建筑环境学3.docx

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建筑环境学3

城市气候：

小区风场、城市热岛、建筑布局与日照。

2.4.1小区风场

形成机理：

建筑物对来流风的阻碍和聚集作用，小区内太阳辐射导致各表面存在温差而形成的自然对流

不当风场的危害：

冬季造成热负荷增加、高风速影响人员行动,并引起不舒适、夏季自然通风不良,污染物不宜扩散.

建筑的布局对小区风环境有重要的影响。

北京，在北风来流7.6m/s时，局部1.5m高处出现10m/s的高风速

改变建筑布局，小区风环境有明显改善

2.4.2城市热岛

热岛强度：

热岛中心气温减去同时间同高度（距地1.5m高处）附件远郊的气

第三节换气量与换气次数

污染物的控制方法：

“堵源”─建筑设计与施工特别是围护结构表层材料的选用中，采用VOC等有害气体释放量少的材料；

“节流”─切实保证空调或通风系统的正确设计、严格的运行管理和维护，使可能的污染源产污量降低到最小程度；

“稀释”─保证足够的新风量或通风换气量，稀释和排除室内气态污染物。

这也是改善室内空气品质的基本方法。

“清除”─采用各种物理或化学方法如过滤、吸附、吸收、氧化还原等将空气中的有害物清除或分解掉。

3.3.1通风与空气调节

根据卫生标准确定换气量

5、消除余热：

6、消除余湿：

7、空调系统的新风量不应小于总风量的10%，且不应小于下列两项风量中的较大值：

1）保持正压所需的新风量（补偿排风）

2）保证客房间每人、每小时所需的新风量。

新的通风标准ASHRAE

不仅需排除CO2等污染物，还要考虑非人产生的污染物，人不在，时也要通风Gfmin=Gp.P+GbAGp—每人新风量、P—人数,Gb—单位面积的通风量、A—面积

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第四节通风形式

3.4.1自然通风

基本原理：

只要建筑开口两侧存在压力差P，就会有空气流过开口。

流过的风速为：

热压：

温差引起的空气密度差导致建筑开口内外的压差。

风压：

室外气流绕流引起建筑周围压力分布的不同形成开口处的压差。

3.4.2机械通风

混合通风

层流通风

置换通风

个性化送风

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第五节气流分布性能评价：

1、空气年龄Airage

空气年龄

平均空气年龄：

换气时间：

r=2

非完全混合流：

入口空气年龄最年轻，出口空气年龄最老。

排出空气浓度

2、换气效率不涉及污染源的位置

理论上最短的换气时间是多少？

活塞流所用时间：

n＝V/G

换气效率定义：

3、通风效率：

涉及污染源的位置

充分混合流E＝1

活塞流

均匀污染源E＝2

如果污染源在出口呢？

污染源在入口呢？

其它指标

能量利用系数：

类似通风效率，但用得热代替污染物，温度代替污染物浓度。

不均匀系数：

反映气流温度场和速度场的不均匀程度。

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第六节CFD简介

（一）,什么是CFD？

N-S方程的形式：

控制方程：

式中，ф为通用变量，代表u、υ、w、T、CS等求解变量，Γ为广义扩散系数；S为广义源项。

u、υ、w为速度ui在x、y、z方向的投影，对于特定的方程，Φ、Γ和S具有特定的形式

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第四章建筑热湿环境

建筑热湿环境是如何形成的?

