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第四章 第四章 建筑热湿环境建筑热湿环境

清华大学 建筑学院清华大学 建筑学院建筑技术科学系建筑技术科学系

20012001 年年

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建筑热湿环境是如何形成的建筑热湿环境是如何形成的 ?? 是建筑环境中最重要的内容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主要成因是外扰和内扰的影响和建筑

本身的热工性能本身的热工性能 外扰：室外气候参数，邻室的空气温外扰：室外气候参数，邻室的空气温

湿度湿度 内扰：室内设备、照明、人员等室内 内扰：室内设备、照明、人员等室内

热湿源热湿源

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基本概念基本概念 围护结构的热作用过程：围护结构的热作用过程：无论是通过围护结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）、导热式包括对流换热（对流质交换）、导热（水（水蒸汽渗透）和辐射三种形式。蒸汽渗透）和辐射三种形式。

对流换热(对流质交换 )

围护结构传热围护结构传热传湿传湿

室内产热产湿室内产热产湿辐射

导热(水蒸汽渗透 )

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基本概念基本概念 得热得热 (Heat Gain (Heat Gain HG) HG) ：某时刻在内外扰作用下：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。如果得热进入房间的总热量叫做该时刻的得热。如果得热 <0<0 ，，意味着房间失去热量。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，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。的关系。

得得热热

潜热潜热

显热显热

辐射得热辐射得热

对流得热对流得热

5

非透非透明围明围护结护结构外构外表面表面所吸所吸收的收的太阳太阳辐射辐射热热

不同的表面对辐射的波长有选择性，黑色表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白色表面可以反射几乎 9090 ％的可见光。％的可见光。

围护结构的表面越粗糙、颜色越深，吸收率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。 就越高，反射率越低。

反射反射 吸收吸收

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太阳辐射在玻璃中传递过程太阳辐射在玻璃中传递过程 玻璃对辐射的选择性 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

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太阳辐射在玻璃中传递过程太阳辐射在玻璃中传递过程 将具有低发射率、高红将具有低发射率、高红

外反射率的金属（铝、外反射率的金属（铝、铜、银、锡等），使用铜、银、锡等），使用真空沉积技术，在玻璃真空沉积技术，在玻璃表面沉积一层极薄的金表面沉积一层极薄的金属涂层，这样就制成了 属涂层，这样就制成了 Low-e (Low-emissivity) Low-e (Low-emissivity)

玻璃。对太阳辐射有高玻璃。对太阳辐射有高透和低透不同性能。透和低透不同性能。

低透低透 low-elow-e 玻璃玻璃

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太阳辐射在玻璃中传递过程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

3a o

(1-r )(1-a o )2 r

2 (1-r )(1-a o )3r

2

(1-r )2(1-a o )

3r

2

(1-r )(1-a o )3r

3

D

E

(1-r )(1-a o )2 r

2a o

(1-r )(1-a o ) r a o

玻璃的吸收百分比玻璃的吸收百分比 aa0 0 :: )exp(10 KLa

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太阳辐射在玻璃中传递过程太阳辐射在玻璃中传递过程 阳光照射到单层半阳光照射到单层半

透明薄层时，半透明透明薄层时，半透明薄层对于太阳辐射的薄层对于太阳辐射的总反射率、吸收率和总反射率、吸收率和透过率是阳光在半透透过率是阳光在半透明薄层内进行反射、明薄层内进行反射、吸收和透过的无穷次吸收和透过的无穷次反复之后的无穷多项反复之后的无穷多项之和。之和。

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太阳辐射在玻璃中传递过程太阳辐射在玻璃中传递过程 阳光照射到双层半阳光照射到双层半

透明薄层时，还要考透明薄层时，还要考虑两层半透明薄层之虑两层半透明薄层之间的无穷次反射，以间的无穷次反射，以及再对反射辐射的透及再对反射辐射的透过。过。

假定两层材料的吸假定两层材料的吸收百分比和反射百分收百分比和反射百分比完全相同，两层的比完全相同，两层的吸收率相同吗？ 吸收率相同吗？

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室外空气综合温度室外空气综合温度

太阳直太阳直射辐射射辐射

大气长大气长波辐射波辐射 太空散太空散

射辐射射辐射

对流对流换热换热

地面反射辐射地面反射辐射

环境长波辐射环境长波辐射

地面长地面长波辐射波辐射

壁体得热壁体得热

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60℃60℃ ！！

35℃35℃ ！！

室外空气综室外空气综合温度 合温度 SolaSolar-air Temperatur-air Temperaturere

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：射：

out

L

outairz

QaItt

outairz

aItt

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室外空气综合温度室外空气综合温度Solar-air TemperatureSolar-air Temperature

