1,第三章建筑熱濕環(huán)境,2,建筑熱濕環(huán)境是如何形成的?,是建筑環(huán)境中最重要的內(nèi)容主要成因是外擾和內(nèi)擾的影響和建筑本身的熱工性能外擾：室外氣候參數(shù)，鄰室的空氣溫濕度內(nèi)擾：室內(nèi)設(shè)備、照明、人員等室內(nèi)熱濕源,3,基本概念,圍護結(jié)構(gòu)的熱作用過程：包括對流換熱（對流質(zhì)交換）、導熱（水蒸汽滲透）和輻射三種形式。,對流換熱(對流質(zhì)交換),圍護結(jié)構(gòu)傳熱傳濕室內(nèi)產(chǎn)熱產(chǎn)濕,輻射,導熱(水蒸汽滲透),4,基本概念,得熱(HeatGainHG)：某時刻在內(nèi)外擾作用下進入房間的總熱量叫做該時刻的得熱。如果得熱0，意味著房間失去熱量。圍護結(jié)構(gòu)熱過程特點：由于圍護結(jié)構(gòu)熱慣性的存在，通過圍護結(jié)構(gòu)的得熱量與外擾之間存在著衰減和延遲的關(guān)系。,5,非透明圍護結(jié)構(gòu)外表面所吸收的太陽輻射熱,不同的表面對輻射的波長有選擇性.圍護結(jié)構(gòu)的表面越粗糙、顏色越深，吸收率就越高，反射率越低。,反射,吸收,第一節(jié)太陽輻射對建筑物的熱作用,6,太陽輻射在玻璃中傳遞過程,玻璃對輻射的選擇性,普通玻璃的光譜透過率,7,太陽輻射在玻璃中傳遞過程,關(guān)于Low-e(Low-emissivity)玻璃(圖3-3b)對太陽輻射有高透和低透不同性能。p47,低透low-e玻璃,8,名詞解釋：,Uvalue：U值導熱系數(shù)用來衡量物質(zhì)的保溫性能。VLT：(可見光透過率)定義：貼膜玻璃透過的可見光與入射可見光通量之比。解釋：數(shù)值越小，防眩的效果越明顯。注意：一些業(yè)主在要求防眩的同時又不希望房間太暗。,9,太陽輻射在玻璃中傳遞過程,玻璃的吸收百分比a0:,再看圖3-6,10,室外空氣綜合溫度,11,60！,35！,室外空氣綜合溫度Solar-airTemperature,考慮了太陽輻射的作用對表面換熱量的增強，相當于在室外氣溫上增加了一個太陽輻射的等效溫度值。是為了計算方便推出的一個當量的室外溫度。（推導過程見板書?。?12,室外空氣綜合溫度Solar-airTemperature,人們常說的太陽下的“體感溫度”是什么？室外空氣綜合溫度與什么因素有關(guān)？高反射率鏡面外墻和紅磚外墻的室外空氣綜合溫度是否相同？,13,圍護結(jié)構(gòu)外表面與環(huán)境的長波輻射換熱QL包括大氣長波輻射以及來自地面和周圍建筑和其他物體外表面的長波輻射。問題：白天有天空輻射嗎？,天空輻射（夜間輻射）,14,第二節(jié)建筑維護結(jié)構(gòu)的熱濕傳遞,通過圍護結(jié)構(gòu)的顯熱得熱,外表面對流換熱,外表面日射通過墻體導熱,兩種方式機理不同,15,通過非透明圍護結(jié)構(gòu)的熱傳導,由于熱慣性存在，通過圍護結(jié)構(gòu)的傳熱量和溫度的波動幅度與外擾波動幅度之間存在衰減和延遲的關(guān)系。衰減和滯后的程度取決于圍護結(jié)構(gòu)的蓄熱能力。,16,通過非透明圍護結(jié)構(gòu)的熱傳導,微分方程及邊界條件建立見板書！,17,通過非透明圍護結(jié)構(gòu)的得熱,板壁內(nèi)表面溫度同時受室內(nèi)氣溫、室內(nèi)輻射熱源和其它表面的溫度影響氣象和室內(nèi)氣溫對板壁傳熱量的影響比較確定，容易求得內(nèi)表面輻射對傳熱量的影響較復雜，涉及角系數(shù)和各表面溫度,18,內(nèi)表面輻射如何影響板壁的傳熱？