（市政工程专业论文）大空间自然通风建筑的热环境研究.pdf

太原理工大学研究生毕业论文 第1 页 摘要 本文以太原地区候车厅等自然通风公共建筑为研究对象，采 用实验和计算模拟的方法，动态分析了室内热环境。应用平衡分 析法，建立了热量平衡、湿量平衡的数学模型，用反应系数法求 解围护结构传热，并综合考虑外扰、内扰的作用，求解出室内热 工参数。 ， _ ( 对不同通风状态下四种不同建筑模型的室内热环境进行了计 算模拟，并结合实验数据，对室内热工参数的影响因素进行分析， 得出了有实用价值的结论。夏季，同样结构的地面单层建筑比顶 层建筑室温低0 5 c 左右：加强夜间通风，减小午后通风量，可使 室温降低0 6 。c 左右；对空调建筑，若只在室温高于2 8 5 时才开 启空调系统，加强夜间通风可使空调系统的运行时间减少2 0 左 右。 可见，通过合理的建筑设计和良好的的通风管理，可使自然 通风建筑室内热环境得到有效的改善，并且有利于节能。j 关键词：公共建筑自然通风热环境反应系数 能量平衡 太原理工大学研究生毕业论文 第l l 页 a b s t r a c t i nt h i sp a p e rn a t u r a l l yv e n t i l a t e db u i l d i n g ss u c ha sw a i t i n gr o o mi n t a i y a na r et a k e na sm o d e l s t h ei n n e rt h e r m a le n v i r o n m e n to f t h e mi s a n a l y z e db yw a y o f c o m p u t e r s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t s t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fe n e r g yb a l a n c ea n dw e tb a l a n c ei sb u i l t t h e p r o b l e mo fh e a t i n gt r a n s f e ri s s o l v e db yr e s p o n s ec o e f f i c i e n tm e t h o d c o n s i d e r i n g t h e t e m p e r a t u r e o fi n s i d ea n do u t s i d ed i s t u r b a n c ea n d h e a t i n g t r a n s f e rf r o mw a l l s ，t h ee q u a t i o ni ss o l v e da n dt h ei n n e rt h e r m a l p a r a m e t e r s o f t h e b u i l d i n g a r eo b t a i n e d t h ef a c t o r s ，w h i c ha f f e c tt h et h e r m a lp a r a m e t e r s ，a r ea n a l y z e dw i t h t h ed a t af r o me x p e r i m e n t sa n ds i m u l a t i o no ff o u rb u i l d i n gm o d e l su n d e r d i 虢r e n tv e n t i l a t i o n t h e nv a l u a b l ec o n c l u s i o n sa r er e a c h e d i ns u m m e r t h ea i rt e m p e r a t u r ei nas i n g l ef l o o rb u i l d i n go nt h eg r o u n di sa b o u t0 5 l o w e rt h a nt h a ti nt h et o pf l o o r i n c r e a s i n gv e n t i l a t i o na tn i g h ta n d d e c r e a s i n gv e n t i l a t i o ni nt h ea f i e m o o n ，t h ea i rt e m p e r a t u r e c a l ll o w e r b y 0 6 o rs o i ft h e a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m s r u n o n l yw h e nt h e a i r t e m p e r a t u r e i n b u i l d i n g s i s h i g h e rt h a n 2 8 5 