人们常说的太阳下的“体感温度”是什么？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？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？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？度比空气温度高多少？

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围护结构外表面与环境的长波辐射换热围护结构外表面与环境的长波辐射换热 QQLL包括大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：对地面的长波辐射，则有：

白天有天空辐射吗？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？试算一个夜间的室外空气综合温度是多少？

])[( 444gggskyskywggskywL TxTxTxxQ

天空辐射（夜间辐天空辐射（夜间辐射，有效辐射）射，有效辐射）

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通过围护结构的显热得热通过围护结构的显热得热

通过围护通过围护结构的显结构的显热得热热得热

通过非透明围护结通过非透明围护结构的热传导构的热传导

通过玻璃窗的通过玻璃窗的得热得热

外表面对流换热外表面对流换热 外表面日射通外表面日射通过墙体导热过墙体导热

两种方式机理不同两种方式机理不同

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通过非透明围护结构的热传导通过非透明围护结构的热传导 由于热惯性存在，通过围由于热惯性存在，通过围

护结构的传热量和温度的护结构的传热量和温度的波动幅度与外扰波动幅度波动幅度与外扰波动幅度之间存在衰减和延迟的关之间存在衰减和延迟的关系。衰减和滞后的程度取系。衰减和滞后的程度取决于围护结构的蓄热能力。决于围护结构的蓄热能力。

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通过非透明围护结构的热传导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：非均质板壁的一维不稳定导热过程：

边界条件：边界条件：

t t ((x,0 x,0 )) = f = f ((xx))

其中内表面长波辐射：其中内表面长波辐射：

x

t

x

xa

x

txa

t

)(

)( 2

2

0|)()],0()([ xLsolaroutout x

txQQtt

xshlinin x

txQQtt |)()](),([

)]()([ 44

1 ji

m

jijijl TTxQ

18

x=0 x=

Qenv

通过非透明围护结构的热传导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利用室外空气综合温度简化外边界条件：边界条件：

实际由内表面传入室内的热量实际由内表面传入室内的热量为：为：

这部分热量将以对流换这部分热量将以对流换热和长波辐射的形式向热和长波辐射的形式向室内传播。只有对流换室内传播。只有对流换热部分直接进入了空气。热部分直接进入了空气。

0|)()],0()([ xzout x

txtt

xenv x

txQ |)(

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通过非透明围护结构的热传导通过非透明围护结构的热传导 板壁各层板壁各层

温度随室外温度随室外温度的变化温度的变化

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通过非透明围护结构的得热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气象和室内气温对板壁传热量的影响比较确定，容易求得较确定，容易求得

内表面辐射对传热量的影响较复杂，涉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及角系数和各表面温度

xenv x

txQ |)(

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内表面辐射如何影响板壁内表面辐射如何影响板壁的传热？的传热？

QQinin’=Q’=Qconvconv+Q+Qll尽管尽管 QQinin 增加了增加了，但，但 QQout out 和和 QQcoco

ndnd 却是减少的却是减少的。。

TTout,airout,air

QQoutout

QQcondcond

QQinin=Q=Qconvconv

TTin,airin,air

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通过非透明围护结构的得热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”，出来，称作：“通过围护结构的得热”， HGHG

t = tt = t1 1 + t+ t22

QQinin’’ ( (即前面的即前面的 QQenvenv)) 和和 QQinin((即即 HGHG))的差值的差值

为：为：

气象与室温决定部分气象与室温决定部分 辐射造成的增量辐射造成的增量

m

jshjr

inwenvw

Qttt

tHGQQ

121

2

]),(),([

),()(

23

通过玻璃板壁通过玻璃板壁的传热的传热

透过玻璃的日射透过玻璃的日射得热得热

通过玻璃窗的通过玻璃窗的得热得热

通过玻璃窗的得热通过玻璃窗的得热)]()([ inoutglassglasscond ttFKQ

得热与玻璃窗的得热与玻璃窗的种类及其热工性能有种类及其热工性能有重要的关系。重要的关系。

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玻璃窗的种类与热工性能玻璃窗的种类与热工性能 窗框型材有木框、铝合金框、铝窗框型材有木框、铝合金框、铝

