《建筑热湿环境》PPT课件.ppt

41,第4章 建筑热湿环境（教材第3、4章）,主线： 1。建筑物理因素热湿环境的形成 2。影响因素对热湿环境的定量影响负荷计算 3。人体对热湿环境的反应室内热湿环境标准 4。从人体生理学、心理学热湿环境的评价,是建筑环境中最重要的部分,42,建筑热湿环境 知识框架,半透明体围护结构的热工性能,生理学基础,心理学基础,建筑热湿环境,影响室内热环境的物理因素,太阳辐射与综合温度,湿环境,非透明体围护结构的热工性能,稳定特性,非稳定特性,冷负荷形成及 计算方法,人体生理学和心理学,冬,围护结构负荷,空气渗透负荷,光学特性,PMV-PPD法,局部不舒适感,其他稳定评价,热舒适性方程,稳定计算方法,谐波反应法,冷负荷系数法,夏,人,照明,设备,得热负荷概念,湿量计算,冷凝校验,结露防治,温态环境,动态环境,过度环境,热湿环境 评价,43,1气温 2太阳辐射 3室外空气综合温度 4热空气交换 5建筑内表面辐射6人体辐射换热 7人体对流换热 8人体蒸发散热 9室内热源,室内热湿环境的形成,第4章 建筑热湿环境,44,基本概念,A: 室外气象条件 外扰 B: 室内发热/湿/尘量 内扰(照明、设备、人体、散湿) C: 空调方式 广义外扰,外扰作用方式：热交换：太阳辐射(透明/半透明体) 、 热传导(围护结构)/（对流辐射） 空气交换：空气渗透、空调送风,内扰作用方式： 辐射 对流 蒸发,空气状态参数 变化的途径： 对流 空气直接混合 蒸发,墙体传热/湿性能影响内/外扰对室内空气环境的作用,4.1 影响室内热环境的物理因素,45,4.1 影响室内热环境的物理因素 4.1.1 太阳辐射与室外空气综合温度,建筑表面的辐射作用,直射：IN,散射：,地面反射：ID,天空散射：IS,太阳辐射 I0,大气辐射 Iy,建筑表面接受的辐射,建筑表面的气温作用,综合温度,46,4.1 影响室内热环境的物理因素 4.1.1 太阳辐射与室外空气综合温度,法线直射强度：,P大气透明度（反应大气污染、水蒸气等颗粒对日射的衰减） m大气质量（反应日射强度到达表面的路程大小）,呈指数衰减,P=IL/I0=exp(-kL),大气透明度,No.11,47,4.1 影响室内热环境的物理因素 4.1.1 太阳辐射与室外空气综合温度,大气透明度,P1 最透明 变化范围：0.650.75，在一个月份的晴天中可近似认为是常数 我国将大气透明度作了6个等级的分区，1级最透明,东京晴天的大气透明度逐月值,反应大气污染、水蒸气等颗粒对日射的衰减,P=IL/I0=exp(-kL),定义：,48,我国的大气透明度分区,49,IN = I0 P m m = L/L = 1/sin,为什么太阳高度角接近0和90时垂直面的日射量都小？,反应日射强度到达表面的路程大小,大气质量：m,4.1 影响室内热环境的物理因素 4.1.1 太阳辐射与室外空气综合温度,大气透明度,410,4.1.1 太阳辐射与室外空气综合温度, A i ,太阳辐射强度,直射辐射,411,不同太阳高度角和大气透明度下的太阳直射辐射强度,直射辐射,太阳辐射强度,412,水平面散射强度IS,S(Berlage公式)：,散射辐射与总辐射强度,G地面平均日射反射率,水平面日射总辐射：,垂直面日射总辐射：,太阳辐射强度,413,水平面总日射辐射强度：,北纬40的太阳总辐射量,按不同表面(水平、垂直、倾斜面)计算,总辐射强度,例4-1,短波？长波？,414,4.1.1 太阳辐射与室外空气综合温度,大气长波辐射(Ia)与晚间有效辐射(Iy),指建筑表面向天空的有效辐射,指大气向建筑表面的辐射,大气向建筑表面的辐射：Ia,(地表)建筑表面向天空的辐射：Id,(地表) 建筑向天空的有效辐射：IS,B,考虑云层(地表)建筑向天空的有效辐射：IS,y,天空当量温度,大气温度,式4-25,为何白天可以忽略大气长波辐射，晚间不可以？,例题4-2,晚间有效辐射,415,太阳直射辐射,太空散射辐射,对流换热,地面反射辐射,环境长波辐射,地面长波辐射,壁体得热,IS,IZ,ID,非透明体外表面接受热辐射：,4.1.1 太阳辐射与室外空气综合温度,室外空气综合温度,大气长波辐射,IZ,IS,建筑表面接受辐射,416,室外空气温度：,外表面接受的有效热辐射：,外表面得热：,短波辐射,长波辐射,4.1.1 太阳辐射与室外空气综合温度,Iy Id Ia,室外空气综合温度,417,td(I),tw,当量空气温度,+,=,室外空气温度,室外空气综合温度,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：,td(I),Iy/w工程处理： 垂直面： Iy/w = 0； 水平面： Iy/w = 3.54.0。