t h er u n n i n gt i m e c o u l db ed e c r e a s e d b y 2 0 o rs o b yw a y o f i n c r e a s i n g n a t u r a l v e n t i l a t i o n s ow ec o u l di m p r o v et h e r m a le n v i r o n m e n to f n a t u r a l l yv e n t i l a t e d b u i l d i n g se f f i c i e n t l y a n ds a v e e n e r g yb yb e t t e rb u i l d i n gd e s i g n a n d m a n a g e m e n t o fv e n t i l a t i o n k e y w o r d s p u b l i cb u i l d i n g n a t u r a lv e n t i l a t i o nt h e r m a le n v i r o n m e n t r e s p o n s ec o e f f i c i e n te n e r g y b a l a n c e 太腺理丁大学研究生毕业论文第1 页 第1 章绪论 1 1 建筑室内热环境的研究现状 室内热环境的研究方法有两大类：一类是实验方法，另一类是 计算机数值模拟方法。随着计算机技术的发展，计算机数值模拟得 到了迅速发展。 1 1 1 建筑室内热环境的实验研究 实验方法用于对室内状况的实地了解。通常有模型试验方法、 现场实测方法以及通过实验采用线形回归分析方法。根据相似理 论，在模型实验中有的采用空气为介质，有的采用水为介质：实测 方法是对室内参数直接进行测量。实验方法的缺点是对不同的建筑 须采用不同的模型实验或实测，难以对待建建筑进行预测。 1 1 2 计算机模拟研究室内热环境 微分方程数值解方法 微分方程数值解方法常用于研究室内温度和速度场：即利用计 算流体力学c f d ( c o m p u t a t i o n a if l u i dd y n a m i c s ) 求解通式如( 1 ) 的不可压缩空气质量、能量、动量、守恒方程组。 j 兰g 和) + 咖( ) = d i v ( r g r a d # ) + s ( 1 ) 其中，r 是扩散系数，s 是源项，u 是速度，p 是空气密度，巾是因 变量。 最早的模型是l a u n d e r 和s p a l d i n g 等人建立的k 一模型，该 模型将雷诺应力做时均处理，把紊流解释为各向同性。后来的d s m 模型( d i f f e r e n t i a ls t r e s sm o d e l ) ，直接从雷诺应力输运方程得到雷 太原理工大学研究生毕业论文 燕2 页 诺应力，紊流模型为各向异性。计算结果比k e 模型精确性更好。 传统的k e 模型相对简单，但是不能很好求解大空间建筑室内低 r e 数有浮力作用的流场和温度场的问题。9 0 年代初村上周三等提 出了浮力作用下的k e 改进模型。计算精度得到提高，目前，该模 型正在进一步完善中。 这些模型的求解方法中有压力耦合方程半因隐式法，即 s i m p l e ( s e m i i m p l i c i t m e t h o df o r p r e s s u r e l i n e de q u a t i o n s ) 法 ( 1 9 7 2 ) ，以及对s i m p l e 修订后的s i m p l e r ( 1 9 8 0 ) 法、s i m p l e s t 法( 1 9 8 1 ) 、s i m p l e c 法( 1 9 8 4 ) 。对低r e 的k 一模型，l a u n d e r 提 出了所谓p l s ( p a r a b o l i cs u b l a y e rs c h e m e ) 法( 19 8 2 ) 。 能量平衡分析简易模型方法 该方法的基本思想是：室内空气温度水平方向均匀一致，将室 内空气体积按其传热特性的不同在垂直方向上划分为多个控制 体，建立能量平衡方程以求解各控制体温度值及空调负荷等。 简易模型发展中逐步考虑空调射流对气流及温度分布的影 响。较完善的是户河里敏的垂直温度简易模型( b l o c km o d e l ) 。该 模型将室内空气在垂直方向上分层，在水平方向上将壁面附近空气 按不同控制体考虑。其计算程序中需输入测得的室内侧表面温度。 1 1 3 室内热环境对人体热感觉彰响的研究 1 9 2 3 年，美国学者提出了有效温度e t ( e f f e c t i v et e m p e r a t u r e 的概念。综合了影响人体热舒适的最主要的两个参数空气温度和湿 度，同一条等e t 线上每一点都具有不同的温度、湿度，但人体热 感觉相同。