建筑环境学-第六章-辐射得热和内扰

建筑环境学第六章辐射得热与内扰 第六章辐射得热与内扰6 1太阳辐射的透过 吸收与反射6 2室外空气综合温度6 3透过玻璃窗的太阳辐射得热6 4房间内部产热量与产湿量的计算6 5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 反射率 吸收率 透过率 对不透明体透过率 0 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 热辐射 0 76 20 m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 38 0 76 m 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 反射与透过射线在不同介质分界面上的反射百分比 折射指数分别为n1和n2 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3 m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 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 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 吸收率反射率透过率 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 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 各影响因素的计算回顾 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 各影响因素的计算回顾 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 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 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 对流与辐射总换热系数对流和辐射的总换热量为 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 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qe 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 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 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2 3 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 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 玻璃吸收太阳辐射后造成的房间得热 上述方法为太阳辐射的通用计算方法 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 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 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 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 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 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 100 102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 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 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4 3 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 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 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 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 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 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 壁体辐射换热的进一步简化 辐射换热可进一步简化为 r为两表面之间的辐射换热系数 其大小可用下式计算 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 热平衡方程回头看 房间内表面热平衡用文字表示 导热量 与室内空气的对流热量 各表面之间互辐射热量 直接承受的辐射热量 0由于各围护结构具有蓄热能力 各种内外扰量又在不断变化 因此 这些围护结构内表面热平衡方程式并非简单的代数方程 而是一组微分方程 热平衡方程回头看 房间空气的热平衡用文字表示 与各壁面的对流换热量 各种对流得热量 空气渗透得热量 空调系统显热除热量 单位时间内房间空气中显热