建筑热环境学6N

建筑热环境学 第六章 辐射得热与内扰 第六章 辐射得热与内扰 61 太阳辐射的透过、吸收与反射 62 室外空气综合温度 63 透过玻璃窗的太阳辐射得热 64 房间内部产热量与产湿量的计算 65 房间围护结构内表面的辐射得热 前言 对于建筑物的热环境来说，辐射传热非 常重要。 辐射传热包括两个方面，一是太阳辐射 直接传给建筑物的热量，二是围护结构 内表面间的互辐射及内扰的辐射热传递。 影响建筑物热环境的另一个重要因素是 内扰。 6.1 太阳辐射的透过、吸收与反射 透过、吸收与反射所占的比率透过、吸收与反射所占的比率 反射率 吸收率 透过率 对不透明体透过率对不透明体透过率 =0=0=0 =0 1 1 不透明物体的吸收率不透明物体的吸收率 不透明物体的吸收率并非常数，其值与物性、 温度及表面状况（颜色、光洁度等）、射线 的波长和入射角 不透明物体的吸收率并非常数，其值与物性、 温度及表面状况（颜色、光洁度等）、射线 的波长和入射角 热辐射：0.7620m的红外辐射，大气长波辐射及 其它各种辐射，吸收率等于同温度下物体的黑度 太阳辐射： 0.380.76m，总能量46；表面颜色 对可见光有强烈选择性，深颜色高于浅颜色 从法线方向开始，入射角在相当范围内吸收率变化 不大 半透明物体的吸收、反射与透过半透明物体的吸收、反射与透过 射线在不同介质分界面上的反射百 分比（折射指数分别为 射线在不同介质分界面上的反射百 分比（折射指数分别为n n n n 1 1 1 1 和和n n n n 2 2 2 2 ） )0( 1sin sin )( )( )(sin )(sin 2 1 2 1 1 2 12 2 12 2 12 2 12 2 i r n n i i iitg iitg ii ii I I )0()( 21 2 )0( 21 21 iir nn nn 建筑 热过程 建筑 热过程 222222 22 页图页图2 2 2 2 121212 12 射线通过半透明薄层的吸收百分比射线通过半透明薄层的吸收百分比 半透明薄层对太阳辐射的吸收与大气层 对太阳辐射的吸收规律相同 d为厚度；K为消光系数 对玻璃而言，当波长大于3m时，K值很大，可近 似认为不透明；对太阳光的主要波长范围，K约为 定值 2 cos0 )exp( i d LLKII )exp(1LKa )exp(1LKa 半透明薄层的反射、吸收和透过半透明薄层的反射、吸收和透过 问题：当太阳光照射到两侧均为空气的半 透明薄层时，反射、吸收和透过各为多少？ 建筑热过程建筑热过程242424 24 页图页图2 2 2 2 151515 15 光线在半透明薄层中的传递过程 阳光从外侧进入玻璃时，反射部分为r， 进入玻璃的为1-r；玻璃吸收部分为a(1-r) 到达玻璃内侧的为 (1-r) (1- a)；从玻璃内 侧反射回玻璃的为r(1-r) (1- a)；进入内侧 空气的为(1-r) 2(1- a)；被反射回的辐射经 玻璃吸收后剩下r(1-r) (1- a) a到达玻璃外 侧，反射部分为r2(1-r) (1- a) a ， 注：从两侧反射时的百分比均为r 单层半透明薄层的吸收、反射 和透过 单层半透明薄层的吸收、反射 和透过 太阳光照射到单层半透明薄层时的总反 射率、吸收率和透过率（分别为无穷多 项之和） 吸收率吸收率 反射率反射率 透过率透过率 )1(1 )1( 22 )1 ()1 (1)1 ( ar ra ararra 1 )1 (1 )1 ()1 (1 22 22 )1(1 )1()1 ( 2222 ar ar r rarar 22 2 )1(1 )1)(1( 222 )1 (1 )1)(1 ( ar ra arra 双层半透明薄层的吸收、反射 与透过 双层半透明薄层的吸收、反射 与透过 利用同样的方法可以分析双层和多层 半透明薄层的总透过率、反射率及各薄 层的吸收率。双层半透明薄层的透过率、 反射率和每层的吸收率详见建筑热过 程第24至25页。 6.2 室外空气综合温度 为什么引入室 外综合温度？ 