后来提出了新有效温度( n e we f f e c t i v et e m p e r a t u r e ) 的概念。e t 指标更接近于人的实际经验感觉。应用较为广泛的是 建立于f a n g e r 热舒适方程基础上的预测平均投票值p m v 指标 ( p r e d i c t e dm e a nv o t e ) ，该指标综合了环境空气温度、平均辐射温 度、风速、相对湿度、服装热阻、人体新陈代谢率等。这几类指标 对偏离热舒条件不远的范围内，其评价结果比较接近实际状况。 太原理t 大学研究生毕业论文第3 页 目前，清华大学文学军、赵荣义用计算机求解关系式s = f ( m ， bt 。，t f ，p f ，v 。，t ) ，来对动态热环境中人体热感觉进行模糊综 合评判，文献中指出人体在动态环境中的热感觉受体内蓄热量的大 小及变化速率决定。 1 2 1 课题的提出 1 ；2 课题概述 目前，能源越来越紧张，而在世界范围内约有1 3 的能源消 耗，是用于为人类提供热舒适的。夏季，对一些舒适性要求不很高 的公共民用建筑，我们可利用合理的建筑设计，加强自然通风管 理，在不用空调或少用空调条件下尽可能地使人感到舒适。图1 1 是文献( 1 4 ) 中某自然通风建筑1 9 8 9 年7 月7 号的室内实测温度与 室外温度比较曲线图，由图中可以看出，室内温度的最高值明显比 室外温度低，而且有延迟。因此，在昼夜温差大的地方( 如太原) ， 对夜间不使用的公共建筑，利用夜间自然通风蓄冷，提高白天室内 的舒适性，更有意义。因此，从这点出发，采用计算机模拟室内热 环境。用实验对计算方法验证后，便可对建筑的结构、朝向、是否 利于通风蓄冷等方面进行评价、预测，并对建筑设计、自然通风管 理提供指导。 图1 1 中，曲线1 为室内温度曲线，曲线2 为室外温度曲线。 查坚里王查兰里塑生望些堡苎兰生一 3 4 3 2 3 0 5 2 8 运2 6 篓2 4 划2 2 2 0 1 8 1 6 1 2 2 研究方法 024681 01 21 41 61 82 02 2 2 4 时刻( h ) 国 图1 1实际建筑室、内外实测温度比较 采用建立室内空气热平衡方程和湿平衡方程的方法，来求解影 响人体热舒适的参数；通过求解人体热平衡方程来评价人体的舒适 感觉。对墙体、地面等厚型围护结构采用反应系数法动态计算其传 热过程，对门窗等忽略其蓄热性，按稳定传热计算。计算中综合考 虑内扰( 人员、设备、照明等的散热、散湿) 、外扰( 太阳辐射、 通风渗透) 的影响，求解室内各参数。 通过对实际自然通风建筑的计算模拟结果与实测结果的比较 分析，验证数学模型及程序的正确性和可靠性。然后对自然通风条 件下，位置、结构不同的几个建筑进行模拟，以分析室内热环境的 影响因素。 ；矗。 太腺理t 入学研究生毕业论文 第5 互( 第2 章围护结构传热 通过外墙、屋顶、地面和外门窗等外围护结构的传热是建筑物 室内得( 失) 热的重要组成部分，也是计算室内热湿状况的关键部 分。不同材料、不同厚度的围护结构有不同的热物理性质，它们对 室内热湿环境的影响也有各自的特点。针对不同围护结构的不同特 点，应采用不同的计算方法对其传热进行相应的近似计算。 围护结构传热计算方法可分为稳定传热和不稳定传热计算法 两大类。谐波分析法和有限差分法是传热计算的传统方法，后来又 出现了反应系数法。门窗等围护结构蓄热性很小，为了简化计算将 其传热得热按稳定传热考虑。墙体、地面等围护结构蓄热性大，应 按不稳定传热计算。用谐波分析法进行传热计算，概念比较清晰， 但这个方法的前提条件是周期性稳定状态。因此，对空调设计计算 中，当某一极端的气象条件连续重复出现若干天时，用谐波分析法 来计算空调负荷、选择设备是可以的：但对于用逐时气象记录来进 行负荷计算和能量分析，用谐波分析法不太方便。有限差分法数学 上相对简单，物理意义明确。但是电算消耗的时间长。为了达到一 定的精度，时间和空间间隔就不能分得太大，但这样又导致要联立 求解的方程个数增多，耗费较多的计算时间。反应系数法计算中， 把系统的热特性和外扰分开，认为反应系数是系统本身的热特性， 与外扰无关。只要知道反应系数及外扰的瞬时值和历史值，就可以 求出该时刻的热流。对直接使用逐时气象记录进行建筑物能量分析 非常方便。所以，本文采用反应系数法来计算墙壁、地面等围护结 构的传热量。如果忽略墙角的三维导热，则墙体、屋顶和地面的导 热都可以简化为一维导热问题。 各种不同的传热计算方法，都是对一定边界条件和初始条件下 热传导方程的简化。以单层平壁为例，其方程为 亟盟：口鲫 卉反2 太碌矬t 大学研究生毕业论文 第6 页 一五掣。一，_ 。) ( 2 - - 1 ) t ( x ，r ) i = t 。， t ( x ，r ) r - 0 = t o o ，0 ) = 0 式中，口为材料的导温系数( 热扩散系数) ，m 2 h ； 五 o c 五材料的导热系数，w m k ； p 材料的密度，k g m 3 ； c 材料的比热，k j k g k 求解上述方程，最终求出在室内外温度条件下通过围护结构传 导的热量。 