第四章 建筑环境中的热湿环境 本章主要内容 1室内热湿环境的形成原理 2室内热湿环境与各种内外扰之间的关系 3得热量与冷负荷之间的关系 §4-1概述 一、室内热湿环境的形成及其受到的影响 主要包括两部分： 1．外扰因素：室外气候参数（室外空气温、湿度，风速，太阳辐射，风向变化及临时的空气温湿度）。通过围护结构的传热、传湿、空气渗透使热量与湿量进入室内。 2．内扰因素：室内设备、照明、人体等热湿源 二、室内湿热的传递作用形式 对流质交换（对流换热），导热（水蒸气渗透）和辐射 §4-2 太阳辐射对建筑物的热作用 一、围护结构外表面所吸收的太阳辐射得热 1. 当太阳照射到非透明的围护结构外表面时；  图4-2 各种表面在不同辐射波长下的反射率 一部分被反射，一部分被吸收，两者的比例取决于围护结构表面的吸收率（或反射率）非透明物体的吸收率取决于两方面的因素： (1)投入射线的波长 可见光（0.4—0.76μm）约占46%，中短波红外线（波长0.76—3.0μm）高温热源的辐射均为长波辐射，波长在5μm以上。长波红外线能量占红外线区的一小部分。各种表面在不同辐射波长下的反射率见图4-2 (2)不透明物体的自身状况（如表面光法度，颜色等） 结论：围护结构的表面越粗糙，颜色越深，吸收率越高，反射率越低。见教材表4-1 2. 半透明物体在太阳照射时 半透明物体对不同波长的太阳辐射的吸收，反射和穿透有选择性。 结论：玻璃属于半透明物体，玻璃对可见光和波长为3μm以下的短波红外线来说几乎是透明的，但却能有效地阻止长波红外线辐射。 二、室外空气综合温度 围护结构外表面的热平衡：壁体得热等于太阳辐射热量（包括太阳直射辐射，天空散射辐射，地面反射辐射），长波辐射得热量（大气长波辐射、地面长波辐射、环境表面长波辐射）和对流换热量之和。  单位面积建筑物外表面的得热量为：    称为室外空气综合温度，即综合表达了室外空气温度、太阳辐射、围护结构外表面与天空和周围物体之间的长波辐射，这样一个综合热作用。 ※ 在一般的空调负荷计算中，计算室外综合温度常不考虑围护结构外表面与天空和周围物体之间的长波辐射，所以，室外空气综合温度简化为：  三、夜间辐射 白天，长波辐射可忽略，夜间不可忽略 经验值：对于垂直表面近似取QL=0，对于水平面，取QL/aout=3.5—4.0℃ §4-3 建筑围护结构的热湿传递 一、通过围护结构的显热得热 包括两方面：通过非透明围护结构的热传导； 通过玻璃窗的反射得热。 （一）通过非透明围护结构的热传导 非透明围护结构的传入室内的热量来源有：①对流换热；②墙体导热 热传导的衰减与延迟：由于围护结构存在热惯性，因此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存在衰减和延迟的关系。而且，维护结构的热容量愈大，滞后的时间就愈长，波幅的衰减就愈大见图4-8，距外表面距离越远，滞后的时间就越长。  图4-8 墙体的传热量与温度对外扰的响应 墙体、屋顶等建筑构件的传热过程，可看作非均质板壁的一维不稳定导热过程。  x=0为围护结构的外侧 x=δ为维护结构的内侧 （二）通过非透明围护结构的得热 周期性外扰作用下壁体逐时温度变化（℃） （三）通过玻璃窗的得热 包括两部分：一方面由于室内外存在温度差，通过玻璃板壁的传热量；另一方面由于阳光的透射（日照辐射）得热量 1. 通过玻璃窗板壁的传热量 按稳态传热计算  式中 ——玻璃的传热系数，W/m2℃ ——玻璃的传热面积，m2 2. 透过玻璃窗的太阳辐射热 包括：① 直接透过玻璃进入室内的全部热量 ② 被玻璃吸收的热量以对流和辐射的形式传入的热量，关于被玻璃吸收又传入室内的热量有两种计算方法。 （1）以室外空气综合温度的形式考虑到玻璃板壁的传热中 （2）是作为透过的太阳辐射中的一部分，计入太阳投射的热量中。 