,有內(nèi)輻射熱源照射時的溫度分布,Tz,Qcond,Qwall,condQwall,cond,Tin,無內(nèi)輻射熱源照射時的溫度分布,19,通過非透明圍護結(jié)構(gòu)的得熱內(nèi)表面輻射導致的傳熱量差值,將內(nèi)邊界條件線性化，則可利用線性疊加壓力將氣象與室內(nèi)氣溫的影響與其它部分分離出來，稱作：“通過圍護結(jié)構(gòu)的得熱”，HGt（x,）=t1（x,）+t2（x,）,氣象與室溫決定部分,輻射造成的增量,20,通過玻璃窗的得熱(導熱),得熱與玻璃窗的種類及其熱工性能有重要關(guān)系。,包括長波輻射部分,21,玻璃窗的種類與熱工性能,窗框型材：木框、鋁合金框、鋁合金斷熱框、塑鋼框、斷熱塑鋼框等；玻璃層間：可充空氣、氮、氬、氪等或有真空夾層；玻璃層數(shù)：單玻、雙玻、三玻等；玻璃類別：普通透明玻璃、有色玻璃、低輻射(Low-e)玻璃等；玻璃表面：各種輻射阻隔性能的鍍膜，如反射膜、low-e膜、有色遮光膜等，或在兩層玻璃之間的空間中架一層對近紅外線高反射率的熱鏡膜。,22,玻璃窗的種類與熱工性能,中空玻璃及其他墻體材料的傳熱系數(shù)W/(m2K),23,423,吸熱玻璃：在玻璃中添加金屬離子或某些物質(zhì)形成著色玻璃，獲得較高吸收率。20世紀60年代流行豐富色彩。反射玻璃：在玻璃表面附加一層膜，使之反射更多太陽輻射，獲得較高反射率。20年代70世紀流行映射景色。吸熱玻璃與反射玻璃比較,玻璃溫度：31.4,39.5,36.8,比較條件：厚度3mm，環(huán)境：32，室內(nèi)：24，太陽日射強度：600W/m2，溫差傳熱：49.4W/m2,普通玻璃,吸熱玻璃,反射玻璃,0.15,吸熱玻璃與反射玻璃的比較,24,424,玻璃窗的種類與熱工性能,7.0%45.6%45,2%2.2%,普通玻璃高高高低吸熱玻璃中中中低反射玻璃低低中低low-e玻璃低低低,近紅外線,可見光,紫外線,長波紅外線,透過率,高中,內(nèi)鍍非常薄但又耐久的鍍銀薄層。20世紀80年代盛行節(jié)能玻璃。,夏季,東西向,25,鋁合金斷熱窗框,制作過程：性能：導熱性比非斷熱鋁合金型材窗降低4070%。優(yōu)點：降低熱量傳導防止冷凝節(jié)能,26,27,通過玻璃窗的長波輻射?,夜間除溫差傳熱外，還有由于天空夜間輻射導致的散熱量。采用low-e玻璃可有效降低透光維護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)的原因？p58,長波輻射,導熱和自然對流換熱,長波輻射,室內(nèi)表面對玻璃的長波輻射,對流換熱,28,透過單位面積玻璃的太陽輻射得熱：玻璃吸收太陽輻射再傳熱造成的房間得熱：推導過程見板書總?cè)丈涞脽幔篐GsolarHGglass,+HGglass,a,通過標準玻璃的太陽輻射得熱,關(guān)于標準太陽得熱SSG(StandardSolarheatGain),29,遮陽方式,現(xiàn)有遮陽方式內(nèi)遮陽：普通窗簾、百頁窗簾外遮陽：挑檐、可調(diào)控百頁、遮陽蓬窗玻璃間遮陽：夾在雙層玻璃間的百頁窗簾，百頁可調(diào)控我國目前常見遮陽方式內(nèi)遮陽：窗簾外遮陽：屋檐、遮雨檐、遮陽蓬,30,外遮陽和內(nèi)遮陽有何區(qū)別?,外