2 1 反应系数法 室外气象条件的变化具有随机性，自然通风条件下室内温、湿 度也在变化。反应系数法就是将随时间连续变化的扰量，离散为一 系列按时阳j 序列分布的单元扰量，预先求出板壁围护结构对单元扰 量的反应系数，并认为各个单元扰量线性独立，把每一单元扰量引 起的热流变化按卷积原理进行叠加，从而求出给定时刻的热流。 扰量可分为单位阶跃函数、单位三角波函数或单位矩形波函 数。用单位三角波对扰量离散，能够较精确地表达室外气象变化规 律，因此本文采用单位三角波对扰量进行离散。 2 1 1 反应系数的概念 当室内温度恒为零，室外有一个单位三角波形温度扰量作用 时，从作用时刻算起，单位面积壁体外表面逐时所吸收的热量，称 为壁体外表面的吸热反应系数，用符号x m 表示；通过单位面积壁 面逐时传入的热量，称为壁体传热反应系数，用符号y ( j ) 表示。与 上述情况相反，当室外侧温度保持为零，室内侧有一个单位等腰三 k 、a 。 太原理工火学研究生毕业论文第7 页 角形波的温度扰量作用时，从作用时刻算起，通过单位面积壁体内 表面逐时所吸收的热量，称为壁体内表面吸热反应系数，用符号 z o ) 表示；而通过单位面积壁面逐时传至室外侧的热量，仍称为壁 体传热反应系数，数值上与前一种情况相等故仍用符号y ( j ) 表示。 2 1 2 反应系数的求解 对导热微分方程组( 2 1 ) 中的空间变量和时间变量进行拉 氏变换，求得板壁任一部位温度和热流的拉氏变换，然后再进行 拉氏逆变换，得出最终解。 和热流则为未知项，是输出端。此时，输出和输入的拉氏变换之间 的关系可用下式表达 嘲护斟嚣- b ( s 性麓期 匕蕊麓，l c 搿d “z o 划茅j 嚣瑚c 2 吲 l c ( j ) ，d ( s ) jl 一( s ) ， ( s ) 虬i ( o ，5 ) j ”“ 热 纵加c 屈 鳅班趔 a ，扭 叫压如( 后) 太原理工夫学研究生毕业论文 第8 页 d ，( s ) = c n 【捌_ l 竺，掣瞄l q ( o 瑚 c 2 1 ， l q ( z ，s ) jl c ( s ) ，d ( s )j ，5 ) j 对围护结构外表面吸热 q ( 0 舻嚣7 1 ( o ，d ，f ，= o ( 2 - - 4 ) 对围护结构内表面吸热 如) = 器，t a = 0 ( 2 - - 5 ) 对围护结构内表面传热 q ( = 赤弛班i r = 0 ( 2 - - 6 ) 经一系列数学变换，可求得单位三角波的三个反应系数。 j = o 时 ( 。) = n 冒k f x s 置( 1 - e - a r r ) ( 2 - - 7 a ) y ( o m 嘻丧( 1 - e - a r ) ( 2 - - 8 a ) z ( 0 ) 珊砉击( 1 - - e - a r ) ( 2 - - 9 a ) j 0 时 硼卜喜惫”e 。”“( 2 - - 7 b ) 一喜去c 1 - e - a r s 州“ 硼卜砉去( 1 - e - & r , ；。”“ ( 2 8 b ) ( 2 9 b ) 太原脞_ r 人学研究生毕业论义 第9 页 式中 一彳( s ) f ，嫂( s ) f d s l s = s k ： s 垫蛐 d s j 也= 鬻l 3 d s j s 一- - - - s 由式( 2 - 7 a ) 至l j 式( 2 9 b ) 可以看出，板壁反应系数是与板壁系 统传递矩阵元素b ( s ) 的根值有关的一个无穷指数之和，但是根值小 到一定程度时，与此根值有关的指数项趋于零。因此，文献( 1 ) 中 认为求至小于( - - 4 0 ) 的根值，其精度足以保证。本文在实际计算中 求到了小于( - - 2 0 0 ) 的根。 当周期性单位等腰三角形波扰量( 即三角波以t o 为周期反复出 现) 作用于板壁结构时，可以推导出周期性反应系数的计算公式。 以传热反应系数为例，设周期t o = m a r 小时，则可得到周期性传 热反应系数与传热反应系数的关系式 y + ( ) = h _ ，) + h ，+ m ) + y ( j + 2 m ) + v ( j 十3 m ) + - 出上述关系可得到周期性单位三角波扰量作用下的周期反应 系数的计算公式 j = 0 时 州驴+ 喜击( 1 - e - a r ) 等( 2 - 1 0 a ) h 旷足+ 喜急c l - - e - a r | , ，害芸( 2 - - 1 1 a ， 太原理_ t 人学研究生毕业论文 第1 0 负 州o ) - k + 善= 石g z l ( 1 - e - a r s ) 害芸( 2 - - 1 2 a ) j 0 时 州舻一；| ；惫 y + ( ) 本人编制了计算反应系数的程序，框图如下： 输入物性参数 i ， 求传递矩阵各元素 a ( s ) 、b ( s ) 、c ( s ) 、d ( s ) ； 求b ( s ) = o 的根 i t 计算b ( s ) 的导数求k x i k y i k z i + 计算日周期性反应系 x + ( 0 ) y ( 0 ) z ( 0 ) ，x 0 ) y 0 ) p 0 ) ( 2 1 0 b ) ( 2 1 1 b ) ( 2 1 2 b ) 一豁 祭击 。 