第三章 建筑热湿环境

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

基本概念 围护结构传热传湿 室内产热产湿 围护结构的热作用过程：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 导热 (水蒸汽渗透) 辐射

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

非透明围护结构外表面所吸收的太阳辐射热 第一节 太阳辐射对建筑物的热作用 不同的表面对辐射的波长有选择性. 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

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

太阳辐射在玻璃中传递过程 关于Low-e (Low-emissivity) 玻璃(图3-3b) 对太阳辐射有高透和低透不同性能。p47

名词解释： U－value：U值导热系数用来衡量物质的保温性能。 VLT ：(可见光透过率) 定义：贴膜玻璃透过的可见光与入射可见光通量之比。 解释：数值越小，防眩的效果越明显。 注意：一些业主在要求防眩的同时又不希望房间太暗。

太阳辐射在玻璃中传递过程 玻璃的吸收百分比a0 : 再看图3-6

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

室外空气 综合温度 Solar-air Temperature 60℃！ 35℃！ 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。 （推导过程见板书！）

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？

天空辐射（夜间辐射） 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。 问题：白天有天空辐射吗？

第二节 建筑维护结构的热湿传递 两种方式机理不同 外表面对流换热 外表面日射通过墙体导热 通过非透明围护结构的热传导 通过围护结构的显热得热 通过玻璃窗的得热

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。

通过非透明围护结构的热传导 微分方程及边界条件建立见板书！

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

内表面辐射如何影响板壁的传热？ Qcond Tz Tin Q’wall,cond Qwall,cond 有内辐射热源照射时的温度分布 无内辐射热源照射时的温度分布 Tin

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 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 （x,τ）= t1 （ x,τ ）+ △t2（ x,τ ） 气象与室温决定部分 辐射造成的增量

通过玻璃窗的得热(导热) 得热与玻璃窗的种类及其热工性能有重要关系。 包括长波辐射部分 透过玻璃的日射得热 通过玻璃板壁的传热

玻璃窗的种类与热工性能 窗框型材：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：单玻、双玻、三玻等； 玻璃类别：普通透明玻璃、有色玻璃、低辐射(Low-e)玻璃等； 玻璃表面：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。

玻璃窗的种类与热工性能 中空玻璃及其他墙体材料的传热系数[W/(m2K)] 材料 厚度 传热系数 隔声量/dB 普通中空玻璃 3+6A+3 3.4 25～30 3+12A+3 3.0 30～35 三层中空玻璃 3+12A+3+12A+3 2.1 35～40 混凝土墙 150 3.3 ≥50 砖墙 240 2.8

吸热玻璃与反射玻璃的比较 吸热玻璃：在玻璃中添加金属离子或某些物质形成着色玻璃，获得较高吸收率。20世纪60年代流行——丰富色彩。 反射玻璃：在玻璃表面附加一层膜，使之反射更多太阳辐射，获得较高反射率。20年代70世纪流行——映射景色。 吸热玻璃与反射玻璃比较 比较条件：厚度3mm，环境：32℃，室内：24℃，太阳日射强度：600W/m2，温差传热：49.4W/m2 普通玻璃 吸热玻璃 反射玻璃 0.865 0.06 0.051 0.111 0.024 0.889 0.075 0.45 0.31 0.09 0.40 0.60 0.46 0.30 0.10 0.32 0.38 0.22 0.60 0.40 0.15 玻璃温度： 31.4℃ 39.5℃ 4－23 36.8℃ 23

玻璃窗的种类与热工性能 透过率 紫外线 可见光 近红外线 长波红外线 普通玻璃 高 高 高 低 吸热玻璃 中 中 中 低 7.0% 45.6% 45,2% 2.2% 可见光 冬季型 Low-E玻璃 紫外线 可见光 近红外线 长波红外线 透过率 普通玻璃 高 高 高 低 吸热玻璃 中 中 中 低 反射玻璃 低 低 中 低 low-e玻璃 低 低 低 高～中 →夏季 内镀非常薄但又耐久的镀银薄层。 20世纪80年代盛行——节能玻璃。 →东西向 4－24 24

铝合金断热窗框 制作过程： 性能： 导热性比非断热铝合金型材窗降低40－70%。 优点： 降低热量传导 防止冷凝 节能

通过玻璃窗的长波辐射??? 夜间除温差传热外，还有由于天空夜间辐射导致的散热量。 采用 low-e 玻璃可有效降低透光维护结构的传热系数的原因？p58 导热和自然对流换热 对流换热 室内表面对玻璃的长波辐射

关于标准太阳得热SSG (Standard Solar heat Gain) 通过标准玻璃的太阳辐射得热 透过单位面积玻璃的太阳辐射得热： 玻璃吸收太阳辐射再传热造成的房间得热： 推导过程见板书 总日射得热：HGsolar＝HGglass, + HGglass,a 关于标准太阳得热SSG (Standard Solar heat Gain)

