建筑環(huán)境學 第六章 輻射得熱與內(nèi)擾

建筑環(huán)境學第六章輻射得熱與內(nèi)擾第1頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一第六章輻射得熱與內(nèi)擾6．1太陽輻射的透過、吸收與反射6．2室外空氣綜合溫度6．3透過玻璃窗的太陽輻射得熱6．4房間內(nèi)部產(chǎn)熱量與產(chǎn)濕量的計算6．5房間圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的輻射得熱第2頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一前言對于建筑物的熱環(huán)境來說，輻射傳熱非常重要。輻射傳熱包括兩個方面，一是太陽輻射直接傳給建筑物的熱量，二是圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面間的互輻射及內(nèi)擾的輻射熱傳遞。影響建筑物熱環(huán)境的另一個重要因素是內(nèi)擾。第3頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一6.1太陽輻射的透過、吸收與反射透過、吸收與反射所占的比率反射率吸收率透過率對不透明體透過率=0第4頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一不透明物體的吸收率不透明物體的吸收率并非常數(shù)，其值與物性、溫度及表面狀況（顏色、光潔度等）、射線的波長和入射角熱輻射：0.76~20m的紅外輻射，大氣長波輻射及其它各種輻射，吸收率等于同溫度下物體的黑度太陽輻射：0.38~0.76m，總能量46％；表面顏色對可見光有強烈選擇性，深顏色高于淺顏色從法線方向開始，入射角在相當范圍內(nèi)吸收率變化不大第5頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一半透明物體的吸收、反射與透過射線在不同介質(zhì)分界面上的反射百分比（折射指數(shù)分別為n1和n2）第6頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一射線通過半透明薄層的吸收百分比半透明薄層對太陽輻射的吸收與大氣層對太陽輻射的吸收規(guī)律相同d為厚度；K為消光系數(shù)對玻璃而言，當波長大于3m時，K值很大，可近似認為不透明；對太陽光的主要波長范圍，K約為定值第7頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一半透明薄層的反射、吸收和透過問題：當太陽光照射到兩側(cè)均為空氣的半透明薄層時，反射、吸收和透過各為多少？第8頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一光線在半透明薄層中的傳遞過程陽光從外側(cè)進入玻璃時，反射部分為r，進入玻璃的為1-r；玻璃吸收部分為a(1-r)到達玻璃內(nèi)側(cè)的為(1-r)(1-a)；從玻璃內(nèi)側(cè)反射回玻璃的為r(1-r)(1-a)；進入內(nèi)側(cè)空氣的為(1-r)2(1-a)；被反射回的輻射經(jīng)玻璃吸收后剩下r(1-r)(1-a)a到達玻璃外側(cè)，反射部分為r2(1-r)(1-a)a，……注：從兩側(cè)反射時的百分比均為r第9頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一單層半透明薄層的吸收、反射和透過太陽光照射到單層半透明薄層時的總反射率、吸收率和透過率（分別為無窮多項之和）吸收率

