第一章 建筑热工学基础知识ppt课件.ppt

建 筑 物 理,新疆大学建筑工程学院 2010年9月,第一篇 建筑热工学,我对于建筑的定义，一是为了宗教仪式的需要，另一方面是为了保持体温的需要。 汉斯.霍莱茵,建筑热工学的形成,为热工学形成奠定基础的是：发明于十八世纪初的蒸汽供暖设备。到了十九世纪末，开始研究建筑围护结构和环境相互作用的传热机理，以及房屋的保温措施。二十世纪以来，为了解决采暖房屋的热平衡问题，提出了稳定传热和非稳定传热的计算方法，还研究出了材料导热性能测定的方法。在以上研究的基础上，就逐渐形成了建筑热工学。,建筑热工学的任务,介绍建筑热工学原理，论述如何通过建筑规划和设计上的相应措施，有效地防护和利用室内外热湿作用，合理地解决房屋的保温、防热、防潮、节能等问题，以创造良好的室内热环境并提高围护结构的耐久性。建筑热工学的内容主要包括：工业与民用建筑的热工设计，包括建筑保温设计、防潮设计、防热设计和建筑节能设计以及建筑日照设计等。,第一章 建筑热工学基础知识,第一节 建筑中的传热现象第二节 围护结构传热基础知识第三节 湿空气的物理性质第四节 室内热环境第五节 室外热环境,第一节 建筑中的传热现象,由于冬夏两季热量传递特征不同，因而围护结构的热工对策也不同。围护结构的热工设计不仅仅是简单地增厚墙体或提高保温性能，而是要根据建筑物室内外的热量传递状况，传热部位以及建筑结构形式结合当地室外气候特征，采取不同的措施和处理方法。,第一节 建筑中的传热现象,第一节 建筑中的传热现象,导热是指同一物体内部或相接触的两物体之间由于分子热运动，热量由高温处向低温处转换的现象。对流传热是指流体之间、流体固体之间发生相对位移时所产生的热量交换现象。辐射传热是指热量以电磁波的形式把热量由一个物体传向另一个物体的现象。,第一节 建筑中的传热现象,第二节 围护结构传热基础知识,一、导热导热是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。（在固体、液体和气体中都存在导热现象，但在不同的物质中导热的机理是有区别的。）（1）在气体中是通过分子做无规则运动时互相碰撞而导热；（2）在液体中是通过平衡位置间歇移动的分子振动引起的；（3）在固体中，除金属外，都是由平衡位置不变的质点振动引起，在金属中，主要是通过自由电子的转移而导热。（纯粹的导热现象仅发生在理想的密实固体中）,第二节 围护结构传热基础知识,1） 温度场 温度梯度 热流密度温度场：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 x 、y 、z 和时间 的函数 即： t =f( x、y、z、）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 tf（x）,第二节 围护结构传热基础知识,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。,第二节 围护结构传热基础知识,热流密度（q）导热不能沿等温面进行，但必须穿过等温面。热流密度(q）：单位时间内，通过等温面上单位面积的热量。等温面上单位面积为dF(m2 )，单位时间内通过的热量为dQ(w)如果热流密度在面积F上均匀分布则热流量为右式。,第二节 围护结构传热基础知识,2） 傅立叶定律傅立叶定律内容：匀质材料内各点的热流密度与温度梯度的大小成正比。 或：一个物体 在单位时间、单位面积上传递的热量于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。,第二节 围护结构传热基础知识,3 ） 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1m2截面积的导热量。,材料导热系数表达图,第二节 围护结构传热基础知识,导 热 系 数各种物质的导热系数，均由试验确定。以金属的导热系数最大，非金属和液体次之，气体最小。各种材料的值大致范围是： 气体为0.0060.6； 液体为0.070.7； 建筑材料和绝热材料为0.0253； 金属为2.2420。 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。其中主要影响因素是密度和湿度。,第二节 围护结构传热基础知识,二、对 流对流传热只发生在流体之中，它是因温度不同的各部分流体之间发生相对运动，互相掺合而传递热能的。