合金断热框、塑钢框、断热塑钢框合金断热框、塑钢框、断热塑钢框等；玻璃层间可充空气、氮、氩、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，玻璃类别有普玻、双玻、三玻等，玻璃类别有普通透明玻璃、有色玻璃、低辐射通透明玻璃、有色玻璃、低辐射 (L(L

ow-e)ow-e) 玻璃等；玻璃表面可以有各玻璃等；玻璃表面可以有各种辐射阻隔性能的镀膜，如反射膜、种辐射阻隔性能的镀膜，如反射膜、low-elow-e膜、有色遮光膜等，或在两膜、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。外线高反射率的热镜膜。

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玻璃窗的种类与热工性能玻璃窗的种类与热工性能 我国我国

民用建筑最常见的是铝合金框或塑钢框配单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。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。商用建筑有采用有色玻璃或反射镀膜玻璃。 发达国家发达国家

寒冷地区的住宅则多装有充惰性气体的双玻寒冷地区的住宅则多装有充惰性气体的双玻窗窗

商用建筑多采用高绝热性能的商用建筑多采用高绝热性能的 low-elow-e 玻璃窗。玻璃窗。

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玻璃窗的种玻璃窗的种类与热工性类与热工性能能

不同结构的窗有着不同结构的窗有着不同的热工性能不同的热工性能

UU即传热系数即传热系数 KKglassglass

气体夹层和玻璃本气体夹层和玻璃本身均有热容，但较墙身均有热容，但较墙体小。体小。

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透过单位面积玻璃的太阳辐射得热：透过单位面积玻璃的太阳辐射得热：

玻璃吸收太阳辐射造成的房间得热：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、外两侧散热注意：玻璃吸热后会向内、外两侧散热

总得热：总得热： HGHGsolarsolar＝＝ HGHGglass,glass, + HG + HGglass,aglass,a

difglassdifDiglassDiglass IIHG ,,,

通过玻璃窗的得热通过玻璃窗的得热

)(, difdifDiDiinout

outaglass aIaI

RR

RHG

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通过玻璃窗的得热通过玻璃窗的得热 可利用对标准玻璃的得热 可利用对标准玻璃的得热 SSGSSGDi Di 和 和 SSGSSGdif dif

进行修正来获得简化计算结果：进行修正来获得简化计算结果：

windowglassnsdifsDisolar FXCCSSGXSSGHG )(

实际照射面积比实际照射面积比

玻璃的遮挡系数玻璃的遮挡系数

遮阳设施的遮阳系数遮阳设施的遮阳系数

窗的有效面积系数窗的有效面积系数

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玻璃窗的种类与热工性能玻璃窗的种类与热工性能 无色玻璃表面覆盖无色 无色玻璃表面覆盖无色 low-e low-e 涂层，涂层，

可使这种窗的遮档系数 可使这种窗的遮档系数 CCss 低于低于 0.3 0.3

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通过玻璃窗的长波辐射通过玻璃窗的长波辐射 ?????? 夜间除了通过玻璃夜间除了通过玻璃窗的传热以外，还窗的传热以外，还有由于天空夜间辐有由于天空夜间辐射导致的散热量射导致的散热量

采用 采用 low-e low-e 玻璃可玻璃可减少夜间辐射散热减少夜间辐射散热

通过玻璃窗的温通过玻璃窗的温差传热量和天空长差传热量和天空长波辐射的传热量可波辐射的传热量可通过各层玻璃的热通过各层玻璃的热平衡求得平衡求得

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

对流换热对流换热

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遮阳方式遮阳方式 现有遮阳方式现有遮阳方式

内遮阳：普通窗帘、百页窗帘内遮阳：普通窗帘、百页窗帘 外遮阳：挑檐、可调控百页、遮阳蓬外遮阳：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窗玻璃间遮阳：夹在双层玻璃间的百页窗帘，百页可调控帘，百页可调控

我国目前常见遮阳方式我国目前常见遮阳方式 内遮阳：窗帘内遮阳：窗帘 外遮阳：屋檐、遮雨檐、遮阳蓬外遮阳：屋檐、遮雨檐、遮阳蓬

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外遮阳和内遮阳有何区别外遮阳和内遮阳有何区别 ??

