建筑热湿环境.ppt

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1、1,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,2,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,3,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,辐射,导热 (水蒸汽渗透),4,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

2、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。,5,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,6,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,7,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-

3、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,8,太阳辐射在玻璃中传递过程,玻璃的吸收百分比a0 :,9,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。,10,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？,11,室外空气综合温度,12,60！,35！,室外空气综合温度 Sola

4、r-air Temperature,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：,13,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？,14,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

5、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？,天空辐射（夜间辐射，有效辐射）,15,通过围护结构的显热得热,通过围护结构的显热得热,外表面对流换热,外表面日射通过墙体导热,两种方式机理不同,16,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。,17,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

6、面长波辐射：,18,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。,19,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,20,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,21,内表面辐射如何影响板壁的传热？,Tout,air,Qout,Qcond,Qin=Qconv,Tin,air,22,通过

7、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：,23,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。,24,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、lo

8、w-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。,25,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。,26,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。,27,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

9、、外两侧散热 总得热：HGsolarHGglass, + HGglass,a,通过玻璃窗的得热,28,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,玻璃的遮挡系数,遮阳设施的遮阳系数,窗的有效面积系数,29,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0.3,30,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-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

10、,导热和自然对流换热,长波辐射,室内表面对玻璃的长波辐射,对流换热,31,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,32,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,对流,透过,反射,反射,对流,透过,33,通风双层玻璃窗，内置百页,34,内百页,无通风,有通风,35,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

11、类似：w = Kv (Pout - Pin) kg/sm2 水蒸汽渗透系数，kg/(Ns) 或 s/m：,36,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。,37,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,38,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

12、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,39,人体散热散湿,见第五章！,40,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

13、工程应用：缝隙法、换气次数法,41,网络平衡法原理,节点平衡：AG0 回路压力平衡：B P0,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。,42,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

14、包括显热负荷。,43,负荷的大小与去除或补充热量的方式有关,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。,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。,44,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。,45,得热与冷负荷的关系,46,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

15、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！,47,48,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,49,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,50,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,51,房间的总冷负荷,房间的各种得热,空气的显热增值,内表面辐射导致 的

16、传热量差值,房间空气热平衡的数学表达式,对辐射项进行了线性化而导出,52,第三类边界条件：,太难求解了！,典型负荷计算方法原理介绍,非均匀板壁的不稳定传热:,其中内表面长波辐射：,53,典型负荷计算方法原理介绍,目的：使负荷计算能够在工程应用中实施 发展：由不区分得热和冷负荷发展到考虑二者的区别,54,稳态算法 不考虑建筑蓄热，负荷预测值偏大 动态算法，积分变换求解微分方程 冷负荷系数法、谐波反应法：夏季设计日动态模拟。 计算机模拟软件 DOE2(美国)、HASP(日本)、ESP(英国) DeST(清华),常用的负荷求解法,55,稳态算法,方法 采用室内外瞬时温差或平均温差，负荷与以往时刻的传

17、热状况无关： QKFT 特点 简单，可手工计算 未考虑围护结构的蓄热性能，计算误差偏大 应用条件 蓄热小的轻型简易围护结构 室内外温差平均值远远大于室内外温度的波动值,56,稳态算法举例：北京室外气温和室内控制温度比较,57,积分变换法原理,对于常系数的线性偏微分方程，采用积分变换如 傅立叶变换 或 拉普拉斯变换。积分变换的概念是把函数从一个域中移到另一个域中，在这个新的域中，函数呈现较简单的形式，因此可以求出解析解。然后再对求得的变换后的方程解进行逆变换，获得最终的解。,58,为何板壁不稳定传热适用拉普拉斯变换？,拉普拉斯变换的应用条件 时间变化范围为半无穷区间（0，+） 必须是线性定常系统

18、 拉普拉斯变换的特点 复杂函数变为简单函数 偏微分方程变换为常微分方程 常微分方程变换为代数方程 拉普拉斯变换的解 传递矩阵或s-传递函数的解的形式,59,传递函数与输入量、输出量的关系,积分变换法原理,传递函数G(s)仅由系统本身的特性决定，而与输入量、输出量无关，因此建筑的材料和形式一旦确定，就可求得其围护结构的传递函数。这样就可以通过输入量和传递函数求得输出量。,如果输入原函数是指数函数，则不需变换直接输入，即可求得解的原函数。,60,应用条件,对于普通材料的围护结构的传热过程，在其一般温度变化的范围内，材料的物性参数变化不大，可近似看作是常数，可采用拉普拉斯变换法来求解。 对于采用材料

