建筑环境学第二版教材3第三章热湿环境.doc

3第三章 建筑热湿环境 热湿环境是建筑环境中最主要的内容，主要反映在空气环境的热湿特性中建筑室内热湿环境形成的最主要原因是各种外扰和内扰的影响外扰主要包括室外气候参数如室外空气温湿度、太阳辐射、风速、风向变化，以及邻室的空气温湿度，均可通过围护结构的传热、传湿、空气渗透使热量和湿量进入到室内，对室内热湿环境产生影响内扰主要包括室内设备、照明、人员等室内热湿源见图3-1 无论是通过围护结构的传热传湿还是室内产热产湿，其作用形式基本为对流换热（对流质交换）、导热（水蒸汽渗透）和辐射三种形式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(Heat HG)[1]，包括显热和潜热两部分得热量的显热部分包括对流得热（例如室内热源的对流散热，通过围护结构导热形成的围护结构内表面与室内空气之间的对流换热）和辐射得热（例如透过窗玻璃进入到室内的太阳辐射、照明器具的辐射散热等）两部分如果得热量为负，则意味着房间失去显热或潜热量 由于围护结构本身存在热惯性，使得其热湿过程的变化规律变得相当复杂，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本章的任务就是阐述建筑室内热湿环境的形成原理以及室内热湿环境与各种内、外扰之间的响应关系。

图3-1 建筑物获得的热量第一节 太阳辐射对建筑物的热作用3.1.1围护结构外表面所吸收的太阳辐射热 如第二章所述，太阳的光谱主要由0.2 ~ 3.0 mm的波长区域所组成的太阳光谱的峰值位于0.5 mm附近，到达地面的太阳辐射能量在紫外线区（波长为0.2 ~ 0.38mm）占的比例很小，约为1％波长范围为0.38 mm ~ 0.76 mm的可见光和0.76 ~ 3.0 mm的近红外线占了主要部分，两部分能量各约占一半而一般高温工业热源的辐射均为长波辐射，波长为5 mm以上因此建筑环境所涉及的表面温度范围决定了其发射的辐射均为长波辐射，只有发射可见光的灯具和高温热源有可能发射可见光和近红外线图3-2 各种表面在不同辐射波长下的反射率[4] 当太阳照射到非透光的围护结构外表面时，一部分会被反射，一部分会被吸收，二者的比例取决于围护结构表面的吸收率（或反射率）不同类型的表面对辐射的波长是有选择性的，特别是对占太阳辐射绝大部分的可见光与近红外线波段区有着显著的选择性，图3-2给出了不同类型表面对不同波长辐射的反射率由图3-2可以看到，黑色表面对各种波长的辐射几乎都是全部吸收，而白色表面对不同波长的辐射反射率不同，可以反射几乎90％的可见光。

因此，对于太阳辐射，围护结构的表面越粗糙、颜色越深，吸收率就越高，反射率越低表3-1是各种材料的围护结构外表面对太阳辐射的吸收率a把外围护结构表面涂成白色或在玻璃窗上挂白色窗帘可以有效地减少进入室内的太阳辐射热但应该注意到，绝大多数材料的表面对长波辐射的吸收率和反射率随波长的变化并不大，可以近似认为是常数而且不同颜色的材料表面对长波辐射的吸收率和反射率差别也不大除抛光的表面以外，一般建筑材料的表面对长波辐射的吸收率都比较高，基本都在0.9上下表3-1 各种材料的围护结构外表面对太阳辐射的吸收率a材料类别颜色吸收率a材料类别颜色吸收率a石棉水泥板浅0.72~0.87红砖墙红0.7~0.77镀锌薄钢板灰 黑0.87硅酸盐砖墙青 灰0.45拉毛水泥面墙米 黄0.65混凝土砌块灰0.65水磨石浅 灰0.68混凝土墙暗 灰0.73外粉刷浅0.4红褐陶瓦屋面红 褐0.65~0.74灰瓦屋面浅 灰0.52小豆石保护屋面层浅 黑0.65水泥屋面素 灰0.74白石子屋面0.62水泥瓦屋面暗 灰0.69油毛毡屋面0.86 玻璃对不同波长的辐射有选择性，其透射率与入射波长的关系见图3-3，即普通玻璃对于可见光和波长为3mm以下的近红外线来说几乎是透明的，但却能够有效地阻隔长波红外线辐射。