,室外空气综合温度,418,导热特性：,100,气体 0.0060.6 Air:0.029,液体 0.070.7 Water:0.58,建筑材料 0.33.5 钢筋混凝土:1.5,金属 2.2240 建筑钢材,20,保温材料0.3,保温材料其他要求：600700kg/m3; ；耐压强度：4kg/cm2 要点: 空隙率, air solid,2,围护结构传导与热对流,聚乙烯泡沫材料：0.04,4.1 影响室内热环境的物理因素 4.1.2 非透明体围护结构的热工性能,表面热对流特性：,表4-3,w 、n = f(v、t、热面形式),墙体导热系数，W/mK,419,表面辐射特性：,一般建筑内墙：0.820.93，铝箔0.050.20 太阳集热器s ，保温材料常贴铝箔 、墙体表面反射率、吸收率、透射率 （ =0：非透明体；1：半透明体） s表面的太阳吸收率,Cb黑体辐射系数： 5.67 W/(m2K4),表面黑度：,4.1 影响室内热环境的物理因素 4.1.2 非透明体围护结构的热工性能,420,工程上： = f（墙表面平整度，室外风速）=1923 W/(m2K) = f（墙表面平整度） 8.72 W/(m2K),对流放热系数：,辐射放热系数：,以外墙为例：,out,辐射,对流,4.1 影响室内热环境的物理因素 4.1.2 非透明体围护结构的热工性能,表面辐射特性：,421,吸(放)热导热放(吸)热,稳定传热量计算,流体与壁面对流传热 以外墙为例：,壁面与壁面辐射传热 以外墙为例：,固体间导热传热,并联作用表面换热,串联作用,并联作用表面换热,4.1 影响室内热环境的物理因素,4.1.2 非透明体围护结构的热工性能,422,K0、R0墙体总传热系数,总传热热阻R0=1/K0， Kf（墙体材质）GB50176-93民用建筑热工设计规范等,tw,tn,多层均质墙体,w,n,4.1 影响室内热环境的物理因素,4.1.2 非透明体围护结构的热工性能,稳定传热量计算,423,封闭空气间层：,导热、对流、辐射同时存在 处理方法： 当量导热表4-7,实体： dR 传热,空气间层：,思考：一般封闭间层内贴铝箔(小) 以降低传热量,一般贴在高温侧避免结露,为什么？否则会使间层低温侧的温度进一步降低,增加结露的可能性,影响其保温性能.,低温侧,高温侧,高温侧,低温侧,4.1.2 非透明体围护结构的热工性能,稳定传热量计算,424,组合墙体：,（1）分层按等热流层分 （2）确定组合层并联处理成当量热阻,由的面积加权推导,（3）整个墙体按多层均质求解,4.1.2 非透明体围护结构的热工性能,计算方法：,稳定传热量计算,No.12,425,衰减特性：衰减系数0=室外综合空气温度波幅/内表面温度波幅 延迟特性：延迟时间0=内表面温度波动相位延迟 蓄热特性：蓄热系数 S = 热流波动振幅与温度波动振幅之比,qn,A0,An,=A0/An,4.1.2 非透明体围护结构的热工性能,不稳定热工特性,426,材料的蓄热系数反应材料的蓄热特性。,表面温度波动程度 S表面温度波动蓄热 一般空气间层：S=0,材料层衰减度材料内部温度衰减规律,热惰性指标反抗温度波动的能力,S可蓄热 D抗波动,D3.0：轻型结构 3.1D6.0：中型结构 D6.1：重型结构,S参数均可通过半无穷大材料的不稳定传热计算,4.1.2 非透明体围护结构的热工性能,不稳定热工特性,427,材料的蓄热系数反应材料的蓄热特性。某一匀质半无限大壁体一侧受到谐波热作用时,迎波面上接受的面积热流量振幅与该表面的温度振幅之比. 物理意义：表面温度波幅为一度时，流入材料表面的最大热流密度。它反映材料在周期性热作用下蓄热和放热的能力大小。 通常希望围护结构的材料蓄热系数要大些，这样当热流有波动时，可以减少围护结构内表面以及室内空气温度的波动。 对于同样的表面温度，蓄热系数大的材料，表面换热较大。,热惰性指标反抗温度波动的能力。材料层的热惰性指标是表示材料层受到波动热的作用后，背波面上温度波动剧烈程度的一个指标，表明材料层抵抗温度波动的能力，其能力的大小与墙体的蓄热能力有关，围护结构热容越大，蓄热能力就越大，反抗温度波动的能力就越大，因而温度波幅的衰减就越大，滞后的时间就越长。,428,4.1.2 非透明体围护结构的热工性能,不稳定热工特性 室外温度谐波传至平壁内表面时的总衰减度和总相位延迟,429,波长/m,穿透率/%,可见光,近红外线,长波红外线,0.8,玻璃对波长具有选择性的透过特性：3m以下波长几乎全部透过，但却能阻隔3 m以上的长波红外线辐射温室效应,4.1 影响室内热环境的物理因素 4.1.2 半透明体围护结构的热工性能,光学特性,430,4.1 影响室内热环境的物理因素 4.1.2 半透明体围护结构的热工性能,玻璃在界面上的反射、透过特性和内部的吸收特性： 界面的反射百分比，A0单程吸收百分比，,光学特性,431,反射百分比：,吸收百分比：,r,a0,标准玻璃K0.045,玻璃/太阳下,空气,消光系数,行程,4.1 影响室内热环境的物理因素 4.1.2 半透明体围护结构的热工性能,光学特性,432,4.1 影响室内热环境的物理因素 4.1.2 半透明体围护结构的热工性能,热工特性,窗框（材料、各种间隔、断热窗框等,玻璃系统（单层、双层、贴膜等）,组合结构,窗系统,433,单层：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。