外遮阳：外遮阳：只有透过只有透过和吸收中和吸收中的一部分的一部分成为得热成为得热

内遮阳：内遮阳：遮阳设施遮阳设施吸收和透吸收和透过部分全过部分全部为得热部为得热

对流

透过反射反射

对流

透过

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通风双通风双层玻璃层玻璃窗，内窗，内置百页置百页

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内百页内百页 无通风无通风 有通风有通风

35

outavi

i

in

vK

111

1

通过围护结构的湿传递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水蒸气的传递过程与墙体中的热传递过程相类似：类似： w = Kv (Pw = Kv (Poutout - P - Pinin) kg/s) kg/smm22

水蒸汽渗透系数，水蒸汽渗透系数， kg/(Nkg/(Ns) s) 或 或 s/ms/m ：：

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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通过围护结构的湿传递 当墙体内实际水蒸汽分压当墙体内实际水蒸汽分压力高于饱和水蒸汽分压力时，力高于饱和水蒸汽分压力时，就可能出现凝结或冻结，影就可能出现凝结或冻结，影响墙体保温能力和强度。响墙体保温能力和强度。

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室内显热热源包括照明、电器设备、人员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、人体璃窗到室外、其它室内物体表面（家具、人体等）；等）；

对流：直接进入空气。对流：直接进入空气。 显热热源辐射散热的波长特征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（电炉可见光和近红外线：灯具、高温热源（电炉等）等）

长波辐射：人体、常温设备长波辐射：人体、常温设备

室内产热与产湿室内产热与产湿

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室内产热与产湿室内产热与产湿 室内湿源包括人员、水面、产湿设备室内湿源包括人员、水面、产湿设备

散湿形式：直接进入空气散湿形式：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”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，无热源湿表面：等焓过程， 室内空气的显热转化为潜热室内空气的显热转化为潜热 蒸汽源：可仅考虑潜热交换蒸汽源：可仅考虑潜热交换

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人体散热散湿人体散热散湿 见第五章！见第五章！

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空气渗透带来的得热空气渗透带来的得热 夏季：室内外温差小，风压是主要动力夏季：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。风渗透往往不可忽略。

理论求解方法：网络平衡法，数值求解理论求解方法：网络平衡法，数值求解 《流体网络原理》课程将介绍《流体网络原理》课程将介绍 参考文献：朱颖心，参考文献：朱颖心， 水力网络流动不稳定过程水力网络流动不稳定过程的算法，《清华大学学报》的算法，《清华大学学报》 , 1989, 1989 年年 , , 第第 55期期

工程应用：缝隙法、换气次数法工程应用：缝隙法、换气次数法

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网络平衡法原理网络平衡法原理 节点平衡：节点平衡： AAGG＝＝ 0 0

回路压力平衡：回路压力平衡： BB PP＝＝ 00

各支路和节点均编号。各支路和节点均编号。 网络关联矩阵网络关联矩阵 AA 元素 元素 aaijij

：：由 由 i i 点点到 到 jj 点点为为 11 ，反之为 ，反之为 -1-1 ，无关为，无关为 00 。。 基本回路矩阵基本回路矩阵 BB元素 元素 bbijij

：：由 由 jj支路与 支路与 i i 回路同向为回路同向为 11

，反之为 ，反之为 -1-1 ，无关为，无关为 00 。。

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冷负荷与热负荷冷负荷与热负荷 冷负荷：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。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，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。则又可称作湿负荷。

热负荷：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。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。如果只控制室内温度，则热负荷就只包括显热负荷。

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负荷的大小与去除或补充热量负荷的大小与去除或补充热量的方式有关的方式有关

