一级注册建筑师建筑物理与建筑设备笔记doc.docx

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2012年一级注册建筑师学习笔记

建筑物理与建筑设备

第十四章建筑热工与节能

第一节传热的基本知识

一、传热的基本概念

㈠温度

温度是表征物体冷热程度的物理量，温度使用的单位为K或℃。

㈡温度场

某一瞬间，物体内所有各点的温度分布称为温度场。

温度场可分为：

稳定温度场、不稳定温度场。

㈢等温面

温度场中同一时刻由温度相同的各点相连所形成的面。

使用等温面可以形象地表示温度场内的温度分布。

不同温度的等温面绝对不会相交。

㈣温度梯度

温度差位Δt与沿法线方向两个等温面之间距离Δn的比值的极限叫做温度梯度。

㈤热流密度（热流强度）

热流密度是在单位时间内，通过等温面上单位面积的热量，单位为W/m2。

若单位时间通过等温面上微元面积dF的热量为dQ，则热流密度定义式为：

q=dQ/dF

二、传热的基本方式：

导热、对流、辐射

㈠导热（热传导）

1.傅立叶定律

均质材料物体内各点的热流密度与温度梯度成正比。

热量传递的方向（由高温向低温）和温度梯度的方向（由低温向高温）相反。

2.材料的导热系数λ

导热系数是表征材料导热能力大小的物理量，单位为W/（m·K）。

它的物理意义是，当材料层厚度为lm，材料层两表面的温差为1K时，在单位时间内通过lm2截面积的导热量。

各种材料导热系数的大致范围是：

建筑材料和绝热材料

0.025～3

液体

0.07～0.7

气体

0.006～0.6

金属

2.2～420

㈡对流

由于引起流体流动的动力不同，对流的类型可分为：

1.自由对流：

由温度差形成的对流。

2.受迫对流：

由外力作用形成的对流。

受迫对流在传递热量的强度方面要大于自由对流。

㈢辐射

凡是温度高于绝对零度（0K）的物体都发射辐射能。

1.物体对外来辐射的反射、吸收和透射（见图l4—2）。

⑴反射系数rh:

被反射的辐射能Ir与入射辐射能I0的比值。

⑵吸收系数ρh：

被吸收的辐射能Iα与入射辐射能I0的比值。

⑶透射系数τh：

被透射的辐射能Iτ与入射辐射能I0的比值。

rh+ρh+τh＝1

2.白体、黑体和完全透热体

⑴白体（绝对白体）：

能将外来辐射全部反射的物体，rh＝1。

⑵黑体（绝对黑体）：

能将外来辐射全部吸收的物体ρh＝1。

⑶完全透热体：

能将外来辐射全部透过的物体，τh＝1。

3.物体表面的辐射本领

⑴全辐射力E（辐射本领，全辐射本领）：

在单位时间内、从单位表面积上以波长0～∞的全波段向半球空间辐射的总能量，单位：

W/m2。

⑵单色辐射力Eλ（单色辐射本领）：

在单位时间内、从单位表面积向半球空间辐射出的某一波长的能量，单位：

W/m2·μm。

⑶灰体：

物体在每一波长下的单色辐射力与同温度、同波长下黑体的单色辐射力的比值为一常数。

一般建筑材料均可看作为灰体。

⑷非灰体（选择性辐射体）：

物体的单色辐射力与黑体、灰体截然不同，有的只能发射某些波长的辐射能量。

⑸黑度ε（辐射率）：

灰体的辐射本领Eλ与同温度下黑体的辐射本领Eλ，b的比值。

4.辐射本领的计算（斯蒂芬一波尔兹曼定律）

5.影响材料吸收率、反射率、透射率的因素

材料吸收率、反射率、透射率与外来辐射的波长、材料的颜色、材性、材料的光滑和平整程度有关。

材料表面对外来辐射的反射、吸收和透射能力与外来辐射的波长有密切的关系。

根据克希荷夫定律，在给定表面温度下，表面的辐射率（黑度）与该表面对来自同温度的投射辐射的吸收系数在数值上相等。

物体对不同波长的外来辐射的反射能力不同，对短波辐射，颜色起主导作用；对长波辐射，材性（导体还是非导体）起主导作用。

例如，在阳光下，黑色物体与白色物体的反射能力相差很大，白色反射能力强；而在室内，黑、白物体表面的反射能力相差极小。

常温下，一般材料对辐射的吸收系数可取其黑度值，而对来自太阳的辐射，材料的吸收系数并不等于物体表面的黑度。

玻璃作为建筑常用的材料属于选择性辐射体，其透射率与外来辐射的波长有密切的关系。

易于透过短波而不易透过长波的玻璃建筑具有温室效应。

6.辐射换热

两表面间的辐射换热量主要与表面的温度、表面发射和吸收辐射的能力、表面的几何尺寸与相对位置有关。

辐射换热系数αr取决于表面的温度、表面发射和吸收辐射的能力、表面的几何尺寸与相对位置。

三、围护结构的传热过程

㈠围护结构的传热过程

通过围护结构的传热要经过三个过程（见图14—3）：

⑴表面吸热：

内表面从室内吸热（冬季）或外表面从室外空间吸热（夏季）。

⑵结构本身传热：

热量由结构的高温表面传向低温表面。

⑶表面放热：

外表面向室外空间放热（冬季）或内表面向室内空间放热（夏季）。

㈡表面换热

热量在围护结构的内表面和室内空间或在外表面和室外空间进行传递的现象称为表面换热。

表面换热由对流换热、辐射换热两部分组成。

1.对流换热

对流换热是指流体与固体壁面在有温差时产生的热传递现象。

它是对流和导热综合作用的结果。

如墙体表面与空气间的热交换。

在建筑热工中，对流换热系数主要与气流的状况、结构所处的部位、壁面状况、热流方向有关。

2.表面换热系数和表面换热阻

⑴表面换热系数α

内表面的换热系数使用αi表示，w/（m2·K）；

外表面的热转移系数使用αe表示，w/（m2·K）。

⑵表面换热阻R＝1/α

内表面的换热阻使用Ri表示，（m2·K）/W；

外表面的换热阻使用Re表示，（m2·K）/W。

四、湿空气

㈠湿空气、未饱和湿空气与饱和湿空气

湿空气是干空气和水蒸气的混合物。

在温度和压力一定的条件下，一定容积的干空气所能容纳的水蒸气量是有限度的，湿空气中水蒸气含量未达到这一限度时叫未饱和湿空气，达到限度时叫饱和湿空气。

㈡空气湿度

空气湿度是表示空气干湿程度的物理量。

在表示空气的湿度时，可使用以下方式。

1.绝对湿度

绝对湿度是每立方米空气中所含水蒸气的质量，单位为g/m3。

未饱和湿空气的绝对湿度用符号f表示，饱和湿空气的绝对湿度用fmax眦表示。

2.水蒸气分压力P

湿空气中含有的水蒸气所呈现的压力称为水蒸气分压力，单位为Pa。

未饱和湿空气的水蒸气分压力用符号P表示，饱和蒸汽压用Ps表示。

温度越高，饱和蒸汽压值越大。

3.相对湿度

一定温度、一定大气压力下，湿空气的绝对湿度f与同温、同压下的饱和空气绝对湿度fmax的百分比称为湿空气的相对湿度。

相对湿度的计算公式：

㈢露点温度

在不改变水蒸气含量的前提下，未饱和湿空气冷却至饱和状态时所对应的温度叫露点温度。

露点温度用td表示。

露点温度可用来判断围护结构内表面是否结露。

当围护结构内表面的温度低于露点温度时，内表面将产生结露。

㈣湿球温度

湿球温度是指在于湿球温度计中由水银球用潮湿纱布包裹的湿球温度计所测量的温度。

它与干球温度配合可以测量空气的相对湿度。

第二节　热环境

一、室外热环境（室外气候）

室外热环境由太阳辐射、大气温度、空气湿度、风、降水等因素综合组成的一种热环境。

㈠太阳辐射

1.太阳辐射能是地球上热量的基本来源，是决定室外热环境的主要因素。

2.太阳辐射的组成

到达地球表面的太阳辐射分为两个部分，一部分是太阳直接射达地面的部分，称为直射辐射；另一部分是经过大气层散射后到达地面的部分，称为散射辐射。

3.太阳常数

在太阳与地球的平均距离处，垂直于人射光线的大气界面单位面积上的辐射热流密度。

天文太阳常数（理论计算值）：

I0＝l395.6W/m2；

气象太阳常数（实测分析值）：

I0＝1256W/m2。

4.影响太阳辐射照度的因素

大气中射程的长短，太阳高度角，海拔高度，大气质量。

5.太阳光谱

太阳辐射能量主要分布在紫外线、可见光和红外线区域，其中97.8％是短波辐射，所以太阳辐射属于短波辐射。

㈡室外气温

1.室外气温：

距地面1.5m处百叶箱内的空气温度。

2.变化规律

⑴年变化规律：

由地球围绕太阳公转引起，形成一年四季气温变化，北半球最高气温出现在7月（大陆）或8月（沿海、岛屿），最低气温出现在1月或2月。

⑵日变化规律：

由地球自转引起。

日最低气温出现在6:

00～7:

00左右。

日最高气温出现在14:

00左右。

㈢空气湿度

1.湿度：

空气中水蒸气的含量。

可用绝对湿度或相对湿度表示，通常使用相对湿度表示空气的湿度。

2.变化规律

一般来说，某一地区在一定时间内，空气的绝对湿度变化不大，但由于空气温度的变化，使得空气中饱和水蒸气压随之变化，从而导致相对湿度变化强烈。

⑴年变化规律：

最热月相对湿度最小，最冷月相对湿度最大，季风区例外。

⑵日变化规律：

晴天时，日相对湿度最大值出现在4:

00～5:

00，日相对湿度最小值出现在13:

00～15:

00。

㈣风

1.风：

指由大气压力差所引起的大气水平方向的运动。

2.风的类型

⑴大气环流：

由于太阳辐射热在地球上照射不均匀，使得赤道和两极之间出现温差，从而引起大气在赤道和两极之间产生活动，即为大气环流。

⑵地方风：

局部地区受热不均引起的小范围内的大气流动。

如海陆风、山谷风、林原风等。

3.风的特性

⑴风向：

风吹来的地平方向为风向。

可使用四方位东（E）、南（S）、西（W）、北（N）表示，细分则使用八方位，即在上述四方位中增加东南（SE）、东北（NE）、西南（SW）、西北（NW），甚至使用十六方位表示。

风向频率图（风向玫瑰图）是一定时间内在各方位刮风频率的统计图，可由此了解当地的风向，尤其是不同季节的主导风向。

⑵风速：

单位时间内风前进的距离，单位为m/s。

气象学上根据风速将风分为十二级。

㈤降水

1.降水：

从大地蒸发出来的水蒸气进入大气层，经过凝结后又降到地面上的液态或固态的水分。

如雨、雪、雹都属降水现象。

2.降水的性质

⑴降水量：

降落到地面的雨以及雪、雹等融化后，未经蒸发或渗透流失而累积在水平面上的水层厚度。

单位：

mm。

⑵降水强度：

单位时间（24h）内的降水量，单位：

mm/d。

根据降水强度，可将降水划分如下：

小雨＜10mm中雨10～25mm大雨25～50mm暴雨50～100mm

二、中国建筑热工设计分区

中国建筑热工设计分区　　　　　　　　　　　表14-1

气候分区

主要指标

辅助指标

热工设计要求

最冷月平均温度（℃）

最热月平均温度（℃）

日平均气温≤5℃的天数

日平均气温≥25℃的天数

严寒地区

≤-lO

≥145

必须充分满足冬季保温要求，一般可不考虑夏季防热

寒冷地区

0～-lO

90～145

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

0～10

25～30

0～90

40～110

必须充分满足夏季防热要求，适当兼顾冬季保温

夏热冬暖地区

＞10

25～29

100～200

必须满足夏季防热要求，一般可不考虑冬季保温

温和地区

0～13

18～25

0～90

部分地区应注意冬季保温，一般可不考虑夏季防热

三、室内热环境（室内气候）

室内热环境是指由室内空气温度、空气湿度、室内风速、平均辐射温度（室内各壁面温度的当量温度）等因素综合组成的一种热物理环境。

㈠决定室内热环境的物理客观因素

室内热环境的好坏通常受到室外热环境、室内热环境设备（如空调器、加热器等）、室内其他设备（如灯具、家用电器）的影响。

㈡对室内热环境的要求

室内热环境是要保证人的正常生活和工作，以维护人体的健康。

1.人体的热感觉

室内热环境对人体的影响主要表现在人的冷热感。

人体的冷热感取决于人体新陈代谢产生的热量和人体向周围环境散热量之间的平衡关系。

当△q＝0，体温恒定不变；△q＞0，体温上升；△q＜0，体温下降。

2.热舒适

热舒适是指人对环境的冷热程度感觉满意，不