利用第二种方法计算： 透过单位玻璃面积和太阳辐射得热量  假定玻璃吸热后温度均匀，由于玻璃吸收太阳辐射造成的房间得热  3. 标准太阳得热量SSG(Standard Solar Gain) 为了简化计算，定义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。当采用其他类型和厚度的玻璃，或玻璃窗内外有某种遮阳设施时，只对标准太阳的热量进行不同的修正即可。 关于标准透光材料的选择，各国不尽相同： 英国：采用5mm后的普通玻璃窗 中、美、日：均采用3mm后的普通玻璃窗 美国：选3mm厚加强玻璃（Double Strength Sheet Glass） 法向入射透过率为0.86 ，反射率为0.08 ，吸收率为0.06 日本：法向入射透过率为0.872，反射率为0.09 ，吸收率为0.049 中国：法向入射透过率为0.80 ，反射率为0.074，吸收率为0.126 （我国玻璃含铁较多,断面呈墨绿色） 那么入射角为i的标准玻璃的太阳得热量为    g—标准太阳得热率 遮阳设施对太阳辐射的得热量的影响：设在内侧和外侧对玻璃的遮阳作用是不同的。 实际太阳得热量的计算：  ——窗面积 ——玻璃遮挡系数 ——遮阳设施遮阳系数 ——阳光实际照射面积比 ——玻璃窗的有效面积系数，单层木：0.7；双层木：0.6； 单钢：0.85；双钢：0.75 二、通过围护结构的湿传递 通过围护结构的湿传递与室内外水蒸气的分压力有关，在稳定情况下，单位时间内通过单位面积围护结构的水蒸气量w与两侧空气中水蒸气压力差正比  式中 —比例常数，称为水蒸气渗透系数 —水蒸气两侧分压力 在稳定条件下从围护结构内表面算起，第n层材料层外表面的温度为：在稳定条件下从围结若维护内表面算起，第n断面上的水蒸汽分压力大于该断面温度所相应的饱和水蒸汽分 维护结构两侧存在一定的温度分布，也形成 一定的水蒸汽压力分布。 若维护结构的任一 断面的水蒸气分压力大于 该断面温度所对应饱和蒸汽压力，则会出现水蒸 汽凝结。若低于零度，则会出现冻结，使得维护 结构的传热系数大大增加，传热量增加，加剧了 维护结构的损坏，所以必须设置蒸汽隔层。 §4-4 以其它形式进入室内的热量和湿量 一、室内产热、产湿量 室内产热量 包括：人体、设备、照明设施 1. 人体产热量 人体的显热散发：人体通过皮肤和服装向环境散发； 人体的散湿：通过呼吸、出汗向环境散发湿量。 2、设备与照明的散热 加热设备：只要把热量散入室内，全部成为室内得热； 电动设备：一部分转化为热能散入室内成为得热；另一部分转化为机械能，如果该机械能消耗在室内，则成为室内得热，反之如该机械能输送到室外或其他空间，则不会成为室内得热。 加热炉的散热 主要在工业厂房内：如锻造、轧钢、铸工、热处理的加热炉、建筑生产中的窑炉等。加热炉的散热都包括炉壁散热及炉门口敞开的散热。 炉壁散热：包括壁表面与室内空气之间的对流换热以及炉壁表面与周围环境的辐射散热。 炉口散热：指炉门打开时散入室内的辐射热。 (2) 金属冷却时的散热 已被加热的金属材料或成品，放在车间内冷却时；其他车间送来的需要继续加工的高温金属材料或半成品等的散热。 固态金属的冷却散热 液态热金属的冷却散热 在炼钢和铸造车间，金属材料最初处于液态，首先要从液态冷却到熔点，放出熔解热，金属材料变成固态；然后从熔点开始，在固态下放热，冷却到室温。 (3) 燃料燃烧的散热 有些工艺在室内采用燃料直接燃烧（气焊、玻璃制品吹制等） (4)工艺设备（容器、罐、管道等）壁表面的散热 (5)热水表面的散热 (6)电加热炉的散热（即电热设备） (7)电动设备的散热：电动机及其所带动的工艺设备 (8)焊接设备的散热 (9)变压器的散热 (10)照明散热：白炽灯、荧光灯 (11)室内家用电器设备散热。电子设备 室内湿源 人、盛水槽面、潮湿表面、乳化液等， 1.