建筑热湿环境是建筑环境中最重要的内容，主要成因是外扰和内扰的影响和建筑本身的热工性能。

外扰：

室外气候参数，邻室的空气温湿度，内扰：

室内设备、照明、人员等室内热湿源

基本概念：

围护结构的热作用过程：

无论是通过围护结构的传热传湿还是室内产热产湿，其作用形式包括对流换热（对流质交换）、导热（水蒸汽渗透）和辐射三种形式。

得热（HeatGainHG）：

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。

如果得热<0，意味着房间失去热量。

围护结构热过程特点：

由于围护结构热惯性的存在，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。

围护结构外表面所吸收的太阳辐射热

第一节太阳辐射对建筑物的热作用

4.1.1围护结构外表面所吸收的太阳辐射热

不同的表面对辐射的波长有选择性，黑色表面对各种波长的辐射几乎都是全部

吸收，而白色表面可以反射几乎90％的可见光。

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。

太阳辐射在玻璃中传递过程

玻璃对辐射的选择性

普通玻璃的光谱透过率

太阳辐射在玻璃中传递过程

将具有低发射率、高红外反射率的金属（铝、铜、银、锡等），使用真空沉积技术，在玻璃表面沉积一层极薄的金属涂层，这样就制成了Low-e（Low-emissivity）玻璃。

对太阳辐射有高透和低透不同性能。

太阳辐射在玻璃中传递过程

玻璃的吸收百分比a0:

太阳辐射在玻璃中传递过程

阳光照射到双层半透明薄层时，还要考虑两层半透明薄层之间的无穷次反射，

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以及再对反射辐射的透过。

假定两层材料的吸收百分比和反射百分比完全相同，两层的吸收率相同吗？

4.1.2室外空气综合温度

室外空气综合温度Solar-airTemperature

考虑了太阳辐射的作用对表面换热量的增强，相当于在室外气温上增加了一个太阳辐射的等效温度值。

是为了计算方便推出的一个当量的室外温度。

如果考虑围护结构外表面与天空和周围物体之间的长波辐射：

如果忽略围护结构外表面与天空和周围物体之间的长波辐射：

人们常说的太阳下的“体感温度”是什么？

室外空气综合温度与什么因素有关？

高反射率镜面外墙和红砖外墙的室外空气综合温度是否相同？

请试算一下盛夏太阳下的室外空气综合温度比空气温度高多少？

4.1.3夜间辐射

天空辐射（夜间辐射，有效辐射）

围护结构外表面与环境的长波辐射换热QL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：

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第二节建筑围护结构的热湿传递与得热

通过围护结构的显热得热，通过非透明围护结构的热传导。

由于热惯性存在，通过围护结构的传热量和温度的波动幅度与外扰波动幅度之间存在衰减和延迟的关系。

衰减和滞后的程度取决于围护结构的蓄热能力。

4.2.1通过围护结构的显热得热

1、通过非透明围护结构的热传导

均质板壁的一维不稳定导热过程：

边界条件：

t（x,0）=f（x）

其中内表面长波辐射：

利用室外空气综合温度简化外边界条件：

实际由内表面传入室内的热量为：

这部分热量将以对流换热和长波辐射的形式向室内传播。

只有对流换热部分直接进入了空气。

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板壁各层温度随室外温度的变化

2、通过非透明围护结构的得热

板壁内表面温度同时受室内气温、室内辐射热源和其它表面的温度影响

气象和室内气温对板壁传热量的影响比较容易确定，容易求得

内表面辐射对传热量的影响较复杂，涉及角系数和各表面温度

尽管Qin增加了，但Qout和Qcond却是减少的。

通过非透明围护结构的得热

内表面辐射导致的传热量差值

HGwall:

假定除所考察的围护结构内表面以外,其它各室内表面的温度均与室内空气温度一致,室内没有短波辐射

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把△Qwall称作围护结构实际传热量与得热的差值:

3、通过玻璃窗的得热

得热与玻璃窗的种类及其热工性能有重要的关系。

玻璃窗的种类与热工性能。

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；玻璃层间可充空气、氮、氩、氪等或有真空夹层；玻璃层数有单玻、双玻、三玻等，玻璃类别有普通透明玻璃、有色玻璃、低辐射（Low-e）玻璃等；玻璃表面可以有各种辐射阻隔性能的镀膜，如反射膜、low-e膜、有色遮光膜等，或在两层玻璃之间的空间中架一层对近红外线高反射率的热镜膜。