遮陽：只有透過和吸收中的一部分成為得熱,內(nèi)遮陽：遮陽設(shè)施吸收和透過部分全部為得熱,對流,透過,反射,反射,對流,透過,31,通風雙層玻璃窗，內(nèi)置百頁,32,單玻內(nèi)百頁,雙玻內(nèi)百葉,雙玻內(nèi)百葉內(nèi)通風,33,通過玻璃窗的得熱,可利用對標準玻璃的得熱SSGDi和SSGdif進行修正來獲得簡化計算結(jié)果：,實際照射面積比（外遮陽）,玻璃的遮擋系數(shù),內(nèi)遮陽設(shè)施的遮陽系數(shù),窗的有效面積系數(shù),34,通過透光維護結(jié)構(gòu)得熱量的其它計算方法,歐美國家多用太陽得熱系數(shù)SHGC(SolarHeatGainCoefficient)來描述玻璃窗或玻璃幕墻的熱工性能。這樣通過透光外圍護結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)得熱量為：,35,為了方便求得透過各種不同類型透光外圍護結(jié)構(gòu)的太陽得熱量，采用遮陽系數(shù)SC（ShadingCoefficient）來描述不同類型透光外圍護結(jié)構(gòu)的熱工特性。,36,通過圍護結(jié)構(gòu)的濕傳遞,濕傳遞的動力是水蒸氣分壓力的差。墻體中水蒸氣的傳遞過程與墻體中的熱傳遞過程相類似：其中，水蒸汽滲透系數(shù)，kg/(Ns)或s/m：,w=Kv(Pout-Pin)kg/（sm2）,37,通過圍護結(jié)構(gòu)的濕傳遞,當實際水蒸汽分壓力飽和水蒸汽分壓力時，就可能出現(xiàn)凝結(jié)或凍結(jié)。危害：降低墻體保溫能力和引起破壞。,38,東區(qū)四教某教室外墻內(nèi)表面結(jié)露后的影響,39,40,室內(nèi)熱濕源包括照明、設(shè)備、人體。設(shè)備與照明的產(chǎn)熱特點設(shè)備:進行產(chǎn)熱量計算時需要注意以下幾個方面加熱設(shè)備與電動設(shè)備；實際運行功率與額定功率；同時使用系數(shù)；照明：短波輻射與長波輻射。人體的產(chǎn)熱產(chǎn)濕見第五章！,室內(nèi)產(chǎn)熱與產(chǎn)濕,41,室內(nèi)產(chǎn)熱與產(chǎn)濕,室內(nèi)濕源包括人員、水面、產(chǎn)濕設(shè)備散濕形式：直接進入空氣得熱需考慮圍護結(jié)構(gòu)和家具的蓄熱，得濕則不考慮！濕源與空氣進行質(zhì)交換同時一般伴隨顯熱交換有熱源濕表面：無熱源濕表面：蒸汽源：,42,室內(nèi)產(chǎn)熱與產(chǎn)濕,室內(nèi)熱源得熱HGH與總散濕量WH,對流項,輻射項,短波輻射項,長波輻射項,對流項,線性化長波輻射項,43,室內(nèi)產(chǎn)熱與產(chǎn)濕,總散濕量WH及總潛熱得熱量HGH,L,44,空氣滲透帶來的得熱HGinfil,夏季：室內(nèi)外溫差小，風壓是主要動力冬季：熱壓作用往往強于風壓，尤其是高層建筑，因此冬季冷風滲透往往不可忽略?？諝鉂B透量理論求解方法：網(wǎng)絡(luò)平衡法，數(shù)值求解流體輸配管網(wǎng)課程將介紹參考文獻：朱穎心，水力網(wǎng)絡(luò)流動不穩(wěn)定過程的算法，清華大學學報,1989年,第5期工程上的求解方法：縫隙法、換氣次數(shù)法,45,空氣滲透帶來的得熱HGinfil,高速孔口出流VP1/2低速滲流VP門窗縫隙滲透流VP2/3La=vFcrack=FdP2/3,46,空氣滲透帶來的得熱HGinfil,縫隙法：La=klal換氣次數(shù)法：La=nV其中，n取值見教材表3-11。