祭 去 太蟓理工大学研究生毕业论文 第”页 1 1 3 传热量的计算 当考虑室内气温0 变化时，内表面吸收的热量为 m g ：( ”) = z + ( ，) 瓦【( 一一旁r ( 2 1 3 ) 1 = 0 此时，由围护结构板壁外侧扰量引起的传向内表面的热量为 m g ，( n ) = l ，+ ( ，) 正 ( n - - 疹a r 】 ( 2 1 4 ) 1 = 0 则，内表面的热流为 mm 叮( n ) = y + ( ，) t 【( n - - 力a r 卜z + ( ，) f 0 一) 刁( 2 1 5 ) 2 2 谐波分析法 2 2 1 有限厚平壁的传热 假定室内温度为常量， 简谐变化 正( f ) = a c o s ( o r 而外扰( 通常指室外空气综合温度) 呈 ( 2 1 6 ) 2 疗 = 一 r 式中，温度变化幅值 g o 频率 r 温度变化周期 或者由若干个简谐变量叠加而成： t a r ) = c + a 。c o s ( o d 。f 一)( 2 1 7 ) m = l 式中，c 综合温度平均值 。，一一温度变化幅值 ，7 。，一初相位， 太憬理t 大学研究生毕业论文 r 时间。 这样，单层平壁传热问题成为： 锻z ，f ) 扩口( x ，r ) 一f 一“夏z 卜，+ 毒掣k = 。( 2 - - 1 8 ， 卜卅丢掣k c + 弘c o s c ”吨， 式中，口过余温度。 用分离变量法并取边界条件中傅立叶级数的前阶( 包括。阶 谐波常数项) ，那么根据迭加原理，每单位面积的传热量为 q ：k c 十妻警c 。s ( 叩1 毛) ( 2 - - 1 9 ) 式中，虬各阶谐波的衰减 善，各阶谐波的延迟； 叩，各阶谐波的初相位； ，各阶谐波的幅值； k 平壁的传热系数。 2 2 2 无限厚平璧内的温度分布 地下室洞壁、地面传热时，壁厚可以认为是单侧无限大的，假 定表面过余温度作简单的周期变化。 o ( x ，r ) l = 。c o s o ) t ( 2 2 0 ) 2 厅 丁 用分离变量法求解如下定解问题 掣粤：口氅粤( 2 - - 2 1 ) 一2 口：_ 一 c 玎嚷 o ( x ，f ) l = c o s o ) z 太原理丁大学研究生毕业论文第1 3 页 可得到问题的解为 鼬，沪一v 刍1 c 。悟一剧( 2 - - 2 2 ， 温度波衰减度v ：会：一“。( 2 - - 2 3 ) 一 延迟时孵蟮：；辱 c 2 刊， 丁 温度波显著衰减厚度x = 痒l n l 0 0 = 2 6 万 ( 2 2 5 ) 当己知表面外空气温度并假定空气温度仍为一谐量则有 c t o ( x _ , r ) ：口穹掣( 2 - - 2 6 ) 甜d f 。 卜小丢掣卜小r 且目( x ，r ) 为一有界量。 求解上述方程，可得到 咆加键x c o 仁辱一 烈v ) = 。加i 矗r 一、偿z y i 咄如一、品。c 。s 等r 一序一州( 2 - - 2 7 ) = “如一h r 。c 0 4 等r 一三x 一矿l 表面温度波为 纠。o = 。c o s ( f 一) ( 2 - - 2 8 ) 雨葫 但19 ) 太腺理t 大学研究生毕业论证 l 1 炉巧1 焉 + = j ( 2 - - 3 0 ) _ _ | 于 4 5 。= 00 8 4 0 8 3 0 8 30 8 20 8 00 7 90 7 40 6 70 6 00 4 9 玉4 5 00 0 8 80 8 8o ，8 8 0 8 70 8 5 0 8 30 7 90 7 4o ，6 10 4 6 4 5 。= 01 o o1 0 0 1 0 01 0 00 9 90 9 80 9 50 9 00 8 40 7 4 3 2 室外空气综合温度 室外空气综合温度计算式为 f 。：，。+ 丛一堂( 3 - - 1 6 ) 口wa ” 式中，。一一综合温度，。c ； 太原理t 夫学研究生毕业论文 f 一一室外空气温度，o c ； 口一一围护结构外表面对太阳辐射的吸收率，其取值参见表 3 4 ； ，一一围护结构外表面接受的总太阳辐射强度，w m ： 口。一一围护结构外表面的放热系数，w ，m 。- 。c ； 一一围护结构外表面的长波辐射力； a r 一一围护结构外表面与天空和周围物体之问的长波辐射 热交换，w m 2 。 表3 - 4建筑围护结构外表面对阳光的吸收率 材料类别颜色吸收率材料类别 颜色吸收率 t l 棉水泥板 浅 0 7 2 0 8红砖墙红0 7 0 0 7 7 7 镀锌薄钢板灰黑 0 8 7 硅酸盐砖墙青灰 0 4 5 拉毛水泥面墒米黄 0 6 5 混凝士砌块灰 0 6 5 水磨f i浅灰 0 6 8 混凝土墙暗灰 0 7 3 外粉刷浅 0 4 0 红褐陶瓦屋面红褐0 6 5 - 0 7 4 灰瓦屎面浅灰 0 5 2 小豆石保护屋面层浅黑 0 6 5 水泥屋面素灰 07 4 向石子屋面 0 6 2 水泥瓦屋面暗灰 0 6 9 油毛毡屋面 0 8 6 颜色深浅对短波辐射吸收率有显著影响，而对长波辐射力无甚 影响，而计算很困难，计算中进行以下近似处理。 