,多层：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。,4.1 影响室内热环境的物理因素 4.1.2 半透明体围护结构的热工性能,热工特性,表4-9,434,窗框型材：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：单玻、双玻、三玻等； 玻璃类别：普通透明玻璃、有色玻璃、低辐射(Low-e)玻璃等； 玻璃表面：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。,窗玻璃中心温度,4.1 影响室内热环境的物理因素 4.1.2 半透明体围护结构的热工性能,热工特性,435,通过窗进入室内的得热：玻璃得热80%，其次是缝隙空气渗透得热和窗框传热得热。,常用窗框材料的导热系数W/(mK),中空玻璃及其他墙体材料的传热系数W/(m2K),双玻热阻：,4.1.2 半透明体围护结构的热工性能,热工特性,436,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。,4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.1 得热与负荷的基本概念,得热与负荷的定义与构成,437,4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.1 得热与负荷的基本概念,冷负荷形成过程,得热：进入建筑的总热量，包括导热、对流、辐射、直接空气交换/HG(n) 空调负荷：维持环境空调去除或加入的冷量或热量/CL(n) 除热量： 房间非稳定工况下实际由空调系统除去的热量/HE(n),比例f (热源性质) 表4-15,蓄热比例f (建筑热工特性、作用形式),压缩机 功率,除热量,（空调送风方式）,与得热比较有衰减和延迟,438,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,室内热源得热分解：,4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.1 得热与负荷的基本概念,冷负荷形成过程,439,冷负荷 排除的对流热得热+潜热+空气的焓值增值 室内热源对流得热 壁面对流得热潜热 渗透得热,房间空气的热平衡关系 空调送风方式负荷,4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.1 得热与负荷的基本概念,冷负荷形成过程,稳定时,其量物理意义?,440,4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.1 得热与负荷的基本概念,建筑蓄热特性对冷负荷的影响,谐波扰量,阶跃扰量,得热量？ 蓄热量？ 冷负荷？ 除热量？ 新概念,441,的发展过程,当量温差法,谐波分解法,美/1946,苏/50年代,得热=负荷,反应系数法,ASHRAE/77年,冷负荷系数法,加/1967-71,日射冷负荷系数,Z传递函数改进,典型建筑冷负荷温差及冷负荷系数,谐波 反应法,完善,稳态 计算法,得热负荷,我国根据不同对象推荐采用：,冬季,内围护结构冷负荷,外围护结构冷负荷,室内冷负荷,窗户日射冷负荷,4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.1 得热与负荷的基本概念,负荷计算方法与模拟软件,442,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（如冬季负荷计算、夏季内墙负荷计算等）,4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.2 稳定计算方法,443,第三类边界条件：,太难求解了！,非均匀板壁的不稳定传热:,其中内表面长波辐射：,积分变换法基本原理(1),4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.3 非透明体围护结构冷负荷及谐波反应系数法,444,积分变换法基本原理(2),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。,B域：问题容易求解,对函数进行 积分变换,求解,A域：问题难以求解,对函数解进行 积分逆变换,获得解,4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.3 非透明体围护结构冷负荷及谐波反应系数法,如何选用？