建筑热湿环境.ppt

1 第三章建筑热湿环境 主要内容 太阳辐射对建筑物的热作用建筑围护结构的热湿传递1通过非透光围护结构的显热传递过程2通过透光围护结构的显热传递过程3通过围护结构的湿传递以其他形式进入室内的热量和湿量冷负荷与热负荷1基本原理 与得热之间的关系2负荷的计算方法 2 3 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 4 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 5 基本概念 得热 HeatGain 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 6 第一节太阳辐射对建筑物的热作用 7 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 8 9 太阳辐射在透光围护结构中的传递 吸收率 反射率 透射率 1 反射 吸收 透射 10 太阳辐射在透光围护结构中的传递 玻璃对辐射的选择性 普通玻璃的光谱透射率 11 太阳辐射在透光围护结构中的传递 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 低透low e玻璃 12 low e玻璃的透光选择性一层low e玻璃 一层普通玻璃 13 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 14 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 太阳辐射在透光围护结构中的传递 15 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 16 影响玻璃对太阳辐射透射 反射率的因素太阳辐射入射角玻璃的厚度玻璃材质入射角越大透射率越小 反射率越大玻璃越厚透射率 反射率越小 17 室外空气综合温度 18 室外空气综合温度Solar airTemperature 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 壁体得热等于太阳辐射热量 长波辐射换热量和对流换热量之和 建筑物外表面单位面积上得到的热量为 19 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 20 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 天空辐射 夜间辐射 有效辐射 21 第二节建筑围护结构的热湿传递 22 通过围护结构的显热得热 通过围护结构的显热得热 通过透光围护结构的日射得热 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 23 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 24 通过非透光围护结构的热传导 非均质板壁的一维不稳定导热过程 边界条件 初始条件 t x 0 f x 内表面长波辐射 25 利用室外空气综合温度简化外边界条件 对室内侧长波辐射项进行线性化 则 通过非透光围护结构的热传导 26 实际通过围护结构传入室内的热量为 x 0 x Qwall cond 通过非透光围护结构的热传导 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 27 通过非透光围护结构的热传导 板壁各层温度随室外温度的变化 28 通过非透光围护结构的得热 前者是考虑在内外扰动以及整个房间所有围护结构相互作用下通过一堵墙体的实际传热量后者是把一堵墙体割裂开来 仅考虑在内外扰动作用下通过一堵墙体的传热量目的在于把房间每一堵墙体的得热求出来 然后进行叠加 以求得通过整个房间围护结构的总得热量 是一些简化手工工程算法的需要 29 通过非透光围护结构的热传导 基本物理过程分析 基本表达式板壁内表面温度t同时受室内气温 室内辐射热源和其它表面的温度影响 从而影响总传热量气象和室内气温对板壁传热过程的影响比较确定 容易求得内表面辐射对传热过程的影响较复杂 涉及角系数和各表面温度 30 Qout ta in 室内其他内表面温度如何影响板壁的传热 尽管内表面对流换热量增加了 但Qout和Qwall cond却是减少的 t x ta out Qwall cond x Qwall cond 31 通过非透光围护结构的热传导 基本物理过程分析 结论即便室外气象参数与室内空气温度是确定的 实际通过非透光围护结构进入到室内的热传导量也是不确定的 受其他壁面温度高低与室内辐射热源方向的影响 尽管通过围护结构的热传导量不确定 但有时又需要用 得热 的概念 那怎么定义通过围护结构的热传导得热呢 32 通过非透光围护结构的得热 通过非透光围护结构的得热 实际上是一个假设的量 量级上与 通过非透光围护结构的热传导量 相当 但把受其他壁面温度与室内辐射热源影响部分忽略了 存在数值上的偏差 33 通过非透光围护结构的得热 为了定义通过非透光围护结构的得热HGwall 采用了以下假定条件假定除所考察的围护结构内表面以外 其他各室内表面的温度均与室内空气温度一致室内没有任何其他短波辐射热源发射的热量落在所考察的围护结构内表面上 即Qshw 0 此时 通过该围护结构传入室内的热量就被定义为通过非透光围护结构的得热 主要反映了室外气象参数和室内气温相对固定的影响 剔除了内表面辐射等复杂因素的影响 HGwall HGwall conv HGwall lw 34 通过非透光围护结构的得热 内表面辐射导致的传热量差值 将内边界条件线性化 则可利用线性叠加原理将气象与室内气温决定的得热部分与其它部分分离出来t t1 t2围护结构实际传热量与 得热 的差值为 如果室内各表面温度高于空气温度 且有短波辐射 则 Qwall是正值 即实际条件下通过围护结构导热传到室内的热量小于上述定义下的通过围护结构的得热量 35 通过透光围护结构的传热过程 36 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 37 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数有单玻 双玻 三玻等玻璃层间可充空气 氮 氩 氪等或有真空夹层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 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 38 玻璃窗的种类与热工性能 住宅建筑我国住宅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 发达国家寒冷地区的住宅则多装有充惰性气体的多层玻璃窗 大型公共建筑我国大型公共建筑多采用有色玻璃或反射镀膜玻璃 部分新建筑采用low e玻璃 发达国家大型公共建筑多采用高绝热性能的low e玻璃 39 