对垂直面，取些墨：21 2 ，3 。c ： a 。， 对水平面，取坐：3 5 4 0 。c 。 3 3 透过玻璃窗的太阳辐射热 太阳照射到玻璃表面上后，会发生反射、吸收和透过三种现 象。反射部分不会成为房问得热，吸收和透过部分会造成房问得 太原埋t 人学研究生毕业论义 第2 2 负 热。 3 3 1 对吸收部分的计算 玻璃吸收太阳光能量后，温度会升高，所以，对吸收部分用室 外综合温度来考虑。综合温度计算公式与上节的公式一致。具体计 算时将直射辐射与散射辐射分别考虑，采用下面的公式计算玻璃外 空气综合温度。 ：r 。+ 型巡 a w 式中，只玻璃对直射辐射的吸收率： p 玻璃对散射辐射的吸收率： ，n ，照射到玻璃上的太阳光直射辐射强度，w ，m 2 ： l 照射到玻璃上的太阳光散射辐射强度，w l m 2 。 散射辐射透过率 乃= r ( 4 5 。 i 6 0 。) 散射辐射吸收率 p d = p 0 i = 4 5 0 、 本文在实际计算中，为简单起见，直接采用乃= r 。( i = 4 5 。) 和 p 。，= p m ( i = 4 5 。) 。 则时刻通过玻璃窗的传热量 h g ( n ) 2 州，。( 月) ，( ) 】( 3 - - 18 ) 式中，k 玻璃的传热系数，w y m 2 。c ： f 一一玻璃窗面积，m 2 ： ，( 月) 一一玻璃外空气综合温度，。c ： ，( 圩) 一一时刻室内空气温度，。c 。 太原删t 人学研究生毕业论文 第2 3 页 表3 5标准玻璃的太刚光学性能 入射角i 0 。1 5 。3 0 04 5 06 0 07 0 08 0 09 0 0 l = 3 m m8 118 0 98 027 81 7 135 9 53 5 40 0 1 ：dr l = 5 m m7 467 4 37 3 47 1 0 6 435 3 23 1 00 0 l = 6 m m7 1 57 127 0 26 776 1 15 0 42 9 00 0 l = 3 m m727 27 48 81 482 6 25 0 71 0 0 o f f - d i l = 5 m m67686 9821 372 454 8 21 0 0 0 l = 6 m m6 56 66 3 7791 332 374 7 21 0 0 0 l = 3 m m1 171 1 91 2 41 3 11 3 91 4 31 3 90 o p o i l = 5 m m1 871 8 91 972 082 2 02 2 32 0 80 0 l = 6 m m2 2 02 222 3 12 4 42 5 62 5 92 3 80 o 注： c d i 为直射辐射透过率，a d 为直射辐射反射率，p d 为直射辐射吸收率，l 为玻璃厚度。 3 3 2 对透过部分的计算 对透过玻璃窗的太阳辐射热，计算时将太阳直射辐射和散射辐 射分别考虑计算公式如下 h g z = l t + ld td 。| 秆一、9 、 式中，册f 透过单位玻璃面积的太阳辐射得热量，w m 2 ： b 一一照射到玻璃表面上的入射角为j 的太阳直射辐射强 度，w m 2 ： r 。一玻璃对入射角为的太阳直射辐射的透过率： l 照射到玻璃表面上的太阳散射辐射强度，w m 2 ： 乃玻璃对太阳散射辐射的透过率。 透过玻璃窗的辐射得热，应考虑窗框、墙及遮阳板对太阳光的 遮挡作用，计算时采用玻璃窗有效面积系数和阳光实际照射面积比 来修正玻璃窗面积。计算公式如下 h g n = ( ，n g t ) s x s + ，r d ) 。s c x ，f ，w( 3 2 0 ) 式中，x ，玻璃窗有效面积系数，单层木窗取0 7 ，双层木窗取 0 6 ，单层钢窗取0 8 5 ，双层钢窗取0 7 5 ： x 。一阳光实际照射面积比，等于窗上实际照射面积( 即窗 太燎脞t 人学研究生毕业论义第2 4 负 上光斑面积) 与窗面积之比： 阳全遮阳系数。 关于x 。的计算 为确定玻璃窗上的光照区和只影区，求出x 。，近似认为到达 地球表面的太阳光线是一束平行光。下面以某朝向的窗户为例，推 导x 。的计算公式。 r 1 - 一。盱 务 圈豆 ：蒜y 痧 图3 1 某朝向玻璃窗上的日照区 从上图可得到m b 和n 。的计算式 m b = v 吲刮 ：萼 c o s 口 式中，v 一侧向垂直遮阳板的宽度，m ： 一一该窗所在墙面的墙面太阳方位角。 水平遮阳板的宽度，m ： h 一一该时刻的太阳高度角。 x = x 一= x v 吲刮 y ：y 一心：y - w 婴 ( 3 2 1 ) ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) 式r h 一一侧向垂直遮阳板的宽度( 或窗户高度) ，m 太原埋丁大学研究生毕业论义 第2 5 负 所以 y 水平遮阳板的宽度( 或窗户宽度) ，m 。 