1
第四章
建筑热湿环境
清华大学 建筑学院
建筑技术科学系
2001年
2
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
3
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 )
4
基本概念
?得热 (Heat Gain ?? 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。
得
热
潜热
显热
辐射得热
对流得热
5
非透
明围
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
6
太阳辐射在玻璃中传递过程
?玻璃对辐射的选择性
0.8
可见光 近红外线 长波红外线
普通玻璃的光谱透过率
7
太阳辐射在玻璃中传递过程
?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
8
太阳辐射在玻璃中传递过程
(1
-r
)
a
o
1
r
(1
-r
)
A
(1
-r
) ( 1
-a
o )
( 1 -
r
) ( 1 -
a
o )
r
(1
-r
)
2
(1
-a
o )
( 1 -
r
) ( 1 -
a
o )
2
r
( 1 -
r
)
2
( 1 -
a
o )
2
r
B
C
( 1 -
r
) ( 1 -
a
o )
4
r
3
(1
-r
)
2
( 1 -
a
o )
4
r
3
( 1 -
a
o )
4
(1
-r
)
r
4
( 1 -
r
) ( 1 -
a
o )
3
r
3
a
o
( 1 -
r
) ( 1 -
a
o )
2
r
2 ( 1 - r ) ( 1 - a
o )
3
r
2
( 1 -
r
)
2
( 1 -
a
o )
3
r
2
( 1 -
r
) ( 1 -
a
o )
3
r
3
D
E
( 1 -
r
) ( 1 -
a
o )
2
r
2
a
o
( 1 -
r
) ( 1 -
a
o )
r a
o
玻璃的吸收百分比 a0,
)e x p (10 KLa ???
9
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。
10
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？
11
室外空气综合温度
?太阳直射辐射
大气长
波辐射 太空散
射辐射
对流
换热
地面反射辐射
环境长波辐射
地面长
波辐射
壁体得热
12
60℃ ！
35℃ ！
室外空气综
合温度 Solar-
air
Temperature
?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。
?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：
o u t
L
o u t
a i rz
QaItt
?? ???
o u t
a irz
aItt
???
13
室外空气综合温度
Solar-air Temperature
?人们常说的太阳下的“体感温度”是什么？
?室外空气综合温度与什么因素有关？
?高反射率镜面外墙和红砖外墙的室外空气
综合温度是否相同？
?请试算一下盛夏太阳下的室外空气综合温
度比空气温度高多少？
14
?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：
?白天有天空辐射吗？
?试算一个夜间的室外空气综合温度是多少？
])[( 444 gggs k ys k ywggs k ywL TxTxTxxQ ???? ????
天空辐射（夜间辐
射，有效辐射）
15
通过围护结构的显热得热
通过围护
结构的显
热得热
通过非透明围护结
构的热传导
通过玻璃窗的
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
16
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。
17
通过非透明围护结构的热传导
?非均质板壁的一维不稳定导热过程：
?边界条件：
t (x,0 ) = f (x)
其中内表面长波辐射：
x
t
x
xa
x
txat
?
?
?
?
?
?
??
? )()(
2
2
??
0|)()],0()([ ?????? xLs o l a ro u to u t x
txQQtt
?
?????
??
??????
?????? xshlinin x
txQQtt |)()](),([
)]()([ 44
1
???? jim
j ijijl
TTxQ ???
?
18
x=0 x=?
Qenv
通过非透明围护结构的热传导
?利用室外空气综合温度简化外
边界条件：
?实际由内表面传入室内的热量
为：
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。
0|)()],0()([ ???? xzo u t x
txtt
?
?????
??
??
??? xe n v x
txQ |)(
19
通过非透明围护结构的热传导
?板壁各层温
度随室外温
度的变化
20
通过非透明围护结构的得热
?板壁内表面温度同时受室内气温、室内辐
射热源和其它表面的温度影响
?气象和室内气温对板壁传热量的影响比较
确定，容易求得
?内表面辐射对传热量的影响较复杂，涉及
角系数和各表面温度
??
??