遮阳方式 现有遮阳方式 我国目前常见遮阳方式 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

外遮阳和内遮阳有何区别? 内遮阳： 外遮阳： 遮阳设施吸收和透过部分全部为得热 只有透过和吸收中的一部分成为得热 对流 透过 反射 反射

通风双层玻璃窗，内置百页

双玻内百叶 内通风 单玻内百页 双玻内百叶

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： 实际照射面积比（外遮阳） 窗的有效面积系数 玻璃的遮挡系数 内遮阳设施的遮阳系数

通过透光维护结构得热量的其它计算方法 欧美国家多用太阳得热系数SHGC (Solar Heat Gain Coefficient)来描述玻璃窗或玻璃幕墙的热工性能。 这样通过透光外围护结构的瞬态得热量为：

为了方便求得透过各种不同类型透光外围护结构的太阳得热量，采用遮阳系数SC（Shading Coefficient）来描述不同类型透光外围护结构的热工特性。

w = Kv (Pout - Pin) kg/（sm2） 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： 其中，水蒸汽渗透系数，kg/(Ns) 或 s/m： w = Kv (Pout - Pin) kg/（sm2）

通过围护结构的湿传递 当实际水蒸汽分压力＞饱和水蒸汽分压力时，就可能出现凝结或冻结。 危害：降低墙体保温能力和引起破坏。 温度

东区四教某教室外墙内表面结露后的影响

室内产热与产湿 室内热湿源包括照明、设备、人体。 设备与照明的产热特点 人体的产热产湿 见第五章！ 加热设备与电动设备； 设备:进行产热量计算时需要注意以下几个方面 加热设备与电动设备； 实际运行功率与额定功率； 同时使用系数； 照明：短波辐射与长波辐射。 人体的产热产湿 见第五章！

室内产热与产湿 室内湿源包括人员、水面、产湿设备 湿源与空气进行质交换同时一般伴随显热交换 散湿形式：直接进入空气 得热需考虑围护结构和家具的蓄热，得湿则不考虑！ 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： 无热源湿表面： 蒸汽源：

室内产热与产湿 室内热源得热HGH与总散湿量WH 对流项 辐射项 对流项 短波辐射项 长波辐射项 线性化长波辐射项

室内产热与产湿 总散湿量WH及总潜热得热量HGH,L

空气渗透带来的得热HGinfil 夏季：室内外温差小，风压是主要动力 冬季：热压作用往往强于风压，尤其是高层建筑，因此冬季冷风渗透往往不可忽略。 空气渗透量理论求解方法：网络平衡法，数值求解 《流体输配管网》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 工程上的求解方法：缝隙法、换气次数法

空气渗透带来的得热HGinfil La=vFcrack=Fd△P2/3 高速孔口出流 V∝△P1/2 低速渗流 V∝△P 门窗缝隙渗透流

空气渗透带来的得热HGinfil 缝隙法： La=k · la · l 换气次数法： La=n · V 其中，n取值见教材表3-11。

冷负荷与热负荷 冷负荷与热负荷： 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（或加入）的热量。 注意:冬季为热负荷，夏季为冷负荷。

负荷的大小与去除或补充热量的方式有关 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。 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。

得热与冷负荷的关系 以送风空调（常规空调）为例

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 注意：辐射得热的存在以及围护结构的蓄热作用 空调形式： 送风空调：负荷＝纯对流部分 辐射板空调：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：辐射得热的存在以及围护结构的蓄热作用 是负荷与得热之间存在延迟和衰减的根源！

请大家课后先预习，然后课上听讲解！（p72-81） 常规送风空调系统负荷的 数学表达 透光 非透光 室内家具 维护结构内表面热平衡方程 房间空气热平衡方程 两类方程 请大家课后先预习，然后课上听讲解！（p72-81）

维护结构内表面热平衡方程 通过围护结构的导热量＋ 本壁面获得的太阳辐射得热＋ 室内热源短波辐射得热＋ 室内热源的长波辐射得热＝ 针对非透光维护结构 通过围护结构的导热量＋ 本壁面获得的太阳辐射得热＋ 室内热源短波辐射得热＋ 室内热源的长波辐射得热＝ 壁面对流得热＋ 本壁面向其他壁面的长波辐射

维护结构内表面热平衡方程 本壁面传导得热＋ 本壁面吸收太阳辐射向内的传热＋ 热源长波辐射得热＝ 壁面对流换热＋ 针对室内家具：Qwall,cond=0 针对透光维护结构: 本壁面传导得热＋ 本壁面吸收太阳辐射向内的传热＋ 热源长波辐射得热＝ 壁面对流换热＋ 本壁面与其它表面的长波辐射换热

房间空气的热平衡关系 去除的对流热＋空气的显热增值 ＝ 室内热源对流得热＋ 内壁面对流得热＋渗透 显热得热

其中，室内热源对流得热 室内热源得热＝室内热源对流得热 ＋热源向内表面的长波辐射＋热源向内壁面的短波辐射

房间空气热平衡的数学表达式 送风空调显热冷负荷的综合表达式 得热和冷负荷 空气的显热增值 房间的显热负荷 的差值 内表面辐射导致 房间的各种得热 内表面辐射导致 的传热量差值