x s = i x 了y ( 3 - - 2 5 ) 小结： 1 本章简要论述了太阳辐射强度和室外空气综合温度的计算方 法，编制了晴天和云天太阳辐射强度及综合温度的计算程序： 2 遮阳板及外墙边会对太阳直射辐射进入室内起遮挡作用，编制了 外窗有效直射辐射面积的计算程序，考虑这一影响。 太原理_ 大学研究生毕业论文 第2 6 页 第4 章散热散湿及内表面放热系数 4 1 室内散热散湿 4 1 1 人体散热散湿 人体以辐射和对流方式与周围环境进行热交换，同时，通过呼 吸、皮肤表面扩散、汗液蒸发向周围空气散热散湿。人体的散热散 湿与性别、年龄、衣着、劳动强度、环境温度有关。但在同样劳动 强度下，而随环境温度的变化，显热散热和潜热散热比例也随之而 变。 1 显热散热量 f g 目= q ，打一( 4 1 ) 式中，q 不同室温和劳动强度下成年男子散热量，w 人， q 。= q + ( 2 4 一f ，) 聊( 4 2 ) g 。标准显热散热量，即环境温度为2 4 时，不同劳动条 件下人体的显热散热量，w ，人，参见表4 1 ： m 一一因环境温度变化造成的人体显热散热量的变化系 数，w ，人o c 。参见表4 1 ： f 室温，o c 。 打室内全部人数； 盯群集系数。 2 散湿量 计算散湿量首先要计算人体的潜热散热量 q ，= q 6 一q ，( 4 3 ) 太坎埋丁人学砌f 究生毕业论义 第2 7 瓤 式中， q 。人体总散热量，w ，人。 则人体的散湿量为 。且 ， g h 人 o6 人员总散湿量为 = w ，n + n 式中符号意义同前。 表4 1 ( 4 4 ) ( 4 5 ) 序号适用条件人体总散热量标准显热散热系数m 里 1 会堂 7 95 03 0 0 2 学校 9 15 33 1 1 3 办公室，旅馆 1 0 25 33 4 0 4 银行 1 1 35 3 3 6 1 5 餐j 亍 1 2 65 93 8 0 6 i ：厂( 轻劳动) 1 7 06 55 6 1 7 舞厅 1 9 47 16 0 0 8 j 厂( 重劳动) 2 2 78 56 ，3 0 9 体育馆 3 2 91 1 75 4 0 4 1 2 照明设备散热 1 对白炽灯 啪，= h i n ，w( 4 6 ) 对荧光灯( r 光灯) 眄= n ，( + n ) ，w( 4 7 ) 式中，| v 白炽灯或荧光灯功率，w ： 一一镇流器消耗的功率，w ，一般情况下可认为 n = 0 2 n ： ”同时使用系数。 2 设备显热散热 太原理1 二大学研究生毕业论文 第2 8 页 电动设备散热量 当设备及电动机都在室内时 h g 。= 1 0 0 0 n i n 2 n 3n r ，w( 4 8 ) 当只有工艺设备在室内而电动机不在室内时 h g 。= 1 0 0 0 n l ”2 3 n ，w( 4 9 ) 当工艺设备不在室内，而只有电动机放在室内时， 眠= 1 0 0 0 n l ”2 n 地，w ( 4 - - 1 0 ) 叩 式中，电动设备的安装功率，k w ； r 电动机效率； n 。利用系数( 安装系数) ，系电动机最大实耗功率与安装 功率之比，一般取0 7 0 9 ； m 一电动机负荷系数，指电动机每小时平均实耗功率与 机器设计时最大实耗功率之比，对精密机床取o 1 5 0 4 0 ，对普通 机床取0 5 0 左右； m 同时使用系数，指室内电动机同时使用的安装功率与 总安装功率之比，一般取0 5 - 0 8 。 3 电热设备散热量 对无保温密闭罩的电热设备，按下式计算： h g 0 = 1 0 0 0 n l n 2 n 3 n( 4 11 ) 式中，考虑排风带走热量系数，一般取0 5 其它符号意义同前。 4 2 地面散湿及其引起的空气显热减少 4 2 1 地面散湿 1 水槽液面散湿量 在常压下，暴露在空气中的水面或潮湿表面蒸发出的水蒸气量 ，立m 。 太腺j 坐t 人学 l j f 究生毕业论史 第2 9 贞 可按下式计算 w o 卅( e - e r ) 等k g h ( 4 - 1 2 ) 式中，f 一一液面面积，m 。； c 一一蒸发系数，k g m l h k p a ，蒸发系数值与水的温度和 水面上的空气流动速度有关，一般可按下式确定 c = c o + 0 1 2 8 v ( 4 1 3 ) “一一空气静止时的蒸发系数，只与水的温度有关，其值参 见4 2 ： v 一一水面上空气流动速度，m s 一般情况下可取为 0 3 m s ； p 相当于水面温度下的饱和空气水蒸气分压力，k p a ： e r 房间空气的水蒸气分压力，k p a ； b 当地大气压力，k p a 。 表4 2 空气静j t 时的蒸发系数c 0 值 水温( o c ) 3 0 以下 4 05 06 07 08 09 0 1 0 0 c o 0 1 6 5o1 9 50 2 4 80 2 7 8 0 3 0 80 3 4 5 0 3 8 30 4 5 2 湿地面散湿量 畋：卵竖型3 6k g h ( 4 - - 1 4 ) 式中，f 湿地面面积，m 2 ： ，室内空气干球温度，o c ； ，。