??? xe n v x
txQ |)(
21
内表面辐射如何影响板壁
的传热？
Qin’=Qconv+Ql尽管 Q
in增加了，
但 Qout 和 Qcond
却是减少的。
Tout,air
Qout
Qcond
Qin=Qconv
Tin,air
22
通过非透明围护结构的得热
?? 内表面辐射导致的传热量差值
?将内边界条件线性化，则可利用线性叠加压
力将气象与室内气温的影响与其它部分分离
出来，称作：“通过围护结构的得热”,HG
?t = t1 + t2
?Qin’ (即前面的 Qenv)和 Qin(即 HG)的差值为：
气象与室温决定部分 辐射造成的增量
? ????
????
?
m
j
shjr
inwe n vw
Qttt
tHGQQ
1
21
2
]),(),([
),()(
?????
????
23
通过玻璃板壁
的传热
透过玻璃的日射
得热
通过玻璃窗的
得热
通过玻璃窗的得热
)]()([ ?? ino u tg l a s sg l a s sc o n d ttFKQ ??
得热与玻璃窗的
种类及其热工性能有
重要的关系。
24
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；玻璃层间可充空气、氮、
氩、氪等或有真空夹层；玻璃层
数有单玻、双玻、三玻等，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。
25
玻璃窗的种类与热工性能
?我国
?民用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。
?商用建筑有采用有色玻璃或反射镀膜玻璃。
?发达国家
?寒冷地区的住宅则多装有充惰性气体的双玻
窗
?商用建筑多采用高绝热性能的 low-e玻璃窗。
26
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。
27
?透过单位面积玻璃的太阳辐射得热：
?玻璃吸收太阳辐射造成的房间得热：
?注意：玻璃吸热后会向内、外两侧散热
?总得热,HGsolar＝ HGglass,? + HGglass,a
d i fg l a s sd i fDig l a s sDig l a s s IIHG,,,??? ??
通过玻璃窗的得热
)(,d i fd i fDiDi
ino u t
o u t
ag l a s s aIaIRR
RHG ?
??
28
通过玻璃窗的得热
?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：
w i n d o wg l a s snsd i fsDis o l a r FXCCS S GXS S GHG )( ??
实际照射面积比
玻璃的遮挡系数
遮阳设施的遮阳系数
窗的有效面积系数
29
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
使这种窗的遮档系数 Cs低于 0.3
30
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-e 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
长波
辐射
导热和
自然对
流换热
长波辐射
室内表面
对玻璃的
长波辐射
对流换热
31
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
32
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
对流
透过
反射反射
对流
透过
33
通风双
层玻璃
窗，内
置百页
34
内百页 无通风 有通风
35
? ???
?
o u tavi
i
in
vK
???
?
?
111
1
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：
36
实际水蒸汽分压力
饱和水蒸汽分压力
温度
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。
37
?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
38
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
39
人体散热散湿
?见第五章！
40
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
季冷风渗透往往不可忽略。
?理论求解方法：网络平衡法，数值求解
?,流体网络原理, 课程将介绍
?参考文献：朱颖心,水力网络流动不稳定过程
的算法,,清华大学学报,,1989年,第 5期
?工程应用：缝隙法、换气次数法
41
网络平衡法原理
节点平衡,AG＝ 0
回路压力平衡,B?P＝ 0
各支路和节点均编号。
网络关联矩阵 A元素 aij：
由 i 点 到 j点 为 1，反之为 -1，
无关为 0。
基本回路矩阵 B元素 bij：
由 j支路与 i 回路同向 为 1，反
之为 -1，无关为 0。
42
冷负荷与热负荷
?冷负荷：
?维持一定室内热湿环境所需要的在单位时间内从室
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，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。
43
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
中的热量外，还包括贮存
在热表面上的热量。
44
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。
45
得热与冷负荷的关系
蓄热量
需除去的蓄热量
实际冷负荷照明得热量
热量 瞬时得热量
瞬时冷负荷
需除去的蓄热量
蓄热量
46
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！
47
48
房间空气的热平衡关系
排除的对流热＋空气的显热增值 ＝
室内热源对流得热 ＋ ?壁面对流得热 ＋渗透得热
49
室内热源对流得热
室内热源得热＝ 室内热源对流得热
＋热源向空调辐射板的辐射＋热源向壁面的辐射
50
壁面对流得热
通过围护结构的导热得热
＋本壁面获得的通过玻璃窗的日射得热
＝ 壁面对流得热
＋本壁面向空调辐射设备的辐射
＋本壁面向其他壁面的长波辐射
＋本壁面向热源的辐射
Qcond
51
a i r
n
i iwil
n
i iws o l a rHpc on vcl
QQHGHGHGHGQQ ?? ??????? ??
