建筑热环境基础知识.docx

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建筑热环境基础知识

第二讲：

建筑热环境基础知识

2.1建筑中的传热现象

2.1.1 传热：

热量的传递

●在自然界中，只要存在温差就会有传热现象，热能由高温部位传至低温部位。

2.1.2传热方式

●有三种:

辐射、对流和导热。

建筑物的传热大多是三种方式综合作用的结果.

▲辐射：

把热量以电磁波的形式从一个物体传向另一个物体的现象。

凡温度高于绝对零度的物体，都可以发射同时也可以接受热辐射。

▲对流：

流体与流体之间、流体与固体之间发生相对位移时所产生的热量交换现象。

▲导热：

同一物体内部或相互接触的两物体之间由于分子热运动，热量由高温处向低温转移的现象。

2.1.3人的热传递

●为了保持体温，人体不间断的向周围环境散发热量。

●人体与室内环境的换热也是同时以辐射、对流、导热三种方式进行。

●人体的散热量决定于：

室内空气温度、风速、围护结构内表面温度。

2.2围护结构传热方式

2.2.1建筑中的热平衡

●建筑的得热和失热主要包括十个方面

●得热部分有五个方面:

1）通过墙和屋顶的太阳辐射得热

2）通过窗的太阳辐射得热

3）居住者的人体散热

4）电灯和其他设备散热

5）采暖设备散热

●失热部分有五个方面:

6）通过外围护结构的传热和对流辐射向室外散热

7）空气渗透和通风带走热量

8）地面传热

9）室内水分蒸发，水蒸汽排出室外所带走的热量

10）制冷设备吸热

▲为取得建筑中的热平衡，让室内处于稳定的适宜温度中，在室内达到热舒适环境后应以上各项得热总和等于失热总和。

即：

1+2+3+4+5=6+7+8+9+10

2.2.2 导热

●导热：

直接接触的物体由于有温度差时，质点作热运动而引起的热能传递过程。

●在固体、液体、气体中都存在导热现象。

其各自的导热机理不同。

气体：

分子作无规则运动时相互碰撞而导热。

液体：

通过平衡位置间歇移动着的分子振动引起导热。

固体：

由平衡位置不变的质点振动引起导热。

金属：

通过自由电子的转移而导热。

●绝大多数的建筑材料（固体）中的热传递为导热过程

▲温度场 温度梯度  热流密度

A）温度场：

在某一时刻物体内各点的温度分布。

▲热量传递与物体内部温度的分布密切相关。

温度 t是空间坐标xyz和时间τ的函数即

▲不稳定温度场：

温度分布随时间而变

▲稳定温度场：

温度分布不随时间而变

▲一维温度场：

温度只沿x一个坐标轴发生变化

B）温度梯度

 ▲等温面：

温度场中同一时刻有相同温度各点连成的面。

▲温度梯度：

温度差△t与沿法线方向两等温面之间距离△n的比值的极限。

C）热流密度（q）

▲导热不能沿等温面进行，必须穿过等温面。

▲热流密度（q）：

单位时间内，通过等温面上单位面积的热量。

等温面上面积元dF（

），单位时间内通过的热量为dQ（w）

●导热基本方程－－傅立叶定律：

●物体内导热的热流密度的分布与温度分布有密切关系。

●傅立叶定律内容：

匀质材料内各点的热流密度与温度梯度的大小成正比。

或：

描述成一个物体在单位时间、单位面积上传递的热量与在其法线方向的温度变化率成正比。

●用公式表示：

q－－单位时间、单位面积上通过的热量，又称热流密度或热流强度

－－等温面温度在其法线方向上的变化率叫温度梯度

λ－－表示材料导热能力的系数，称导热系数

负号是因为热流有方向性，是以从高温向低温方向流动为正值;温度也是一个向量，以从低到高为正，二者相反。

●导热系数

●导热系数：

指温度在其法线方向的变化率（温度梯度）为1℃/m时，在单位时间内通过单位面积的导热量。

导热系数大，表明材料的导热能力强。

●其物理意义：

在稳定传热状态下当材料厚度为1m两表面的温差为1℃时，在一小时内通过1

截面积的导热量。

●各种物质的导热系数，均由实验确定。

以金属的导热系数最大，非金属和液体次之，气体最小。

●各种材料的λ值大致范围是：

气体为0.006~0.6；液体为0.07~0.7；建筑材料和绝热材料为0.025~3；金属为2.2~420。

 导热系数小于0.25的材料叫隔热材料（绝热材料），如石棉制品，泡沫混凝土，不流动的空气等。

●影响导热系数数值的因素：

物质的种类（液体、气体、固体）、结构成分、密度、湿度、压力、温度等。

2.2.3对流和表面对流换热

①自然对流和受迫对流

▲自然对流:

由于流体冷热部分的密度不同而引起的流动。

空气的自然对流是由于空气温度愈高密度愈小，当环境中存在空气温差时，低温密度大的空气与高温密度小的空气之间形成压力差（热压），产生自然对流。

▲受迫对流：

由于外力作用（如风吹泵压）而迫使流体产生对流。

外力愈大，对流速度愈大。

②对流传热和对流换热

▲对流传热：

只发生在流体之间，流体之间发生相对运动传递热能。

▲对流换热：

包括流体之间的对流传热，也包括流体与固体之间的导热过程。

③表面对流换热

▲表面对流换热：

在空气温度与物体表面的温度不等时，由于空气沿壁面流动而使表面与空气之间所产生的热交换。

▲表面对流换热量取决因素：

温度差、热流方向（从上到下或从下到上，或水平方向）、气流速度、物体表面状况（形状粗糙程度）等。

▲表面对流换热量的表示式：

－－牛顿公式 

▲对平壁表面，当空气温度t与壁表面温度θ一定时，表面对流换热量取决于“边界层”

▲“边界层”－－指由壁面到气温恒定区之间的区域，包括层流区、过渡区、紊流区。

▲在层流区内以空气导热传递热量。

2.2.4 辐射换热

●辐射换热的特点:

是发射体的热能变为电磁波辐射能，被辐射的物体又将所接受的辐射能转换成热能，温度越高，热辐射愈强烈。

▲一个物体对外来的入射辐射可以有反射、吸收、和透射3种情况，他们与入射辐射的比值分别叫作物体对辐射的反射系数γ、吸收系数ρ、透射系数τ。

以入射辐射为1，则有γ＋ρ＋τ＝１

▲不透明的物体τ＝０则有γ＋ρ＝１

●为了方便研究，在理论上分为黑体、白体、灰体。

▲黑体：

对外来辐射全吸收的物体，ρ＝１

▲白体：

对外来辐射全反射的物体，γ＝１

▲透明体：

对外来辐射全透过的物体τ＝１

▲灰体：

自然界中介于黑体与白体之间的不透明物体。

建筑材料多数为灰体。

A）斯蒂芬-波尔兹曼定律

●黑体不但能将一切波长的外来辐射完全吸收，也能向外发射一切波长的辐射。

在单位表面积、单位时间以波长λ=0~∞的全波段向半球空间辐射的全部能量，称为黑体的全辐射力。

黑体的全辐射力：

●用Eb表示黑体的全辐射力,单位  W/m2；

●黑体的温度越高，其最大辐射力的波长愈短，如太阳相当于温度为6000K的黑体辐射，其最大辐射力波长为0.5μm；而16℃左右的常温物体发射的最大辐射力波长约在10μm。

B）灰体  黑度

●灰体的辐射特性与黑体近似，但在同温度下其全辐射力低于黑体。

工程上为了便于计算，将多数建筑材料视为灰体。

●灰体的全辐射力计算公式：

------灰体的辐射系数，

------灰体的绝对温度，

；

------灰体全辐射力，

●黑度：

黑度又称发射率，是物体辐射系数与黑体辐射系数之比。

黑体的黑度为1，其他物体黑度均小于1。

用公式表示：

●辐射系数：

可以表征物体向外发射辐射的能力。

各种物体（灰体）的辐射系数均小于黑体。

其数值大小取决于物体表层的化学性质、光洁度、颜色等。

各种物体的辐射系数是由实验可确定。

●在一定温度下，物体对辐射热的吸收系数在数值上与其黑度相等，即物体辐射能力越大，它对外来辐射的吸收能力也越大；反之若辐射能力越小，则吸收能力也越小。

C）反射系数

●对于多数不透明的物体来说，对外来入射的辐射只有吸收和反射，既吸收系数与反射系数之和等于1。

吸收系数越大，则反射系数越小。

如右图：

●擦光的铝表面对各种波长的辐射反射系数都很大，黑色表面对各种波长辐射的反射系数都很小；白色表面对波长为2μm以下的辐射反射系数很大，波长6μm以上的辐射反射系数又很小，接近黑色表面。

