建筑环境学第3章热湿环境-2

HGwind , sol ( SSGDi X s SSGdif )C sCn X wind Fwind
玻璃的遮挡系数 遮阳设施的遮阳系数
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通过透光围护结构的得热
通过透光外围护结构的瞬态总得热量 ＝传热得热量＋日射得热量
HGwind ( ) HGwind ,cond ( ) HGwind , sol ( ) { K wind [t a ,out ( ) t in ( )] [ SSGDi ( ) X s SSGdif ( )]C s C n X glass}Fwind

s
Ï µ Í ³
Output( )
O( s ) I ( s)
Input(s) G(s)
Output(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
传递函数与输入量、输出量的关系
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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。
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24
26
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。
对函数进行 积分变换 A域：问题 难以求解 获得解 对函数解进行 积分逆变换
冷热负荷的大小与去除负荷的方式有关
送风方式还是辐射方式？
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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 得热量外，还包括部分贮 存在热表面上的得热量
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。
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各种得热进入空气的途径
潜热得热、渗透空气得热
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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
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。
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得热与冷负荷的关系
照明得热量 蓄热量 需除去的蓄热量 实际冷负荷
热量 蓄热量
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稳态算法举例：
北京室外气温和室内控制温度比较
35 30 25 20
18℃
28.6℃ 夏季 t 26℃
温度(℃)
15 10 5 0 -5 -10 -15 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
－ 9℃ 时间 夏季室内控制温度 冬季室内控制温度 夏季室外气温 冬季室外气温 冬季 t
二者之和就是从壁面 实际获得的对流热量
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讨论：采用辐射板空调的负荷
在室内空气参数相同的情况下，采用辐射板空 调的负荷比送风空调负荷大还是小？ 以夏季为例
外围护结构的内表面温度降低 ——导致室外向室内传热增加
室内表面（家具、墙面）温度降低
—— 空调系统需要带走的热量增加
结论
辐射板空调的负荷偏大
通风双层 玻璃窗， 内臵百页
1
内百页
无通风
有通风
2
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- 玻璃可 减少夜间辐射散热
长波辐射
长波 辐射
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
瞬时得热量 瞬时冷负荷 需除去的蓄热量
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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？如果热容为0呢？
如果内表面完全绝热呢？
房间的构造（角系数）
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室内表面与空气的热平衡关系示意
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室内空气的热平衡关系(空气参数恒定)
排除的对流热＝室内热源对流得热 ＋ 壁面对流换热＋渗透得热
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室内热源对流得热
室内热源总得热＝ 室内热源对流得热
＋向室内表面的长波辐射＋向室内表面的短波辐射
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壁面对流得热
Qwall,cond
通过围护结构的导热量
＋本壁面获得的通过玻璃窗的日射得热 ＝ 壁面对流换热 ＋本壁面向空调辐射板的辐射 ＋本壁面向其他壁面的长波辐射
除热量比冷负荷少了一个空 气增温需要的热量
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典型负荷计算方法原理介绍
非均匀板壁的不稳定传热:
t 2t a( x) t a( x) 2 x x x
太难求解了！
t out [t z ( ) t (0, )] |x 0 x in[t ( , ) t a ,in ] Qlw Qshw t | x x
＋
20 0 0 1440 2880 4320 5760 7200 8640
34
0 0 50 100 150
wenku.baidu.com
＋
-20
-7.5
输入边界条件的处理方法： ——时间序列离散
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
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通过透光围护结构的得热
HGwind ,cond K wind Fwind (ta ,out ta ,in )
通过玻璃板壁的传 热得热，忽略了玻 璃的热惯性 透过玻璃的日射得 热
通过玻璃窗的得热
得热与玻璃窗的 种类及其热工性能有 重要的关系。
HGH HG
t wind
HGinf il Qwall ,cond ,i
i
n
室内空气参数变化时，采用“除热量”来描
述需要排除的热量。显热除热量为：
t t t HE HGH HGwall HGwindow HGinf il Qwall Qa
Qcl , s Qa
冷负荷：
维持室内空气热湿参数为某恒定值时，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：
维持室内空气热湿参数为某恒定值时，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。
注意：辐射的存在是延迟和衰减的根源！
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得热与冷负荷的关系
冷负荷的本质是通过某个设定温度下整个房间的热 平衡算出来的，综合了各种因素作用的一个综合值； 与得热不同的是，不存在灯光造成的负荷、人员造 成的负荷……的概念。例如冬天室内有可能是热负荷 也有可能是冷负荷，而灯光和人员有降低热负荷的影 响，也可能是导致冬季还有冷负荷的原因，但只有跟 围护结构散热综合起来才能得到负荷； 当室内空气参数在改变的过程中，负荷还受空气与家 具、内壁面热容的影响。
成立的条件：如果内外气温一样
总得热：HGwind, sol＝HGglass, + HGglass,a
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通过透光围护结构的日射得热
由于玻璃品种繁多，每个进行单独计算很麻烦 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
窗的有效面积系数
负荷计算法
1967 Canada
当量温差法 谐波分解法
1950s USSR
反应系数法
1946 USA
谐波反应法
冷负荷系数法 冷负荷温差法
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常用的负荷求解法
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
＋本壁面向热源的辐射
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房间空气热平衡的数学表达式
对长波辐射项进行了线性化而导出
得热和冷负荷 的差值 得热定义与实际 传热量的差值
房间的总冷负荷
t t t Qcl , s HEconv HErad HGH HGwall HGwind HGinf il Qwall
房间的各种得热
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求解
B域：问题 容易求解
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
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
上述得热量与通过透光围护结构实际进入室内的 热量之间有差别
室内外气温不一样，采用 标准玻璃的太阳得热量 SSG求得的HGwind,sol部分 与实际情况存在偏差 玻璃实际表面温度变化 带来偏差
7
4. 冷负荷与热负荷
Cooling load & Heating load
8
冷负荷与热负荷
第三类边界条件：
初始条件： t ( x ,0) f ( x ) 其中内表面长波辐射：
Qlw

m
xij ij [Ti4 ( ) T j4 ( )]
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j 1
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
如果追求的是舒适性相同，哪一个负荷更大？
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总负荷与除热量
总负荷
总负荷＝热源总得热＋窗总得热＋ 渗透风得热＋墙体实际传热
t Qcl Qcl , s Qcl , L HGS Qwall HGL t t t ( HGH , S HGwind HGinf il , S HGwall ) Qwall ( HGH , L HGinf il , L )
4
通过透光围护结构的日射得热
——日射透过＋吸热
Part 1: 透过单位面积玻璃的太阳辐射得热
HGglass , I Di glass , Di Idif glass ,dif
Part 2: 玻璃吸收太阳辐射造成的房间得热
Rout HGglass ,a ( I Di a Di I dif adif ) Rout Rin 原理：玻璃吸热后会向内、外两侧散热
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武汉市室外干球温度的全年变化
温度(℃) 45 35 25 15 5 -5 0 1440 2880 4320 5760 7200 8640 时间 (h)
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输入边界条件的处理方法： ——傅立叶级数分解
45 35 25 15 5 -5 0
7.5
16.9℃
＝
1440 2880 4320 5760 7200 8640
DOE2、EnergyPlus(美国)、HASP(日本)、ESP(英国) DeST(中国，清华)
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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＝KFT
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
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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。
Input( )
O( )e d 0 G( s ) s I ( ) e d 0
相变材料，Trombe's Wall (特隆布墙)
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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。