3第三章热湿环境(3)

sol ?? 太阳辐射。

太阳辐射的作用是使墙体外表面温度升高，然后通过板壁向室内传热，如图3-9所示。由于太

阳辐射作用的求解很复杂，因此可以利用前面介绍的室外空气综合温度tz (?)来代替式(3-16)中的围护结构外侧空气温度。即有：

?out[tz(?)?t(0,?)]???(x)?t|x?0 ?x (3-19)

图3-9 太阳辐射在墙体上形成的传热过程

式(3-17)所描述的其实就是通过非透光围护结构的导热实际传入室内的热量，这些热量到达围护

结构内表面后，通过对流与辐射的形式传给室内空气与室内其他内表面。如果对式(3-17)的长波辐射项进行线性化，即：

??xj?j[T(?,?)4j?1m?Tj4(?)]???r,j[T(?,?)?Tj(?)]???r,j[t(?,?)?tj(?)]

j?1j?1mm(3-20)

其中?r, j 为被考察的围护结构内表面与第j个围护结构内表面的当量辐射换热系数（W/m2℃）。此时，由式(3-17)获得的通过非透光围护结构导热而实际传入室内的热量Qwall,cond可表为：

m?t???(x)|x????in[t(?,?)?ta,in(?)]???r,j[t(?,?)?tj(?)]?Qshw

?xj?1Qwall,cond(3-21)

在一定的温度范围内，线性化所求得的当量辐射换热系数?r, j接近常数，它综合了两个表面的面积比、角系数以及表面温度等因素。因此式(3-21)可看作是常系数的线性方程。

由上式(3-21)可见，如果各时刻各围护结构内表面和室内空气温度已知，就可以求出通过围护结构的传热量。但各围护结构内表面温度和室内空气温度之间存在着显著的耦合关系，因此需要联立求解一组形如方程(3-15)~(3-18)的方程组和房间的空气热平衡方程才能获得其解，求解过程相当复杂。

3.2.1.2通过非透光外围护结构的得热 (1) 通过非透光外围护结构的得热定义与表述

式(3-15)描述的是围护结构内的温度分布，式(3-21)给出的是通过围护结构导热实际传到室内的热量，这些都是由室外条件与室内扰动共同作用造成的。如果增加室内辐射热源落在该围护结构内

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表面的辐射强度，尽管室外条件和室内空气温度并没有改变，但实际上通过围护结构导热传入室内的热量Qwall会随着围护结构内部温度的升高而减少，而壁面通过对流换热与空气的换热量增加。这个增加的部分是由于围护结构内表面获得的内部辐射热量造成的，见图3-10。室外气象和室内空气温度对围护结构的影响比较清楚而且有一定的确定性，而室内其他内表面长波辐射以及辐射热源的作用的求解比较复杂，需要了解各内表面间的角系数和实际表面温度，而且还应该考虑邻室的影响才能求得。在考虑通过非透光围护结构的得热的时候，我们希望的是能够突出反映在一定的室内空气温度条件下，所考察的外围护结构在室外气象参数作用下的表现，因此需要剔除其他室内因素的影响，把室外扰动和室内扰动的作用分开来进行分析。

图3-10 外围护结构受到内辐射源的照射后，通过围护结构导热量的变化

（墙体内的实线是无内辐射源照射时的温度分布，虚线是有内辐射源照射时的温度分布）

因此，在这里给通过非透光围护结构的得热HGwall下一个定义：假定除所考察的围护结构内表

面以外，其他各室内表面的温度均与室内空气温度一致，室内没有任何其他短波辐射热源发射的热量落在所考察的围护结构内表面上，即Qshw＝0。此时，通过该围护结构传入室内的热量就被定义为通过非透光围护结构的得热HGwall，其数值就等于该围护结构内表面与空气的对流换热热量与该围护结构内表面对其他内表面的长波辐射换热量之和。

在这种定义条件下，由于各室内表面的温度均与室内空气温度一致，即有 Tj (? ) = Ta,in (? ) 或者

mtj (? ) = t a,in (? )，则由式(3-21)，可以得到通过非透光围护结构的得热的表达式：

HGwall?HGwall,conv?HGwall,lw??in[t(?,?)?ta,in(?)]???r,j[t(?,?)?ta,in(?)]