在常压下，暴露水面的（如水槽表面）或潮湿表面的散湿  kg/s 　　2. 沿地面流动而逐渐冷却的热水散湿 沿地面流动而逐渐冷却的热水，当其最终温度大致等于室内温度时，蒸发水分的热量是由水本身供给。 3．地面积水散湿 其蒸发过程是一个绝热过程，蒸发时其热量来源于室内空气，其最终的水温等于空气的湿球温度，室内的总得热量并没有增加，致使部分显热负荷转化成潜热负荷。 ４．机床乳化液的散湿 二、空气渗透带来的得热 空气渗透途径：门窗、其他开口等 空气渗透的动力：室内外压差（风压、热压） 气体流动要消耗一定能量，即克服一定阻力； 即 △P=RL+Z Pa 式中Z—局部阻力，与空气流动动能成正比，即 Z=((v2/2 （1） △P≈Z≈((v2/2 （2） 　(1) 对于形状比较简单的孔口出流，流速较高，流动多处于阻力平方区 v∝△P1/2 　(2) 对于渗流来说，流道断面细小而复杂，此时可认为流动处于层流区，则： v ∝△P 　(3) 对于门窗缝隙的空气渗透来说，介于孔口出流和渗流之间，此时； v ∝△P1/1.5 所以，通过门窗缝隙的空气渗透量的计算式为： L=vFcrack=al△P1/1.5 =Fd△P1/1.5 m3/h 式中： Fd——当量孔口面积; Fd =al a——实验系数，取决于门窗气密性 计算风压作用造成的空气渗透时，常用的方法： （1）缝隙法 La=kla l 式中： la ——每m长门窗缝隙，每h渗入房间的空气量；见P69表4—8 l ——门窗缝隙总长度； k ——主导风向不同情况下的修正系数；P70表4—9 （2）换气次数法 当缺少足够的门窗数据系数时，对于有门窗的维护结构数目不同的房间给出一定室外平均风速范围的平均换气次数，通过换气次数即可求得空气渗透量。 La= n﹒V ( n——换气次数) §4-5 冷负荷与热负荷 一、负荷的定义 1、得热量：指某时刻进入房间的总热量。 来源：室内外温差传热、太阳辐射进入热量、室内照明、人员、设备散热等。 得热量分类： 按是否随时间变化，分为稳定得热；瞬变得热； 按性质不同： 显热得热；包括：对流、辐射两种方式传递的得热 潜热得热； 2、热负荷： 　　定义：维持一定室内热湿环境所需要的在单位时间内向室内加入的热量。热负荷量的大小与补充热量的方式有关 　分类：热负荷分为显热负荷与潜热负荷 3、冷负荷： 定义：为了连续保持室温恒定，在某时刻需向房间供应的冷量，或需从室内排除的热量。 冷负荷量的大小与去除热量的方式有关；常规空调与辐射板空调不同。 (1) 瞬时冷负荷：瞬时得热中，以对流方式传递的显热,潜热部分，直接放散到房间空气中，立刻构成房间瞬时冷负荷； (2) 滞后冷负荷： 显热中的辐射成分不能立即转化为冷负荷。 进入房间的辐射热要经过吸收、反射、对流放热、辐射放热等多次过程才能最终转化为对流热，被空气带走，形成冷负荷。 二、得热与负荷的关系 瞬时得热与瞬时冷负荷的关系 通过各种途径进入室内的热量，即得热。热量进入到室内后并不是全部进入到空气中。 得热：通过玻璃窗得热 　　　通过维护结构导热 　　　室内热源散发热 　 结论： 任一时刻房间瞬时得热量的总和未必等于同一时间的瞬时冷负荷。 瞬时日射得热量与冷负荷关系： 图中表明： 实际冷负荷的峰值大致比太阳辐射热的峰值少（约40%左右），而且，出现的时间也延迟于太阳辐射热峰值出现的时间。 结论： 得热量转化为冷负荷过程中，存在着衰减和延迟的现象。 主要由围护结构和家具等蓄热能力决定的。 蓄热能力强，冷负荷衰减愈大，延迟时间也愈长。 蓄热能力取决于热容量，热容量大，蓄热能力大 照明与实际冷负荷间的关系 图中： 灯具开启后，大部分热量被蓄存起来； 随着照明时间的延续，蓄存的热量逐渐减少； 关灯后，蓄存在结构中的热量再逐渐放出来成为房间冷负荷。 在计算空调负荷时，必须考虑围护结构的吸热、蓄热和放热过程。 不同性质的得热量所形成的室内逐时冷负荷是不同的。 