19、的物性参数随温度或时间有显著变化的围护结构的传热过程，就不能采用拉普拉斯变换法来求解。,61,线性定常系统的特性,可应用叠加原理对输入的扰量和输出的响应进行分解和叠加。 当输入扰量作用的时间改变时，输出响应的时间在产生同向、同量的变化，但输出响应的函数不会改变。 可把输入量进行分解或离散为简单函数，再利用变换法进行求解。求出分解或离散了的单元输入的响应，这些响应也应该呈简单函数形式。再把这些单元输入的响应进行叠加，就可以得出实际输入量连续作用下的系统的响应输出量。,62,输入边界条件的处理方法,输入边界条件的处理步骤 边界条件的离散或分解； 求对单元扰量的响应； 把对单元扰量的响应进行叠加和叠

20、加积分求和。 两种基于积分变换的负荷计算法：函数均采用拉普拉斯变换，边界条件的处理方法不同 对边界条件进行傅立叶级数分解：谐波反应法 对边界条件进行时间序列离散：反应系数法,63,武汉市室外干球温度的全年变化,64,输入边界条件的处理方法：傅立叶级数分解,65,输入边界条件的处理方法： 时间序列离散,66,两种积分变换法,反应系数法(冷负荷系数法)： 任何连续曲线均可离散为脉冲波之和。将外扰分解为脉冲，分别求得脉冲外扰的室内响应，再进行叠加 室内负荷。 对应离散系统，拉普拉斯变换转化为Z变换 谐波反应法： 任何一连续可导曲线均可分解为正(余)弦波之和。把外扰分解为余弦波，分别求出每个正(余)弦

21、波外扰的室内响应，并进行叠加。,67,设备使用1小时的室内负荷响应,得热：Q(t)输入干扰 负荷：CLQ(t)响应,反应系数法原理图示(1),68,设备使用2小时的室内负荷,反应系数法原理图示(2),69,设备使用10小时的室内负荷响应,反应系数法原理图示(3),70,反应系数法,反应系数的大小即反应了某一项因素对某时刻负荷大小的影响程度。 反应系数为01，相当于影响为0100%。 内外扰的处理 围护结构传热采用冷负荷温度 日射冷负荷采用冷负荷系数 内扰采用冷负荷系数,71,(a) 围护结构传热冷负荷基本计算式 Qcl() = KF tcl() tin tcl()为冷负荷温度逐时值，与围护结构

22、类型、气象条件、朝向有关。 tcl()反映了室外空气温度、阳光辐射、建筑物蓄热等因素的综合影响。,tin,KF,tcl(t),Qcl(t),冷负荷温度： 一个当量温度,室内温度,72,(b) 日射冷负荷 Qcl() = F Cs Cn Dtmax Ccl() F为窗面积，Dtmax是日射得热因素最大值 Ccl()是冷负荷系数，与纬度、朝向有关。 Cs为玻璃遮挡系数，Cn为遮阳系数。,反应系数法,73,内扰冷负荷 Qcl() = HG(0) Ccl ( - 0) HG(0)为内热源散热量 Ccl(- 0)是冷负荷系数 Ccl(- 0)与开始使用时间和 连续使用时间有关，与建 筑热特性有关。,反应

23、系数法,74,谐波反应法,对外扰的分解：室外空气综合温度 tz () = tzp+ tz () = tzp+ tzn sin(n + n) = A0+ An sin(2n/T + n) 对外扰的响应形式：围护结构对不同频率外扰有一定的衰减n=An/Bn与延迟n，响应也是傅立叶级数形式： tin,n () = An/nsin(2n/T+n-n) 通过围护结构形成的负荷：叠加tin,n ()可得出tin()，通过tin()和室内热平衡就可求出负荷。,75,谐波反应法,玻璃窗冷负荷 传热温差用外气温而不是室外综合温度： Qcl() = KF t() = KF twp tin + twn sin(n

