第八章热环境分析.docx

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第八章热环境分析

第八章热环境分析

室外热环境也称为室外气候，是指作用在建筑外围护结构上的一切热、湿物理因素的总称，是影响室内热环境的首要因素。

只有掌握影响室内热环境的室外气候因素方面的知识，才能针对各地气候的不同特点，采取适宜的建筑设计方法和技术手段，以改善室内的热环境。

室内热环境的品质直接影响人们的工作、学习和生活，甚至人体的健康。

营造相对舒适的室内热环境是建筑热工学的主要研究目的之一。

因此，首先要了解室内热环境的概念、人体与周围环境的热交换以及室内热环境舒适度的评价方法。

8.1室内外热环境

8.1.1室内热环境

1）室内热环境主要是由室内气温、湿度、气流及壁面热辐射等因素综合而成的室内微气候。

各种室内微气候的不同组合，形成不同的室内热环境。

在一般的民用建筑和冷加工车间内，只有人体新陈代谢，生活、生产设备及照明灯具散发的热量和水分，室内气候主要决定与室外热环境。

因此需要通过建筑维护结构优化室内外热湿状态对室内环境的作用。

2）热舒适是指人们对所处室内气候环境满意程度的感受，人体的冷热感觉不仅取决于室内气候，还与人体本身的条件（健康状况、种族、性别、年龄、体形等）、活动量、衣着状况等诸多因素有关。

人体感到热舒适的必要条件是人体内产生的热量与向环境散发的热量相等。

人体与周围环境的换热方式有对流、辐射、蒸发三种。

据研究，当达到热平衡状态时，对流换热约占总散热的25%~30%，辐射散热量占45%~50%，呼吸和无感觉蒸发散热量占25%~30%时，人体才能达到热舒适状态，能达到这种适宜比例的环境便是人体热舒适的充分条件。

3）室内热环境的影响因素

（1）室外气候因素

建筑物当地的气候因素通过建筑物的围护结构、外门窗及各类开口，直接影响室内的气候条件。

为了获得良好的室内热环境，必须了解当地主要气候因素的概况及变化规律，以此作为建筑设计的依据。

（2）热环境设备因素

指以改善室内热环境为主要功能的设备，例如用于冬季采暖的电器热器，用于夏季制冷、增风、去湿的空调、电扇、空气去湿气等。

通过这些设备可以有效的改善室内的热环境，增加人体的舒适感。

（3）其他设备因素

在一般的民用建筑中，还有灯具、电视机、冰箱等家用电器，这些设备在使用中也会向室内散发热量。

例如，在小空间使用白炽灯，在炎热的夏日会增加人体的热感；相比之下，采用节能型的灯具，感觉就不一样了。

另外，在住宅中，厨房对环境有很大的影响。

目前我国城市家庭厨房所用的以固体和气体燃料为主，在燃烧过程中热、废弃和水蒸气，如通风不良将对室内空间的卫生状况和热环境产生不利的影响。

（4）人体活动的因素

人体也是“发电器”。

例如，在会堂、体育管、候车室等人群集聚场所，夏天就容易感觉过热，在这种地方往往由于自然通风不畅，人体呼出的水蒸气会对环境的湿度和卫生状况产生不良影响。

8.1.2室外热环境

也称室外气候，一个地区的室外气候是在许多因素综合作用下形成的。

与建筑密切相关的有：

太阳辐射、气温、湿度、风、降水等。

8.1.3我国建筑热工设计分区‘

建筑热环境设计主要涉及到冬季保温和夏季隔热以及为维持室内相对舒适的热环境所需消耗的采暖和制冷能耗，我们用累年最冷月（即1月份）和最热月（即7月份）平均温度作为分区的主要指标，累年日平均气温≤5℃和≥25℃的天数作为辅助指标，我国《民用建筑热工设计规范》GB50176—93将全国划分为5个区，如图8-1所示。