?? 1,i n f1,,
房间的总冷负荷
房间的各种得热
空气的显热增值
内表面辐射导致
的传热量差值
得热和冷负荷
的差值
房间空气热平衡的数学表达式
?对辐射项进行了线性化而导出
52
x
t
x
xa
x
txat
?
?
?
?
?
?
??
? )()(
2
2
??
第三类边界条件：
)()0,(
|]),([
|)],0([ 0
xfxt
x
t
tt
x
t
tt
xnw
xww
?
???
???
?
?
?
?
?
????
?
?
???
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：
)]()([ 44
1
???? jim
j ijijl
TTxQ ???
?
53
当量温差法
谐波反应法
谐波分解法
冷负荷系数法 冷负荷温差法
反应系数法
负荷计算法
1946,USA
1950s,
USSR
1967,Canada
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
54
?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(美国 ),HASP(日本 ),ESP(英国 )
?DeST(清华 )
常用的负荷求解法
55
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
56
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
夏季室内控制温度 夏季室外气温
冬季室内控制温度 冬季室外气温
温度
(
℃
)
夏季 ? t
冬季 ? t
时间
26℃
18 ℃
28.6℃
－ 9 ℃
稳态算法举例,北京室外气温
和室内控制温度比较
57
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。
B域：问题
容易求解
对函数进行
积分变换 求解
A域：问题
难以求解
对函数解进行
积分逆变换
获得解
58
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
59
G ( s )
I n p u t ( s ) O u t p u t ( s )
?μ í3
I n p u t ( ? ) O u t p u t ( ? )
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。
)(
)(
)(
)(
)(
0
0
sI
sO
deI
deO
sG
s
s
??
?
?
? ?
? ?
??
??
?
?
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。
60
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。
61
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。
62
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
63
-5
5
15
25
35
45
0 1440 2880 4320 5760 7200 8640
温度( ℃)
时间 (h )
武汉市室外干球温度的全年变化
64
-5
5
15
25
35
45
0 1440 2880 4320 5760 7200 8640
16.9 ℃
＝
＋
＋
-2 0
0
20
0 1440 2880 4320 5760 7200 8640
- 7, 5
0
7, 5
0 50 100 150
输入边界条件的处理方法：
傅立叶级数分解
65
输入边界条件的处理方法：
时间序列离散
?
66
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。
67
0
0, 2
0, 4
0, 6
0, 8
1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
时间 ( 时 )
热量比例
得热 负荷
设
备
使
用
1
小
时
的
室
内
负
荷
响
应
得热,Q(?)－－输入干扰
负荷,CLQ(?)－－响应
反应系数法原理图示 (1)
68
0
0, 1
0, 2
0, 3
0, 4
0, 5
0, 6
0, 7
0, 8
0, 9
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
时间 ( 时 )
负荷 设
备
使
用
2
小
时
的
室
内
负
荷
反应系数法原理图示 (2)
69
0
0, 1
0, 2
0, 3
0, 4
0, 5
0, 6
0, 7
0, 8
0, 9
1
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21
时间 ( 时 )
负荷
设
备
使
用
10
小
时
的
室
内
负
荷
响
应
反应系数法原理图示 (3)
70
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 0~1，相当于影响为 0~100%。
?内外扰的处理
?围护结构传热采用冷负荷温度
?日射冷负荷采用冷负荷系数
?内扰采用冷负荷系数
71
(a) 围护结构传热冷负荷基本计算式
Qcl(?) = KF [ tcl(?) – tin ]
tcl(?)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(?)
Qcl(?)