玻璃窗的种类与热工性能：

我国民用建筑最常见的是铝合金框或塑钢框配单层或双层普通透明玻璃，双层玻璃间为空气夹层，北方地区很多建筑装有两层单玻窗。

商用建筑有采用有色玻璃或反射镀膜玻璃。

寒冷地区的住宅则多装有充惰性气体的双玻窗，商用建筑多采用高绝热性能的low-e玻璃窗。

玻璃窗的种类与热工性能，不同结构的窗有着不同的热工性能，U即传热系数Kglass。

气体夹层和玻璃本身均有热容，但较墙体小。

通过玻璃窗的得热，透过单位面积玻璃的太阳辐射得热：

玻璃吸收太阳辐射造成的房间得热：

注意：

玻璃吸热后会向内、外两侧散热

总得热：

HGsolar＝HGglass,+HGglass,a

通过玻璃窗的得热，可利用对标准玻璃的得热SSGDi和SSGdif进行修正来获得简化计算结果：

玻璃窗的种类与热工性能，无色玻璃表面覆盖无色low-e涂层，可使这种窗的遮档系数Cs低于0.3

通过玻璃窗的长波辐射，夜间除了通过玻璃窗的传热以外，还有由于天空夜间辐射导致的散热量，采用low-e玻璃可减少夜间辐射散热

遮阳方式：

现有遮阳方式

内遮阳：

普通窗帘、百页窗帘

外遮阳：

挑檐、可调控百页、遮阳蓬

窗玻璃间遮阳：

夹在双层玻璃间的百页窗帘，百页可调控

我国目前常见遮阳方式：

内遮阳：

窗帘；外遮阳：

屋檐、遮雨檐、遮阳蓬

外遮阳和内遮阳有何区别?

通风双层玻璃窗，内置百页。

4.2.2通过围护结构的湿传递

湿传递的动力是水蒸气分压力的差。

墙体中水蒸气的传递过程与墙体中的热传递过程相类似：

w=Kv（Pout-Pin）kg/sm2

水蒸汽渗透系数，kg/（Ns）或s/m：

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通过围护结构的湿传递：

当墙体内实际水蒸汽分压力高于饱和水蒸汽分压力时，就可能出现凝结或冻结，影响墙体保温能力和强度。

室内产热与产湿：

室内显热热源包括照明、电器设备、人员

第三节以其他形式进入室内的热量和湿量

4.3.1室内产热产湿

辐射：

进入墙体内表面、空调辐射板、透过玻璃窗到室外、其它室内物体表面（家具、人体等）；对流：

直接进入空气。

显热热源辐射散热的波长特征：

可见光和近红外线：

灯具、高温热源（电炉等）长波辐射：

人体、常温设备

室内产热与产湿：

室内湿源包括人员、水面、产湿设备

散湿形式：

直接进入空气

得热往往考虑围护结构和家具的蓄热，“得湿”一般不考虑“蓄湿”