这种现象对建筑表面颜色和材料的选用有一定的影响。

D）玻璃的温室效应

●常用的普通玻璃一般为透明材料，它只对波长为0.2~2.5μm的可见光和近红外线有很高的透过率，而对波长为4μm以上的远红外辐射的透过率却很低。

●玻璃对太阳辐射中大部分波长的光可以透过，而对一般常温物体所发射的辐射（多为远红外线）则透过率很低。

这样通过玻璃获取大量的太阳辐射，使室内构件吸收辐射而温度升高，但室内构件发射的远红外辐射则基本不能通过玻璃再辐射出去，从而可以提高室内温度。

●在利用太阳能的建筑设计中，常用这一效应为节能服务。

2.3描述湿空气的物理量

●湿空气：

指的是干空气与水蒸气的混合物，室内外的空气都是含有一定水分的湿空气。

●空气湿度：

指空气中水蒸气的含量。

水蒸气主要来自于水面、植物的蒸发和其它潮湿表面，经风的携带遍布于空气中。

●描述湿空气的物理量有五个量：

▲饱和水蒸气分压力（

）：

在一定温度和气压下空气中所能容纳的水蒸气量有一定的限度，水蒸气量达到最高限度的空气称饱和空气，这时的水蒸气分压力称饱和水蒸气分压力。

用

表示，未饱和的水蒸气分压力用p表示。

标准大气压下（气压相同时），空气温度愈高它所能容纳的水蒸气量也愈多。

不同温度时的

见《建筑物理》书后附录。

▲空气的实际水蒸气分压力：

在整个大气压力中有水蒸气所造成的那部分压力，单位为

（帕）

▲绝对湿度（f）：

每立方米湿空气中所含水蒸气的量。

单位为g/m3

▲相对湿度φ（％）：

在一定的温度和气压下空气中实际水蒸气分压力量与饱和水蒸气分压力量之比。

φ=p/ps×100％

▲露点温度（

）：

在一定的气压和温度下，空气中所能容纳的水蒸气量有一饱和值；超过这个饱和值（饱和水蒸气分压力），水蒸气就开始凝结，变为液态水。

饱和水蒸气分压力随空气温度的增减而加大或减小，当空气中实际含湿量不变，即实际水蒸气分压力p不变，而空气温度降低时，相对湿度将逐渐增高，当相对湿度达到100％后，如温度继续下降，则空气中的水蒸气将凝结析出。

相对湿度达到100％，即空气达到饱和状态时所对应的温度，成为露点温度。

2.4室内热环境及评价方法

●室内热环境构成要素是以人的热舒服程度为评价标准。

——人的热舒服受以下环境影响的因素：

▲室内空气温度

▲空气湿度

▲气流速度（室内风速）

▲环境辐射温度（室内热辐射）

●下面分别对四要素作解释：

A） 室内热辐射：

●对一般民用建筑来说，室内热辐射主要是指房间周围墙壁、顶棚、地面、窗玻璃对人体的热辐射作用，如果室内有火墙、壁炉、辐射采暖板之类的采暖装置，还须考虑该部分的热辐射。