j?1(3-22)

其中：

HG ??得热，W/m2；

wall ?? 墙体、非透光围护结构。 conv ?? 对流换热部分。 下标：

(2) 通过非透光外围护结构的得热与实际上通过该围护结构导热传入室内热量的差别

在实际情况下，室内其他各表面的温度常常与室内空气温度不一致，也就是与前面的通过

围护结构得热的定义条件不符。为了定量地求出实际上通过围护结构传到室内的热量Qwall,cond与通

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过围护结构的得热量HGwall的差别，可以利用线性方程的叠加原理，将已经线性化了的式(3-21)分为两部分，分别用于式(3-15)的求解，即一部分为式(3-22)所表达的由于室外气象条件和室内空气温度决定的围护结构的温度分布和通过围护结构的得热HGwall，另一部分为室内其他表面温度tj (? )与空气温度不同以及室内辐射源存在造成的围护结构温升、蓄热和传热量。

用t1 (x, ? )表示由于室外气象条件和室内空气温度决定的围护结构的内部温度，或者说是满足得热定义条件下形成的围护结构内部温度，相当于图3-10中的墙体温度分布曲线实线部分，?t2 (x, ? )表示由于室内其他表面温度与空气温度不同以及室内辐射源存在，即与得热定义条件存在差别的部分造成的围护结构内部温度分布的差值，相当于图3-10中实线与虚线之间的差别部分，即有：

t (x, ? ) = t1 (x, ? )+ ?t2 (x, ? )

(3-23)

则由式(3-15)、(3-16)和(3-21)可得出：

?t1??t2?2t1?2?t2?a(x)?t1?a(x)??t2 ??a(x)?a(x)??22?????x?x?x?x?x?x?out[ta,out(?)?t1(0,?)??t2(0,?)]?Qsol?Qlw,out?t??t2???(x)1|x?0??(x)|x?0?x?xm (3-24)

(3-25)

?in[t1(?,?)??t2(?,?)?ta,in(?)]???r,j[t1(?,?)??t2(?,?)?tj(?)]?Qshwj?1 (3-26)

???(x)?t1??t2|x????(x)|x???x?x当室内侧没有任何短波辐射影响且室内各表面温度tj (? ) 等于空气温度ta,in (? ) 时，由式(3-24)、(3-25)和(3-26)有：

?t1?2t1?a(x)?t1 ?a(x)?2???x?x?x (3-27)

?out[ta,out(?)?t1(0,?)]?Qsol?Qlw,out???(x)m?t1|x?0 ?x

(3-28) (3-29)

?in[t1(?,?)?ta,in(?)]???r,j[t1(?,?)?ta,in(?)]???(x)j?1?t1|x?? ?x通过式(3-27)～(3-29)可求得由于围护结构在室外气象条件和室内空气温度作用下传热过程决定的围护结构的温度分布t1。而此时式(3-29)描述的通过围护结构内表面传入室内的热量，就相当于式(3-22)所表达的通过围护结构的得热HGwall： HGwall???(x)?t1|x??。 ?x

结合式(3-24)～(3-29)可求出与得热定义条件存在差别的部分造成的围护结构内部温度与热传导量的差值?t2：

??t2?2?t2?a(x)??t2 ?a(x)?2???x?x?x (3-30)

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?out?t2(0,?)??(x)m??t2|x?0 ?x

(3-31) (3-32)

?in?t2(?,?)???r,j[?t2(?,?)?tj(?)?ta,in(?)]?Qsh???(x)j?1??t2|x?? ?x式(3-30)~(3-32)给出的是围护结构实际内部温度分布与得热定义条件下的围护结构温度分布的差值，以及实际通过围护结构传入室内的热量与通过围护结构得热的差值。式(3-32)所示的是实际通过围护结构传入室内的热量与通过围护结构得热的差值，而这个热量的差值就相当于式(3-21) 与式(3-22) 的差值，即：

?Qwall?HGwall(?)?Qwall,cond??(x)??t2|x???x

?Qshw??in?t2(?,?)???r,j[?t2(?,?)?tj(?)?ta,in(?)]j?1m (3-33)