冷负荷温度：
一个当量温度 室内温度
72
(b) 日射冷负荷
Qcl(?) = F Cs Cn Dt·max Ccl(?)
F为窗面积, Dt·max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 。
Qcl(?)
D?·ma
x
F Cs Cn
Ccl(?)
反应系数法
73
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。
Q
Qcl(?) Ccl(? - ?0)
反应系数法
74
谐波反应法
?对外扰的分解：室外空气综合温度
tz (?) = tzp+ ?tz (?) = tzp+ ??tzn sin(?n? + ?n)
= A0+ ? An sin(2?n?/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(2?n?/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。
75
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(?) = KF ?t(?)
= KF [ twp – tin + ??twn sin(?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。
76
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(?) = KF?t?-?
?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 D?·maxQcl(?),xgF相
当于冷负荷系数法的 F。
?内扰部分,Qcl(?) = HG(?0) JX? - ?o
JX? - ?o为设备负荷强度系数 (?- ?0时刻 )，同冷负荷系
数法的 Ccl(?)。
77
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。
78
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。
79
模拟分析软件
?GATE,60年代末，美国，稳态计算
?现在
?美国,DOE-2,BLAST,EnergyPlus,NBSLD
?英国,ESP
?日本,HASP
?中国,DeST
80
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 1000~2500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 LBNL 90年代开发的商用、教学研究用的建
筑热模拟软件。采用的是传递函数法（反应系数
法）。
81
模拟分析软件,欧洲，有限差分法
?ESP
?ESP(ESP-r)是由英国 Strathclyde大学的能量系统
研究组 1977－ 1984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 (Trombe wall) 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。
82
模拟分析软件,中国，状态空间法
?DeST
?90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。
BuATTC ???
83
习题
?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
时冷负荷？
84
习题
?室内照明和设备散热是否直接转变为瞬时冷
负荷？
?为什么冬季往往可以采用稳态算法计算采暖
负荷而夏天却一定要采用动态算法计算空调
负荷？
?围护结构内表面上的长波辐射对负荷有何影
响？
?夜间建筑物可通过玻璃窗长波辐射把热量散
出去吗？
第四章
建筑热湿环境
清华大学 建筑学院
建筑技术科学系
2001年
2
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
3
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 )
4
基本概念
?得热 (Heat Gain ?? 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。
得
热
潜热
显热
辐射得热
对流得热
5
非透
明围
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
6
太阳辐射在玻璃中传递过程
?玻璃对辐射的选择性
0.8
可见光 近红外线 长波红外线
普通玻璃的光谱透过率
7
太阳辐射在玻璃中传递过程
?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
8
太阳辐射在玻璃中传递过程
(1
-r
)
a
o
1
r
(1
-r
)
A
(1
-r
) ( 1
-a
o )
( 1 -
r
) ( 1 -
a
o )
r
(1
-r
)
2
(1
-a
o )
( 1 -
r
) ( 1 -
a
o )
2
r
( 1 -
r
)
2
( 1 -
a
o )
2
r
B
C
( 1 -
r
) ( 1 -
a
o )
4
r
3
(1
-r
)
2
( 1 -
a
o )
4
r
3
( 1 -
a
o )
4
(1
-r
)
r
4
( 1 -
r
) ( 1 -
a
o )
3
r
3
a
o
( 1 -
r
) ( 1 -
a
o )
2
r
2 ( 1 - r ) ( 1 - a
o )
3
r
2
( 1 -
r
)
2
( 1 -
a
o )
3
r
2
( 1 -
r
) ( 1 -
a
o )
3
r
3
D
E
( 1 -
r
) ( 1 -
a
o )
2
r
2
a
o
( 1 -
r
) ( 1 -
a
o )
r a
o
玻璃的吸收百分比 a0,
)e x p (10 KLa ???
9
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。
10
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？
11
室外空气综合温度
?太阳直射辐射
大气长
波辐射 太空散
射辐射
对流
换热
地面反射辐射
环境长波辐射
地面长
波辐射
壁体得热
12
60℃ ！
35℃ ！
室外空气综
合温度 Solar-
air
Temperature
?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。
?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：
o u t
L
o u t
a i rz
QaItt
?? ???
o u t
a irz
aItt
???