反射率

透過率第10頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一雙層半透明薄層的吸收、反射與透過利用同樣的方法可以分析雙層和多層半透明薄層的總透過率、反射率及各薄層的吸收率。雙層半透明薄層的透過率、反射率和每層的吸收率詳見《建筑熱過程》第24至25頁第11頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一6.2室外空氣綜合溫度為什么引入室外綜合溫度？影響圍護結(jié)構(gòu)外表面熱平衡的因素有哪些？第12頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一影響圍護結(jié)構(gòu)外表面熱平衡的因素吸收的太陽輻射qS吸收的地面反射輻射qR與室外空氣的對流換熱qca大氣長波輻射qB吸收的地面熱輻射qg向周圍環(huán)境的熱輻射qr0向壁體內(nèi)側(cè)的傳熱量q0第13頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一各影響因素的計算回顧(1)吸收的太陽輻射直射與散射輻射強度與吸收率的乘積吸收的地面反射吸收率與反射輻射強度的乘積室外對流換熱對流換熱系數(shù)第14頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一各影響因素的計算回顧(2)吸收的大氣長波輻射吸收率、長波輻射強度與角系數(shù)的乘積向周圍環(huán)境的熱輻射以圍護結(jié)構(gòu)外表面溫度進行熱輻射吸收的地面熱輻射地面溫度可用周圍大氣溫度代替第15頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一圍護結(jié)構(gòu)外表面輻射換熱圍護結(jié)構(gòu)外表面與大氣的輻射換熱由于大氣的輻射面積遠大于壁體面積，系統(tǒng)黑度基本上等于壁體黑度，輻射換熱可用平均溫度表示第16頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一輻射換熱系數(shù)由于a,b為接近的正數(shù)時，下式成立輻射換熱系數(shù)可簡化為第17頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一對流與輻射總換熱系數(shù)對流和輻射的總換熱量為因此，通常將對流和輻射的換熱系數(shù)之和稱為壁表面總換熱系數(shù)第18頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一圍護結(jié)構(gòu)外表面與外界的實際輻射換熱實際輻射換熱應為外表面對天空的輻射換熱與對地面的輻射換熱之和：圍護結(jié)構(gòu)外表面與天空和地面組成一封閉系統(tǒng)，所以輻射角系數(shù)外表面與天空的黑度等于外表面的黑度外表面與地面的黑度等于外表面與地面黑度的乘積第19頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一外表面與外界實際換熱的簡化將外表面與外界實際換熱的表達式展開，取地面黑度近似為1，可得到上式表明，實際換熱除常規(guī)輻射外，還存在一項夜間輻射qe。由于晚上天空當量溫度遠低于環(huán)境溫度，夜間輻射使得外表面散熱增多。第20頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一圍護結(jié)構(gòu)外表面向壁體內(nèi)側(cè)傳入的熱量與室外綜合溫度根據(jù)圍護結(jié)構(gòu)表面的熱平衡方程，外表面?zhèn)魅氲奖隗w內(nèi)側(cè)的熱量為tz稱為室外空氣綜合溫度，表達式為第21頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一夜間輻射的影響許多空調(diào)書籍和手冊在計算圍護結(jié)構(gòu)與外界的換熱時不考慮夜間輻射的影響，這種做法在夏季是偏安全的，因為夜間輻射對圍護結(jié)構(gòu)有冷卻效果；而在冬季則使得計算的采暖負荷偏小，不夠安全夜間輻射在夏季相當于2～3℃的安全度，在冬季相當于采暖設(shè)計溫度提高3～5℃第22頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一6.3透過玻璃窗的太陽輻射得熱透過玻璃窗向房間內(nèi)的傳熱分為兩部分導熱方式傳入房間的熱量輻射方式進行房間的熱量由于玻璃的熱惰性小，通過導熱方式進入房間的熱量可按穩(wěn)態(tài)傳熱考慮第23頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一透過玻璃窗的太陽輻射得熱透過玻璃窗的太陽輻射得熱包括兩部分–直接透過玻璃窗的太陽輻射–玻璃吸收太陽輻射后傳入室內(nèi)的熱量透過單位面積玻璃的太陽輻射得熱量直射和散射與各自透過率的乘積第24頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一玻璃吸收太陽輻射后造成的房間得熱上述方法為太陽輻射的通用計算方法直射和散射與各自吸收率的乘積Ra和Rr分別為玻璃外表面和內(nèi)表面的熱阻第25頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一標準透光玻璃玻璃種類很多，厚度也不同，為簡化起見，采用一種標準透光材料，取其在無遮擋條件下的太陽得熱量，作為標準太陽得熱量。其它玻璃則采用修正系數(shù)。我國采用3mm厚的普通玻璃作為標準透光材料，當入射角為0時，透過率、反射率和吸收率分別為0.8,0.074,0.126第26頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一標準玻璃太陽得熱分為太陽直射輻射得熱量和散射輻射得熱量第27頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一遮陽系數(shù)非標準玻璃或采用某種遮陽措施后，其太陽輻射得熱量與標準玻璃得熱的比值稱為該玻璃的遮陽系數(shù)，用SC表示。遮陽系數(shù)可分為對流遮陽系數(shù)SCC，輻射遮陽系數(shù)SCR，全遮陽系數(shù)SC。第28頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一透過玻璃窗的太陽輻射得熱量xf為窗玻璃的有效面積系數(shù)