●室内热辐射的强弱通常用“平均辐射温度”（Tmrt）代表，即室内对人体辐射热交换有影响的各表面温度的平均值。

●平均辐射温度也可以用黑球温度换算出来。

黑球温度是将温度计，放在直径为150mm黑色空心球中心测出的反映热辐射影响的温度。

●平均辐射温度与黑球温度间可用贝尔丁公式换算。

●平均辐射温度对室内热环境有很大影响。

▲在炎热地区，夏季室内过热的原因除了夏季气温高外，主要是外围护结构内表面的热辐射，特别是由通过窗口进入的日辐射所造成。

而在寒冷地区，如外围护结构内表面的温度过低，将对人产生“冷辐射”，也严重影响室内热环境。

B）室内空气温度

●室内温度有相应的规定：

冬季室内气温一般应在16~22℃，夏季空调房间的气温多规定为24~28℃，并以此作为室内计算温度。

室内实际温度则有房间内得热和失热、围护结构内表面的温度及通风等因素构成的热平衡所决定，设计者的任务就在于使实际温度达到室内计算温度。

C）室内空气湿度

●室内空气湿度直接影响人体的蒸发散热。

一般认为最适宜的相对湿度应为50~60%。

在大多数情况下，即气温在16~25℃时、相对湿度在30~70%范围内变化，对人体得热感觉影响不大。

如湿度过低（低于30%），则人会感到干燥、呼吸器官不适；湿度过高则影响正常排汗，尤其在夏季高温时，如湿度过高（高于70%）则汗液不易蒸发，最令人不舒适。

D）室内风速

●室内气流状态影响人的对流换热和蒸发换热，也影响室内空气的更新。

在一般情况下，对人体舒适的气流速度应小于0.3m/s；但在夏季利用自然通风的房间，由于室温较高，舒适的气流速度也应较大。

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

当空气流速≤0.5m/s，实验研究表明，只要把空气温度调整的合适（提高空气温度），就可以使空气的流动几乎觉察不到。

2.4.2人的热舒服要求

●人的热舒服感主要建立在人和周围环境正常的热交换上，即人由新陈代谢的产热率和人向周围环境的散热率之间的平衡关系。

人体得热和失热过程用下式表示：

●当∆q=0时，人体处于热平衡状态，∆q=0时并不一定表示人都处于舒服状态，因为各种热量之间可能有许多不同的组合使∆q=0，即人们会遇到各种不同的热平衡，只有那种能使人体按正常比例散热的热平衡，才是舒服的。

●所谓按正常比例散热是指：

对流换热占总热量的25%~30%，辐射散热为45%~50%，呼吸和无感觉蒸发散热占25%~30%。

●当劳动强度或室内热环境要素发生变化时，正常的热平衡可能被破坏。

当环境过冷时，皮肤毛细血管收缩，血流减少，皮肤温度下降以减少散热量；当环境过热时，皮肤血管扩张，血流增多，皮肤温度升高，以增加散热量，甚至大量出汗使蒸发散热量qe变大，以争取新的热平衡。

这时的热平衡叫“负荷热平衡”，在负荷热平衡下，虽然∆q=0，但人体已不在舒服状态。

2.4.3室内热环境综合评价方法

●室内空气温度、空气湿度、气流速度（室内风速）、环境辐射温度（室内热辐射）作为室内热环境各因素，它们是互不相同的物理量，但对人们的热感觉来说，他们相互之间又有着密切的关系。

改变其中的一个因素往往可以补偿其他因素的不足，如室内空气温度低而平均辐射温度高，和室内空气温度高而平均辐射温度低的房间就可以有同样的热感觉。

所以，任何一项单项因素都不足说明人体对热环境的反应。

●科学家们长期以来就一直希望用一个单一的参数来描述这种反应，这个参数叫做热舒适指数，它综合了同时起作用的全部因素的效果。

●一般热环境书中介绍有四种综合评价方法：

（1）有效温度（effective temperature）ET

▲有效温度最早由美国采暖通风协会1923年推出，为室内气温、空气湿度、室内风速在一定组合下的综合指标。

在同一有效温度作用下，虽然温度、湿度、风速各项因素的组合不同，但人体会有相同的热舒服感觉。

（2）预测平均热感觉指标（predicted mean vote）PMV

▲PMV是80年代初得到国际标准化组织（ISO）承认的一种比较全面的热舒指标，丹麦房格尔（P.O.Fanger）综合了近千人在不同热环境下的热感觉试验结果，并以人体热平衡方程为基础，认为人在舒服状态下应有的皮肤温度和排汗散热率分别与产热率之间存在相应关系，即在一定的活动状态下，只有一种皮肤温度和排汗散热率是使人感到舒适的。

他们之间的数值关系为：

（3）作用温度（operative temperature）

（4）热应力指标（heat stress index）