,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,445,拉普拉斯变换的解 形式：传递矩阵或s-传递函数 传递函数 问题的解,积分变换法基本原理(3),4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.3 非透明体围护结构冷负荷及谐波反应系数法,446,叠加,单元扰量,单元扰量响应,分解,拉普拉斯变换：热传递过程是线性定常系统,傅立叶变换：扰量周期变化,Z变换：扰量 非规则变化,扰量,扰量,三角波分解,谐波反应法,叠加条件： 线性定常系统,传递函数,冷负荷系数法,积分变换法基本原理(4),447,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)弦波外扰的室内响应，并进行叠加。 典型扰量输入：室外空气温度，输出：室内壁温 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，再进行叠加获得室内负荷。 对应离散系统，拉普拉斯变换转化为Z变换 典型扰量输入：室内热源得热，输出：室内负荷,积分变换法基本原理(5),4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.3 非透明体围护结构冷负荷及谐波反应系数法,448,n、n围护结构对n阶综合温度扰量传至内表面的衰减度及相位延迟时间，定义：,对于谐波叠加的室外(综合)空气温度：,如用振幅表示：,谐波反应法(3)多阶谐波,4.2.3 非透明体围护结构冷负荷及谐波反应系数法,449,壁面得热分解：,壁面得热分解 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 本壁面向热源的辐射 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,谐波反应法(4)得热负荷的过程,4.2.3 非透明体围护结构冷负荷及谐波反应系数法,450,双向(谐波)变化叠加计算,稳定传热： tz,p 、 tn,p qn,p=K（tz,ptn,p）,qn () = + qn,p+qn1 ( ) + qn2 ( ),tn=C,仅tz()作用:tz() n()qn1( ) ,tz=C,仅tn()作用:tn() n()qn2( ) ,外表面瞬时得热：,内表面瞬时放热：,取得n、n的途径：,大量性能试验得到（但很有限），目前手册中的大部分数据属这类； 理论计算得到（见4.1.2）。,（传入室内的得热量）,谐波反应法(4)得热计算,4.2.3 非透明体围护结构冷负荷及谐波反应系数法,451,谐波反应法(5)负荷计算,室外空气综合温度扰量,房间得热,房间负荷,墙体衰减延迟,房间衰减延迟,n、n,n、n,No.14,452,外表面太阳吸收系数,房间的衰减与延迟,负荷温差,n, n,冷负荷温度,谐波反应法(6)工程简便计算方法,4.2.3 非透明体围护结构冷负荷及谐波反应系数法,n, n,453,计算机模拟分析软件概况,4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.3 非透明体围护结构冷负荷及谐波反应系数法,454,DOE-2 (Design of Experience) 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、光模拟系统软件。采用的是传递函数法（反应系数法）。,计算机模拟分析软件概况,455,ESP-r (Energy Simulation Program for Research) ESP(ESP-r)是由英国Strathclyde大学的能量系统研究组19771984年间开发的建筑环境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。 HASP (Heating,Air-conditioning and Sanitay Engineering Program) 日本1971开发，采用热平衡方法动态计算负荷，强化建筑并考虑系统的能耗模拟软件。,z,计算机模拟分析软件概况,456,DeST (Designers Simulation Toolkit) 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。,z,分阶段,计算机模拟分析软件概况,457,得热分析：,玻璃吸收的太阳辐射向室内传入的分额,4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.4 半透明体围护结构得热与负荷及其节能方法,半透明体围护结构得热,1。日射透射得热,2。