影响围护结构 外表面热平衡的 因素有哪些？ 建筑热 过程 建筑热 过程 P26P26P26 P26 图图2 2 2 2 171717 17 影响围护结构外表面热平衡的 因素 吸收的太阳辐射qS 吸收的地面反射辐射qR 与室外空气的对流换热qca 大气长波辐射qB 吸收的地面热辐射qg 向周围环境的热辐射qr0 向壁体内侧的传热量q0 建筑热 过程 建筑热 过程 P26P26P26 P26 图图2 2 2 2 171717 17 各影响因素的计算回顾各影响因素的计算回顾(1)(1)(1) (1) 吸收的太阳辐射 直射与散射辐射强度与吸收率的乘积 吸收的地面反射 吸收率与反射辐射强度的乘积 室外对流换热 对流换热系数 ddDDs IIq RdR Iq )( 0acaca ttq 各影响因素的计算回顾各影响因素的计算回顾(2)(2)(2) (2) 吸收的大气长波辐射 吸收率、长波辐射强度与角系数的乘积 向周围环境的热辐射 以围护结构外表面温度进行热辐射 吸收的地面热辐射 地面温度可用周围大气温度代替 4 10000 )( 0 T br Cq 0racaRs qqqqq g T gbg g Cq 4 100 )( BBsdB Iq gBrra qqqq 0 墙壁与环境实际辐射换热量 围护结构外表面辐射换热 围护结构外表面与大气的辐射换热 由于大气的辐射面积远大于壁体面积，系统黑 度基本上等于壁体黑度，辐射换热可用平均温 度表示 )()( 4 100 4 1000 0a TT abra Cq )( 0arara ttq )/()()( 0 4 100 4 1000 0 a TT bra ttC a 辐射换热系数 由于a, b为接近的正数时，下式成立 辐射换热系数可简化为 3 2 1 2 2 1 3 2 1 22 )()()( )( 44 babababa baba ba ba 2 4 1000 2 0 )(104 am TT m T bra TC 在常规的温度范围内，可近似将在常规的温度范围内，可近似将 rarara ra 看作常数看作常数 对流与辐射总换热系数 对流和辐射的总换热量为 )( )()( 0 00 aa araacaa tt ttttq 因此，通常将对流和辐射的换热系数之和称为 壁表面总换热系数 围护结构外表面与外界的实际辐射换热 实际辐射换热应为外表面对天空的辐射换热与 对地面的辐射换热之和： 围护结构外表面与天空和地面组成一封闭系 统，所以辐射角系数 外表面与天空的黑度等于外表面的黑度 外表面与地面的黑度等于外表面与地面黑度的 乘积 )()( )()( 4 100 4 10000 4 100 4 100000 0 0 g S T T ggb TT ssbgBrra C Cqqqq 1 00 gs gg 00 外表面与外界实际换热的简化 将外表面与外界实际换热的表达式展开，取地 面黑度近似为1，可得到 上式表明，实际换热除常规辐射外，还存在一 项夜间辐射 上式表明，实际换热除常规辐射外，还存在一 项夜间辐射q q q q e e e e 。由于晚上天空当量温度远低于环 境温度，夜间辐射使得外表面散热增多。 。由于晚上天空当量温度远低于环 境温度，夜间辐射使得外表面散热增多。 era T ggb T ssb T bra qq CCCq g S 4 10000 4 10000 4 1000 )()()( 0 4 10000 4 10000 4 1000 )()()( g Sa T ggb T ssb T be CCCq 围护结构外表面向壁体内侧传 入的热量与室外综合温度 根据围护结构表面的热平衡方程，外表面传入 到壁体内侧的热量为 tz称为室外空气综合温度，表达式为 )( )( 0 0 0 tt qttqq qqqqq za eaaRs racaRs a e a Rs qqq az tt 夜间辐射的影响 许多空调书籍和手册在计算围护结构与 外界的换热时不考虑夜间辐射的影响， 这种做法在夏季是偏安全的，因为夜间 辐射对围护结构有冷却效果；而在冬季 