13
室外空气综合温度
Solar-air Temperature
?人们常说的太阳下的“体感温度”是什么？
?室外空气综合温度与什么因素有关？
?高反射率镜面外墙和红砖外墙的室外空气
综合温度是否相同？
?请试算一下盛夏太阳下的室外空气综合温
度比空气温度高多少？
14
?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：
?白天有天空辐射吗？
?试算一个夜间的室外空气综合温度是多少？
])[( 444 gggs k ys k ywggs k ywL TxTxTxxQ ???? ????
天空辐射（夜间辐
射，有效辐射）
15
通过围护结构的显热得热
通过围护
结构的显
热得热
通过非透明围护结
构的热传导
通过玻璃窗的
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
16
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。
17
通过非透明围护结构的热传导
?非均质板壁的一维不稳定导热过程：
?边界条件：
t (x,0 ) = f (x)
其中内表面长波辐射：
x
t
x
xa
x
txat
?
?
?
?
?
?
??
? )()(
2
2
??
0|)()],0()([ ?????? xLs o l a ro u to u t x
txQQtt
?
?????
??
??????
?????? xshlinin x
txQQtt |)()](),([
)]()([ 44
1
???? jim
j ijijl
TTxQ ???
?
18
x=0 x=?
Qenv
通过非透明围护结构的热传导
?利用室外空气综合温度简化外
边界条件：
?实际由内表面传入室内的热量
为：
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。
0|)()],0()([ ???? xzo u t x
txtt
?
?????
??
??
??? xe n v x
txQ |)(
19
通过非透明围护结构的热传导
?板壁各层温
度随室外温
度的变化
20
通过非透明围护结构的得热
?板壁内表面温度同时受室内气温、室内辐
射热源和其它表面的温度影响
?气象和室内气温对板壁传热量的影响比较
确定，容易求得
?内表面辐射对传热量的影响较复杂，涉及
角系数和各表面温度
??
??
??? xe n v x
txQ |)(
21
内表面辐射如何影响板壁
的传热？
Qin’=Qconv+Ql尽管 Q
in增加了，
但 Qout 和 Qcond
却是减少的。
Tout,air
Qout
Qcond
Qin=Qconv
Tin,air
22
通过非透明围护结构的得热
?? 内表面辐射导致的传热量差值
?将内边界条件线性化，则可利用线性叠加压
力将气象与室内气温的影响与其它部分分离
出来，称作：“通过围护结构的得热”,HG
?t = t1 + t2
?Qin’ (即前面的 Qenv)和 Qin(即 HG)的差值为：
气象与室温决定部分 辐射造成的增量
? ????
????
?
m
j
shjr
inwe n vw
Qttt
tHGQQ
1
21
2
]),(),([
),()(
?????
????
23
通过玻璃板壁
的传热
透过玻璃的日射
得热
通过玻璃窗的
得热
通过玻璃窗的得热
)]()([ ?? ino u tg l a s sg l a s sc o n d ttFKQ ??
得热与玻璃窗的
种类及其热工性能有
重要的关系。
24
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；玻璃层间可充空气、氮、
氩、氪等或有真空夹层；玻璃层
数有单玻、双玻、三玻等，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。
25
玻璃窗的种类与热工性能
?我国
?民用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。
?商用建筑有采用有色玻璃或反射镀膜玻璃。
?发达国家
?寒冷地区的住宅则多装有充惰性气体的双玻
窗
?商用建筑多采用高绝热性能的 low-e玻璃窗。
26
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。
27
?透过单位面积玻璃的太阳辐射得热：
?玻璃吸收太阳辐射造成的房间得热：
?注意：玻璃吸热后会向内、外两侧散热
?总得热,HGsolar＝ HGglass,? + HGglass,a
d i fg l a s sd i fDig l a s sDig l a s s IIHG,,,??? ??
通过玻璃窗的得热
)(,d i fd i fDiDi
ino u t
o u t
ag l a s s aIaIRR
RHG ?
??
28
通过玻璃窗的得热
?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：
w i n d o wg l a s snsd i fsDis o l a r FXCCS S GXS S GHG )( ??