内壁面对流得热：日射吸热得热、温差传热得热,q=I,q=I,458,定义：日射得热因数 处理方法：先解标准玻璃得热，其他玻璃则采用修正系数,半透明体围护结构得热,工程处理：定义标准玻璃,标准玻璃：我国采用3mm厚的普通玻璃当入射角为i =0 时， =0.8，=0.074，=0.126 标准玻璃日射得热日射得热因数Ds,459,吸热玻璃：在玻璃中添加金属离子或某些物质形成着色玻璃，获得较高吸收率。20世纪60年代流行丰富色彩。 反射玻璃：在玻璃表面附加一层膜，使之反射更多太阳辐射，获得较高反射率。20年代70世纪流行映射景色。 吸热玻璃与反射玻璃比较,玻璃温度： 31.4,39.5,36.8,比较条件：厚度3mm，环境：32，室内：24，太阳日射强度：600W/m2，温差传热：49.4W/m2,普通玻璃,吸热玻璃,反射玻璃,0.15,4.2.4 半透明体围护结构得热与负荷及其节能方法,玻璃面发展及其节能特性,460,low-e玻璃：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。,4.2.4 半透明体围护结构得热与负荷及其节能方法,玻璃面发展及其节能特性,461,4.2.4 半透明体围护结构得热与负荷及其节能方法,玻璃面发展及其节能特性,7.0% 45.6% 45,2% 2.2%,普通玻璃 高 高 高 低 吸热玻璃 中 中 中 低 反射玻璃 低 低 中 低 low-e玻璃 低 低 低,近红外线,可见光,紫外线,长波红外线,透过率,高中,内镀非常薄但又耐久的镀银薄层。 20世纪80年代盛行节能玻璃。,夏季,东西向,462,仅内窗帘,各种遮阳及遮挡的日射得热比较,降低通过玻璃门窗传入室内热量的措施,4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.4 半透明体围护结构得热与负荷及其节能方法,463,有效面积系数,地点修正系数,降低通过玻璃门窗传入室内热量的措施,4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.4 半透明体围护结构得热与负荷及其节能方法,玻璃的遮阳系数(遮挡系数),窗户的遮阳系数,窗户面积,例4-8、例4-9,不同措施的日射得热,窗玻璃的遮阳系数,窗户得热,464,降低通过玻璃门窗传入室内热量的措施,4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.4 半透明体围护结构得热与负荷及其节能方法,通风窗、双层通风玻璃幕墙,通 风 窗,空 气 屏 障 式,吸热后产生烟囱效应,自然,机械,通风排热,改善窗际微环境,原理：,节能,465,通风双层玻璃窗，内置百页,呼吸式玻璃幕墙：,466,a)外立面 b)通风换气层 图4-29 双层通风玻璃幕墙,降低通过玻璃门窗传入室内热量的措施,双层通风玻璃幕墙,467,半透明体围护结构负荷计算方法,4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.4 半透明体围护结构得热与负荷及其节能方法,扰量,得热,得热,扰量,负荷,传导负荷,日射负荷,经过了什么部件被衰减和延迟了?,468,负荷温差： 与什么因素有关？,玻璃窗日射冷负荷,玻璃窗传导冷负荷,n, n,降低通过玻璃门窗传入室内热量的措施,4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.4 半透明体围护结构得热与负荷及其节能方法,工程处理：,日射负荷强度= 日射得热日射负荷系数,n, n,469,处理方式：太阳辐射中不考虑直射辐射。 有阴影与无阴影混合作用： 分别考虑，按面积 计算各得热。 阴影面积：可由几何关系求解。 空调得热计算：按最不利情况计算，不考虑 因阴影面而引起的得热减少。,降低通过玻璃门窗传入室内热量的措施,4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.4 半透明体围护结构得热与负荷及其节能方法,外遮阳阴影面处理,470,冷负荷系数法原理,4.2.5 冷负荷系数法与室内负荷,室内热源简化基本思想：,扰量系数,室内热源设备：,冷负荷系数,HG(0)内热源散热量,- 0 热源开始散热至计算时刻 CLQ(- 0)冷负荷系数负荷强度系数，它与开始使用时间和连续使用时间有关，与建筑热特性有关。,471,冷负荷系数求解原理图 （照明负荷）,q,冷负荷系数的简便计算,4.2.5 冷负荷系数法与室内负荷,472,冷负荷系数的简便计算,4.2.5 冷负荷系数法与室内负荷,473,计算基数：输入功率N（电动设备安装功率）/kW 注意计算时应考虑： n1利用系数(最大实耗功率与安装功率之比) ； n2同时使用系数； n3负荷系数(实耗功率与最大实耗功率之比) ； n4有局部排风时应考虑排风带走热量的系数。