特点：单纯的对流传热过程是不存在的，对流的同时总伴随着导热。产生对流的原因有二个：（1）自然对流（2）受迫对流,第二节 围护结构传热基础知识,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。,第二节 围护结构传热基础知识,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。表面对流换热量的表示式：牛顿公式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。,对流换热系数,第二节 围护结构传热基础知识,（1）自然对流自然对流: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。,第二节 围护结构传热基础知识,2）受迫对流受迫对流：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。,第二节 围护结构传热基础知识,三、辐射辐射传热是指热量以电磁波的形式把热量由一个物体传向另一个物体的现象。1、物体的辐射特性2、物体表面对外来辐射的吸收与反射特性3、物体之间的辐射换热,第二节 围护结构传热基础知识,1、物体的辐射特性按物体的辐射光谱特性，可分为黑体、灰体和选择性辐射体三大类。黑体：能发射全波段的热辐射能力，在相同的温度条件下，辐射能力最大灰体：其辐射光谱具有与黑体辐射光谱相似的形状，且对应每一波长的单设辐射能力与同温同波长的黑体的比值为一常数. 用“发射率”或“黑度”表示。选择性辐射体：其辐射光谱与黑体光谱截不同，甚至有的只能发射某些波长的辐射线。,在同温条件下黑体、灰体和非灰体单色辐射的对比,第二节 围护结构传热基础知识,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=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。 用 E b表示黑体的全辐射力, 单位 W/m2 ；,第二节 围护结构传热基础知识,普朗克定律该定律表明了黑体的单色辐射力与其绝对温度和波长之间的函数关系。黑体单色辐射力的最大值随着黑体温度升高而向波长较短一边移动。,黑体辐射的光谱曲线,第二节 围护结构传热基础知识,对应于这一辐射力为最大值的波长与黑体绝对温度的关系用公式表示：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0.5m ；而16左右的常温物体发射的最大辐射力波长约在10 m 。,维恩位移定律,第二节 围护结构传热基础知识,2. 物体表面对外来辐射的吸收与反射特性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、吸收系数、透射系数。以入射辐射为一，则有黑体：对外来辐射全吸收的物体， 白体：对外来辐射全反射的物体， 透明体：对外来辐射全透过的物体 对于任一特定的波长，材料表面对外来辐射的吸收系数与其自身的发射率或黑度在数值上是相等的。 = ,辐射热的反射吸收与透射,第二节 围护结构传热基础知识,物体表面对外来辐射的吸收与反射特性,第二节 围护结构传热基础知识,温室效应：如CO2、玻璃、塑料薄膜等材料具有“透短阻长”的特征从而使室内温度不断提高的现象。,玻璃只对波长为0.22.5m的可见光和近红外线有很高的透过率，而对波长为4 m以上的远红外辐射的透过率却很低。建筑中通过玻璃获取大量的太阳辐射，是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在辐射出去，从而可提高室内温度。可为节能服务,第二节 围护结构传热基础知识,3. 物体之间的辐射换热,任何物体都具有发射辐射和对外来辐射吸收反射的能力，所以在空间任意两个相互分离的物体，彼此间就会产生辐射换热。影响因素：表面温度表面发射和吸收辐射的能力 (1)黑体表面间的辐射换热； (2)二灰体表面间的辐射换热；相互位置 (1)二无限大平行平面间的辐射换热；,第二节 围护结构传热基础知识,(2)一物体被另一物体完全包围时的辐射换热；(3)有遮热板时的辐射换热;遮热板 -在现代建筑中，采用铝箔或其它热辐射系数小的薄板，在围护结构内分隔空气层，能有效的提高绝热效果，用于这种构造的薄板叫遮热板,第二节 围护结构传热基础知识,四、围护结构的传热过程 围护结构的传热过程包括：表面吸热、结构本身传热、表面放热的三个过程。