因此，空氣滲透帶來的總得熱HGinfil,47,冷負荷與熱負荷,冷負荷與熱負荷：維持一定室內(nèi)熱濕環(huán)境所需要的在單位時間內(nèi)從室內(nèi)除去（或加入）的熱量。注意:冬季為熱負荷，夏季為冷負荷。,48,負荷的大小與去除或補充熱量的方式有關(guān),常規(guī)的送風方式空調(diào)需要去除的是進入到空氣中的得熱量。,冷輻射板空調(diào)需要去除的熱量除了進入到空氣中的熱量外，還包括貯存在熱表面上的熱量。,49,得熱與冷負荷的關(guān)系,以送風空調(diào)（常規(guī)空調(diào)）為例,50,得熱與冷負荷的關(guān)系,冷負荷與得熱有關(guān)，但不一定相等！決定因素空調(diào)形式：送風空調(diào)：負荷純對流部分輻射板空調(diào)：負荷對流部分輻射部分熱源特性：對流與輻射的比例是多少？圍護結(jié)構(gòu)熱工性能：蓄熱能力如何？如果內(nèi)表面完全絕熱呢？房間的構(gòu)造：（角系數(shù)）注意：輻射得熱的存在以及圍護結(jié)構(gòu)的蓄熱作用是負荷與得熱之間存在延遲和衰減的根源！,51,常規(guī)送風空調(diào)系統(tǒng)負荷的數(shù)學表達,維護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面熱平衡方程房間空氣熱平衡方程,兩類方程,透光非透光室內(nèi)家具,請大家課后先預(yù)習，然后課上聽講解?。╬72-81）,52,維護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面熱平衡方程,通過圍護結(jié)構(gòu)的導熱量本壁面獲得的太陽輻射得熱室內(nèi)熱源短波輻射得熱室內(nèi)熱源的長波輻射得熱壁面對流得熱本壁面向其他壁面的長波輻射,針對非透光維護結(jié)構(gòu),53,維護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面熱平衡方程,針對室內(nèi)家具：Qwall,cond=0針對透光維護結(jié)構(gòu):本壁面?zhèn)鲗У脽岜颈诿嫖仗栞椛湎騼?nèi)的傳熱熱源長波輻射得熱壁面對流換熱本壁面與其它表面的長波輻射換熱,54,房間空氣的熱平衡關(guān)系,去除的對流熱空氣的顯熱增值室內(nèi)熱源對流得熱內(nèi)壁面對流得熱滲透顯熱得熱,55,其中，室內(nèi)熱源對流得熱,室內(nèi)熱源得熱室內(nèi)熱源對流得熱熱源向內(nèi)表面的長波輻射熱源向內(nèi)壁面的短波輻射,56,房間的顯熱負荷,房間的各種得熱,內(nèi)表面輻射導致的傳熱量差值,得熱和冷負荷的差值,房間空氣熱平衡的數(shù)學表達式,送風空調(diào)顯熱冷負荷的綜合表達式,空氣的顯熱增值,57,第三類邊界條件：,太難求解了！,典型負荷計算方法原理介紹,非均勻板壁的非穩(wěn)態(tài)傳熱:,58,典型負荷計算方法原理介紹,目的：使負荷計算能夠在工程應(yīng)用中實施發(fā)展：由不區(qū)分得熱和冷負荷發(fā)展到考慮二者的區(qū)別,59,穩(wěn)態(tài)算法不考慮建筑蓄熱，負荷預(yù)測值偏大動態(tài)算法:積分變換求解微分方程冷負荷系數(shù)法、諧波反應(yīng)法：夏季設(shè)計日動態(tài)模擬。