则使得计算的采暖负荷偏小，不够安全 夜间辐射在夏季相当于23的安全 度，在冬季相当于采暖设计温度提高3 5 6.3 透过玻璃窗的太阳辐射得热 透过玻璃窗向房间内的传热分为两部分 导热方式传入房间的热量 辐射方式进行房间的热量 由于玻璃的热惰性小，通过导热方式进 入房间的热量可按稳态传热考虑 )()()(ntntKFnHG ra 透过玻璃窗的太阳辐射得热 透过玻璃窗的太阳辐射得热包括两部分 直接透过玻璃窗的太阳辐射 玻璃吸收太阳辐射后传入室内的热量 透过单位面积玻璃的太阳辐射得热量 直射和散射与各自透过率的乘积 ag HGHGHG ddDiDi IIHG 玻璃吸收太阳辐射后造成的房 间得热 直射和散射与各自吸收率的乘积 Ra和Rr分别为玻璃外表面和内表面的热 阻 )( ddDiDiRR R a IIHG ra a 上述方法为太阳辐射的通用计算方法上述方法为太阳辐射的通用计算方法 标准透光玻璃 玻璃种类很多，厚度也不同，为简化起 见，采用一种标准透光材料，取其在无 遮挡条件下的太阳得热量，作为标准太 阳得热量。其它玻璃则采用修正系数。 我国采用3mm厚的普通玻璃作为标准透 光材料，当入射角为0时，透过率、反射 率和吸收率分别为0.8, 0.074, 0.126 标准玻璃太阳得热 分为太阳直射辐射得热量和散射辐射得 热量 dDiddDiDi ddDiDiRR R ddDiDi SSGSSGgIgI IIIISSG ra a )()( dRR R dd DiRR R DiDi ra a ra a g g 遮阳系数 非标准玻璃或采用某种遮阳措施后，其 太阳辐射得热量与标准玻璃得热的比值 称为该玻璃的遮阳系数，用SC表示。 遮阳系数可分为对流遮阳系数SCC，辐 射遮阳系数SCR，全遮阳系数SC。 透过玻璃窗的太阳辐射得热量 xf为窗玻璃的有效面积系数 xs为阳光实际照射面积比 FxSCSSGxSSGHGS fdsDi )( 此方法为太阳辐射的简化计算方法此方法为太阳辐射的简化计算方法 6.4 房间内部产热量与产湿量的 计算 房间内部产热量与产湿量的计算是建筑 热环境分析的重要基础，如果计算不准 确或不正确，将严重影响分析与设计的 正确性，应高度重视。 产热与产湿很复杂，还有许多工作需要 作，本节给出集总参数的简化处理方法。 如要细致研究房间热环境，必须考虑产 热和产湿的分布特性及辐射的方向性。 讨论 房间中工作的风扇发热量如何计算？ 机房中工作的水泵发热量如何计算？ 房间中工作的计算机发热量如何计算？ LixtLixtLixt Lixt : : : : 风扇：全部，动能转化成热能；风扇：全部，动能转化成热能； 水泵：电机发热部分，输入轴功传给流体带走，不算 在该房间 水泵：电机发热部分，输入轴功传给流体带走，不算 在该房间 计算机：有功功率部分；功率因数计算机：有功功率部分；功率因数 LixtLixtLixt Lixt : : : : 风扇：全部，动能转化成热能；风扇：全部，动能转化成热能； 水泵：电机发热部分，输入轴功传给流体带走，不算 在该房间 水泵：电机发热部分，输入轴功传给流体带走，不算 在该房间 计算机：有功功率部分；功率因数计算机：有功功率部分；功率因数 值得进一步研究的问题 中国人（或东亚人）的发热量如何？ 不同的个体差异：老人、成年人、青少年、 儿童 性别差异 按人口的平均水平 各种灯光的发热量和辐射方向性如何？ 对流与辐射的比例 辐射的方向性 电动设备的散热 电动设备的总散热分为工艺设备散热和电 动机散热两部分，总散热为 N as nnnnHG 4321 最大功率非额定功 率，引入利用系数 最大功率非额定功 率，引入利用系数 设备不是总在最大功率 下工作，引入负荷系数 设备不是总在最大功率 下工作，引入负荷系数 各设备不同时使用， 引入同时使用系数 各设备不同时使用， 引入同时使用系数 所有功并非全部转化 为热能，引入热能转 化系数 所有功并非全部转化 为热能，引入热能转 化系数 额定功率和 电机效率 额定功率和 电机效率 电动设备散热的两种变化 