建筑物理复习(建筑热工学).doc

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第一篇建筑热工学

第1章建筑热工学基础知识

1.室内热环境构成要素：

室内空气温度、空气湿度、气流速度和环境辐射温度构成。

2.人体的热舒适

①热舒适的必要条件：

人体内产生的热量=向环境散发的热量。

——人体新陈代谢产热量

——人体蒸发散热量

——人体与环境辐射换热量

——人体与环境对流换热量

②充分条件：

所谓按正常比例散热，指的是对流换热约占总散热量的25-30%，辐射散热约为45-50%，呼吸和无感觉蒸发散热约占25-30%。

处于舒适状况的热平衡，可称之为“正常热平衡”。

（注意与“负热平衡区分”）

③影响人体热舒适感觉的因素：

1.温度；2.湿度；3.速度；4.平均辐射温度；5.人体新陈代谢产热率；6.人体衣着状况。

3.湿空气的物理性质

①湿空气组成：

干空气+水蒸气=湿空气

②水蒸气分压力：

指一定温度下湿空气中水蒸气部分所产生的压力。

⑴未饱和湿空气的总压力：

——湿空气的总压力（Pa）

——干空气的分压力（Pa）

——水蒸气的分压力（Pa）

⑵饱和状态湿空气中水蒸气分压力：

——饱和水蒸气分压力

注：

标准大气压下，随着温度的升高而变大（见本篇附录2）。

表明在一定的大气压下，湿空气温度越高，其一定容积中所能容纳的水蒸气越少，因而水蒸气呈现出的压力越大。

③空气湿度：

表明空气的干湿程度，有绝对湿度和相对湿度两种不同的表示方法。

⑴绝对湿度：

单位体积空气所含水蒸气的重量，用表示（g/m3）。

饱和状态下的绝对湿度则用饱和水蒸气量（g/m3）表示。

⑵相对湿度：

一定温度，一定大气压力下，湿空气的绝对湿度，与同温同压下饱和水蒸气量的百分比：

⑶同一温度（T）下，建筑热工设计中近似认为与成正比例关系，因此，相对湿度又可表示为空气中水蒸气分压力与同温度下饱和水蒸气分压力的百分比，表示为：

——空气的实际水蒸气分压力（Pa）；

——同温下的饱和水蒸气分压力（Pa）。

（注：

研究表明，对室内热湿环境而言，正常湿度范围大概在30%~60%。

）

④露点温度：

露点温度是在大气压力一定，空气含湿量不变的情况下，未饱和空气因冷却而达到饱和状态的温度。

用（℃）表示。

4.室外热湿环境

是指作用在建筑物外围护结构上的一切热湿物理量的总称。

构成要素：

空气温度、空气湿度、太阳辐射、风、降水等。

5.建筑围护结构传热的基本知识

热量传递的三种基本方式：

导热、对流和辐射。

①导热：

指物体中温差时，由于直接接触的物质质点作热运动而引起的热能传递过程。

⑴热流密度：

单位时间内，通过等温面上单位面积的热量。

设单位时间内通过等温面上微元面积的热量为，则热流密度表示为：

（W/m2）

积分形式为：

或者（W）

如果热流密度在面积上均匀分布，单位时间内通过导热面积的热量（或称热流量）为：

⑵傅里叶定律：

1822年，法国物理学家Fourier发现，均质物体内各点的热流密度与温度梯度的大小成正比，即

（W/m2）

式中的成为导热系数，恒为正值。

负号表示热量传递只能沿着温度降低的方向而引起。

沿n方向温度增加，为正，则为负值，表示热流沿n的反方向。

⑶影响导热系数的因素：

物质种类、结构成分、密度、湿度、压力、温度等。

②对流换热：

空气沿围护结构表面流动时，与壁面之间所产生的热交换过程。

这种过程既包括由空气流动所引起的对流传热过程，同时也包括空气分子间和空气分子与壁面分子间的导热过程。

注意：

对流传热只发生在流体之中，它是因温度不同各部分流体之间发生相对运动互相掺合而传递热能的。

⑴表面的对流换热量可以利用牛顿公式：

其中，——对流换热强度，（W/m2）

——对流换热系数，W/（m2·K）

——流体的温度，（℃）

——固体表面的温度，（℃）