围护结构的传热过程：1、表面吸热2、结构本身传热3、表面放热,第二节 围护结构传热基础知识,两个概念导热系数（ ）： 物理意义是，当材料层厚度为1m，两表面温差为1K时，在1小时内通过1平方米截面积的导热量。单位W/(mk)导温系数（a ）：也叫扩散系数，表示物体在不稳定传热过程中温度向壁体内传播的快慢程度的指标。,第三节 湿空气的物理性质,一、水蒸气分压力 二、空气湿度 三、露点温度 四、湿球温度,第三节 湿空气的物理性质,一、水蒸气分压力在一定温度和压力的 条件下，一定容积的 干空气所能容纳的水 蒸气，是有一定限度 的。处于饱和状态的湿空 气中的水蒸气所呈现 的压力，叫饱和蒸气 压。单位Pa,第三节 湿空气的物理性质知识,二、空气湿度1、绝对湿度（f）：每立方米空气中所含水蒸气的重量，叫空气的绝对湿度（g/m3）。2、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的饱和蒸气量的百分比，可近似地认为是空气的水蒸气分压力与同温同压下饱和蒸气压的百分比。即,第三节 湿空气的物理性质,三、露点温度 露点温度(td )：在大气压力一定、含湿量不变的情况下，未饱和的空气因冷却而达到饱和状态时的温度。,第三节 湿空气的物理性质,例1-2 用温度计测得某采暖居室气温ti=18，相对湿度=61.1%，试求该居室空气的露点温度td。解：首先要求出该居室的实际水蒸汽分压力P。查附录2，知当t=18时，饱和蒸汽压Ps=2062.5Pa，从公式可反求出P为： P=Ps=2062.50.611=1260Pa其次，按露点温度的定义，当该室气温下降到Ps=1260Pa时所对应的温度，即为该室空气露点温度。从附录2中，查得Ps=1260Pa对应的温度为：td=10.4即该居室的露点温度为10.4。,第三节 湿空气的物理性质,四、湿球温度由于湿球温度计球部潮湿纱布的水分蒸发，带走热量，使其温度降低，而温度降低的数量取决于湿球温度计球部纱布潮湿的水分蒸发强度，蒸发强度又决定于周围空气的湿度。周围空气的湿度越小，水分蒸发的强度就越强，这样湿球温度计所指示数值比干球温度计所指示的空气温度就越低，也就是干湿球温度差值就越大。干湿球温度计就是利用干湿球温度差及干球温度来测量空气相对湿度的。,空气湿度图,按照湿空气的物理性质绘制的工具图，它表示在标准大气压下空气湿度（干湿球温度）、湿度、蒸汽分压力、相对湿度之间的相互关系。,第四节 室内热环境,人体对微气候条件的感受与评价:,体力劳动的工作效率与温度和空气速度之间的关系,4.1m/s,0.5m/s,湿球温度,工作效率%,100%,270C,360C,2.0m/s,第四节 室内热环境,脑力劳动与高温,脑力劳动对温度的反应更为敏感，当有效温度达到29.50C时，脑力劳动的效率就开始下降，一般而言，有效温度越高，持续作业的时间越短。,有效温度,290C,持续工作时间,第四节 室内热环境,低温作业环境与生产效率,灵活性降低率%,第四节 室内热环境,空气条件与工作效率,第四节 室内热环境,影响室内气候的因素：构成室内热环境的因素： 室内温度、室内湿度、气流速度、壁面辐射温度。影响室内气候的因素：室内外热湿作用、建筑规划设计、材料性能及构造方法、设备措施等等。,第四节 室内热环境,一、室内热环境对人体热舒适的影响不同状态下的代谢率:临床上规定未进早餐前，保持清醒静卧半小时，室温条件维持在1825之间测定的代谢率叫做基础代谢率(Basal Metabolic Rate, BMR) 。代谢率单位1 met = 58.2W/m2， 其定义为人静坐时的代谢率。,第四节 室内热环境,人体的能量代谢率受多种因素影响，如肌肉活动强度、环境温度、性别、年龄、神经紧张程度、进食后时间的长短.,第四节 室内热环境,人体热平衡方程：,第四节 室内热环境,q 0体温下降,q 0 体温上升,第四节 室内热环境,人的热舒服要求不同的人对舒适的差异瞬感现象 衣着状况 个体状况 适应性 种族差异 年龄差异 恒定与变化,第四节 室内热环境,影响人体与外界热交换的因素服装的透湿性不同状态下的代谢率,第四节 室内热环境,服装的透湿性,服装的存在影响了皮肤表面的蒸发。一方面服装对皮肤表面的水蒸气扩散有一个附加的阻力，另一方面服装吸收部分汗液，使得只有剩余部分汗液蒸发冷却皮肤。