xs為陽光實際照射面積比此方法為太陽輻射的簡化計算方法第29頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一6.4房間內(nèi)部產(chǎn)熱量與產(chǎn)濕量的計算房間內(nèi)部產(chǎn)熱量與產(chǎn)濕量的計算是建筑熱環(huán)境分析的重要基礎(chǔ)，如果計算不準確或不正確，將嚴重影響分析與設(shè)計的正確性，應高度重視。產(chǎn)熱與產(chǎn)濕很復雜，還有許多工作需要作，本節(jié)給出集總參數(shù)的簡化處理方法。如要細致研究房間熱環(huán)境，必須考慮產(chǎn)熱和產(chǎn)濕的分布特性及輻射的方向性。第30頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一討論?房間中工作的風扇發(fā)熱量如何計算？?機房中工作的水泵發(fā)熱量如何計算？?房間中工作的計算機發(fā)熱量如何計算？第31頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一值得進一步研究的問題?中國人（或東亞人）的發(fā)熱量如何？–不同的個體差異：老人、成年人、青少年、兒童–性別差異–按人口的平均水平?各種燈光的發(fā)熱量和輻射方向性如何？–對流與輻射的比例–輻射的方向性第32頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一電動設(shè)備的散熱電動設(shè)備的總散熱分為工藝設(shè)備散熱和電動機散熱兩部分，總散熱為第33頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一電動設(shè)備散熱的兩種變化如果只有電動機在房間內(nèi)，則產(chǎn)熱為如果只有工藝設(shè)備在房間內(nèi)，則產(chǎn)熱為第34頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一其它設(shè)備散熱電子設(shè)備和電加熱設(shè)備同電動設(shè)備，如計算機、電加熱器等加熱表面，按對流換熱計算高溫爐口，按輻射四次方定律計算此部分可參看《建筑熱過程》100～102頁第35頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一設(shè)備散濕?分為液面的散濕和設(shè)備直接產(chǎn)生濕蒸汽?液面散濕參《建筑熱過程》102頁?設(shè)備散濕帶入的潛熱（汽化潛熱與產(chǎn)濕量的乘積）?注意：當加熱蒸汽的熱量來自房間時，總熱量不變，只是顯熱與潛熱的分配發(fā)生變化第36頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一照明設(shè)備的散熱?人工照明與電熱設(shè)備類似?對白熾燈?對日光燈第37頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一人體散熱與散濕（1）?在環(huán)境溫度為24℃時，不同勞動條件下人體的標準顯熱散熱量HGbs,0和總散熱量HGb，參見《建筑熱過程》104頁表4－3?同樣勞動條件下，人體的總散熱量幾乎不變；?不同溫度條件下的顯熱散熱用下式計算第38頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一人體散熱與散濕（2）?單個人體的潛熱散熱量為?單個人體的散濕量約為?多人時的產(chǎn)熱與產(chǎn)濕為：群集系數(shù)nb

與相應產(chǎn)熱、產(chǎn)濕量的乘積第39頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一全年或代表日、月的逐時產(chǎn)熱量和產(chǎn)濕量?所有這些內(nèi)部產(chǎn)熱量和產(chǎn)濕量均可逐時計算，從而得到代表日的逐時產(chǎn)熱量和產(chǎn)濕量；也可得到在代表年或代表月的逐時產(chǎn)熱量和產(chǎn)濕量，從而為全年或某個時間段的熱環(huán)境分析準備好基礎(chǔ)數(shù)據(jù)第40頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一6.5房間圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的輻射得熱?對于墻體這樣的灰表面，一般采用有效輻射的概念計算輻射換熱。第i面圍護結(jié)構(gòu)的有效輻射量Ji，是其表面本身輻射iEbi和反射輻射之和，即：?Ji為i表面的有效輻射量，F(xiàn)i為i表面的面積，Ti為i表面的絕對溫度，j,i為表面j對表面i的輻射角系數(shù)，i為i表面的黑度，i為i表面的反射率，Cb為黑體輻射常數(shù)，等于5.67W/m2℃；是j表面投射到i表面的能量。第41頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一壁體間輻射換熱的求解?當溫度、物性、結(jié)構(gòu)已知時，各表面的有效輻射量構(gòu)成一線性方程組，可以方便求解。?得到各個表面的有效輻射量后，i表面與j表面間的輻射換熱量Qi,j為：第42頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一壁體間輻射換熱的簡化?如果兩表面間的角系數(shù)較小，而發(fā)射率又都較大，表面間的輻射換熱只需計及一次吸收，即用吸收輻射的差值代替有效輻射的差值，此時的近似計算式為：第43頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一壁體輻射換熱的進一步簡化?輻射換熱可進一步簡化為：r為兩表面之間的輻射換熱系數(shù)，其大小可用下式計算：可用上一時刻值計算，或干脆將輻射換熱系數(shù)當作常數(shù)第44頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一房間圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面獲得的內(nèi)外擾輻射熱量?輻射換熱非常復雜，為簡化計算特作如下假設(shè)：–太陽散射輻射以及照明、人體和設(shè)備的輻射得熱，均勻分布在房間各圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面上；–各圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面接受的太陽直射輻射熱量，均勻地分布在該內(nèi)表面上?該假設(shè)掩蓋的問題–未考慮照明、人體和設(shè)備熱輻射的方向性；–未考慮接受太陽直射部分與未接受部分的區(qū)別–未考慮太陽散射對各面壁體影響程度的不同第45頁，共49