⑵影响因素：

对流换热的强弱主要取决于层流边界层热量交换情况。

还与流体运动的原因及运动情况、流体与固体间温差、流体的物理性质、固体壁面的形状、大小及位置等因素有关。

③辐射传热：

辐射传热指依靠物体表面向外发射热射线（能产生显著热效应的电磁波）来传递能量的现象。

与导热和对流在机理上有本质区别，它是以电磁波传递热能的。

⑴特点：

①发射体热能变为电磁波辐射能，被辐射体将所接收的辐射能转换成热能。

凡温度高于绝对零度（0K）的物体，都能发射辐射热。

②由于电磁波能在真空中传播，所以物体依靠辐射传热时，不需要与其他物体直接接触，也无需任何中间媒介。

⑵辐射换热量计算：

（牛顿公式）

其中，——对流换热强度，（W/m2）

——对流换热系数，W/（m2·K）

、——两辐射换热物体的表面温度（℃）

⑶物体辐射分类：

按物体辐射光谱特性，可分为黑体、灰体和选择辐射体（或称非灰体）三大类。

6.围护结构的传热过程

围护结构的传热要经过三个过程：

表面吸热、结构本身传热、表面放热。

1.表面吸热：

内表面从室内吸热（冬季），或外表从室外空间吸热（夏季。

）

2.结构本身传热：

热量由高温表面传向低温表面。

3.表面放热：

外表面向室外空间散发热量（冬季），或内表面向室内散热（夏季）。

第2章建筑围护结构的传热计算与应用

根据建筑保温与隔热设计中所考虑的室内外热作用的特点，可将室内外温度计算模型归纳为如下两种：

恒定热作用：

室内和室外温度在计算期间不随时间而变化。

这种计算模型通常用于采暖房间冬季条件下的保温与节能。

周期热作用：

根据室内外温度波动的情况，又可分为单向周期热作用和双向周期热作用两类。

前者通常用于空调房间的隔热与节能设计，后者则用于自然通风房间的夏季隔热设计。

1.稳定传热过程

定义：

温度场不随时间变化的传热过程。

一维稳定传热特征：

（1）通过平壁的热流强度处处相等。

只有平壁内无蓄热现象，才能保证温度稳定，因此就平壁内任一截面而言，流进与流出的热量必须相等。

（2）同一材质的平壁内部各界面温度分布呈直线关系。

由知，当=常数时，若视不随温度而变，则有=常数，各点温度梯度相等，即温度随距离的变化规律为直线。

2.平壁的热阻

建筑热工中的“平壁”不仅是指平直的墙体，还包括地板、平屋顶及曲率半径较大的穹顶、拱顶等结构。

热阻是表征围护结构本身或其中某层材料阻抗传热能力的物理量。

同样的温差条件下，热阻越大，通过材料的热量越少，围护结构的保温性越好。

要想增加热阻，可增加平壁厚度，或采用导热系数较小材料。

①单层匀质平壁的导热和热阻：

导热方程：

；热阻：

②多层平壁的导热和热阻：

导热方程：

结论：

多层平壁的总热阻等于各层热阻之和，即

＊③组合壁的导热和热阻：

组合壁的平均热阻应按下式计算：

式中，——平均热阻；

——与热流方向垂直的总传热面积；

——按平行于热流方向划分的各个传热面积；

——各个传热面部位的传热阻；

——内表面换热阻，取0.11（m2·K）/W；

——外表面换热阻，取0.04（m2·K）/W；

——修正系数，见表2-1。

④封闭空气间层的热阻

建筑设计中常用封闭空气层作为围护结构的保温层。

空气层中的传热方式有：

导热、对流和辐射。

其中：

主要是对流换热和辐射换热。

封闭空气层的热阻取决于间层两个界面上的边界层厚度和界面之间的辐射换热强度。

与间层厚度不成正比例增长关系。

（1）结论：

普通空气间层的传热量中辐射换热占很大比例，要提高空气间层的热阻须减少辐射传热量。

（2）减少辐射换热量的方法：

①将空气间层布置在围护结构的冷侧，降低间层的平均温度。

②在间层壁面涂贴辐射系数小的反射材料（铝箔等）

③实际设计计算中可查表2-4得空气间层的热阻Rag

3.平壁内部温度的计算

①平壁的稳定传热过程：

内表面吸热、材料层导热、外表面放热。

②平壁内部温度计算：