湿源与空气进行质交换同时一般伴随显热交换：

有热源湿表面：

水分被加热蒸发，向空气加入了显热和潜热，显热交换量取决于水表面积

无热源湿表面：

等焓过程，室内空气的显热转化为潜热

蒸汽源：

可仅考虑潜热交换

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4.3.2空气渗透带来的得热

夏季：

室内外温差小，风压是主要动力

冬季：

室内外温差大，热压作用往往强于风压，造成底层房间热负荷偏大。

因此冬季冷风渗透往往不可忽略。

1、缝隙法

2、换气次数法

第四节冷负荷与热负荷：

4.4.1负荷的定义

冷负荷：

维持一定室内热湿环境所需要的在单位时间内从室内除去的热量，包括显热负荷和潜热负荷两部分。

如果把潜热负荷表示为单位时间内排除的水分，则又可称作湿负荷。

热负荷：

维持一定室内热湿环境所需要的在单位时间内向室内加入的热量，包括显热负荷和潜热负荷两部分。

★如果只控制室内温度，则热负荷就只包括显热负荷。

★负荷的大小与去除或补充热量的方式有关

★常规的送风方式空调需要去除的是进入到空气中的得热量。

★各种得热进入空气的途径

★潜热得热、渗透空气得热

得热立刻成为瞬时冷负荷：

通过围护结构导热、通过玻璃窗日射得热、室内显热源散热

对流得热部分立刻成为瞬时冷负荷，辐射得热部分先传到各内表面，再以对流形式进入空气成为瞬时冷负荷，因此负荷与得热在时间上存在延迟。

4.4.2负荷与得热的关系

冷负荷与得热有关，但不一定相等，决定因素，空调形式

★送风：

负荷＝对流部分

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★辐射：

负荷＝对流部分＋辐射部分

★热源特性：

对流与辐射的比例是多少？

★围护结构热工性能：

蓄热能力如何？

如果内表面完全绝热呢？

★房间的构造（角系数）

★注意：

辐射的存在是延迟和衰减的根源！

4.4.3负荷与得热的关系以及数学表达

房间空气的热平衡关系：

排除的对流热＋空气的显热增值＝

室内热源对流得热＋壁面对流得热＋渗透得热

室内热源对流得热

室内热源得热＝室内热源对流得热＋热源向空调辐射板的辐射＋热源向壁面的辐射

壁面对流得热

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页

方法：

采用室内外瞬时温差或平均温差，负荷与以往时刻的传热状况无关：

Q＝KFT

特点：

简单，可手工计算，未考虑围护结构的蓄热性能，计算误差偏大

应用条件，蓄热小的轻型简易围护结构，室内外温差平均值远远大于室内外温度的波动值

稳态算法举例：

北京室外气温和室内控制温度比较

积分变换法原理：

对于常系数的线性偏微分方程，采用积分变换如傅立叶变换或拉普拉斯变换。

积分变换的概念是把函数从一个域中移到另一个域中，在这个新的域中，函数呈现较简单的形式，因此可以求出解析解。

然后再对求得的变换后的方程解进行逆变换，获得最终的解。

积分变换法原理

传递函数G（s）仅由系统本身的特性决定，而与输入量、输出量无关，因此建筑的材料和形式一旦确定，就可求得其围护结构的传递函数。

这样就可以通过输入量和传递函数求得输出量。

如果输入原函数是指数函数，则不需变换直接输入，即可求得解的原函数。

传递函数与输入量、输出量的关系

输入边界条件的处理方法：

时间序列离散

输入边界条件的处理方法：

时间序列离散

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习题

室外空气综合温度是单独由气象参数决定的吗？

什么情况下建筑物与环境之间的长波辐射可以忽略？

透过玻璃窗的太阳辐射中是否只有可见光，没有红外线和紫外线？

透过玻璃窗的太阳辐射是否等于建筑物的瞬时冷负荷？

习题

室内照明和设备散热是否直接转变为瞬时冷负荷？

为什么冬季往往可以采用稳态算法计算采暖负荷而夏天却一定要采用动态算法计算空调负荷？

围护结构内表面上的长波辐射对负荷有何影响？

夜间建筑物可通过玻璃窗长波辐射把热量散出去吗？

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第五章人体对热湿环境的反应