,主要常见设备有电热设备、电动设备/考虑电动机效率,室内负荷,4.2.5 冷负荷系数法与室内负荷,设备得热与负荷,474,人体,显热,潜热,辐射热,对流热,对流热,吸收热,负荷,水分蒸发：,水分,温度,湿度,得热,室内负荷,4.2.5 冷负荷系数法与室内负荷,人体得热与负荷,475,谐波反应法的简化算法与冷负荷系数法形式一致。 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。 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。,积分变换法/两种积分变换法总结,4.2.5 冷负荷系数法与室内负荷,476,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 网络平衡法原理： 工程应用：压差法、缝隙法、换气次数法,节点平衡：Gi0 回路压力平衡：P0,通风渗透得热 = 室内外焓差 渗透风量负荷,为什么？,计算关键？,4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.6 通风渗透负荷,477,风压,正压空调,热压,下部渗入,上部渗出,高层建筑,夏季,冬季,负压渗入 正压渗出,负压空调,迎风面渗入被风面渗出,气密性,室外风速,压差法,缝隙法,换气次数法,压差,高大空间,自然通风,流量平衡网络法,La=klal =f (室外风速,门窗结构,门窗缝隙长度）,La=nV=f（换气次数，室容积）,第三章,视情况考虑,一般考虑,渗透动力,起因,现象,影响因素,方法,多开口,？,4.2.6 通风渗透负荷,计算方法分析,478,湿源：人员、工艺设备、水槽、地面积水等； 散湿均变为瞬时负荷； 围护结构与家具的蓄湿作用一般不考虑。,湿表面散湿量：,教材式(4-121),式中： P水表面温度下的饱和空气的 水蒸 汽分压力 P空气中的水蒸汽分压力 B当地实际大气压； F水表面蒸发面积； 蒸发系数；=0+13.07108v,4.3 室内湿环境的形成 4.3.1 室内湿源及其散湿量,479,(1)湿表面散湿量：,4.3 室内湿环境的形成 4.3.1 室内湿源及其散湿量,（2）若蒸发过程是一个绝热过程， 则室内的总得热量并没有增加。空气向水传递的热量为 Q=F（trtrs） 式中：tr、trs 分别为空气干球温度、湿球温度 这些热量全部用于水分的蒸发，湿地面的散湿量为： W=Q/r 式中，r水的汽化潜热，2450kJ/kg； W=0.006(trtrs)F kg/h,480,湿源：人员、工艺设备、水槽、地面积水等； 散湿均变为瞬时负荷； 围护结构与家具的蓄湿作用一般不考虑。,湿表面,功率为N的热源加热蒸发,湿表面散湿量：,教材式(4-121),符号见教材P.182,冷负荷：蒸汽潜热，一般蒸汽的显热不考虑,湿负荷：蒸汽量,自然蒸发,湿负荷：式(4-121),蒸汽源,冷负荷：根据设备散热方式，由N确定,湿负荷：式(4-121),工艺性发湿除外,4.3 室内湿环境的形成 4.3.1 室内湿源及其散湿量,人体,481,围护结构传湿与传热具有相似性，其蒸汽渗透量(湿负荷)为：,4.3 室内湿环境的形成 4.3.2 墙体传湿及计算,482,每层界面上温度： 每层界面上水蒸汽分压力：,4.3.2 墙体传湿及计算,在稳定条件下从围护结构内表面算起， 1.计算第n层材料层外表面的温度。 2.由计算出的温度查表对应出第n层材料层的饱和压力。 3.计算在稳定条件下从围护结构内表面算起，第n层材料层外表面的水蒸汽分压力。 4.如图：作出饱和水蒸气压力和实际水蒸气压力曲线。,483,每层界面上温度： 每层界面上水蒸汽分压力：,导热系数大温降小 渗透系数大分压力降小,ab,t(x) Pbt(x)= Pb(x) p(x),冷凝？,4.3 室内湿环境的形成 4.3.2 墙体传湿及计算,484,目的：建筑物内部无水汽凝结 （美观、减少发病率、降低采暖费、延长建筑寿命） 检验方法：使建筑物表面(表面结露)、各层(内部结露),1) 调整各材料层顺序；见图 保温层：导热系数小，但渗透系数大。 图中A相当于保温层、B相当于隔汽层 2) 设置隔汽层；布置原则：“进难易出”见图 （水汽侧）内隔汽层保温层外 采暖房间？冷库？ 3) 设置通风间层或泄汽沟道,消除围护结构内部冷凝的方法,Pi(x)pb(x),4.3 室内湿环境的形成 4.3.3 围护结构结露及其防治,例4-11,大Rv材料,485,人体对热湿环境的反应,教材第四章内容,486,人体体温生理特征,肝脏：最高，38 皮肤：与外界环境有关 各部分温差不会太大 日夜有1以内的波动 代表温度：核心温度,4.4 热湿环境中的人体生理学和心理学基础 4.4.1 热湿环境中的人体生理学基础,生理特征,蓄热,15,487,人体体温的表示,核心温度下丘脑部位处,皮肤温度,易测的代表温度表4-38,直肠温度,平均温度,(在热环境中),(在冷环境中),人体体温生理特征,4.4 热湿环境中的人体生理学和心理学基础 4.4.1 热湿环境中的人体生理学基础,488,人体的正常温度,人体体温生理特征,4.4 热湿环境中的人体生理学和心理学基础 4.4.1 热湿环境中的人体生理学基础,人的正常体温： 36.5 人的皮肤表面温度为： 33.3,?,489,人体的皮肤和内脏器官有无数个“冷点”（冷感受器）和“热点”（热感受器），它们使大脑产生冷热感觉的作用系统如下：,冷热感受系统,4.4.1 热湿环境中的人体生理学基础,人体热感受系统,问题：为什么人对冷更敏感？