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 ?m的波长区域所组成的。太阳光谱的峰值位于0.5
?m附近，到达地面的太阳辐射能量在紫外线区（波长为0.2 ~ 0.38?m）占的比例很小，约为1％。波长范围为0.38 ?m ~ 0.76 ?m的可见光和0.76 ~ 3.0 ?m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 ?m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
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和近红外线。
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 石棉水泥板 镀锌薄钢板 拉毛水泥面墙 水磨石 外粉刷 灰瓦屋面 水泥屋面 水泥瓦屋面
颜色 浅 灰 黑 米 黄 浅 灰 浅 浅 灰 素 灰 暗 灰 吸收率a 0.72~0.87 0.87 0.65 0.68 0.4 0.52 0.74 0.69 材料类别 红砖墙 硅酸盐砖墙 混凝土砌块 混凝土墙 红褐陶瓦屋面 小豆石保护屋面层 白石子屋面 油毛毡屋面 颜色 红 青 灰 灰 暗 灰 红 褐 浅 黑 吸收率a 0.7~0.77 0.45 0.65 0.73 0.65~0.74 0.65 0.62 0.86 图3-2 各种表面在不同辐
射波长下的反射率[4]
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3?m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
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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 ?m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]
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（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。
1Ar(1-r)(1-r) ao(1-r) (1-ao)(1-r)(1-ao) rao(1-r)(1-ao) r2B(1-r) 2(1-ao)C(1-r)2(1-ao)2 r(1-r)(1-ao)4 r3(1-r)(1-ao)2 r2ao(1-r)(1-ao) r(1-r)(1-ao)3 r3ao(1-r)(1-ao)3r322(1-r)(1-ao) rD(1-r)(1-ao)3r2(1-r)2(1-ao)3r2E(1-r)2(1-ao)4 r3(1-ao)4(1-r) r4
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。
4
半透明薄层的总吸收率为：
a?a0(1?r)?rn(1?a0)n?N?0?a0(1?r)
1?r(1?a0) (3-1)
半透明薄层的总反射率为：
??r?r(1?a0)(1?r)22N?0?r?2n(1?a0)2n?r[1?(1?a0)2(1?r)21?r(1?a0)22] (3-2)
半透明薄层的总透射率为：
?galss?(1?a0)(1?r)2N?0?r?2n(1?a0)2n?(1?a0)(1?r)21?r(1?a0)22 (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总透射率为：
方法求得。
?glass??1?2?(?1?2)n?n?0??1?2
1??1?2 (3-4)
I????i1I?总反射率为：
?12?2 ???1???2?(?1?2)??1?1???n?01221?n(3-5)
￡á2§i2第一层半透明薄层的总吸收率为：
ac1?a1(1??1?2)
1??1?2 (3-6)
I'第二层半透明薄层的总吸收率为：
ac2??1a2
1??1?2 (3-7)
图3-5 空气－半透明薄层
界面的反射和折射
式中 ?1、?2分别为第一、第二层半透明薄层的透射率；?1、?2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：
1sin2(i2?i1)tg2(i2?i1)r??[2?]
I2sin(i2?i1)tg2(i2?i1)I? (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：
sini2n1? sini1n2 (3-9)
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