为了表述方便，在这里把?Qwall称作围护结构实际传热量与得热的差值。如果室内各表面温度高

于空气温度，且有短波辐射，则?Qwall是正值，即实际条件下通过围护结构导热传到室内的热量小于上述定义的通过围护结构的得热量。反之则?Qwall为负值，实际条件下通过围护结构导热传到室内的热量大于上述定义的得热量。

3.2.2 通过透光外围护结构的得热

透光围护结构主要包括玻璃门窗和玻璃幕墙等，是由玻璃与其他透光材料如热镜膜、遮光膜等以及框架组成的。通过透光围护结构的热传递过程与非透光围护结构有很大的不同。由于透光围护结构可以透过太阳辐射，而且这部分热量在建筑物热环境的形成过程中发挥了重要的作用，因此通过透光围护结构形成的显热得热包括两部分：通过玻璃板壁的传热量和透过玻璃的日射辐射得热量。这两部分传热量与透光围护结构的种类及其热工性能有重要的关系。

玻璃窗由窗框和玻璃组成见图3-11。窗框型材有木框、铝合金框、铝合金断热框、塑钢框、断热塑钢框等；窗框数目可有单框（单层窗）、多层框（多层窗）；单框上镶嵌的玻璃层数有单层、双层、三层，称作单玻、双玻或三玻窗；玻璃层之间可充气体如空气(称作中空玻璃)、氮、氩、氪等，或有真空夹层，密封的夹层内往往放置了干燥剂以保持气体干燥；玻璃类别有普通透明玻璃、有色玻璃、吸热玻璃、反射玻璃、低辐射（low-e）玻璃、可由电信号控制透射率的电致变色玻璃等；玻璃表面可以有各种辐射阻隔性能的镀膜或贴膜，如反射膜、low-e膜、有色遮光膜等，有的在两层玻璃之间的中空夹层中架1～2层low-e热镜膜。有的透光围护结构中还含有如磨沙玻璃、乳白玻璃、等半透明材料或者太阳能电池板。玻璃幕墙除了面积比玻璃窗大，没有窗框而有隐式的或明式的框架支撑以外，其热物性特点和玻璃窗基本一样。

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图3-11 双层中空窗的构造

由于透光围护结构的热阻往往低于实体墙，例如实体墙传热系数很容易达到0.8W/m2℃以下，

但普通单层玻璃窗的传热系数高于5W/m2℃，双层中空玻璃窗也只能达到3W/m2℃左右。所以透光围护结构往往是建筑保温中的最薄弱的一环。玻璃窗或玻璃幕墙采用不同种类的玻璃层数和特殊的夹层气体，目的主要是尽量增加玻璃的传热热阻，避免冷桥。例如如果单框窗的热阻仍然达不到要求，可以安装双层窗；采用不同类型的玻璃和镀膜，则可以解决采光与遮阳隔热的矛盾。 3.2.2.1 通过透光外围护结构的传热量

由于有室内外温差存在，必然会通过透光外围护结构以导热方式与室内空气进行热交换。玻璃和玻璃间的气体夹层本身有热容，因此与墙体一样有衰减延迟作用。但由于玻璃和气体夹层的热惰性很小，所以这部分热惯性往往被忽略，将透光外围护结构的传热近似按稳态传热考虑。由此可得出通过透光外围护结构的传热得热量为：

HGwind,cond?KwindFwind(ta,out?ta,in)

(3-34)

其中：

HGwind，cond ?? 通过透光外围护结构的传热得热量，W；

Kwind ?? 透光外围护结构的总传热系数，包括了框架的影响，W/m2℃； Fwind ?? 透光外围护结构的总传热面积，m2； wind ?? 玻璃窗或透光外围护结构。

尽管式(3-34)右侧的温差给出的是室内外空气的温差，但室外空气通过玻璃板导热进入到室内的

下标：

热量并不全以对流换热的形式传给室内空气，而是其中有一部分以长波辐射的形式传给了室内其他表面。因此式(3-34)的传热系数Kwind的室内侧换热系数除对流换热部分外，还应该包含长波辐射的折算部分。

不同类型的透光外围护结构的传热系数有很大差别。即便是类型相同的透光外围护结构，工艺水平不同对传热系数也有很大影响。表3-2给出了部分类型玻璃窗的传热系数。图3-12给出了不同玻璃层数、不同填充气体、不同气体层厚度和不同发射率的透光外围护结构的传热系数。

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