因此，当太阳直射到普通玻璃窗上时，绝大部分的可见光和短波红外线将会透过玻璃，只有长波红外线（也称作长波辐射）会被玻璃反射和吸收，但这部分能量在太阳辐射中所占的比例很少从另一方面说，玻璃能够有效地阻隔室内向室外发射的长波辐射，因此具有温室效应随着技术的发展，将具有低红外发射率、高红外反射率的金属（铝、铜、银、锡等）采用真空沉积技术，在普通玻璃表面沉积一层极薄的金属涂层，这样就制成了低辐射玻璃，也称作 low-e (low-emissivity) 玻璃这种玻璃外表面看上去是无色的，有良好的透光性能，可见光透过率可以保持在70～80％但是，它具有较低的长波红外线发射率和吸收率，反射率很高普通玻璃的长波红外线发射率和吸收率为0.84，而low-e玻璃可以低达0.1尽管low-e玻璃和普通玻璃一样对长波辐射的透射率都很低，但与普通玻璃不同的是low-e玻璃对波长为0.76~3 mm的近红外线辐射的透射率比普通玻璃低得多，见图3-3依据对太阳辐射的透射率不同，可分为高透和低透两种不同性能的low-e玻璃高透low-e玻璃的近红外线的透射率比较高一些；低透low-e玻璃的近红外线透射率比较低，对可见光也有一定的影响。

a）普通玻璃的光谱透射率[4] （b）一层普通玻璃和一层low-e玻璃的光谱透射率[5] （c）其他类型平板玻璃的可见光透射率[5]（d）其他类型平板玻璃的太阳辐射透射率[5]图3-3不同类型玻璃的太阳辐射透射性质 由于玻璃对辐射有一定的阻隔作用，因此不是完全的透明体当阳光照到两侧均为空气的半透明薄层时，例如单层玻璃窗，射线要通过两个分界面才能从一侧透射到另一侧，如图3-4所示阳光首先从空气入射进入玻璃薄层，即通过第一个分界面此时，如果用r代表空气－半透明薄层界面的反射百分比，a0代表射线单程通过半透明薄层的吸收百分比，由于分界面的反射作用，只有 (1-r) 的辐射能进入半透明薄层经半透明薄层的吸收作用，有 (1-r)(1-a0) 的辐射能可以达到第二个分界面由于第二个分界面的反射作用，只有(1-r)2(1-a0) 的辐射能可以进入另一侧的空气，其余(1-r)(1-a0) r 的辐射能又被反射回去，再经过玻璃吸收以后，抵达第一分界面……，如此反复图3-4 单层半透明薄层中光的行程 因此，阳光照射到半透明薄层时，半透明薄层对于太阳辐射的总反射率、吸收率和透射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。

半透明薄层的总吸收率为： (3-1)半透明薄层的总反射率为： (3-2)半透明薄层的总透射率为： (3-3) 同理，当阳光照射到两层半透明薄层时，其总反射率、总透射率和各层的吸收率也可以用类似方法求得 总透射率为：图3-5 空气－半透明薄层界面的反射和折射 (3-4) 总反射率为： (3-5) 第一层半透明薄层的总吸收率为： (3-6) 第二层半透明薄层的总吸收率为： (3-7)式中 t1、t2分别为第一、第二层半透明薄层的透射率；r1、r2分别为第一、第二层半透明薄层的反射率；a1、a2分别为第一、第二层半透明薄层的吸收率 以上各式中所用到的空气－半透明薄层界面的反射百分比r与射线的入射角和波长有关有关，可用以下公式计算： (3-8)其中 i1和i2分别为入射角和折射角，见图3-5入射角和折射角的关系取决于两种介质的性质，即与两种介质的折射指数n有关，可以用以下关系式表示： (3-9) 空气的平均折射指数为1.0；在太阳光谱的范围内，玻璃的平均折射指数为1.526 此外射线单程通过半透明薄层的吸收百分比a0取决于对应其波长的材料的消光系数Kl 以及射线在半透明薄层中的行程L。