第一节人体对热湿环境反应的生理学和心理学基础

5.1.1人体的热平衡

食物分解氧化热量

人体的基本生理要求：

维持体温基本恒定！

代谢率（MetabolicRate）：

人体新陈代谢反应过程中能量释放的速率

人体的热平衡

热平衡方程MWCRES=0

皮肤表面积AD＝0.202mb0.425H0.725

人体温度、核心（Core）温度

–核心层：

通常包括脑、脊椎、心脏、肝脏、消化器官等内脏部分。

–直肠温度最接近。

外层（Shell）温度

–皮肤表面到10mm以内的部分，通常包括皮肤，皮下脂肪和表层的肌肉。

人体体温范围

人体与外界的热交换

–显热交换：

对流散热、辐射散热

潜热交换：

皮肤散湿、出汗蒸发、皮肤湿扩散、呼吸散湿、影响人体与外界热交换的因素。

环境空气温度：

对流换热

环境表面温度：

辐射换热

水蒸汽分压力（空气湿度）：

对流质交换

–高温环境：

增加热感

低温环境：

增加冷感

风速：

对流热交换和对流质交换

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–吹风感：

Draught，冷感和对皮肤的压力冲击

服装热阻：

影响所有换热形式

关于热湿环境的术语

平均辐射温度或

–

近似式：

–准确的应该是四次方

黑球温度Tg

操作温度：

反映了环境空气温度ta和平均辐射温度的综合作用

平均辐射温度：

一个假象的等温围合面的表面温度，它与人体间的辐射热交换量等于人体周围实际的非等温围合面与人体间的辐射热交换量。

热质交换系数的确定，对流换热系数：

专门针对人体的实验数据，受迫对流

–hc=Cvn

自然对流：

三种主要形式

hc=常数，hc=CT0.25，hc=C（M-50）0.39，对流质交换系数：

传质与传热比拟LR=he/hc=16.5℃/kPa

服装的作用：

保温和阻碍湿扩散

服装的性能：

–服装的热阻Icl

–服装的透湿性

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–服装的表面积

服装的热阻Icl

一般指显热热阻

单位m2K/W和clo，其中1clo=0.155m2K/W

已知单件服装热阻：

ICL=0.161+0.835ICL,i

舒适服装热阻与环境温度、相对风速、活动强度的关系，服装的透湿性，服装的存在增加了皮肤的蒸发换热热阻：

服装对皮肤表面的水蒸气扩散有一个附加的阻力，服装吸收部分汗液，只有剩余部分汗液蒸发冷却皮肤。

使得需要更大蒸发量才能在皮肤表面上形成同样的散热量，服装的潜热热阻

服装的蒸发换热热阻（干燥服装）：

Ie,cl=Icl/LR=Icl/16.5（kPam2/W）

服装被汗湿润后热阻会下降，显热换热加强，又增加了潜热换热，故总传热系数增加：

服装的表面积，服装的面积系数fcl

–定义：

人体着装后的实际表面积Acl和人体裸身表面积AD之比。

有实验数据。

–表达式：

fcl=Acl/AD与服装热阻的近似关系：

fcl=1.0+0.3Icl

人体的能量代谢率，影响因素多：

–肌肉活动强度：

绝对的影响

–环境温度：

偏高、偏低都增加代谢率

–性别：

男性高于女性

–年龄：

少年高于老人

神经紧张程度：

紧张则代谢率高

进食后时间的长短等：

进食后代谢率增加，蛋白质代谢率高，糖和脂肪类代谢

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率低。

代谢率单位met：

1met=58.2W/m2，即成年男子静坐时的代谢率。

机械效率

＝W/M

大部分室内劳动机械效率近似0

人体的潜热散热量：

皮肤蒸发

 体表全部被汗湿润：

Psk=0.254tsk-3.335

 Esk=Ersw+Edif=wEmax

接近热舒适条件下的出汗潜热散热量

Ersw=0.42（M–W–58.2）

皮肤湿润度w=Esk/Emax

皮肤湿扩散散热量

–没有排汗时Edif=0.06Emax

–有正常排汗时Edif=0.06（Emax–Ersw）

人体的潜热散热量：

呼吸蒸发

显热散热量