,冷感受器与热感受器在皮肤中的分布密度不同,冷感受器的数目多于热感受器,490,人体与非生物体的区别：人体的温度和散热量并不完全由环境因素决定，在一定环境参数范围内人体的体温调节系统可以将人体的核心温度维持在一个适合于生存的较窄的范围内,比较核心温度与设定值偏差,静止:36.8;步行:37.4 ； 慢跑:37.9;剧烈运动:39.5 ; ,自调节控制系统,4.4.1 热湿环境中的人体生理学基础,人体的体温自调节控制系统,491,研究方法：心理学，研究感觉与刺激间的关系学科称为心理物理学。 定义：人对周围环境“冷”“热”的主观描述。 特点：尽管人描述环境的冷热，实际上只能感觉到自己皮肤下神经末梢的温度。所以“冷”“热”与感受者的身体状态有关，不是完全客观的反映。 “中性”的定义：不冷不热，人用于体温调节消耗的能量最小。 度量：感觉不能用任何直接的方法测量。,热感觉,4.4 热湿环境中的人体生理学和心理学基础 4.4.2 热湿环境中的人体心理学基础,几个概念,492,皮肤温度变化率对冷/热阈的作用,热感觉,4.4 热湿环境中的人体生理学和心理学基础 4.4.2 热湿环境中的人体心理学基础,493,实线暖阈、凉阈 虚线感觉变化阈,皮肤感觉与适应温度以及变化量之间的关系,这种感觉有皮肤冷热感的适应性决定的,问题：环境温度30时，在什么情况下感觉暖？,问题：环境温度36时，在什么情况下感觉凉？,热感觉,4.4 热湿环境中的人体生理学和心理学基础 4.4.2 热湿环境中的人体心理学基础,494,一只手浸入热水后的疼痛强度,问题：浸在45 的水中，感到疼痛的时间约多少？,热感觉,4.4 热湿环境中的人体生理学和心理学基础 4.4.2 热湿环境中的人体心理学基础,描述人对热刺激的反应,495,热舒适,4.4 热湿环境中的人体生理学和心理学基础 4.4.2 热湿环境中的人体心理学基础,当人获得一个快感的刺激时是舒服的，但此时可能热感觉可能是中性的甚至是非中心的,同样的手温有时感到舒适有时感到不舒适，说明了什么？,496,冷感觉一般情况取决于平均皮肤温度； 热感觉最初取决于皮肤温度，而后取决于深部体温； 热舒适感是人体自身通过热平衡和感觉到的环境状况并综合起来获得是否舒适的感觉,由生理和心理综合决定.,热舒适,4.4 热湿环境中的人体生理学和心理学基础 4.4.2 热湿环境中的人体心理学基础,标度表4-40,497,人体蓄热率,人体能量代谢率,人体产热率,与活动强度有关,衣 着,主要影响因素: 环境(t,v,tr) 衣着 活动量,人体所作机械功,人体与环境辐射换热率,人体与环境对流换热率,人体蒸发 散热率,热平衡方程,4.4 热湿环境中的人体生理学和心理学基础 4.4.3 人体热平衡方程以及热舒适性描述,498,人体感到舒适的必要条件： S = 0 人体感到舒适的充分条件： 人体按正常比例散热,当S=0时：,将前述各散热量计算式代入方程式，可以得到如下公式，即人体蓄热量S取决于6个因素的定量描述：,P.O.Fanger热舒适方程,人体正常的散热范围：,热舒适方程,4.4 热湿环境中的人体生理学和心理学基础 4.4.3 人体热平衡方程以及热舒适性描述,499,蓄热量不同时的生理现象,4.4 热湿环境中的人体生理学和心理学基础 4.4.3 人体热平衡方程以及热舒适性描述,S0： 体温升高， 40时人出汗停止； 43.5 时人死亡。 S0: 体温降低，人体颤抖； 34时，肌肉适应，停止颤抖； 28时，呼吸停止，人死亡。,4100,产能量 (代谢率),进食,体内化学反应等,客观因素:活动强度/环境/性别/年龄/进食后时间长短/等 主观因素:神经紧张程度等,作机械功,皮肤/服装/呼吸,热交换,环境,热平衡,与无生命物质能量平衡的主要区别,单位 met：1 met = 58.2 W/m2，即成年男子静坐时的代谢率。,成年男子BMR：46 W/m2 /0.8met,BMR变化范围：1015。超过20为病态。