而行程L又与入射角和折射指数有关，消光系数Kl 与射线波长有关在太阳光谱主要范围内，普通窗玻璃的消光系数K » 0.045，水白玻璃的消光系数K £ 0.015射线单程通过半透明薄层的吸收百分比a0可以通过以下公式进行计算： (3-10) 因为随着入射角的不同，空气－半透明薄层界面的反射百分比r不同，射线单程通过半透明薄层的吸收率a0也不同，从而导致半透明薄层的吸收率、反射率和透射率都随着入射角改变图3-6是3mm厚普通窗玻璃对阳光的的吸收率、反射率和透射率与入射角之间的关系曲线由图可见，当阳光入射角大于60° 时，透射率会急剧减少图3-6 3mm厚普通窗玻璃的吸收率、反射率和透射率与入射角之间的关系曲线3.1.2室外空气综合温度 图3-7表示围护结构外表面的热平衡其中太阳直射辐射、天空散射辐射和地面反射辐射均含有可见光和红外线，与太阳辐射的组成相类；而大气长波辐射、地面长波辐射和环境表面长波辐射则只含有长波红外线辐射部分壁体得热等于太阳辐射热量、长波辐射换热量和对流换热量之和建筑物外表面单位面积上得到的热量为： (3-11)其中： aout ¾¾ 围护结构外表面的对流换热系数，W/m2℃； tair ¾¾ 室外空气温度，℃； tw ¾¾ 围护结构外表面温度，℃； a ¾¾ 围护结构外表面对太阳辐射的吸收率； I ¾¾ 太阳辐射照度，W/m2； QLw ¾¾ 围护结构外表面与环境的长波辐射换热量，W/m2。

图3-7 围护结构外表面的热平衡 太阳辐射落在围护结构外表面上的形式包括太阳直射辐射、天空散射辐射和地面反射辐射三种，后两种是以散射辐射的形式出现的由于入射角不同，围护结构外表面对直射辐射和散射辐射有着不同的吸收率，而且地面反射辐射的途径就更为复杂，其强度与地面的表面特性有关因此式(3-11)中的吸收率a只是一个考虑了上述不同因素并进行综合的当量值式(3-11)中的tz称为室外空气综合温度(Solar-air temperature)所谓室外空气综合温度是相当于室外气温由原来的tair增加了一个太阳辐射的等效温度aI / aout值，显然这只是为了计算方便推出的一个当量的室外温度，并非实际的室外空气温度因此室外空气综合温度的表达式为： (3-12) 式(3-11)、(3-12)不仅考虑了来自太阳对围护结构的短波辐射，而且反映了围护结构外表面与天空和周围物体之间的长波辐射有时这部分长波辐射是可以忽略的，这样式(3-12)就可简化为： (3-13)3.1.3 夜间辐射 在计算白天的室外空气综合温度时，由于太阳辐射的强度远远大于长波辐射，所以忽略长波辐射的作用是可以接受的。

夜间没有太阳辐射的作用，而天空的背景温度远远低于空气温度，因此建筑物向天空的辐射放热量是不可以忽略的，尤其是在建筑物与天空之间的角系数比较大的情况下特别是在冬季夜间忽略掉天空辐射作用可能会导致对热负荷的估计偏低因此，式(3-11)、(3-12)中的长波辐射QLw也被称为夜间辐射或有效辐射 围护结构外表面与环境的长波辐射换热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： (3-14)其中：ew ¾¾ 围护结构外表面对长波辐射的系统黑度，接近壁面黑度，即壁面的吸收率a； eg ¾¾ 地面的黑度，即地面的吸收率； xsky ¾¾ 围护结构外表面对天空的角系。