实际照射面积比
玻璃的遮挡系数
遮阳设施的遮阳系数
窗的有效面积系数
29
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
使这种窗的遮档系数 Cs低于 0.3
30
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-e 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
长波
辐射
导热和
自然对
流换热
长波辐射
室内表面
对玻璃的
长波辐射
对流换热
31
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
32
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
对流
透过
反射反射
对流
透过
33
通风双
层玻璃
窗，内
置百页
34
内百页 无通风 有通风
35
? ???
?
o u tavi
i
in
vK
???
?
?
111
1
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：
36
实际水蒸汽分压力
饱和水蒸汽分压力
温度
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。
37
?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
38
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
39
人体散热散湿
?见第五章！
40
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
季冷风渗透往往不可忽略。
?理论求解方法：网络平衡法，数值求解
?,流体网络原理, 课程将介绍
?参考文献：朱颖心,水力网络流动不稳定过程
的算法,,清华大学学报,,1989年,第 5期
?工程应用：缝隙法、换气次数法
41
网络平衡法原理
节点平衡,AG＝ 0
回路压力平衡,B?P＝ 0
各支路和节点均编号。
网络关联矩阵 A元素 aij：
由 i 点 到 j点 为 1，反之为 -1，
无关为 0。
基本回路矩阵 B元素 bij：
由 j支路与 i 回路同向 为 1，反
之为 -1，无关为 0。
42
冷负荷与热负荷
?冷负荷：
?维持一定室内热湿环境所需要的在单位时间内从室
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，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。
43
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
中的热量外，还包括贮存
在热表面上的热量。
44
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。
45
得热与冷负荷的关系
蓄热量
需除去的蓄热量
实际冷负荷照明得热量
热量 瞬时得热量
瞬时冷负荷
需除去的蓄热量
蓄热量
46
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！
47
48
房间空气的热平衡关系
排除的对流热＋空气的显热增值 ＝
室内热源对流得热 ＋ ?壁面对流得热 ＋渗透得热
49
室内热源对流得热
室内热源得热＝ 室内热源对流得热
＋热源向空调辐射板的辐射＋热源向壁面的辐射
50
壁面对流得热
通过围护结构的导热得热
＋本壁面获得的通过玻璃窗的日射得热
＝ 壁面对流得热
＋本壁面向空调辐射设备的辐射
＋本壁面向其他壁面的长波辐射
＋本壁面向热源的辐射
Qcond
51
a i r
n
i iwil
n
i iws o l a rHpc on vcl
QQHGHGHGHGQQ ?? ??????? ??
?? 1,i n f1,,
房间的总冷负荷
房间的各种得热
空气的显热增值
内表面辐射导致
的传热量差值
得热和冷负荷
的差值
房间空气热平衡的数学表达式
?对辐射项进行了线性化而导出
52
x
t
x
xa
x
txat
?
?
?
?
?
?
??
? )()(
2
2
??
第三类边界条件：
)()0,(
|]),([
|)],0([ 0
xfxt
x
t
tt
x
t
tt
xnw
xww
?
???
???
?
?
?
?
?
????
?
?
???
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：
)]()([ 44
1
???? jim
j ijijl
TTxQ ???
?
53
当量温差法
谐波反应法
谐波分解法
冷负荷系数法 冷负荷温差法
反应系数法
负荷计算法
1946,USA
1950s,
USSR
1967,Canada
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
54
?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(美国 ),HASP(日本 ),ESP(英国 )
?DeST(清华 )
常用的负荷求解法
55
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
56
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
夏季室内控制温度 夏季室外气温
冬季室内控制温度 冬季室外气温
温度
(
℃
)
夏季 ? t
冬季 ? t
时间
26℃
18 ℃
28.6℃
－ 9 ℃
稳态算法举例,北京室外气温
和室内控制温度比较
57
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。
B域：问题
容易求解
对函数进行
积分变换 求解
A域：问题
难以求解
对函数解进行
积分逆变换
获得解
58
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
59
G ( s )
I n p u t ( s ) O u t p u t ( s )
?μ í3
I n p u t ( ? ) O u t p u t ( ? )
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。
)(
)(
)(
)(
)(
0
0
sI
sO
deI
deO
sG
s
s
??