图8-1

严寒地区：

指累年最冷月平均温度低于或等于-10℃的地区。

主要包括内蒙古和东北北部、新疆北部地区、西藏和青海北部地区。

这一地区的建筑必须充分满足冬季保温要求，加强建筑物的防寒措施，一般可不考虑夏季防热。

寒冷地区：

指累年最冷月平均温度在0~-10℃的地区。

主要包括华北地区、新疆和西藏南部地区及东北南部地区。

这一地区建筑应满足冬季保温要求，部分地区兼顾夏季防热。

夏热冬冷地区：

指累年最冷月平均温度在0~10℃，最热月平均温度25~30℃的地区。

主要包括长江中下游地区，及岭南以北黄河以南的地区。

这一地区的建筑必须满足夏季防热要求，适当兼顾冬季保温。

夏热冬暖地区：

指累年最冷月平均温度10℃以上，最热月平均温度25~29℃的地区。

包括岭南以南及南部沿海地区。

这一地区必须充分满足夏季防热要求，一般不考虑冬季保温。

温和地区：

指累年最冷月平均温度为0~13℃，最热月平均温度18~25℃的地区。

主要包括云南、贵州西部及四川南部地区。

这一地区，部分地区的建筑考虑冬季保暖，一般可不考虑夏季防热。

8.1.4建筑的传热

室内热环境受室外环境的影响，他们之间的热量交换是通过围护结构完成的。

当室内温度高于室外温度，热量会通过围护结构从室内传到室外，即建筑失热；反之，当室外温度高于室内，热量就会通过围护结构传向室内，即建筑得热。

维护结构的传热过程就是一个吸热—导热—放热的过程，因此，维护结构起到了一个传递热量的作用，其材料导热系数的大小直接关系到导热传热量。

材料或物质的导热系数受到多种因素的影响，主要分为以下几方面：

4）材质

由于不同材料的组成成分或者结构的不同，其导热性能也就不一样，导热系数就有不同的差异。

如矿棉、泡沫塑料等材料的导热系数就比较小，而砖砌体、钢筋混凝土的导热系数就比较大，金属材料的导热系数就会更大了。

5）材料干密度

干密度反应了材料的密实程度，材料越密实干密度越大，材料内部的空隙越小，其导热性能也越强，反之亦然。

6）材料含湿量

8.2Ecotect与热环境分析

EcotectAnalysis2010在热环境分析方面提供了逐时温度分析、逐时得失热量分析、逐月能耗分析、逐月不舒适度分析、温度分布分析、逐月逐时得热分析、被动组分得热分析、被动适应指数分析、温度得热对比分析、PMV-PPD、辐射温度与室内风速分析等丰富的分析功能与手段。

通过解读这些模拟结果，可以有效地帮助建筑师改进建筑方案的热工性能，选择有效的技术手段提高建筑的相关性能。

在使用EcotectAnalysis进行热工分析方面有一下几个方面会对模拟结果产生重大的影响，因此需要十分注意，这些也是本章重点讲解的内容：

7）模型——在进行热工分析时，EcotectAnalysis对模型的要求比采光等分析要高的多，必须确定空间封闭、相邻空间的材质可选项不冲突、物体间的继承关系正确、热量区域开关是否正确。

在模拟分析形体复杂的建筑，软件无法建模或者模型的错误解决不了时要恰当的简化模型，根据经验简化。

8）材质的设置——EcotectAnalysis的热环境分析采用了准入法，这种方法和国内热工规范采用的谐波反应法不同，因此相关的物理参数计算成为了难点。

同时EcotectAnalysis只能自动计算部分物理参数，比如延迟时间必须手工计算；而且在构造中有空气层时自动计算的物理参数不正确。

这些问题的必须采用其他方法人工解决。

9）热环境设置——室内热环境设计条件、系统设置等方面关系到建筑“内扰”的情况，同样会对EcotectAnalysis的热环境模拟结果产生巨大的影响。

10）气象数据——气象数据关系到热环境模拟的“外扰”的情况。

一般情况下会选择使用由科学家制作完成的典型气象数据，但很多情况下也可以根据设计需要由建筑师定制气象数据。

一般情况下，解决好了以上四个要点，EcotectAnalysis的热环境分析就可有效地控制误差，再通过设计师正确的解读模拟结果，就可以达到使用EcotectAnalysis辅助建筑热环境设计的目的。