室内空气湿球温度，。c ： r 水的汽化潜热，k j k g ； 口一一水面与空气间的对流换热系数，约等于4 1 w r r l 2 。c 。 4 2 2 空气显热减少 与空气接触的薄水层，它与室内空气之间的热湿交换是在绝热 查堕些三叁堂婴壅竺兰些堡苎生墨l 堕一 条件下进行的，这就是说，水分蒸发时所需的全部热量是由空气供 给的，因此，水分蒸发引起的空气显热减少可用下式计算 q = ( 睨+ ) 3 6 w ( 4 1 5 ) 4 3 围护结构内表面放热系数 围护结构内表面在室内有两种热交换过程，一种是个内表面间 及内表面与室内物体、人员之间的辐射换热，一种是内表面与空气 的对流换热。 4 3 1 表面辐射换热系数 应用s t e p h a n - - b o l t z m a n 定律，并引入角系数概念后，可得 两有限表面之间由于温差而形成的热交换。 级婶脓l ( 矧4 ( 黝4k w c 4 州， 式中，级单位时间内由内表面i 通过辐射换热传给表面k 的 热量，w ： c 黑体辐射常数，c 6 = 5 6 7w ，m z k ； 占。一一表面之间的系统黑度，约等于表面自身黑度的乘 积： f 、瓦表面i 、k 绝对温度，k ： f ：表面i 的面积，m 2 。 上述运算是一种非线性关系，计算中采用线形简化公式，引入 表面辐射换热系数后，令 绋= a ：( ，一，i ) ( 4 1 7 ) 贝f i 奎璺些三查兰堕塞生圭些笙塞笙二! 里一 小胁掣 * 4 1 0 8 g 纪。l l - 丁t , + t j 7 3 = 4 1 0 8 g 钆妒。【己】3 ，w m 2 k ( 4 - - 1 8 ) 4 3 2 表面对流换热系数 表面与空气之间的对流换热量为 2 0 = 睇；( f ，一t a ) f ( 4 1 9 ) 式中，口：对流换热系数， w m 2 o c ，表面温度，。c t 。与表面相邻空气的温度，。c f 表面i 的面积， m 2 计算中取内表面对流换热系数为8 7w m 2 o c 4 3 3 内表面总换热系数 表面的总换热系数应为内表面对流换热系数，与表面对其它所 有表面辐射换热系数之和，即 n ， 口，= 口 + 口： ( 4 2 0 ) t = i 女t 式i hn 内表面总数。 ，。，e、；4，ii o。霸j i 飘 太胤挫t 人学研究生毕业论文 辩3 2 虹 小结： 1 本章简要阐述了内扰对室内的热湿作用及计算方法和内表面与 宁气之间的对流换热的计算方法； 2 编制了具有公共边且相互垂直的两矩形表面之间角系数的计算 程序及房间基本表面之间的计算程序。 太蟓笙丁人学硝究生毕业论义 第3 3 贞 第5 章自然通风 自然通风的根本原因是室内外空气存在压力差。或是由于热空 气上升，冷空气下降，造成上下孔口处室内和室外压力的不平衡， 从而形成室内外空气的流动和交换，即热压作用下的自然通风；或 是由于室外风力的作用，使建筑的迎风面和背风面压力不同，形成 风力作用下的自然通风。一般的实际情况下，虽然风力作用要比热 压作用大的较多，但室内的通风量仍然是二者同时作用的结果，本 文计算时同时考虑了二者的作用。当房间的门窗关闭时，由于室内 外压差的作用，室外空气通过门窗缝隙或围护结构上的小孔洞也会 渗入室内，当然一般情况下，也会同时出现渗出现象，这就是所谓 的冷风渗透现象。 5 。1 热压作用下的自然通风 当我们只考虑热压作用对室内空气流动的影响时可假设室 外无风以室内温度高于室外温度为例，室内热空气因密度小而上 升，由上部孔口排出；室外冷空气从下部孔d 补充进来，形成了热 压作用下的自然通风。 当窗孔两侧存在压差时 p = 毒；p ，p a ( 5 1 ) 式中，p 窗孔两侧压差，p a ： v 空气流经窗空时的速度；m s ： p 空气密度，k g m 3 ： e 窗孔阻力系数 上式可改写为 v 一詹浮 睁z ) 太晾j 里t 人学研究生毕业论业 第3 4 ；j ： 式中，c 。窗孔流量系数。 通过窗孔的空气流量为 q ：c 以型，m 3 s ( 5 - 3 ) vp 式中， a一窗孔面积，m ! 。 为了使计算方便，实际计算中采用下面的方法，参见图5 1 。 幽5 1 对j ：f 窗孔分别有 q o = c a o 叶 q , = c o a , 叶 又，p 0 2 = p 0 1 + p g h p 1 2 = p i l + p g n ( 5 4 ) ( 5 5 ) 度 断 b 芦 鳓 哪鼠 j 盯意 嚣? 譬 一一耷 哪嘶 一 卿一| 邕 篡一 乎 一 气 舻掣 一 悄 | 曩 豢f 空 o ： 一“ 内。o 一 一瑚 丽昏鼍历踢鬯赢 船盟 啪1 墨 一 一 鬻一f i r _ | 查堡些! 查兰堕壅兰兰些堡竺 塑! ! 墨 一一 则 ( p 。2 一p l2 ) + ( 肌一p o i ) = g h ( p 。一劢 ( 5 6 ) 将公式5 4 ，5 - 5 代入5 - 6 中，根据质量守恒定律 m = p ，q = p o q o 得。：鱼随盘业 ( 1 p ? a , 2 + | p ：爿：