常规的送风方式空调常规的送风方式空调需要去除的是进入到空需要去除的是进入到空气中的得热量。气中的得热量。

冷辐射板空调需要去冷辐射板空调需要去除的热量除了进入到空气除的热量除了进入到空气中的热量外，还包括贮存中的热量外，还包括贮存在热表面上的热量。在热表面上的热量。

44

各种得热进入空气的途径各种得热进入空气的途径 潜热得热、渗透空气得热潜热得热、渗透空气得热

得热立刻成为瞬时冷负荷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、通过围护结构导热、通过玻璃窗日射得热、室内显热源散热室内显热源散热 对流得热部分立刻成为瞬时冷负荷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。间上存在延迟。

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得热与冷负荷的关系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

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得热与冷负荷的关系得热与冷负荷的关系 冷负荷与得热有关，但不一定相等冷负荷与得热有关，但不一定相等 决定因素决定因素

空调形式空调形式 送风：负荷＝对流部分送风：负荷＝对流部分 辐射：负荷＝对流部分＋辐射部分辐射：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？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？如果内表面围护结构热工性能：蓄热能力如何？如果内表面完全绝热呢？完全绝热呢？

房间的构造（角系数）房间的构造（角系数） 注意：辐射的存在是延迟和衰减的根源！ 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房间空气的热平衡关系

排除的对流热＋空气的显热增值 ＝排除的对流热＋空气的显热增值 ＝ 室内热源对流得热室内热源对流得热＋＋ 壁面对流得热壁面对流得热＋渗透得＋渗透得热热

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室内热源对流得热室内热源对流得热

室内热源得热＝ 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＋热源向空调辐射板的辐射＋热源向壁面的辐射

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壁面对流得热壁面对流得热

通过围护结构的导热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＋本壁面获得的通过玻璃窗的日射得热 ＝ 壁面对流得热＝ 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＋本壁面向其他壁面的长波辐射 ＋本壁面向热源的辐射＋本壁面向热源的辐射

QQcondcond

51

air

n

iiwil

n

iiwsolarHpconvcl QQHGHGHGHGQQ

1,inf

1,,

房间的总冷负荷房间的总冷负荷

房间的各种得热房间的各种得热

空气的显热增值空气的显热增值

内表面辐射导致内表面辐射导致的传热量差值的传热量差值

得热和冷负荷得热和冷负荷的差值的差值

房间空气热平衡的数学表达式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对辐射项进行了线性化而导出

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x

t

x

xa

x

txa

t

)(

)(2

2

第三类边界条件：第三类边界条件：

)()0,(

|]),([

|)],0([ 0

xfxtx

ttt

x

ttt

xnw

xww

太难求解了！太难求解了！

典型负荷计算方法原理介绍典型负荷计算方法原理介绍非均匀板壁的不稳定传热非均匀板壁的不稳定传热 ::

其中内表面长波辐射： 其中内表面长波辐射：

)]()([ 44

1 ji

m

jijijl 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目的：使负荷计算能够在工程应用中实施 发展：由发展：由不区分得热和冷负荷不区分得热和冷负荷发展到考虑二发展到考虑二者的区别者的区别

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稳态算法稳态算法 不考虑建筑蓄热，负荷预测值偏大不考虑建筑蓄热，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：夏季设计日动态模冷负荷系数法、谐波反应法：夏季设计日动态模拟。拟。

计算机模拟软件计算机模拟软件 DOE2(DOE2(美国美国 )) 、、 HASP(HASP( 日本日本 )) 、、 ESP(ESP(英国英国 ))

DeST(DeST( 清华清华 ))

常用的负荷求解法常用的负荷求解法

55

稳态算法稳态算法 方法方法

采用室内外瞬时温差或平均温差，负荷与以往时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： 刻的传热状况无关： QQ＝＝ KFKFT T

特点特点 简单，可手工计算简单，可手工计算 未考虑围护结构的蓄热性能，计算误差偏大未考虑围护结构的蓄热性能，计算误差偏大

应用条件应用条件 蓄热小的轻型简易围护结构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：稳态算法举例：北京室外气温北京室外气温和室内控制温度比较和室内控制温度比较

57

积分变换法原理积分变换法原理 对于常系数的线性偏微分方程，采用积分变换如 对于常系数的线性偏微分方程，采用积分变换如 傅立叶变换傅立叶变换 或 或 拉普拉斯变换拉普拉斯变换。积分变换的概念是把。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，获得最终的再对求得的变换后的方程解进行逆变换，获得最终的解。解。