如果只有电动机在房间内，则产热为 如果只有工艺设备在房间内，则产热为 NnnnnHGas 1 4321 NnnnnHGas 4321 其它设备散热 电子设备和电加热设备同电动设备，如 计算机、电加热器等 加热表面，按对流换热计算 高温炉口，按辐射四次方定律计算 此部分可参看建筑热过程100102 页 设备散湿 分为液面的散湿和设备直接产生湿蒸汽 液面散湿参建筑热过程102页 设备散湿带入的潜热（汽化潜热与产湿 量的乘积） “ hWHG aal 注意：当加热蒸汽的热量来自房间时，总 热量不变，只是显热与潜热的分配发生变化 注意：当加热蒸汽的热量来自房间时，总 热量不变，只是显热与潜热的分配发生变化 照明设备的散热 人工照明与电热设备类似 对白炽灯 对日光灯 NnHGl 3 )( 3 NNnHGl 同时使用系数 和额定功率 同时使用系数 和额定功率 镇流器功率镇流器功率 人体散热与散湿（1） 在环境温度为24时，不同劳动条件下 人体的标准显热散热量HGbs,0和总散热量 HGb，参见建筑热过程104页表43 同样劳动条件下，人体的总散热量几乎 不变； 不同温度条件下的显热散热用下式计算 mtHGHG rbsbs )24( 0, 显热散热量 变化系数 显热散热量 变化系数 人体散热与散湿（2） 单个人体的潜热散热量为 单个人体的散湿量约为 多人时的产热与产湿为：群集系数nb与相 应产热、产湿量的乘积 bsbbl HGHGHG 人hgW bl HG b / 6 . 0 全年或代表日、月的逐时产热 量和产湿量 所有这些内部产热量和产湿量均可逐时 计算，从而得到代表日的逐时产热量和 产湿量；也可得到在代表年或代表月的 逐时产热量和产湿量，从而为全年或某 个时间段的热环境分析准备好基础数据 6.5 房间围护结构内表面的辐射 得热 对于墙体这样的灰表面，一般采用有效辐射的 概念计算辐射换热。第i面围护结构的有效辐射 量Ji，是其表面本身辐射iEbi和反射辐射之和， 即： n j jjiji i biiii JF T CFJF 1 , 4 ) 100 ( Ji为i表面的有效辐射量，Fi为i表面的面积，Ti为i表 面的绝对温度，j,i为表面j对表面i的辐射角系数，i 为i表面的黑度，i为i表面的反射率，Cb为黑体辐射 常数，等于5.67W/m2； 是j表面投射到i 表面的能量。 jjij JF , 壁体间辐射换热的求解 当温度、物性、结构已知时，各表面的 有效辐射量构成一线性方程 组，可以方 便求解。 得到各个表面的有效辐射量后，i表面与j 表面间的辐射换热量Qi,j为： )( ,jiijiji JJFQ 壁体间辐射换热的简化 如果两表面间的角系数较小，而发射率 又都较大，表面间的辐射换热只需计及 一次吸收，即用吸收辐射的差值代替有 效辐射的差值，此时的近似计算式为： jii j i bjiji F T T CQ , 44 , ) 100 () 100 ( 壁体辐射换热的进一步简化 辐射换热可进一步简化为： )( ,ji r ijji ttQ ijr为两表面之间的辐射换热系数，其大 小可用下式计算： 2 )()( 3 100 )(2 4 100 )(4 100 )( )()(104 )()(/)()( nTnT m nT ijijb ij nT nT ijijb r ij ji m i j nTC ntntC T T T T mmm m (n)(n)(n) (n) 可用上一时刻值计算，或干脆将辐射 换热系数当作常数 可用上一时刻值计算，或干脆将辐射 换热系数当作常数 房间围护结构内表面获得的内 外扰辐射热量 辐射换热非常复杂，为简化计算特作如下假设： 太阳散射辐射以及照明、人体和设备的辐射得热， 均匀分布在房间各围护结构内表面上； 各围护结构内表面接受的太阳直射辐射热量，均匀 地分布在该内表面上 该假设掩盖的问题 未考虑照明、人体和设备热辐射的方向性； 未考虑接受太阳直射部分与未接受部分的区别 未考虑太阳散射对各面壁体影响程度的不同 围护结构内表面接受的辐射得热量 i