《建筑热湿环境》PPT课件.ppt
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1、41,第4章 建筑热湿环境,主线: 1。建筑物理因素热湿环境的形成 2。影响因素对热湿环境的定量影响负荷计算 3。人体对热湿环境的反应室内热湿环境标准 4。从人体生理学、心理学热湿环境的评价,是建筑环境中最重要的部分,42,建筑热湿环境 知识框架,半透明体围护结构的热工性能,生理学基础,心理学基础,建筑热湿环境,影响室内热环境的物理因素,太阳辐射与综合温度,湿环境,非透明体围护结构的热工性能,稳定特性,非稳定特性,冷负荷形成及 计算方法,人体生理学和心理学,冬,围护结构负荷,空气渗透负荷,光学特性,PMV-PPD法,局部不舒适感,其他稳定评价,热舒适性方程,稳定计算方法,谐波反应法,冷负荷系数
2、法,夏,人,照明,设备,得热负荷概念,湿量计算,冷凝校验,结露防治,温态环境,动态环境,过度环境,热湿环境 评价,43,1气温 2太阳辐射 3室外空气综合温度 4热空气交换 5建筑内表面辐射6人体辐射换热 7人体对流换热 8人体蒸发散热 9室内热源,室内热湿环境的形成,第4章 建筑热湿环境,44,基本概念,A: 室外气象条件 外扰 B: 室内发热/湿/尘量 内扰(照明、设备、人体、散湿) C: 空调方式 广义外扰,外扰作用方式:热交换:太阳辐射(透明/半透明体) 、 热传导(围护结构)/(对流辐射) 空气交换:空气渗透、空调送风,内扰作用方式: 辐射 对流 蒸发,空气状态参数 变化的途径: 对
3、流 空气直接混合 蒸发,墙体传热/湿性能影响内/外扰对室内空气环境的作用,4.1 影响室内热环境的物理因素,45,4.1 影响室内热环境的物理因素 4.1.1 太阳辐射与室外空气综合温度,建筑表面的辐射作用,直射:IN,散射:,地面反射:ID,天空散射:IS,太阳辐射 I0,大气辐射 Iy,建筑表面接受的辐射,建筑表面的气温作用,综合温度,46,4.1 影响室内热环境的物理因素 4.1.1 太阳辐射与室外空气综合温度,法线直射强度:,P大气透明度(反应大气污染、水蒸气等颗粒对日射的衰减) m大气质量(反应日射强度到达表面的路程大小),呈指数衰减,P=IL/I0=exp(-kL),大气透明度,N
4、o.11,47,4.1 影响室内热环境的物理因素 4.1.1 太阳辐射与室外空气综合温度,大气透明度,P1 最透明 变化范围:0.650.75,在一个月份的晴天中可近似认为是常数 我国将大气透明度作了6个等级的分区,1级最透明,东京晴天的大气透明度逐月值,反应大气污染、水蒸气等颗粒对日射的衰减,P=IL/I0=exp(-kL),定义:,48,我国的大气透明度分区,49,IN = I0 P m m = L/L = 1/sin,为什么太阳高度角接近0和90时垂直面的日射量都小?,反应日射强度到达表面的路程大小,大气质量:m,4.1 影响室内热环境的物理因素 4.1.1 太阳辐射与室外空气综合温度,
5、大气透明度,410,4.1.1 太阳辐射与室外空气综合温度, A i ,太阳辐射强度,直射辐射,411,不同太阳高度角和大气透明度下的太阳直射辐射强度,直射辐射,太阳辐射强度,412,水平面散射强度IS,S(Berlage公式):,散射辐射与总辐射强度,G地面平均日射反射率,水平面日射总辐射:,垂直面日射总辐射:,太阳辐射强度,413,水平面总日射辐射强度:,北纬40的太阳总辐射量,按不同表面(水平、垂直、倾斜面)计算,总辐射强度,例4-1,短波?长波?,414,4.1.1 太阳辐射与室外空气综合温度,大气长波辐射(Ia)与晚间有效辐射(Iy),指建筑表面向天空的有效辐射,指大气向建筑表面的辐
6、射,大气向建筑表面的辐射:Ia,(地表)建筑表面向天空的辐射:Id,(地表) 建筑向天空的有效辐射:IS,B,考虑云层(地表)建筑向天空的有效辐射:IS,y,天空当量温度,大气温度,式4-25,为何白天可以忽略大气长波辐射,晚间不可以?,例题4-2,晚间有效辐射,415,太阳直射辐射,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,IS,IZ,ID,非透明体外表面接受热辐射:,4.1.1 太阳辐射与室外空气综合温度,室外空气综合温度,大气长波辐射,IZ,IS,建筑表面接受辐射,416,室外空气温度:,外表面接受的有效热辐射:,外表面得热:,短波辐射,长波辐射,4.1
7、.1 太阳辐射与室外空气综合温度,Iy Id Ia,室外空气综合温度,417,td(I),tw,当量空气温度,+,=,室外空气温度,室外空气综合温度,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:,td(I),Iy/w工程处理: 垂直面: Iy/w = 0; 水平面: Iy/w = 3.54.0。,室外空气综合温度,418,导热特性:,100,气体 0.0060.6 Air:0.029,液体 0.070.7 Water:0.58,建筑材料 0.33.5 钢筋混凝土:1.5,金属 2.2240 建筑钢材,20,保温材料0.3,保温材料其他要求:600700kg/m3; ;耐压强度:4kg
8、/cm2 要点: 空隙率, air solid,2,围护结构传导与热对流,聚乙烯泡沫材料:0.04,4.1 影响室内热环境的物理因素 4.1.2 非透明体围护结构的热工性能,表面热对流特性:,表4-3,w 、n = f(v、t、热面形式),墙体导热系数,W/mK,419,表面辐射特性:,一般建筑内墙:0.820.93,铝箔0.050.20 太阳集热器s ,保温材料常贴铝箔 、墙体表面反射率、吸收率、透射率 ( =0:非透明体;1:半透明体) s表面的太阳吸收率,Cb黑体辐射系数: 5.67 W/(m2K4),表面黑度:,4.1 影响室内热环境的物理因素 4.1.2 非透明体围护结构的热工性能,