計算機模擬軟件DOE-2(美國)、HASP(日本)、ESP(英國)DeST(清華),常用的負荷求解法,60,穩(wěn)態(tài)算法,方法采用室內(nèi)外瞬時溫差或平均溫差，負荷與以往時刻的傳熱狀況無關(guān)：特點簡單，可手工計算未考慮圍護結(jié)構(gòu)的蓄熱性能，計算誤差偏大應(yīng)用條件蓄熱小的輕型簡易圍護結(jié)構(gòu)室內(nèi)外溫差平均值遠遠大于室內(nèi)外溫度的波動值,61,穩(wěn)態(tài)算法舉例：北京室外氣溫和室內(nèi)控制溫度比較,62,動態(tài)計算方法,目標：求解得熱和負荷的轉(zhuǎn)換關(guān)系數(shù)學工具：積分變換變換的種類：傅立葉變換、拉普拉斯變換兩種方法：諧波反應(yīng)法、冷負荷系數(shù)法,63,積分變換法原理,針對常系數(shù)的線性偏微分方程（線性定常系統(tǒng)）有效。積分變換的概念：把函數(shù)從一個域轉(zhuǎn)換到另一個域，在這個新的域中，函數(shù)呈現(xiàn)較簡單的形式，因此可以求出解析解。然后，對求得的變換后的方程解進行逆變換，獲得最終的解。,64,為何板壁不穩(wěn)定傳熱適用拉普拉斯變換？,拉普拉斯變換的應(yīng)用條件時間變化范圍為半無窮區(qū)間（0，+）必須是線性定常系統(tǒng)拉普拉斯變換的特點復雜函數(shù)變?yōu)楹唵魏瘮?shù)偏微分方程變換為常微分方程常微分方程變換為代數(shù)方程拉普拉斯變換的解傳遞矩陣或s-傳遞函數(shù)的解的形式,65,傳遞函數(shù)與輸入量、輸出量的關(guān)系,積分變換法原理,傳遞函數(shù)G(s)僅由系統(tǒng)本身的特性決定，而與輸入量、輸出量無關(guān)，因此建筑的材料和形式一旦確定，就可求得其圍護結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)。,如果輸入原函數(shù)是指數(shù)函數(shù)，則不需變換直接輸入，即可求得解的原函數(shù)。,66,線性定常系統(tǒng)的特性,線性定常系統(tǒng)的特性：可應(yīng)用疊加原理對輸入的擾量和輸出的響應(yīng)進行分解和疊加。當輸入擾量作用的時間改變時，輸出響應(yīng)的時間在產(chǎn)生同向、同量的變化，但輸出響應(yīng)的函數(shù)不會改變。利用積分變換法求解的一般步驟：把輸入量進行分解或離散為簡單函數(shù)；利用變換求出單元輸入的響應(yīng)；把這些單元響應(yīng)進行疊加，最終得出連續(xù)輸入作用下的系統(tǒng)響應(yīng)輸出量。,67,對于求解維護結(jié)構(gòu)的非穩(wěn)態(tài)傳熱輸入量即為隨時間變化的邊界條件,求解步驟為：邊界條件的離散或分解；求對單元擾量的響應(yīng)；把對單元擾量的響應(yīng)進行疊加和疊加積分求和。邊界條件的處理辦法：對邊界條件進行傅立葉級數(shù)分解：諧波反應(yīng)法對邊界條件進行時間序列離散：冷負荷系數(shù)法,68,武漢市室外干球溫度的全年變化,69,輸入邊界條件的處理方法：傅立葉級數(shù)分解,70,輸入邊界條件的處理方法：時間序列離散,71,動態(tài)計算的兩種常用方法,諧波反應(yīng)法：任何一連續(xù)可導曲線均可分解為正(余)弦波之和。