注册建筑师考试之建筑热工与节能.docx

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注册建筑师考试之建筑热工与节能

建筑物理与设备》考试知识辅导：

建筑热工与节能

第一节传热的基本知识

　　热量的传递称为传热。

在自然界中，只要存在温差就会出现传热现象。

　　一、传热的基本概念

（一）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℃。

（二）温度场

　　某一瞬间，物体内所有各点的温度分布称为温度场。

温度场是空间某点坐标x，y，z与时间f的函数，公式表达为：

（1）稳定温度场：

温度场内各点温度不随时间变化。

（2）不稳定温度场：

温度场内各点温度随时间发生变化。

　　在建筑热工设计中，主要涉及的是一维稳定温度场t=f（x）和一维不稳定温度场t=f（x，）中的传热问题。

在一维稳定温度场中，温度仅沿一个方向（如围护结构的厚度方向）发生变化；而在一维不稳定温度场中，温度不仅沿一个方向发生变化，而且各点的温度还随着时间发生改变。

　　（三）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。

　　（四）温度梯度

　　温度差与沿法线方向两个等温面之间距离Δt的比值的极限叫做温度梯度。

表示为：

　　（五）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/㎡.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：

二、传热的基本方式

　　根据传热机理的不同，传热的基本方式分为导热、对流和辐射。

（一）导热（热传导）

　　导热指物体中有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。

　　1.傅立叶定律

　　傅立叶定律指出，均质材料物体内各点的热流密度与温度梯度成正比，即：

　　式中——材料的导热系数。

　　由于热量传递的方向（由高温向低温）和温度梯度的方向（由低温向高温）相反，因此，上式中用负号表示。

　　注意，傅立叶定律在不同的温度场中可以有其形式不同的表达式。

　　2.材料的导热系数

　　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1㎡面积的导热量。

　　材料的导热系数可查阅有关的建筑材料热工指标表获得，应该熟悉经常使用的建筑材料的导热系数。

（二）对流

　　对流指由流体（液体、气体）中温度不同的各部分相互混合的宏观运动而引起的热传递现象。

　　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。

　　（三）辐射

　　辐射指物体表面对外发射热射线在空间传递能量的现象。

凡是温度高于绝对零度（0K）的物体都能发射辐射能。

　　1.物体对外来辐射的反射、吸收和透射

（1）反射系数rh：

被反射的辐射能Ir，与入射辐射能I的比值。

2.白体、黑体和完全透热体

（1）白体（绝对白体）：

能将外来辐射全部反射的物体，rh=1.

（2）黑体（绝对黑体）：

能将外来辐射全部吸收的物体，=1；

　　（3）完全透热体：

能将外来辐射全部透过的物体，=1.

　　3.物体表面的辐射本领

（1）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/㎡，

（2）单色辐射力乩（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/㎡·μm.

　　（3）灰体：

如果—个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—常数，这个物体称为灰体。

　　一般建筑材料均可看作为灰体：

　　4）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线

　　（5）黑度ε（辐射率）：

灰体的辐射本领E；与同温度下黑体的辐射本领E的比值。

　　4.影响材料吸收率，反射率、透刺率的因素

　　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。

　　注意，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；但对长波辐射，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，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是玻璃建筑具有温室效应的原因。

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

（一）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：

（1）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）。

（2）结构本身传热：

热量由结构的高温表面传向低温表面。

　　（3）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）。

（二）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和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。

　　对流换热热流密度qc的计算：

　　式中αc——对流换热系数，W/（㎡·K）；

　　θ——固体壁面温度，K；

　　t——流体主体部分温度，K.

　　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、壁面状况和热流方向有关。

　　2.表面换热系数和表面换热阻

（1）表面换热系数

　　内表面的换热系数使用αi表示，W/（㎡·K）；

　　外表面的热转移系数使用αe表示，W/（㎡·K）。

（2）表面换热阻

　　内表面的换热阻使用Ri表示，㎡·K/W；

　　外表面的换热阻使用Re表示，㎡·K/W.

四、湿空气

（一）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。

（二）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。

　　标准大气压下，不同温度对应的饱和蒸汽压值可查表取得。

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。

　　（三）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。

　　（四）湿球温度

　　湿球温度是指在干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）

　　室外热环境是指作用在外围护结构上的一切热物理量的总称，是由太阳辐射、大气温度、空气湿度、风、降水等因素综合组成的一种热环境。

建筑物所在地的室外热环境通过外围护结构将直接影响室内环境，为使所设计的建筑能创造良好的室内热环境，必须了解当地室外热环境的变化规律及特征，以此作为建筑热工设计的依据。

与室外热环境密切有关的主要因素如下：

（一）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=1395.6W/㎡

　　气象太阳常数（实测分析值）：

I0=1256W/㎡

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。

（二）室外气温

　　1.室外气温：

指距地面1.5m处百叶箱内的空气温度。

　　2.变化规律

　　室外气温由于受到太阳辐射的影响，它的年变化、日变化规律都是周期性的。

（1）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。

（2）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。

　　（三）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。

（1）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。

（2）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.

（四）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

（1）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。

（2）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

（1）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次数的统计图，可由此了解当地的风向，尤其是不同季节的主导风向。

（2）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。

　　（五）降水

　　1.降水：

从大地蒸发出来的水蒸气进人大气层，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

（1）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.

（2）降水强度：

单