9、420,工程上: = f(墙表面平整度,室外风速)=1923 W/(m2K) = f(墙表面平整度) 8.72 W/(m2K),对流放热系数:,辐射放热系数:,以外墙为例:,out,辐射,对流,4.1 影响室内热环境的物理因素 4.1.2 非透明体围护结构的热工性能,表面辐射特性:,421,吸(放)热导热放(吸)热,稳定传热量计算,流体与壁面对流传热 以外墙为例:,壁面与壁面辐射传热 以外墙为例:,固体间导热传热,并联作用表面换热,串联作用,并联作用表面换热,4.1 影响室内热环境的物理因素,4.1.2 非透明体围护结构的热工性能,422,K0、R0墙体总传热系数,总传热热阻R0=1/K0,
10、Kf(墙体材质)GB50176-93民用建筑热工设计规范等,tw,tn,多层均质墙体,w,n,4.1 影响室内热环境的物理因素,4.1.2 非透明体围护结构的热工性能,稳定传热量计算,423,封闭空气间层:,导热、对流、辐射同时存在 处理方法: 当量导热表4-7,实体: dR 传热,空气间层:,思考:一般封闭间层内贴铝箔(小) 以降低传热量,一般贴在高温侧避免结露,为什么?,低温侧,高温侧,高温侧,低温侧,4.1.2 非透明体围护结构的热工性能,稳定传热量计算,424,组合墙体:,(1)分层按等热流层分 (2)确定组合层并联处理成当量热阻,由的面积加权推导,(3)整个墙体按多层均质求解,4.1
11、.2 非透明体围护结构的热工性能,计算方法:,稳定传热量计算,No.12,425,夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准 传热系数K/(m2K)和热惰性指标D的控制,426,JGJ26-86 民用建筑节能设计标准,体形系数0.3,体形系数0.3,北纬 45,北纬 40,北纬 60,北纬 60,体形系数建筑物外表面积与其包围的体积之比,JGJ 26-95民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分) 国内外建筑围护结构传热系数的比较/W/(m2K),JGJ24-86 民用建筑热工设计规程,427,衰减特性:衰减系数0=室外综合空气温度波幅/内表面温度波幅 延迟特性:延迟时间0=内表面温度波动相位延迟 蓄热特
12、性:蓄热系数 S = 热流波动振幅与温度波动振幅之比,qn,A0,An,=A0/An,4.1.2 非透明体围护结构的热工性能,不稳定热工特性,428,材料的蓄热系数反应材料的蓄热特性。,表面温度波动程度 S温度波动蓄热 一般空气间层:S=0,材料层衰减度材料内部温度衰减规律,热惰性指标反抗温度波动的能力,S可蓄热 D抗波动,D3.0:轻型结构 3.1D6.0:中型结构 D6.1:重型结构,S参数均可通过半无穷大材料的不稳定传热计算,4.1.2 非透明体围护结构的热工性能,不稳定热工特性,429,4.1.2 非透明体围护结构的热工性能,不稳定热工特性,430,波长/m,穿透率/%,可见光,近红外
13、线,长波红外线,0.8,玻璃对波长具有选择性的透过特性:3m以下波长几乎全部透过,但却能阻隔3 m以上的长波红外线辐射温室效应,4.1 影响室内热环境的物理因素 4.1.2 半透明体围护结构的热工性能,光学特性,431,4.1 影响室内热环境的物理因素 4.1.2 半透明体围护结构的热工性能,玻璃在界面上的反射、透过特性和内部的吸收特性: 界面的反射百分比,A0单程吸收百分比,,光学特性,432,反射百分比:,吸收百分比:,r,a0,标准玻璃K0.045,玻璃/太阳下,空气,消光系数,行程,4.1 影响室内热环境的物理因素 4.1.2 半透明体围护结构的热工性能,光学特性,433,4.1 影响
14、室内热环境的物理因素 4.1.2 半透明体围护结构的热工性能,热工特性,窗框(材料、各种间隔、断热窗框等,玻璃系统(单层、双层、贴膜等),组合结构,窗系统,434,单层: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。,多层: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。,4.1 影响室内热环境的物理因素 4.1.2 半透明体围护结构的热工性能,热工特性,表4-9,435,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
15、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。,窗玻璃中心温度,4.1 影响室内热环境的物理因素 4.1.2 半透明体围护结构的热工性能,热工特性,436,通过窗进入室内的得热:玻璃得热80%,其次是缝隙空气渗透得热和窗框传热得热。,常用窗框材料的导热系数W/(mK),中空玻璃及其他墙体材料的传热系数W/(m2K),双玻热阻:,4.1.2 半透明体围护结构的热工性能,热工特性,437,4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.1 得热与负荷的基本概念,得热
16、与负荷的定义与构成,室内热量传递形式,438,冷(热)负荷:维持室内一定热湿环境所需要的在单 位时间内从室内除去(补充)的热量,显热负荷,潜热负荷,送风方式,辐射方式,空气温湿度环境,空气温湿度+ 平均辐射温度,空气中热量,空气+室内各表面热量,表面储存热,+,4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.1 得热与负荷的基本概念,得热与负荷的定义与构成,439,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。,4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.1 得热与负荷的基本概念,得热与负荷的定义与