典型负荷计算方法原理介绍 非均匀板壁的非稳态传热: 太难求解了！ 第三类边界条件：

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 1967. Canada 1946. USA 1950s. USSR 1967. Canada

常用的负荷求解法 稳态算法 动态算法: 积分变换求解微分方程 计算机模拟软件 不考虑建筑蓄热，负荷预测值偏大 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 DOE-2(美国)、HASP(日本)、ESP(英国) DeST(清华)

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： 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

稳态算法举例：北京室外气温和室内控制温度比较

动态计算方法 目标：求解得热和负荷的转换关系 数学工具：积分变换 变换的种类：傅立叶变换、拉普拉斯变换 两种方法：谐波反应法、冷负荷系数法

积分变换法原理 针对常系数的线性偏微分方程（线性定常系统）有效。 积分变换的概念：把函数从一个域转换到另一个域，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，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

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 拉普拉斯变换的特点 拉普拉斯变换的解 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

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。 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。 传递函数与输入量、输出量的关系

线性定常系统的特性 线性定常系统的特性： 利用积分变换法求解的一般步骤： 把输入量进行分解或离散为简单函数； 利用变换求出单元输入的响应； 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。 利用积分变换法求解的一般步骤： 把输入量进行分解或离散为简单函数； 利用变换求出单元输入的响应； 把这些单元响应进行叠加，最终得出连续输入作用下的系统响应输出量。

对于求解维护结构的非稳态传热 输入量即为随时间变化的边界条件 求解步骤为： 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。 边界条件的处理办法： 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：冷负荷系数法

武汉市室外干球温度的全年变化

输入边界条件的处理方法：傅立叶级数分解 ＝ ＋

输入边界条件的处理方法： 时间序列离散

动态计算的两种常用方法 谐波反应法： 反应系数法(冷负荷系数法)： 任何一连续可导曲线均可分解为正(余)弦波之和。即把外扰分解为正（余）弦波，分别求出每个正(余)弦波外扰的室内响应，并进行叠加得到室内负荷。 对应连续系统，拉普拉斯变换获得的是s－传递函数。 典型扰量输入：室外空气温度，输出：室内壁温 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。即将外扰分解为脉冲，分别求得脉冲外扰的室内响应，再进行叠加 得到室内负荷。 对应离散系统，拉普拉斯变换获得的是Z传递函数。 典型扰量输入：室内热源得热，输出：室内负荷

反应系数法原理图示(1) 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(2) 设备使用2小时的室内负荷

反应系数法原理图示(3) 设备使用10小时的室内负荷响应

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。 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

反应系数法 －冷负荷系数法 冷负荷系数法是房间反应系数法的一种形式。 房间反应系数是一个百分数，它代表某时刻房间的某种得热在其后作用时刻逐渐转变成房间负荷的百分率。 冷负荷系数法把外扰通过维护结构形成的瞬时冷负荷表述成瞬时冷负荷温差（CLTD）或瞬时冷负荷温度的函数。

tcl,wall()为冷负荷温度逐时值，与所在地区、围护结构类型、气象条件、朝向有关。 冷负荷温度： 一个当量温度 室内温度 Ta,in Tcl,wall(t) KF Qcl(t) (a) 围护结构传热冷负荷基本计算式 tcl,wall()为冷负荷温度逐时值，与所在地区、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。

Ta,in Tcl,wind(t) Qcl(t) (b) 透光围护结构传热冷负荷基本计算式 (c) 透过玻璃窗的日射冷负荷的计算式 冷负荷温度： 一个当量温度 室内温度 窗 Ta,in Tcl,wind(t) Qcl(t) (b) 透光围护结构传热冷负荷基本计算式 (c) 透过玻璃窗的日射冷负荷的计算式 (d) 室内热源散热形成的冷负荷计算式

反应系数法 (b) 日射冷负荷 Ccl() Qcl(t) D·max F Cs Cn Qcl() = F Cs Cn Dj·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。

反应系数法 Q Ccl(t - 0) Qcl() 内扰冷负荷 Qcl() = HG(0) Ccl ( - 0)

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。

谐波反应法——单一谐波 ? tz,n() n,n() 系统 室外温度按余弦波（傅氏级数）分解（负荷为各阶余弦波响应之和）———— 谐波反应计算方法 扰量 响应 扰量 tz,n() n,n() 系统 室外空气综合温度 室内壁面温度 谐波反应法 An＝ △tz,n 响应 △n,n=An/n＝ △tz,n/n n tz,p An T/n tz n 扰量 响应 Bn＝ △n,n 波幅的衰减 相位的延迟 τ ? 4－82 82

谐波反应法——多阶谐波 对于谐波叠加的室外(综合)空气温度： 如用振幅表示： 室外空气综合温度 1阶谐波 2阶谐波 3阶谐波 时刻/h 平均值 如用振幅表示： n、n——围护结构对n阶综合温度扰量传至内表面的衰减度及相位延迟时间，定义： 4－83 83

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 英国：ESP 日本：HASP 中国：DeST

模拟分析软件：美国，反应系数法 DOE-2 EnergyPlus 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。 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。采用的是状态空间法。

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。

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：