BB 域：问题域：问题容易求解容易求解

对函数进行对函数进行积分变换积分变换 求解求解

AA 域：问题域：问题难以求解难以求解

对函数解进行对函数解进行积分逆变换积分逆变换

获得解获得解

58

为何板壁不稳定传热适用拉普为何板壁不稳定传热适用拉普拉斯变换？拉斯变换？ 拉普拉斯变换的应用条件拉普拉斯变换的应用条件

时间变化范围为半无穷区间（时间变化范围为半无穷区间（ 00 ，， ++ ）） 必须是线性定常系统必须是线性定常系统

拉普拉斯变换的特点拉普拉斯变换的特点 复杂函数变为简单函数复杂函数变为简单函数 偏微分方程变换为常微分方程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常微分方程变换为代数方程

拉普拉斯变换的解拉普拉斯变换的解 传递矩阵或传递矩阵或 s-s- 传递函数的解的形式传递函数的解的形式

59

G(s)Input(s) Output(s)

系统Input( ) Output( )

传递函数与输入量、输出量的关系传递函数与输入量、输出量的关系

积分变换法原理积分变换法原理 传递函数传递函数 G(s)G(s)仅由系统本身的特性决定，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递函数。这样就可以通过输入量和传递函数求得输出量。求得输出量。

)(

)(

)(

)()(

0

0

sI

sO

deI

deOsG

s

s

如果输入原函数是指数如果输入原函数是指数函数，则不需变换直接输函数，则不需变换直接输入，即可求得解的原函数入，即可求得解的原函数。。

60

应用条件应用条件 对于普通材料的围护结构的传热过程，在其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，可采用拉普拉化不大，可近似看作是常数，可采用拉普拉斯变换法来求解。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。拉普拉斯变换法来求解。

61

线性定常系统的特性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。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，但输出响应的函间在产生同向、同量的变化，但输出响应的函数不会改变。数不会改变。

可把输入量进行分解或离散为简单函数，再利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。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。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方法 输入边界条件的处理步骤输入边界条件的处理步骤

边界条件的离散或分解；边界条件的离散或分解； 求对单元扰量的响应；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。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℃

＝＝＋＋

＋＋-20

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：输入边界条件的处理方法：傅立叶级数分解傅立叶级数分解

65

输入边界条件的处理方法：输入边界条件的处理方法：时间序列离散时间序列离散

66

两种积分变换法两种积分变换法 反应系数法反应系数法 ((冷负荷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，分解为脉冲，分别求得脉冲外扰的室内响应，再进行叠加 再进行叠加 室内负荷。 室内负荷。

对应离散系统，拉普拉斯变换转化为对应离散系统，拉普拉斯变换转化为 ZZ变换变换 谐波反应法：谐波反应法：

任何一连续可导曲线均可分解为正任何一连续可导曲线均可分解为正 ((余余 ))弦波弦波之和。把外扰分解为余弦波，分别求出每个正之和。把外扰分解为余弦波，分别求出每个正((余余 ))弦波外扰的室内响应，并进行叠加。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

设备使用11

小时的室内负荷响

小时的室内负荷响

应应

得热：得热： Q(Q()) －－输入干扰－－输入干扰负荷：负荷： CLQ(CLQ()) －－响应－－响应

反应系数法原理图示反应系数法原理图示 (1)(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

设备使用设备使用

22

小时的室内负荷小时的室内负荷

反应系数法原理图示反应系数法原理图示 (2)(2)

69

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21时间(时)

负荷

设备使用

设备使用1010

小时的室内负荷响

小时的室内负荷响

应应反应系数法原理图示反应系数法原理图示 (3)(3)

70

反应系数法反应系数法 反应系数的大小即反应了某一项因素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。 反应对某时刻负荷大小的影响程度。 反应系数为系数为 0~10~1 ，相当于影响为，相当于影响为 0~100%0~100% 。。

内外扰的处理内外扰的处理 围护结构传热采用冷负荷温度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日射冷负荷采用冷负荷系数 内扰采用冷负荷系数内扰采用冷负荷系数