17、构成,440,4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.1 得热与负荷的基本概念,冷负荷形成过程,得热:进入建筑的总热量,包括导热、对流、辐射、直接空气交换/HG(n) 空调负荷:维持环境空调去除或加入的冷量或热量/CL(n) 除热量: 房间非稳定工况下实际由空调系统除去的热量/HE(n),比例f (热源性质) 表4-15,蓄热比例f (建筑热工特性、作用形式),压缩机 功率,除热量,(空调送风方式),No.13,与得热比较有衰减和延迟,441,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,室内热源得热分解:,4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.
18、1 得热与负荷的基本概念,冷负荷形成过程,空调送风方式与辐射空调方式的负荷构成区别,442,壁面得热分解:,壁面得热分解 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 本壁面向热源的辐射 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,谐波反应法(4)得热负荷的过程,4.2.3 非透明体围护结构冷负荷及谐波反应系数法,443,冷负荷 排除的对流热得热+潜热+空气的焓值增值 室内热源对流得热 壁面对流得热潜热 渗透得热,房间空气的热平衡关系 空调送风方式负荷,4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.1 得热与负荷的基本概念,冷负荷形成过程,稳定时,其量
19、物理意义?,444,4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.1 得热与负荷的基本概念,建筑蓄热特性对冷负荷的影响,谐波扰量,阶跃扰量,得热量? 蓄热量? 冷负荷? 除热量? 新概念,445,的发展过程,当量温差法,谐波分解法,美/1946,苏/50年代,得热=负荷,反应系数法,ASHRAE/77年,冷负荷系数法,加/1967-71,日射冷负荷系数,Z传递函数改进,典型建筑冷负荷温差及冷负荷系数,谐波 反应法,完善,稳态 计算法,得热负荷,我国根据不同对象推荐采用:,冬季,内围护结构冷负荷,外围护结构冷负荷,室内冷负荷,窗户日射冷负荷,4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.
20、1 得热与负荷的基本概念,负荷计算方法与模拟软件,446,实际开机容量装机容量 设备闲置浪费,惊人的浪费!,(样本数:24),447,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。 计算机模拟分析软件 DOE2(美国)、HASP(日本)、ESP(英国) DeST(清华),4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.1 得热与负荷的基本概念,负荷计算方法与模拟软件,448,冬季为什么采用稳定计算方法,而夏季采用非稳定计算方法?,问题:,4.2.2 稳定计算方法,比较: tw, 和 t=tw-tn,CLQwinter=
21、HG=KwFw (tw-tn),449,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(如冬季负荷计算、夏季内墙负荷计算等),4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.2 稳定计算方法,450,第三类边界条件:,太难求解了!,非均匀板壁的不稳定传热:,其中内表面长波辐射:,积分变换法基本原理(1),4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.3 非透明体围护结构冷负荷及谐波反应系数法,451,积分变换法基本原
22、理(2),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,4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.3 非透明体围护结构冷负荷及谐波反应系数法,如何选用?,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,452,拉普拉斯变换的解 形式:传递矩阵或s-传递函数 传递函数 问题的解,积分变换法基本原
23、理(3),4.2 房间冷负荷的形成及其计算方法概述 4.2.3 非透明体围护结构冷负荷及谐波反应系数法,453,叠加,单元扰量,单元扰量响应,分解,拉普拉斯变换:热传递过程是线性定常系统,傅立叶变换:扰量周期变化,Z变换:扰量 非规则变化,扰量,扰量,三角波分解,谐波反应法,叠加条件: 线性定常系统,传递函数,冷负荷系数法,积分变换法基本原理(4),454,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。 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
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