服装借助毛细现象吸收和传输汗液，这部分汗液不是在皮肤表面蒸发，而是在服装表面或服装内部蒸发。这就需要更大的蒸发量才能在皮肤表面上形成同样的散热量，因此服装的存在增加了皮肤的蒸发换热热阻。,第四节 室内热环境,二、室内热环境的评价方法和标准建筑的主要功能是提供舒适的室内环境 建筑物应该提供可控环境,第四节 室内热环境,有效温度ET,第四节 室内热环境,新有效温度与新感觉之间的关系如下：,第四节 室内热环境,预计热指标 PMV(predicted mean vote),第五节 室外热环境,建筑物常年经受室外各种热环境因子的作用，其影响因素如太阳辐射、空气的温湿度、风、雨雪等，一般统称为“室外热环境”。在设计时，必须要熟悉建筑围护结构上的各种个作用。,第五节 室外热环境,多姿多彩的全球气候,全球气候分区图,第五节 室外热环境,多姿多彩的全球气候,第五节 室外热环境,建筑与气候,第五节 室外热环境,地中海气候较为理想的气候条件，夏季应防晒：骑楼、狭窄的街道。 内向型院落，室内外界线不明显。高热容量的墙体使室内温度均匀。,第五节 室外热环境,冰盖：极地气候极地严寒地区：北极爱斯基摩人用雪块砌成的圆顶小屋 Igloo为了生存而非舒适兽皮制成的服装起到至关重要的作用唯一的建筑材料是冰块,第五节 室外热环境,热带雨林气候,热带雨林地区：杆阑式建筑遮阳与自然通风防暴雨的侵袭昼夜温差小：墙体轻盈,第五节 室外热环境,沙漠：干热气候,沙漠气候酷热、严重缺水厚重的蓄热墙体和屋顶狭窄荫凉的街道自然通风降温,第五节 室外热环境,第五节 室外热环境,第五节 室外热环境,第五节 室外热环境,地区性气候及其特征,1、室外气温：一般气象学上所指的气温是距地面1.5米高处背阴的空气温度而言。影响气温的主要因素有：入射到地面上的太阳辐射热量、地形与地表面的覆盖以及大气环流的热交换作用等，而太阳辐射起着决定的作用。,第五节 室外热环境,2、太阳辐射：影响太阳辐射强度的因素有太阳高度角、大气透明度、地理纬度、云量、海拔高度及太阳辐射的组成等。,第五节 室外热环境,太阳辐射,第五节 室外热环境,3、 空气湿度：室外空气中含水蒸气量的多少,相对湿度的日变化,第五节 室外热环境,4、风:有大气环流风、地方风（水陆风、山谷风、巷道风）,三个全球性的风带：信风、西风和极风。 季风系，是由于海、陆加热量的年差所造成的。 海陆风，发生于山谷之处；沿海一带又有日风和夜风 城市高楼风和街道风,第五节 室外热环境,风向频率图示例,风速随高度的变化,第五节 室外热环境,海陆风 在白天，陆上的空气温度较同一纬度海上的空气温度为高，热气上升，海上的冷气流即吹向内陆。在夜间,此过程相反.,第五节 室外热环境,水陆风,第五节 室外热环境,山谷风,在山区，局部的温差会造成局部地风型,第五节 室外热环境,山谷风,第五节 室外热环境,建筑气候分区以及对建筑热工设计的基本要求,第五节 室外热环境,第五节 室外热环境,城市气候及对建筑热工设计的影响,城市气候的基本特征：1、空气湿度和辐射温度城市区域空气平均温度、瞬时温度值均大于郊区，形成众所周知的城市热岛现象。,第五节 室外热环境,第五节 室外热环境,夜间热岛效应比白天明显,第五节 室外热环境,2、城市风特征当大天气系统背景风速很大时： 平均风速明显小于郊外 风向分布基本无规律可循 部分区域形成风影区和强风区当大天气系统背景风速很小时： 城市风场即为由城市热岛现象引起的热力紊流，称为污染风,第五节 室外热环境,3、空气湿度和降水城区自然蒸发量小，空气绝对湿度和相对湿度较郊区略低，日波动模式也与郊区有所不同；但因城区空气中的尘埃浓度较高，所以雾和云量也高，城区及下风区的降水量较郊外更多。,第五节 室外热环境,4、太阳辐射与日照,第五节 室外热环境,城市气候产生差异的原因高密度的建筑物改变了下垫面层性态高密度的人口分布改变了能源与资源消费结构能源与资源消费高度集中的结果是 （1）向空气中排放大量温室气体，增加了城市区域的温室效应； （2）向城市覆盖层内排放大量人为热量,The End,骑楼建筑是欧陆建筑与东南亚地域特点相结合的一种建筑形式。,看骑楼要注意三个地方： 、一楼走廊； 、二楼以上的窗户样式； 、楼顶的女儿墙。 特点：可以避风雨、防日晒，特别适应岭南亚热带气候,，所以骑楼内的店铺可以借用柱廊空间，便于敞开铺面、陈列商品以招徕顾客。,骑楼建筑,骑楼建筑,骑楼建筑,