71

(a) (a) 围护结构传热冷负荷基本计算式围护结构传热冷负荷基本计算式QQclcl(() = KF [ ) = KF [ ttclcl(()) – t – tin in ]]

ttclcl(()) 为冷负荷温度逐时值为冷负荷温度逐时值，与围护结构类型、，与围护结构类型、气象条件、朝向有关。气象条件、朝向有关。 ttclcl(()) 反映了室外空气温度、阳光辐射、建筑物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。蓄热等因素的综合影响。

ttinin

KFKFttclcl(())

QQclcl(())

冷负荷温度：冷负荷温度：一个当量温度一个当量温度 室内温度室内温度

72

(b) (b) 日射冷负荷日射冷负荷QQclcl(() = F C) = F Cs s CCn n DDt·max t·max CCclcl(())

FF 为窗面积，为窗面积， DDt·maxt·max 是日射得热因素最大值是日射得热因素最大值

CCclcl(()) 是冷负荷系数是冷负荷系数，与纬度、朝向有关。，与纬度、朝向有关。

CCss 为玻璃遮挡系数，为玻璃遮挡系数， CCnn 为遮阳系数。为遮阳系数。

QQclcl(())DD·max·max

F CF Cs s CCnn

CCclcl(())反应系数法反应系数法

73

内扰冷负荷内扰冷负荷QQclcl(() = ) = HG(HG(00)) CCcl cl (( - - 00))

HG(HG(00)) 为内热源散热量为内热源散热量

CCclcl((- - 00)) 是冷负荷系数是冷负荷系数

CCclcl((- - 00)) 与开始使用时间和与开始使用时间和连续使用时间有关，与建连续使用时间有关，与建

筑热特性有关。筑热特性有关。

QQQQclcl(()) CCclcl((- - 00))

反应系数法反应系数法

74

谐波反应法谐波反应法 对外扰的分解：室外空气综合温度对外扰的分解：室外空气综合温度 ttz z (() = t) = tzpzp+ + ttz z (() = t) = tzpzp+ + ttznzn sin( sin(nn + + nn) )

= A= A00+ + AAnn sin(2 sin(2nn/T + /T + nn))

对外扰的响应形式：围护结构对不同频率外扰有一对外扰的响应形式：围护结构对不同频率外扰有一定的衰减定的衰减 nn=A=Ann/B/Bnn 与延迟与延迟 nn ，响应也是傅立叶级数，响应也是傅立叶级数形式：形式：

ttin,n in,n (() = A) = Ann//nnsin(2sin(2nn/T+/T+nn--nn)])]

通过围护结构形成的负荷：叠加通过围护结构形成的负荷：叠加 ttin,n in,n (()) 可得出可得出 ttinin(()) ，，通过通过 ttinin(()) 和室内热平衡就可求出负荷。和室内热平衡就可求出负荷。

75

谐波反应法谐波反应法 玻璃窗冷负荷玻璃窗冷负荷

传热温差用外气温而不是室外综合温度：传热温差用外气温而不是室外综合温度： QQclcl(() = KF ) = KF t(t() )

= KF [ t= KF [ twpwp – t – tinin + + ttwn wn sin(sin(nn + + nn) ]) ]

内扰冷负荷内扰冷负荷 对内扰响应的分解方法类似对外扰响应的对内扰响应的分解方法类似对外扰响应的分解。分解。

76

谐波反应法的简化算法谐波反应法的简化算法 算法繁琐，故需要简化算法繁琐，故需要简化

传导部分传导部分 ((墙、窗墙、窗 )) ： ： QQclcl(() = KF) = KFtt--

tt 为负荷温差，表中值为室温为负荷温差，表中值为室温 26℃26℃时温差，可修正。算法时温差，可修正。算法同冷负荷系数法。同冷负荷系数法。

日射部分：日射部分： QQclcl(() = x) = xggxxddCCnnCCssFJ(FJ())

xxgg窗有效面积系数，窗有效面积系数， xxdd地点修正系数，地点修正系数， J(J()) 为负荷强度。 为负荷强度。 xxddJJ 相当于冷负荷系数法的相当于冷负荷系数法的 DD··maxmaxQQclcl(()) ，， xxggFF 相当于冷负荷相当于冷负荷系数法的系数法的 FF 。。