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 40 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 可使这种玻璃的遮挡系数Cs低于0 3 41 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 42 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 43 窗玻璃间遮阳Double skinFacade 44 通风双层玻璃窗 内置百页 45 内百页 无通风 有通风 46 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 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 47 通过玻璃窗的得热 48 Part1 透过单位面积玻璃的太阳辐射得热Part2 玻璃吸收太阳辐射造成的房间得热原理 玻璃吸热后会向内 外两侧散热成立的条件 如果内外气温一样总得热 HGwind sol HGglass HGglass a 通过透光围护结构的日射得热 日射透过 吸热 49 标准太阳得热量SSG 以某种类型和厚度的玻璃作为标准透光材料 取其在无遮挡条件下的太阳得热量作为标准太阳得热量SSG StandardHeatSolarHeatGain W m2 SSG SSGDi SSGdif我国采用3mm厚普通玻璃作为标准透光材料 法向入射时透射率为0 8 反射率为0 074 吸收率为0 126 50 通过透光围护结构的日射得热 由于玻璃品种繁多 每个进行单独计算很麻烦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 51 通过透光围护结构的得热 通过透光外围护结构的瞬态总得热量 传热得热量 日射得热量上述得热量与通过透光围护结构实际进入室内的热量之间有差别室内外气温不一样 采用标准玻璃的太阳得热量SSG求得的HGwind sol部分与实际情况存在偏差玻璃实际表面温度变化带来偏差 52 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类似 w Kv Pout Pin kg s m2水蒸汽渗透系数 kg N s 或s m 53 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 54 第三节以其他形式进入室内的热量和湿量 55 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 56 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 57 人体散热散湿 见第五章 58 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 因此冬季要同时考虑风压和热压的作用 理论求解方法 网络平衡法 数值求解工程应用 缝隙法 换气次数法 59 缝隙法换气次数法空气渗透带来的总得热HGinfilHGinfil aLa hout hin 空气渗透带来的得热 60 第四节冷负荷与热负荷 61 冷负荷与热负荷 冷负荷 维持室内空气热湿参数为某恒定值时 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 维持室内空气热湿参数为某恒定值时 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 则热负荷就只包括显热负荷 冷热负荷的大小与去除负荷的方式有关送风方式还是辐射方式 62 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得热量外 还包括部分贮存在热表面上的得热量 63 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 64 得热与冷负荷的关系 65 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 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 如果热容为0呢 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 66 得热与冷负荷的关系 冷负荷的本质是通过某个设定温度下整个房间的热平衡算出来的 综合了各种因素作用的一个综合值 与得热不同的是 不存在灯光造成的负荷 人员造成的负荷 的概念 例如冬天室内有可能是热负荷也有可能是冷负荷 而灯光和人员有降低热负荷的影响 也可能是导致冬季还有冷负荷的原因 但只有跟围护结构散热综合起来才能得到负荷 当室内空气参数在改变的过程中 负荷还受空气与家具 内壁面热容的影响 67 室内表面与空气的热平衡关系示意 68 室内空气的热平衡关系 空气参数恒定 排除的对流热 室内热源对流得热 壁面对流换热 渗透得热 69 室内热源对流得热 室内热源总得热 室内热源对流得热 向室内表面的长波辐射 向室内表面的短波辐射 70 壁面对流得热 通过围护结构的导热量 本壁面获得的通过玻璃窗的日射得热 壁面对流换热 本壁面向空调辐射板的辐射 本壁面向其他壁面的长波辐射 本壁面向热源的辐射 Qwall cond 71 房间的显热冷负荷 房间空气热平衡的数学表达式 对长波辐射项进行了线性化而导出 72 讨论 采用辐射板空调的负荷 在室内空气参数相同的情况下 采用辐射板空调的负荷比送风空调负荷大还是小 以夏季为例外围护结构的内表面温度降低 导致室外向室内传热增加室内表面 家具 墙面 温度降低 空调系统需要带走的热量增加结论辐射板空调的负荷偏大 73 总负荷室内空气参数变化时 采用 除热量 来描述需要排除的热量 显热除热量为 总负荷与除热量 74 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 初始条件 75 1946USA 1950sUSSR 1967Canada 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 76 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 常用的负荷求解法 77 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热状况无关 Q KF T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 78 稳态算法举例 北京室外气温和室内控制温度比较 79 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 弦波外扰的室内响应 并进行叠加 80 设备使用1小时的室内