准入法简介

从某种意义上来说，建筑热环境分析就是求解室内外各种扰动作用下的室内热环境参数，其中外扰动主要是指室外的各种气候影响因素，包括了室外气温、湿度、太阳辐射强度等内容，外扰主要作用于建筑的围护结构之上，并通过各种不同的传热方式影响室内热环境；内扰主要是指室内的设备、人员等影响因素，可以直接影响室内热环境。

在EcotectAnalysis中，对于外扰的描述主要来源于逐时气象数据，对于内扰的描述则主要来源于用户的相关设定，其包括了室内人数、设备发热量及运行时间表等。

室内热环境的另外一项影响因素是围护结构及其热工性能，不同的负荷计算方法对于围护结构及其热工性能有着不同的计算和描述方式。

相对于其他常用的负荷计算方法来说，EcotectAnalysis中使用的CIBSE准入法在这一点上有着很大的不同。

8.2.1传热处理

与其他的负荷计算方法有所不同的是，准入法中包括了两个计算状态，即平均状态和波动状态。

如图8-2所示，这里使用了两个节点网络图来分别示意平均状态和波动状态，图中左侧为平均状态示意图，右侧为波动状态示意图。

11）平均状态

在平均状态中或者说稳态中，区域内部这一侧有两个节点，一个是空气温度节点〒a,另一个事环境温度节点〒eo，在准入法中，环境温度同时考虑了房间表面辐射和对流换热影响，其数值介于室内气温和平均表面温度之间，大概是1/3〒a+2/3〒m,其中〒m是房间表面平均温度。

这样做可能是因为准入法最初主要用于计算热负荷，在热水供暖系统中，综合考虑辐射和对流换热将比空气温度更实用。

EcotectAnalysis中计算所得的区域温度均为均为环境温度，这与EnergyPlus等软件是不同的，所以不建议直接比较它们的室内温度计算结果。

如前所述，〒e和〒s之间的传热同时考虑了对流和辐射换热，∑AU表示外墙传导，rCpv是一项重要的内容，并且有可能比∑AU还要大。

图8-2准入法的计算节点示意图

空气温度节点上的得热合负荷：

Qpa是平均设备负荷，Qsa是通过玻璃窗进入的平均太阳得热，Qia是内部对流得热。

环境温度节点上的得热和负荷：

Qαu是通过围护结构的吸收太阳辐射得热，Qie是分配到环境温度节点的内部得热，Qse是通过玻璃窗进入的太阳辐射负荷。

12）波动状态

波动状态模型也可以用类似于稳态的三节点网络来表示，但其中的能量流和波动温度之间在准入关联上存在相位差，因此波动状态中节点之间的传热过程采用了相对较为复杂的处理方式，首先其假定外扰以24h为周期做正弦变化，对于各种不同扰波动的响应则是分别由相应的衰减系数（DecrementFactor,无量纲）、准入系数（Admittance）和表面系数（SurfaceFactor,无量纲）决定的，同时这些系数都有对应的时间提前/延迟量。

衰减系数（DecrementFactor）——周期热作用下室外温度每波动一度通过围护结构的热流率与稳态下的热流率（或U值）的比值。

衰减系数描述了围护结构消减外部周期性热流的程度。

围护结构的热质量越大，衰减系数越小。

准入系数（Admittance）——环境温度每波动一度，围护结构内表面与环境温度节点之间的热流率。

它的单位与Ｕ值相同，其数值主要由围护结构内层的热物理属性决定。

对于较薄的结构，它的数值接近Ｕ值，而对于厚度超过200mm的结构，准入系数的数值接近于一个常数。

表面系数（SurfaceFactor）——其主要用于描述室内表面与环境温度节点之间的辐射换热特性，在EcotectAnalysis中没有出现表面系数这一参数，笔者猜测其可能对准入法中环境温度节点与室内表面的辐射换热模型进行了一定程度的简化。