,影响因素,基础代谢率/BMR 维持生命所需最低产能用于比较不同条件时的代谢率 / 早餐前清醒静卧半小时,室温为1825测得,人体能量代谢率M,4.4 热湿环境中的人体生理学和心理学基础 4.4.3 人体热平衡方程以及热舒适性描述,研究方法,4101,人体能量代谢率M,M = f (耗氧量、CO2排放量) = f (活动量),1met,0.8,3km/h,2.0,3.0,8.0,5km/h,10km/h,1.4,一般室内运动代谢率多在5 met 以下,肌肉活动强度对代谢率起决定性的影响,表4-42,式4-134,4.4 热湿环境中的人体生理学和心理学基础 4.4.3 人体热平衡方程以及热舒适性描述,定量方法,表面积1.8m2,中国人的表面积1.51.8m2；,4102,定义：,人体的机械效率,S=0时： C+R+E=(M-W)实际M计算,空调负荷计算时：取0，即：W0 偏安全计算,人体所作的机械功W,4.4 热湿环境中的人体生理学和心理学基础 4.4.3 人体热平衡方程以及热舒适性描述,0.2,4103,呼吸显热散热：,皮肤汗液蒸发散热：,皮肤湿扩散散热：,呼吸潜热散热；,人体平均皮肤温度：,皮肤,呼吸,人体总蒸发散热量E,4.4 热湿环境中的人体生理学和心理学基础 4.4.3 人体热平衡方程以及热舒适性描述,4104,人体表面发射率，灰体且长波辐射时等于吸收率,f eff 人体有效辐射面积修正系数，考虑不同姿势的修正,斯蒂芬-玻尔兹曼常数5.6710-8W/m2K4,tcl 衣服外表面温度：,0.8 0.4 0.7,0.78 0.72 0.7,人体外表面与外界的辐射换热量R,4.4 热湿环境中的人体生理学和心理学基础 4.4.3 人体热平衡方程以及热舒适性描述,4105,tcl 可以通过联立求解,人体外表面与周围环境空气的对流换热量C,4.4 热湿环境中的人体生理学和心理学基础 4.4.3 人体热平衡方程以及热舒适性描述,fcl 人体服装面积系数，它是着装后实际表面积Acl与人体 裸身表面积AD之比，即：,对流换热,4106,当S=0人体达到热平衡时有：,4.4 热湿环境中的人体生理学和心理学基础 4.4.3 人体热平衡方程以及热舒适性描述,舒适性方程及其影响因素,M、W、ta、Pa、mrt、fcl、tcl、cl。,f(tcl，ta，va),f(ta，va，Icl ， fcl ，mrt，M),f(Icl ),f(ta、a ),ta、Pa(或)、mrt、 va 、 M、 Icl,六个影响参数：,4107,S= (M - W) 1.73 10-2 M (5.867 Pa ) 0.0014 M (34 ta ) 3.05 5.733 0.007 (M W) Pa 0.42 ( M W 58.2 ) 皮肤扩散蒸发散热 汗液蒸发散热 fcl cl ( tcl - ta ) 3.96 10-8 fcl (tcl + 273)4 (mrt+ 273)4 对流散热 辐射散热 =TL=,S=(M - W) (E CR) = 0,呼吸潜热,呼吸显热散热,达到热平衡时,4.5 人对热湿环境的评价 4.5.1 PMV-PPD指标及其影响因素,舒适性方程PMV,S PMV：客观物理量感觉主观定量,表4-43,4108,PMV,PPD,通过满意度描述由大量试验获得,PMV指标只代表了同一环境下绝大多数人的感觉，不能代表所有个人的感觉。 PPD是通过概率分析确定某环境条件下人群不满意的百分数 即便达到 PMV0，仍然有5的人不满意。,PMV PPD,4.5 人对热湿环境的评价 4.5.1 PMV-PPD指标及其影响因素,4109,4.5 人对热湿环境的评价 4.5.1 PMV-PPD指标及其影响因素,环境参数,环境参数,活动量,衣着,可以有ta、Pa()、 va、 mrt、 M、 Icl多种组合 达到同样的感觉PMV,ta a va,ta：决定了能耗,a ：决定了排汗,气流形式,干冷,湿冷,闷热,皮肤润湿度=,体表实际蒸发散热量,最大潜热散热量,体表全部被汗湿润,采暖通风与空气调节设计规范 GB 50019-2003：,4110,一个假象的等温围合面的表面温度，它与人体间的辐射热交换量等于人体周围实际的非等温围合面与人体间的辐射热交换量。,=,4.5 人对热湿环境的评价 4.5.1 PMV-PPD指标及其影响因素,环境参数,平均辐射温度mrt,Mean Radiation Temperature,4111,环境空气温度,150mm,黑球温度tg,风速,黑球温度,4.5 人对热湿环境的评价 4.5.1 PMV-PPD指标及其影响因素,环境参数,平均辐射温度mrt,4112,单位1clo为静坐、ta=21、v0.05m/s、50%时舒适所需衣服热阻。 1clo = 0.155m2K/W (衬衣+普通外套),人体衣着多少直接影响人体热平衡或者人体蓄热的多少。,在与图中情况不同时(如活动量等)，应对其参数进行修正。,4.5 人对热湿环境的评价 4.5.1 PMV-PPD指标及其影响因素,2. 服装热阻Icl,定量,4113,特性,步速 3.7km/h 1clo 0.48 clo,前述Icl一般指显热热阻 运动时：人运动时由于人体与空气之间存在相对流速，会降低服装的热阻。 Icl = 0.504 Icl + 0.00281Vwalk 0.24 坐姿热阻：椅子给人增加0.15 clo以下的热阻 Icl = 7.48 10 5 CSAC 0.1,湿润服装热阻：服装被汗湿 润后热阻会下降，显热换热加强，又增加了潜热换热，故总传热系数增加，总热