内扰部分： 内扰部分： QQclcl(() = HG() = HG(00) JX) JX - - oo

JXJX - - oo 为设备负荷强度系数为设备负荷强度系数 (( - - 00 时刻时刻 )) ，同冷负荷系数法，同冷负荷系数法的的 CCclcl(()) 。。

77

两种积分变换法总结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谐波反应法的简化算法与冷负荷系数法形式一致。式一致。

为了便于手工计算，均把内外扰通过一个为了便于手工计算，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过程处理，不考虑与其它墙面和热源之间的相互影响。的相互影响。

不能分析变物性的材料如相变材料制成的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。围护结构热过程。

78

两种积分变换法总结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：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，给对墙体内表面之间的长波辐射作了简化处理，给定比例定比例

忽略了透过玻璃窗日射落在墙内表面上的光斑的忽略了透过玻璃窗日射落在墙内表面上的光斑的影响影响

热源对流和辐射比例给定，与墙表面角系数给定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、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。室内空气控制温度随时间变化等。

79

模拟分析软件模拟分析软件 GATEGATE ，， 6060 年代末，美国，稳态计算年代末，美国，稳态计算 现在现在

美国：美国： DOE-2DOE-2 、、 BLASTBLAST 、、 EnergyPlusEnergyPlus 、、 NBSNBS

LDLD

英国：英国： ESPESP

日本：日本： HASPHASP

中国：中国： DeSTDeST

80

模拟分析软件：模拟分析软件：美国，反应系数法美国，反应系数法 DOE-2DOE-2

由美国能源部主持，美国 由美国能源部主持，美国 LBNLLBNL开发，于开发，于 19791979

年首次发布的建筑全年逐时能耗模拟软件，是目前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，用户数估计达到估计达到 1000~25001000~2500 家，遍及家，遍及 4040 多个国家。其中多个国家。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。温度恒定，不考虑不同房间之间的相互影响。

EnergyPlusEnergyPlus 美国美国 LBNL 90LBNL 90 年代开发的商用、教学研究用的年代开发的商用、教学研究用的建筑热模拟软件。采用的是传递函数法（反应系数建筑热模拟软件。采用的是传递函数法（反应系数法）。法）。

81

模拟分析软件：模拟分析软件：欧洲，有限差分法欧洲，有限差分法

ESPESP ESP(ESP-r)ESP(ESP-r) 是由英国是由英国 StrathclydeStrathclyde 大学的能量系大学的能量系统研究组统研究组 19771977－－ 19841984 年间开发的建筑与设备系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，如有特隆布墙筑的热过程，如有特隆布墙 (Trombe wall) (Trombe wall) 或相变或相变材料等变物性材料的建筑。采用的时间步长通常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以分钟为单位。该软件对计算机的速度和内存有较高要求。较高要求。

82

模拟分析软件：模拟分析软件：中国，状态空间法中国，状态空间法 DeSTDeST

9090 年代清华大学开发的建筑与年代清华大学开发的建筑与 HVACHVAC 系统分析和辅助设计软件。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：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，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。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长可大至 11小时，小至数秒钟，而有限差分法只能取较小的时间小时，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、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。变表面换热系数、变物性等非线性问题。

BuATTC

83

习题习题 室外空气综合温度是单独由气象参数决定的室外空气综合温度是单独由气象参数决定的

吗？吗？ 什么情况下建筑物与环境之间的长波辐射可什么情况下建筑物与环境之间的长波辐射可

以忽略？以忽略？ 透过玻璃窗的太阳辐射中是否只有可见光，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？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透过玻璃窗的太阳辐射是否等于建筑物的瞬时冷负荷？时冷负荷？

84

习题习题 室内照明和设备散热是否直接转变为瞬时冷室内照明和设备散热是否直接转变为瞬时冷负荷？负荷？

为什么冬季往往可以采用稳态算法计算采暖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负荷而夏天却一定要采用动态算法计算空调负荷？荷？

围护结构内表面上的长波辐射对负荷有何影围护结构内表面上的长波辐射对负荷有何影响？响？

夜间建筑物可通过玻璃窗长波辐射把热量散夜间建筑物可通过玻璃窗长波辐射把热量散出去吗？出去吗？