建筑环境学03第3章热湿环境

1,通风双层玻璃窗，内置百页,2,内百页,无通风,有通风,3,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,4,通过玻璃板壁的传热得热，忽略了玻璃的热惯性,透过玻璃的日射得热,通过玻璃窗的得热,通过透光围护结构的得热,得热与玻璃窗的种类及其热工性能有重要的关系。,5,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,solHGglass,+HGglass,a,通过透光围护结构的日射得热日射透过吸热,6,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：,7,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,8,4.冷负荷与热负荷Coolingload&Heatingload,9,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？,10,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,11,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。,12,得热与冷负荷的关系,13,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！,14,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。,15,室内表面与空气的热平衡关系示意,16,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,17,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,18,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,19,房间的总冷负荷,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,20,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如果追求的是舒适性相同，哪一个负荷更大？,21,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,除热量比冷负荷少了一个空气增温需要的热量,22,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：,23,1946USA,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,24,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DOE2、EnergyPlus(美国)、HASP(日本)、ESP(英国)DeST(中国，清华),常用的负荷求解法,25,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：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,26,稳态算法举例：北京室外气温和室内控制温度比较,27,积分变换法原理,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。,28,为何板壁不稳定传热适用拉普拉斯变换？,拉普拉斯变换的应用条件时间变化范围为半无穷区间（0，+）必须是线性定常系统拉普拉斯变换的特点复杂函数变为简单函数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拉普拉斯变换的解传递矩阵或s-传递函数的解的形式,29,传递函数与输入量、输出量的关系,积分变换法原理,传递函数G(s)仅由系统本身的特性决定，而与输入量、输出量无关，因此建筑的材料和形式一旦确定，就可求得其围护结构的传递函数。这样就可以通过输入量和传递函数求得输出量。,如果输入原函数是指数函数，则不需变换直接输入，即可求得解的原函数,30,应用条件,对于普通材料的围护结构的传热过程，在其一般温度变化的范围内，材料的物性参数变化不大，可近似看作是常数，可采用拉普拉斯变换法来求解。对于采用材料的物性参数随温度或时间有显著变化的围护结构的传热过程，就不能采用拉普拉斯变换法来求解。相变材料，TrombesWall(特隆布墙),31,线性定常系统的特性,可应用叠加原理对输入的扰量和输出的响应进行分解和叠加。当输入扰量作用的时间改变时，输出响应的时间在产生同向、同量的变化，但输出响应的函数不会改变。可把输入量进行分解或离散为简单函数，再利用变换法进行求解。求出分解或离散了的单元输入的响应，这些响应也应该呈简单函数形式。再把这些单元输入的响应进行叠加，就可以得出实际输入量连续作用下的系统的响应输出量。,32,输入边界条件的处理方法,输入边界条件的处理步骤边界条件的离散或分解；求对单元扰量的响应；把对单元扰量的响应进行叠加和叠加积分求和。两种基于积分变换的负荷计算法：函数均采用拉普拉斯变换，边界条件的处理方法不同对边界条件进行傅立叶级数分解：谐波反应法对边界条件进行时间序列离散：反应系数法,33,武汉市室外干球温度的全年变化,34,输入边界条件的处理方法：傅立叶级数分解,35,输入边界条件的处理方法：时间序列离散,36,两种积分变换法,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。,37,设备使用1小时的室内负荷响应,得热：Q(t)输入干扰负荷：CLQ(t)响应,反应系数法原理图示(1),38,设备使用2小时的室内负荷响应,反应系数法原理图示(2),39,设备使用10小时的室内负荷响应,反应系数法原理图示(3),40,反应系数法,反应系数的大小即反应了某一项因素对某时刻负荷大小的影响程度。反应系数为01，相当于影响为0100%。内外扰的处理内扰采用冷负荷系数日射冷负荷采用冷负荷系数围护结构传热采用冷负荷温度,41,(a)围护结构传热冷负荷基本计算式Qcl()=KFtcl()tintcl()为冷负荷温度逐时值，与围护结构类型、气象条件、朝向有关。tcl()反映了室外空气温度、阳光辐射、建筑物蓄热等因素的综合影响。,tin,KF,tcl(t),Qcl(t),冷负荷温度：一个当量温度,室内温度,42,(b)日射冷负荷Qcl()=FCsCnDmaxCcl()F为窗面积，Dmax是日射得热因素最大值Ccl()是冷负荷系数，与纬度、朝向有关。Cs为玻璃遮挡系数，Cn为遮阳系数。,反应系数法,43,内扰冷负荷Qcl()=HG(0)Ccl(-0)HG(0)为内热源散热量Ccl(-0)是冷负荷系数Ccl(-0)与开始使用时间和连续使用时间有关，与建筑热特性有关。,反应系数法,44,谐波反应法,对外扰的分解：室外空气综合温度tz()=tzp+tz()=tzp+tznsin(n+n)=A0+Ansin(2n/T+n)对外扰的响应形式：围护结构对不同频率外扰有一定的衰减n=An/Bn与延迟n，响应也是傅立叶级数形式：tin,n()=An/nsin(2n/T+n-n)通过围护结构形成的负荷：叠加tin,n()可得出tin()，通过tin()和室内热平衡就可求出负荷。,45,谐波反应法,玻璃窗冷负荷传热温差用外气温而不是室外综合温度：Qcl()=KFt()=KFtwptin+twnsin(n+n)内扰冷负荷对内扰响应的分解方法类似对外扰响应的分解。,46,谐波反应法的简化算法,算法繁琐，故需要简化传导部分(墙、窗)：Qcl()=KFt-t为负荷温差，表中值为室温26时温差，可修正。算法同冷负荷系数法。日射部分：Qcl()=xgxdCnCsFJ()xg窗有效面积系数，xd地点修正系数，J()为负荷强度。xdJ()相当于冷负荷系数法的DmaxCcl()，xgF相当于冷负荷系数法的F。内扰部分：Qcl()=HG(0)JX-oJX-o为设备负荷强度系数(-0时刻)，同冷负荷系数法的Ccl()。,47,两种积分变换法总结,谐波反应法的简化算法与冷负荷系数法形式一致。为了便于手工计算，均把内外扰通过一个板壁形成的冷负荷分离出来，作为一个孤立的过程处理，不考虑与其它墙面和热源之间的相互影响。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。,48,两种积分变换法总结,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。,49,模拟分析软件,GATE，60年代末，美国，稳态计算现在美国：NBSLD、BLAST、DOE-2、EnergyPlus英国：ESP日本：HASP中国：DeST,50,模拟分析软件：美国，反应系数法,DOE-2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LBNL90年代开发的商用、教学研究用的建筑热模拟软件。曾经采用反应系数法，现在采用的是状态空间法。,51,模拟分析软件：欧洲，有限差分法,ESPESP(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(TrombesWall)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。,52,模拟分析软件：中国，状态空间法,DeST90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。,53,思考题,室外空气综合温度是单独由气象参数决定的吗？什么情况下建筑物与环境之间的长波辐射可以忽略？透过玻璃窗的太阳辐射中是否只有可见光，没有红外线和紫外线？透过玻璃窗的太阳辐射是否等于建筑物的瞬