在EcotectAnalysis的材质管理器中，随便选取一种外墙查看其属性，我们就可以看到衰减系数（ThermalDecrement即为DecrementFactor）、准入系数（Admittance）等一系列准入法所特有的参数。

延迟时间（ThermalLag）虽不是准入法特有参数，但它也同样在其中起着重要作用，在准入法的计算过程中，延迟时间是与衰减系数关联使用的。

在准入法中，透明材料的延迟时间和衰减系数将分别为辅助太阳得热系数（AlternatingSolarGainFactor）和折射率（RefractiveIndex）所代替，因此在EcotectAnalysis中我们也可以看到同样的变化。

对于用户自定义的材料，EcotectAnalysis可以根据各构造层的基本热工数据自动计算上述参数，当然用户也可以根据相关资料直接输入上述参数。

8.2.2计算流程

图8-3描述了准入法的计算流程，我们可以看到其在计算过程中对平均部分和波动部分是分开进行处理的，但处理过程基本相同：

首先计算的是内部得热和直接太阳得热，这些得热的平均部分和波动部分随后要被划分为对流和辐射两种类型。

参照图8-2我们可以发现上述得热都被指定到空气温度或环境温度节点上，添加到环境温度节点上的得热比例是固定的，包含了2/3的辐射得热，1/3的对流得热。

从准入法的计算流程图中，我们可以发现围护结构传导得热通常被直接添加到环境温度节点。

虽然准入法使用热平衡方案求解负荷，不过其可以预先计算逐时传导得热的主要部分，这是因为在准入法中，这部分得热可以通过解析正弦扰动下的传导热流进行求解。

在得热的不同部分都被添加到环境温度节点和空气节点后，就可以通过求解逐时热平衡方程找出负荷的平均部分和波动部分。

上述过程可以通过单向实现，不需要进行反复的循环求解未知温度。

将求得的平均负荷和波动负荷进行综合处理即可得到24h逐时负荷。

有关准入法的更多相关内容，感兴趣的读者可以参考CIBSE出版的指导手册（CIBSEGuide）。

图8-3准入法计算流程图

8.2.3EcotectAnalysis中的准入相关参数

在EcotectAnalysis的材质管理器中，随便选取一种外墙查看其属性，我们就可以看到衰减系数（ThermalDecrement即为DecrementFactor）、准入系数（Admittance）等一系列准入法所特有的参数。

延迟时间（ThermalLag）虽不是准入法特有参数，但它也同样在其中起着重要作用，在准入法的计算过程中，延迟时间是与衰减系数关联使用的。

在准入法中，透明材料的延迟时间和衰减系数将分别为辅助太阳得热系数（AlternatingSolarGainFactor）和折射率（RefractiveIndex）所代替，因此在EcotectAnalysis中我们也可以看到同样的变化。