Cres=0.0014M（34ta）W/m2

潜热散热量

Eres=0.0173M（5.867Pa）W/m2

人体与外界的辐射换热方程：

长波辐射：

对太阳辐射的吸收，人体散热、散湿量的影响因素

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 全热：

主要决定于肌肉活动强度，受其它因素影响在应用上可以忽略。

显热：

决定于温度，随温度上升而减少。

潜热（散湿）：

决定于温度，随温度上升而增加。

5.1.2人体的温度感受系统

20世纪初发现人的皮肤上存在对冷敏感的区域“冷点”和对热敏感的区域“热点”。

人体各部位的冷点数目明显多于热点

为什么人对冷更敏感？

–血管扩张，增加血流，提高表皮温度

–出汗

御寒调节方式

–血管收缩，减少血流，降低表皮温度

通过冷颤增加代谢率

5.1.3人体的体温调节系统

下丘脑前后部是相互制约起作用的，需要同时利用核心温度和皮肤温度信号来决定调节方式。

人的体温设定值随肌肉活动强度而改变

在体温调节系统正常工作时，增加环境温度并不能提高人体的核心温度（直肠温度）。

只有改变代谢率才能改变人体核心温度。

5.1.4热感觉

研究方法：

心理学

定义：

人对周围环境“冷”“热”的主观描述。

特点：

尽管人描述环境的冷热，实际上只能感觉到自己皮肤下神经末梢的温度。

所以“冷”“热”与感受者的身体状态有关，不是完全客观的。

第62页

●中性－热环境中，为什么潮湿的空气使人不舒服？

●空气湿度对人体排汗量有影响吗？

●在皮肤没有完全湿润的情况下，增加空气湿度会减少人体散热量吗？

●潮湿为什么不舒服？

皮肤湿润度增高皮肤黏着性增加不适

垂直温差：

尽管受试者处于热中性状态，头足温差仍然使人感到不舒适。

垂直温差：

游泳池地面应该保持的温度是多少？

垂直温差

•ASHRAEHandbook：

地板温度和不满意度的关系

气流与吹风感draught

定义：

人体所不希望的局部降温

但在“中性－热”环境下吹风往往是愉快的

第64页

其它不舒适的原因：

–局部压力干扰

–冷颤出现

气流与吹风感draught

人头顶上的自然对流速度是0.2m/s，所以是人体对风速可以觉察到的阈值，往往用来确定室内风速的设计标准。

当空气流速≤0.5m/s，麦金太尔（1979）等研究者的实验表明，只要把空气

温度调整得合适（提高空气温度），就可以使空气的流动几乎觉察不到。

有效送风温度（有效吹风感）：

针对气流引起的吹风感评价，反映了气流速度和空气温度的共同作用，霍顿1938年的实验，里德伯格尔等1949年总结，内文斯1971年提出公式：

＝（Tj-Ta）-8（v-0.15）

舒适标准为：

-1.7<<1.1，v<0.35m/s，现用于风口性能评价的ADPI指标

-其它因素：

Fanger的实验结论：

人种：

非洲人比北欧人喜欢热环境吗？

–热舒适感觉一样，只是热带人对热环境有较强适应力，寒带人对冷环境有较强适应力。

年龄：

老年人比年轻人更喜欢热环境吗？

不是，只是老年人活动量小。

性别：

女性比男性更喜欢热环境吗？

–不是，只是女性喜欢穿较轻薄的衣服。

季节和一天中的时间会影响热舒适感吗？

尽管人体温有波动，但热舒适感没有明显变化

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第二节人体对稳态热环境的反应描述-理论建立者：

P.O.Fanger

5.2.1热舒适方程

令人体热平衡方程中蓄热率S＝0，得出：

（MW）=fclhc（tcl-ta）+3.9610-8fcl[（tcl+273）4（+273）4]+3.05[5.7330.007（MW）Pa]+0.42（MW58.2）

+1.7310-2M（5.867Pa）+0.0014M（34ta）

5.2.2预测平均评价PMV（PredictedMeanVote）

PMV=（0.303e–0.036M+0.0275）TL

=（0.303e–0.036M+0.0275）

{M–W–3.05[5.733–0.007（M–W）–Pa]–0.42（MW58.15）–1.7310-2M（5.867Pa）

–fcl