根据稳定传热条件：

得出：

1.内表面温度：

2.多层平壁内任一层的内表面温度：

3.外表面层的温度可写成：

或

注：

（1）稳定传热条件下，当各层材料的导热系数为定值时，每一层材料内的温度分布是一条直线。

这样，多层平壁内温度的分布成一条连续的折线。

（2）材料的热阻越大，温度降落越大。

＊4.建筑保温与节能计算（了解）

建筑物耗热量计算

建筑采暖耗煤量

5.周期性不稳定传热

①谐波热作用下的传热特征：

（1）室外温度、平壁表面温度、内部任一截面处的温度都是都是周期相同的谐波动；

（2）从室外到平壁的内部，温度波动的振幅逐渐减小，即。

建筑热工学中，把室外温度振幅与由外侧温度谐波热作用引起的平壁内表面温度振幅之比称为温度波的穿透衰减度，也称为平壁的衰减倍数，用表示：

。

（3）从室外空间到平壁内部，温度波动的相位逐渐向后推延，即。

温度波穿过平壁的总延迟时间：

总的延迟相位：

温度波的衰减和延迟是材料的热容量和热阻的共同作用造成的——壁体的热惰性。

衰减和滞后的程度取决于围护结构的蓄热能力。

②谐波热作用下材料和围护结构的热特性指标

（1）材料的蓄热系数

意义：

半无限厚物体在谐波热作用下，表面对热作用的敏感程度。

材料蓄热系数越大，其表面温度波动越小。

密度大的重型材料或结构蓄热性能好、热稳定性好。

当围护结构中某层是由几种材料组合时，该层的平均蓄热系数应按下式计算：

（2）材料层的热惰性指标:

表征材料层受到波动热作用后，背波面上温度波动剧烈程度的一个指标，也是说明材料层抵抗温度波动能力的一个特性指标，用表示。

其大小取决于材料层迎波面的抗波能力和波动作用传至背波面时所受到阻力。

注：

①如围护结构中有空气间层，由于空气的蓄热力系数S为0，该层热惰性指标D值为0。

②如围护结构中某层是由几种材料组合时，

③越大，说明温度波在其间的衰减越快，围护结构的热稳定越好。

③材料层表面的蓄热系数

它与材料蓄热系数的物理意义是相同的，一般两者在数值上也可视为相等。

计算方法：

沿着与热流相反的方向，依照围护结构的材料分层，逐层计算（如图）。

各层内表面蓄热系数计算式采用如下通式：

注：

如某层厚度较大（），则该层的，内表面的蓄热可从该层算起，后面各层就可不再计算。

6.建筑隔热设计控制指标计算

①隔热设计标准：

房间在自然通风情况下，建筑物的屋顶和东、西外墙的内表面最高温度，应满足下式要求：

内表面最高温度直接反映围护结构的隔热性能，关系着人体辐射散热。

②室外综合温度：

围护结构隔热主要隔的是室外综合温度。

围护结构外表面受到3种不同方式热作用：

1．太阳短波辐射；2．室外空气换热；3．围护结构外表面有效长波辐射的自然散热。

可将三者对外围护的共同作用综合成一个单一的室外气象参数——“室外综合温度”：

——围护结构外表面对太阳辐射热的吸收系数（表2-8）；

——太阳辐射强度；

——外表面有效长波辐射温度，粗略计算可取：

屋面——3.5℃，外墙——1.80℃。

（注：

一般围护结构隔热设计中仅考虑前两项）

式中值又叫做太阳辐射的“等效高温”或“当量温度”。

表示围护结构外表面所吸收的太阳辐射热对室外热作用提高的程度。

它对室外综合温度影响很大。

第三章建筑保温与节能

1.围护结构的保温构造类型

保温构造分类：

单设保温层、封闭空气间层、保温与承重合二为一、混合型构造。

①单设保温层

用导热系数很小的材料做保温层而起保温作用。

由于不要求保温承重，选择的灵活性较大。

②封闭空气间层

围护结构中的空气层厚度，一般以4~5厘米为宜。

间层表面最好采用强反射材料（如铝箔）。

为了提高反射材料的耐久性，还应采取涂塑处理等保护措施。

③保温与承重相结合

材料的导热系数小，机械强度满足承重要求。

保温与承重相结合：

空心板、空心砌块、轻质实心砌块等，既能载重又能保温。

④混合型构造

当单独用