？

通过非透明围护结构的热传导 通过玻璃窗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方式机理不同

通过非透明围护结构的热传导 • 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。

通过非透明围护结构的热传导 • 非均质板壁的一维不稳定导热过程： • 边界条件： t (x,0 ) = f (x) 其中内表面长波辐射：

x=0 x= Qenv 通过非透明围护结构的热传导 • 利用室外空气综合温度简化外边界条件： • 实际由内表面传入室内的热量为：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。

通过非透明围护结构的热传导 • 板壁各层温度随室外温度的变化

通过非透明围护结构的得热 • 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 • 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

Qin’=Qconv+Ql 尽管Qin增加了，但Qout 和Qcond却是减少的。内表面辐射如何影响板壁的传热？ Tout,air Qcond Qin=Qconv Qout Tin,air

辐射造成的增量 气象与室温决定部分通过非透明围护结构的得热 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的影响与其它部分分离出来，称作：“通过围护结构的得热”，HG • t = t1 + t2 • Qin’ (即前面的Qenv)和Qin(即HG)的差值为：

透过玻璃的日射得热 通过玻璃板壁的传热通过玻璃窗的得热通过玻璃窗的得热得热与玻璃窗的种类及其热工性能有重要的关系。

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；玻璃层间可充空气、氮、氩、氪等或有真空夹层；玻璃层数有单玻、双玻、三玻等，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。

玻璃窗的种类与热工性能 • 我国 • 民用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。 • 商用建筑有采用有色玻璃或反射镀膜玻璃。 • 发达国家 • 寒冷地区的住宅则多装有充惰性气体的双玻窗 • 商用建筑多采用高绝热性能的low-e玻璃窗。

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。

通过玻璃窗的得热 • 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： • 注意：玻璃吸热后会向内、外两侧散热 • 总得热：HGsolar＝HGglass, + HGglass,a

通过玻璃窗的得热 • 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

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，可使这种窗的遮档系数 Cs低于0.3

通过玻璃窗的长波辐射??? 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-e 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自然对流换热对流换热室内表面对玻璃的长波辐射

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

外遮阳和内遮阳有何区别? 对流透过反射反射透过对流外遮阳：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

通风双层玻璃窗，内置百页

内百页 有通风无通风

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：

温度饱和水蒸汽分压力实际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。

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

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

人体散热散湿 • 见第五章！

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

网络平衡法原理 节点平衡：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。

冷负荷与热负荷 • 冷负荷： • 维持一定室内热湿环境所需要的在单位时间内从室内除去的热量，包括显热负荷和潜热负荷两部分。 • 如果把潜热负荷表示为单位时间内排除的水分，则又可称作湿负荷。 • 热负荷： • 维持一定室内热湿环境所需要的在单位时间内向室内加入的热量，包括显热负荷和潜热负荷两部分。 • 如果只控制室内温度，则热负荷就只包括显热负荷。

负荷的大小与去除或补充热量的方式有关 冷辐射板空调需要去除的热量除了进入到空气中的热量外，还包括贮存在热表面上的热量。常规的送风方式空调需要去除的是进入到空气中的得热量。

各种得热进入空气的途径 • 潜热得热、渗透空气得热 • 得热立刻成为瞬时冷负荷 • 通过围护结构导热、通过玻璃窗日射得热、室内显热源散热 • 对流得热部分立刻成为瞬时冷负荷 • 辐射得热部分先传到各内表面，再以对流形式进入空气成为瞬时冷负荷，因此负荷与得热在时间上存在延迟。

得热与冷负荷的关系

得热与冷负荷的关系 • 冷负荷与得热有关，但不一定相等 • 决定因素 • 空调形式 • 送风：负荷＝对流部分 • 辐射：负荷＝对流部分＋辐射部分 • 热源特性：对流与辐射的比例是多少？ • 围护结构热工性能：蓄热能力如何？如果内表面完全绝热呢？ • 房间的构造（角系数） • 注意：辐射的存在是延迟和衰减的根源！

房间空气的热平衡关系 排除的对流热＋空气的显热增值＝室内热源对流得热＋ 壁面对流得热＋渗透得热

室内热源对流得热 室内热源得热＝室内热源对流得热＋热源向空调辐射板的辐射＋热源向壁面的辐射

Qcond 壁面对流得热通过围护结构的导热得热＋本壁面获得的通过玻璃窗的日射得热＝壁面对流得热＋本壁面向空调辐射设备的辐射＋本壁面向其他壁面的长波辐射＋本壁面向热源的辐射

第四章 建筑热湿环境