24、+ n) 内扰冷负荷 对内扰响应的分解方法类似对外扰响应的分解。,76,谐波反应法的简化算法,算法繁琐，故需要简化 传导部分(墙、窗)： Qcl() = KFt- t为负荷温差，表中值为室温26时温差，可修正。算法同冷负荷系数法。 日射部分：Qcl() = xgxdCnCsFJ() xg窗有效面积系数，xd地点修正系数，J()为负荷强度。 xdJ相当于冷负荷系数法的DmaxQcl()，xgF相当于冷负荷系数法的F。 内扰部分： Qcl() = HG(0) JX - o JX - o为设备负荷强度系数( - 0时刻)，同冷负荷系数法的Ccl()。,77,两种积分变换法总结,谐波反应法的简化算法与

25、冷负荷系数法形式一致。 为了便于手工计算，均把内外扰通过一个板壁形成的冷负荷分离出来，作为一个孤立的过程处理，不考虑与其它墙面和热源之间的相互影响。 不能分析变物性的材料如相变材料制成的围护结构热过程。,78,两种积分变换法总结,只是在一定程度上反应了得热和冷负荷之间的区别，对辐射的影响作了很多简化： 对墙体内表面之间的长波辐射作了简化处理，给定比例 忽略了透过玻璃窗日射落在墙内表面上的光斑的影响 热源对流和辐射比例给定，与墙表面角系数给定 把室内空气温度看作是常数 如果房间与简化假定相差较远，则结果的误差较大，如内表面温度差别大、房间形状不规则、室内空气控制温度随时间变化等。,79,模拟分析

26、软件,GATE，60年代末，美国，稳态计算 现在 美国：DOE-2、BLAST、EnergyPlus、NBSLD 英国：ESP 日本：HASP 中国：DeST,80,模拟分析软件：美国，反应系数法,DOE-2 由美国能源部主持，美国 LBNL开发，于1979年首次发布的建筑全年逐时能耗模拟软件，是目前国际上应用最普遍的建筑热模拟商用软件，用户数估计达到10002500家，遍及40多个国家。其中冷热负荷模拟部分采用的是反应系数法，假定室内温度恒定，不考虑不同房间之间的相互影响。 EnergyPlus 美国LBNL 90年代开发的商用、教学研究用的建筑热模拟软件。采用的是传递函数法（反应系数法）。

27、,81,模拟分析软件：欧洲，有限差分法,ESP ESP(ESP-r)是由英国Strathclyde大学的能量系统研究组19771984年间开发的建筑与设备系统能耗动态模拟软件。负荷算法采用的是有限差分法求解一维传热过程，而不需要对基本传热方程进行线性化，因此可模拟具有非线性部件的建筑的热过程，如有特隆布墙(Trombe wall) 或相变材料等变物性材料的建筑。采用的时间步长通常以分钟为单位。该软件对计算机的速度和内存有较高要求。,82,模拟分析软件：中国，状态空间法,DeST 90年代清华大学开发的建筑与HVAC系统分析和辅助设计软件。负荷模拟部分采用状态空间法，即采用现代控制论中的“状态空

28、间”的概念，把建筑物的热过程模型表示成： 状态空间法的求解是在空间上进行离散，在时间上保持连续。对于多个房间的建筑，可对各围护结构和空间列出方程联立求解，因此可处理多房间问题。 其解的稳定性及误差与时间步长无关，因此求解过程所取时间步长可大至1小时，小至数秒钟，而有限差分法只能取较小的时间步长以保证解的精度和稳定性。但状态空间法与反应系数法和谐波反应法相同之处是均要求系统线性化，不能处理相变墙体材料、变表面换热系数、变物性等非线性问题。,83,习题,室外空气综合温度是单独由气象参数决定的吗？ 什么情况下建筑物与环境之间的长波辐射可以忽略？ 透过玻璃窗的太阳辐射中是否只有可见光，没有红外线和紫外线？ 透过玻璃窗的太阳辐射是否等于建筑物的瞬时冷负荷？,84,习题,室内照明和设备散热是否直接转变为瞬时冷负荷？ 为什么冬季往往可以采用稳态算法计算采暖负荷而夏天却一定要采用动态算法计算空调负荷？ 围护结构内表面上的长波辐射对负荷有何影响？ 夜间建筑物可通过玻璃窗长波辐射把热量散出去吗？,