在确定房间逐时冷负荷时，必须按不同性质的得热分别计算。 说明：照明和机械设备的对流和辐射的比例分配与其表面温度有关，人体的显热和潜热比例分配也与人体所处的状况有关。 三、负荷与得热的关系以及数学表达 房间空气的热平衡关系 排除对流热＋空气的显热增值＝室内热源对流得热＋Σ壁面对流得热＋渗透得热 其中：室内对流得热＝室内热源得热－热源向空调辐射板的辐射－热源向壁面的辐射面对流得热＝通过维护结构的导热得热＋本壁面获得的通过玻璃窗的日射得热 　　　　　　－本壁面向空调辐射设备的辐射－本壁面向其它壁面的长波辐射 　　　　　　－本壁面向热源的辐射。 §4-6 典型负荷计算方法原理介绍 一、负荷计算方法的发展 冷热负荷计算在建筑设备系统工程设计中是非常重要的工作基础。世界各国的研究人员在开发可供建筑设备工程是在设计中使用的冷负荷求解方法方面进行了不懈的努力。 1．国外冷负荷计算方法的发展 1946年，美国: C.O.Mackey和L.T.Wight提出了当量温差法； 1950年代，前苏联学者提出谐波分解法； 上述两者的共同特点是不区分的热量和冷负荷，计算出的空调冷负荷偏大。 1967年，加拿大：D.G.Sephenson和G.P.Mitalas提出反应系数法；该方法推动了负荷计算研究的革新，其基本特点是把得热量和冷负荷的区别在计算方法中体现出来； 1971年，D.G.Sephenson和G.P.Mitalas用Z传递函数改进了反应系数法，提出了适合手算的冷负荷系数法，可以从得热一步直接求解冷负荷； 1975年，Rudoy和Duran改进完善了冷负荷系数法； 1977年，ASHREE的手册正式采用冷负荷系数法； 1977年，McQuiston等提出日射冷负荷系数。 2．国内冷负荷计算方法的发展 我国20世纪70～80年代开展冷负荷新计算方法研究，1982年，原城乡建设环境保护部评议通过了两种新的冷负荷计算方法；即谐波反应法和冷负荷系数法。 3．目前国内外常用的负荷求解方法主要包括以下三种（从简至繁） (1)稳态计算法； (2)变换法求解维护结构的不稳定传热过程； (3)采用计算机数值求解。 二、各种计算方法简介 （一）稳态计算法 1．方法简介 Q=KF△T 稳态计算法即不考虑建筑物以前时刻传热过程的影响,只采用室内外瞬时或平均温差与围护结构的传热系数、传热面积的积来求取负荷值,室外温度根据需要可能采用空气温度,也可能采用室外空气综合温度。如果采用瞬时室外温度,由于不考虑建筑的蓄热性能,所求得的冷、热负荷往往偏大,而且围护结构的蓄热性能愈好误差就愈大,因而造成设备投资的浪费。 2．特点及适用条件 特点：稳态计算法方法非常简单直观,甚至可以直接手工计算或估算。 适用条件： （1）计算蓄热性能不强的轻型、简易围护结构的传热过程且缺乏参考数据时 （2）如果室内外温差的平均值远远大于室内外温差的波动值时，采用平均温差的稳态计算带来的误差也比较小,在工程设计中是可以接受的。 例如在我国北方的冬季,室外温度的波动幅度远小于室内外的温差(见图4-15),因此目前在做采暖负荷计算时,采用的是日平均温差的稳态计算法。 （3）但计算夏季冷负荷是不能采用日平均温差的稳态算法的,否则可能导致完全错误的结果。 因为尽管夏季日间瞬时室外温度可能要比室内温度高很多,但夜间却有可能低于室内温度,因此与冬季相比,室内外平均温差并不大,但波动的幅度却相对比较大,见图4-15。如果采用日平均温差的稳态算法,则导致冷负荷计算结果偏小。另一方面,如果采用逐时室内外温差,忽略围护结构的衰减延迟作用,则会导致冷负荷计算结果偏大。 （二）积分变换法 积分变换法的原理是对于常系数的线性偏微分方程,采用积分变换如傅里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。 1．谐波反应法 2．冷负荷系数法 （三）模拟分析软件