对于用户自定义的材料，EcotectAnalysis可以根据各构造层的基本热工数据自动计算上述参数，当然用户也可以根据相关资料直接输入上述参数。

在案例中我们利用ecoMat材质热物理参数计算工具来计算材质热物理参数，相比较ECOTECT更精确。

8.3案例分析

8.3.1填写项目基本信息

对于一个EcotectAnalysis分析项目，最先做的就是在“项目页面”填写相关的项目信息。

养成这习惯，有助于自己和别人对项目的了解，同时导向相应表格时也会自动添加相关信息。

13）启动EcotectAnalysis2011软件，打开光盘中自带的“8-热环境分析.eco”文件，如图8-4所示。

图8-4

14）点击页面选择器中的PROJECT（项目信息页面），在表格内填入相关信息，并在“WeatherDataFile”后面的表格中点击

按钮，选择厦门的气象数据。

15）载入气象数据后“SiteLocation”对话框自动显示了地点坐标与时区。

16）在“SiteSpecifics”中填入建筑的方向，其数值表示向北偏移多少度，例如0.0就表示建筑朝向正北，本例的建筑是-93.68°。

17）在“LocalTerrain（本地地形）”中选择合适的地理地形，此处选择Urban（城市）。

18）最终结果如图8-5所示。

图8-5

8.3.2设置材质库

此时进入项目施工设计阶段，需要对模型进行围护结构的构造设置，那么点击主工具栏中

按钮，开启模型检查器，对每个构件逐一赋予材质。

【注意】如果在EcotectAnalysis模型建立前就已经设计完成了围护结构的构造，那么可以在建模之前就把材质库设置完成，以方便建模时创建一个构件，就修改一个构件的材质。

这样做的好处是可以在模型复杂的情况下有条理的赋予建筑构件材质，不至于错赋、漏赋，避免加大检查的工作量。

如果建模之前不能确定围护结构的构造或者使用的是导入的模型时，就需要后赋材质。

19）设置玻璃幕墙材质

（5）点击屏幕上方主工具栏上的

按钮，开启ElementsinCurrentModel（材质管理器）对话框，如图8-6所示。

图8-6

（6）双击Model（模型）选项卡Windows，选择窗户类型下的铝框双层LOW-E玻璃材质，并将材质的VisibleTransmittance（透明度）修改成0.47，如图8-7所示。

图8-7

（7）点击ApplyChanges,完成幕墙材质参数的修改。

20）设置外墙材质

（8）这里介绍一种自己创建材质的方法，双击Model（模型）选项卡Walls,在Properties（属性）选项卡下材质名称栏中输入“exterior_wall”,在说明栏中输入“200mm砼小型砌块，内外10mm抹灰”。

在“BuildingElement”选项栏选择“Wall”，点击AddNewElement（添加新材质），在弹出的对话框中选择Transp.，结果如图8-8所示。

图8-8

（9）点击Layers（构造层）按钮，进入构造层选项卡。

在该层的左上角是可以选择的材料，其中包含了各材料的密度、比热容、导热系数等内容。

但是这些材料都是英文命名，我们很难准确找到需要的材料。

因此，在编辑构造层时，建议大家从本书“附表1：

常用建筑材料的热工指标”中查找需要的材料，填入构造层设置栏中。

（10）点击LayerName（构造层名称）下输入材料名称“10mm水泥砂浆”，并在Width（厚度）、Density（密度）、Sp.Heat（比热）与Conduct（导热系数）下填入相应的数值，在Type（类型）下选择代表材料的填充样式，如图8-9所示。

图8-9

（11）在构造设置面板下单击鼠标右键，选择InsertLayer（插入层），插入两层，如图8-10所示。

图8-10

（12）用同样的方法修改中间层材质的各项参数，结果如图8-11所示。

图8-11

（13）点击EcotectAnalysis构造层选项卡中的

按钮，自动完成构造物理属性参数的计算，在弹出的对话框中（U值、准入系数、衰减系数、宽度等参数已经更新。

但延迟时间等数据还没有更新计算，因此您需要手工输入这些参数）单击OK，如图8-12所示。

图8-12

（14）应用ecoMat软件来计算材质热物理参数

●安装光盘ECOTTECT插件文件夹里的“ecoMatSetup”，完成后运行程序，输入内外表面传热阻，如图8-13所示。

图8-13

●启动ECOTECT，打开材质管理器，到构造层选项卡，在构造层列表中，用右键菜单选择CopyAllLayers（复制所有层），如图8-14所示。

图8-14

●在ecomat程序中，点击calculate，ecomat自动给出热物理参数，包括U值，准入系数，热衰减，延迟时间，如图8-15所示。

图8-15

（15）在ECOTECT中的材质管理器手工输入上述计算数据，单击ApplyChanges，完成外墙材质的设置，如图8-16所示。

图8-16

21）模型材质和库材质

（16）将模型材质添加到材质库中，在Model下选中“exterior_wall”材质，点击面板下方AddtoGlobalLibrary（添加到全局库），完成模型材质的入库，点击Library,在Windows下方刚刚创建的材质已经到了材质库中，如图8-17所示。