?
?
? ?
? ?
??
??
?
?
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。
60
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。
61
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。
62
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
63
-5
5
15
25
35
45
0 1440 2880 4320 5760 7200 8640
温度( ℃)
时间 (h )
武汉市室外干球温度的全年变化
64
-5
5
15
25
35
45
0 1440 2880 4320 5760 7200 8640
16.9 ℃
＝
＋
＋
-2 0
0
20
0 1440 2880 4320 5760 7200 8640
- 7, 5
0
7, 5
0 50 100 150
输入边界条件的处理方法：
傅立叶级数分解
65
输入边界条件的处理方法：
时间序列离散
?
66
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。
67
0
0, 2
0, 4
0, 6
0, 8
1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
时间 ( 时 )
热量比例
得热 负荷
设
备
使
用
1
小
时
的
室
内
负
荷
响
应
得热,Q(?)－－输入干扰
负荷,CLQ(?)－－响应
反应系数法原理图示 (1)
68
0
0, 1
0, 2
0, 3
0, 4
0, 5
0, 6
0, 7
0, 8
0, 9
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
时间 ( 时 )
负荷 设
备
使
用
2
小
时
的
室
内
负
荷
反应系数法原理图示 (2)
69
0
0, 1
0, 2
0, 3
0, 4
0, 5
0, 6
0, 7
0, 8
0, 9
1
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21
时间 ( 时 )
负荷
设
备
使
用
10
小
时
的
室
内
负
荷
响
应
反应系数法原理图示 (3)
70
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 0~1，相当于影响为 0~100%。
?内外扰的处理
?围护结构传热采用冷负荷温度
?日射冷负荷采用冷负荷系数
?内扰采用冷负荷系数
71
(a) 围护结构传热冷负荷基本计算式
Qcl(?) = KF [ tcl(?) – tin ]
tcl(?)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(?)
Qcl(?)
冷负荷温度：
一个当量温度 室内温度
72
(b) 日射冷负荷
Qcl(?) = F Cs Cn Dt·max Ccl(?)
F为窗面积, Dt·max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 。
Qcl(?)
D?·ma
x
F Cs Cn
Ccl(?)
反应系数法
73
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。
Q
Qcl(?) Ccl(? - ?0)
反应系数法
74
谐波反应法
?对外扰的分解：室外空气综合温度
tz (?) = tzp+ ?tz (?) = tzp+ ??tzn sin(?n? + ?n)
= A0+ ? An sin(2?n?/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(2?n?/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。
75
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(?) = KF ?t(?)
= KF [ twp – tin + ??twn sin(?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。
76
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(?) = KF?t?-?
?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 D?·maxQcl(?),xgF相
当于冷负荷系数法的 F。
?内扰部分,Qcl(?) = HG(?0) JX? - ?o
JX? - ?o为设备负荷强度系数 (?- ?0时刻 )，同冷负荷系
数法的 Ccl(?)。
77
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。
78
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。
79
模拟分析软件
?GATE,60年代末，美国，稳态计算
?现在
?美国,DOE-2,BLAST,EnergyPlus,NBSLD
?英国,ESP
?日本,HASP
?中国,DeST
80
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 1000~2500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 LBNL 90年代开发的商用、教学研究用的建
筑热模拟软件。采用的是传递函数法（反应系数
法）。
81
模拟分析软件,欧洲，有限差分法
?ESP
?ESP(ESP-r)是由英国 Strathclyde大学的能量系统
研究组 1977－ 1984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 (Trombe wall) 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。
82
模拟分析软件,中国，状态空间法
?DeST
?90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。
BuATTC ???
83
习题
?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
时冷负荷？
84
习题
?室内照明和设备散热是否直接转变为瞬时冷
负荷？
?为什么冬季往往可以采用稳态算法计算采暖
负荷而夏天却一定要采用动态算法计算空调
负荷？
?围护结构内表面上的长波辐射对负荷有何影
响？
?夜间建筑物可通过玻璃窗长波辐射把热量散
出去吗？