即把外擾分解為正（余）弦波，分別求出每個正(余)弦波外擾的室內(nèi)響應(yīng)，并進行疊加得到室內(nèi)負荷。對應(yīng)連續(xù)系統(tǒng)，拉普拉斯變換獲得的是s傳遞函數(shù)。典型擾量輸入：室外空氣溫度，輸出：室內(nèi)壁溫反應(yīng)系數(shù)法(冷負荷系數(shù)法)：任何連續(xù)曲線均可離散為脈沖波之和。即將外擾分解為脈沖，分別求得脈沖外擾的室內(nèi)響應(yīng)，再進行疊加得到室內(nèi)負荷。對應(yīng)離散系統(tǒng)，拉普拉斯變換獲得的是Z傳遞函數(shù)。典型擾量輸入：室內(nèi)熱源得熱，輸出：室內(nèi)負荷,72,設(shè)備使用1小時的室內(nèi)負荷響應(yīng),得熱：Q(t)輸入干擾負荷：CLQ(t)響應(yīng),反應(yīng)系數(shù)法原理圖示(1),73,設(shè)備使用2小時的室內(nèi)負荷,反應(yīng)系數(shù)法原理圖示(2),74,設(shè)備使用10小時的室內(nèi)負荷響應(yīng),反應(yīng)系數(shù)法原理圖示(3),75,反應(yīng)系數(shù)法,反應(yīng)系數(shù)的大小即反應(yīng)了某一項因素對某時刻負荷大小的影響程度。內(nèi)外擾的處理圍護結(jié)構(gòu)傳熱采用冷負荷溫度日射冷負荷采用冷負荷系數(shù)內(nèi)擾采用冷負荷系數(shù),76,反應(yīng)系數(shù)法冷負荷系數(shù)法,冷負荷系數(shù)法是房間反應(yīng)系數(shù)法的一種形式。房間反應(yīng)系數(shù)是一個百分數(shù)，它代表某時刻房間的某種得熱在其后作用時刻逐漸轉(zhuǎn)變成房間負荷的百分率。冷負荷系數(shù)法把外擾通過維護結(jié)構(gòu)形成的瞬時冷負荷表述成瞬時冷負荷溫差（CLTD）或瞬時冷負荷溫度的函數(shù)。,77,(a)圍護結(jié)構(gòu)傳熱冷負荷基本計算式tcl,wall()為冷負荷溫度逐時值，與所在地區(qū)、圍護結(jié)構(gòu)類型、氣象條件、朝向有關(guān)。tcl()反映了室外空氣溫度、陽光輻射、建筑物蓄熱等因素的綜合影響。,Ta,in,KF,Tcl,wall(t),Qcl(t),冷負荷溫度：一個當量溫度,室內(nèi)溫度,78,(b)透光圍護結(jié)構(gòu)傳熱冷負荷基本計算式(c)透過玻璃窗的日射冷負荷的計算式,Ta,in,Tcl,wind(t),Qcl(t),冷負荷溫度：一個當量溫度,室內(nèi)溫度,窗,(d)室內(nèi)熱源散熱形成的冷負荷計算式,79,(b)日射冷負荷Qcl()=FCsCnDjmaxCcl()F為窗面積，Dtmax是日射得熱因素最大值Ccl()是冷負荷系數(shù)，與緯度、朝向有關(guān)。Cs為玻璃遮擋系數(shù)，Cn為遮陽系數(shù)。,反應(yīng)系數(shù)法,80,內(nèi)擾冷負荷Qcl()=HG(0)Ccl(-0)HG(0)為內(nèi)熱源散熱量Ccl(-0)是冷負荷系數(shù)Ccl(-0)與開始使用時間和連續(xù)使用時間有關(guān)，與建筑熱特性有關(guān)。,反應(yīng)系數(shù)法,81,諧波反應(yīng)法,對外擾的分解：室外空氣綜合溫度tz()=tzp+tz()=tzp+tznsin(n+n)=A0+Ansin(2n/T+n)對