图8-17

（17）我们也可以将创建好的材质保存到电脑上供以后调用，在“Library”按钮下，选中“exterior_wall”材质，点击Library旁边的三角形，选择SaveLibrary,输入要保存材质的名称，确定保存的路径即可，如图8-18所示。

图8-18

（18）同样的，如果我们要调用已经保存的库，也可以通过“Library”按钮下点击SelectLibrary（选择库）命令，选择以前保存的LIB格式的文件—AddtoModel（添加到模型），或者在库选项卡下点击“Library”按钮，在下拉菜单中选择“LoadLibraryintoModel”（加载库到模型）命令，这样在当前模型中就可以运用添加进来的材质了。

8.3.3赋予材质

22）选中一面外窗，单击屏幕右侧

按钮，进入SelecttionInformation面板，点击PriMaterial（优先材质）下拉菜单中的SelectMatchingObject（选择相同的物体），在视图中选择了所有的幕墙玻璃，如图6-19所示。

图8-19

23）单击屏幕右侧

按钮,进入MaterialAssignments（材质指定面板），在“WINDOW”下选中刚刚修改的材质

即可，如图8-20所示。

图8-20

24）用同样的方式给外墙赋予材质。

25）模型中其他构件（楼板）可以选择系统中自带的材质。

8.3.4区域属性设置

区域属性主要包括了区域中的系统类型、人数、设备发热量以及活动（运行）时间表等内容，主要设置都在区域管理器中。

区域属性的设定可以根据实际情况自由设定，也可以根据《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005（以下简称“标准”）设定相关内容，此部分内容可以在“标准”的附录B中找到。

26）区域分类

（19）在主工具栏中点击

按钮，打开区域管理对话框，如图8-21所示。

图8-21

（20）根据《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005，公共建筑主要分为以下区域类别，如图8-22所示。

图8-22

（21）选择要设置的区域：

本案例中选择25层办公区域做模拟，其他的走廊和卫生间等区域单独划分为一个区域“其他区域”。

27）在GeneralSetting（一般设置）选项栏中依次设置SHADOWANDREFLECTIONSETTINGS（阴影设置）、INTERNALDESIGNCONDITIONS（室内设计条件）、OCCUPANCYANDOPERATION（人员与运行）：

（22）DisplayShadows前面的

可以控制当前区域模型在VISUALISE（可视化）视图下阴影的显影，点击ShadowColor可修改在3DEDITOR（3D编辑）状况下阴影的颜色，突出显示特定建筑的日照阴影，这一功能在前面的日照遮挡章节已经讲过。

（23）室内设计条件的设置

室内设计条件包括了Clothing（衣着量）、Humidity（相对湿度）、AirSpeed（风速）与LightingLevel（室内照度）。

●一般情况下可以用默认的设置，如果针对这方面参数进行对比研究可以按照需要修改参数。

●前三个量是在计算室内舒适度时需要用到的物理参数。

●室内照度是做高级采光分析时用到的物理参数

【注意】该案例按照默认设置即可。

（24）人员与运行的设置

人员与运行包括了Occupancy（人员情况）、InternalGains（室内得热情况）、InfiltrationRate（渗透率）的设置，此处的设置将影响建筑的能耗、不舒适度、内部得热能分析的结果。

●按照“标准”中规定，根据“标准”的附录B表B.0.6-1不同类型房间人均占有的使用面积，如表8-1.

●表8-1：

●高档办公室人均占有使用面积8m2，具体设置如下：

选中区域“办公室01”，在Occupancy（人员情况）栏的设定人数的选项