第二章 建筑热工学基本知识 重大ppt课件.ppt

1,第2章 建筑热工学基本知识,2.1 室内热环境2.2 室外气候2.3 建筑传热基本概念与原理2.4 建筑围护结构传热计算方法,2,2.1 室内热环境本节要点： 1.人体热平衡； 2.室内热环境因素； 3.室内热环境评价。,3,2.1.1 人体热平衡 人体与机器比较 热能机: 燃料 产热 做功 散热 人体: 食物 产热 生命活动 散热 发热体, 散热体, 恒温体人体热平衡: 产热量 = 散热量 人体健康基本条件,4,人体热天平,5,环境随气候变化,散热,动态热平衡人体具有热调节方式: 生理调节 主观调节,6,生理调节: 环境变冷(热)皮肤毛细血管收缩(膨胀) 血流量减少(增加)皮肤温度下降(上升, 出汗) 保持热平衡,7,活动,主观调节:,8,衣服,主观调节:,9,人体热平衡调节方式,生理调节 主观调节,皮肤温度出汗,活动衣着,人的生存范围,寒带 冷 热 热带,衣着 皮肤温度 出汗,人体生理调节与衣着相结合使人 适应四季气候变化 扩大生存范围,10,生理调节与舒适: 出汗 不舒适 生理调节范围小 舒适 生理调节与健康: 生理调节能力强 体质好,11,2.1.2 人体热感觉影响因素,热感觉 可量化的影响因素 因素1 因素2 因素3 ,散热方式 环境因素 对流 辐射 蒸发,12,散热 得热,散热方式 环境影响因素 对流 空气温度、空气流速,13,散热方式 环境影响因素 辐射 壁面温度,散热 得热,14,散热方式 环境影响因素 蒸发: 空气温度、 湿度,呼吸无感觉蒸发出汗,15,影响人体热感觉的因素:,6个因素的不同组合产生不同的热环境，各因素之间具有互补性。,热感觉,空气温度空气流速空气湿度壁面温度新陈代谢率衣服热阻,室内环境因素人体主观因素,16,6个因素的组合达到热舒适时, 三种方式散热比例: 对流 25%30% 辐射 45%50% 呼吸和无感觉蒸发 25%30%,17,2.1.3 室内热环境评价单因素评价: 空气温度,空气温度 感觉 34 100%的人感到热, 42.3%的人难以忍受 3034 84%的人感到热, 14.5%的人难以忍受 2830 30%的人感到热, 但可以忍受 25 舒适 18 5%坐着的人感到冷 12 80%坐着的人感到冷, 20%活动的人感到冷,居住建筑室内舒适性标准: 夏季2628，冬季1820 可居住性标准: 夏季不高于30，冬季不低于12,18,热感觉,空气温度空气流速空气湿度壁面温度新陈代谢率衣服热阻,措施暖气,空调通风,风扇加湿,除湿辐射地板、墙体、顶棚,需要对热环境进行综合评价,19,多因素综合评价方法:,影响因素: 因素1 因素2 因素3 ,单一指标,优点: 有利于发挥各种热环境改善措施的作用, 降低能源消耗和经济成本。,20,空气温度2湿度100%,人的状态：薄衣、走动,热感觉相同,(1) 有效温度,空气温度1空气湿度1 空气温度2(有效温度),空气温度1 湿度1,21,空气温度1湿度1流速1,空气温度2湿度100% 流速0,人的状态：薄衣、走动,热感觉相同,(1) 有效温度,空气温度1空气湿度1 空气温度2(有效温度)空气流速1,22,舒适区,有效温度与空气温度、湿度、流速的关系图,23,(2) PMVPPD,人体热舒适: f (t, , v, , R , m) = 0,人体热平衡: qm qw qc qr = 0 其中: qm 产热量 qr 辐射散热量 qc 对流散热量 qw 蒸发散热量,影响参数: 新陈代谢率m 壁面辐射温度 空气温度t, 湿度, 流速v 衣服热阻R,在满足人体热平衡的范围内找出热舒适的充分条件,得到热舒适方程,热舒适指标: PMV = f (t, , v, , R , m),(PMV : Predict Mean Vote ),24,PMV与人的主观感觉PPD的关系,(PPD: Percentage of Predict Dissatisfy),25,PMV 热感觉度量标尺,空气温度空气湿度空气流速壁面辐射温度衣服热阻新陈代谢率,26,2.1 室内热环境复习：人体热平衡: 产热量 = 散热量人体散热方式: 对流, 辐射, 蒸发热平衡调节方式: 生理调节(皮肤温度, 出汗) 主观调节(活动量,衣着)热感觉影响因素: 环境因素(空气温度、流速、湿度、壁面温度) 主观因素(新陈代谢率、衣服热阻)热环境综合评价方法,27,思考题：室内热环境因素中, 通过建筑设计能够最有效改善的有哪些因素？,28,第2章 建筑热工学基本知识,2.1 室内热环境2.2 室外气候2.3 建筑传热基本概念与原理2.4 建筑围护结构传热计算方法,29,2.2 室外气候本节要点： 1.气候因素: 太阳辐射、空气温度、空气湿度、风。 2.城市气候特点。,30,2.2.1 室外气候因素 一、太阳辐射 光谱: 波长0.23.0m（1m=10-6m） 短波热辐射 能量: 辐射强度I，单位: W/m2,31,总辐射 = 直接辐射 + 散射辐射影响因素: 太阳高度角 大气透明度 云量,32,太阳高度角:,33,二、气温 气温是常用的气候评价指标, 单位: , (F =32+9/5 C) 季节 连续5天的日平均气温 冬季 10 夏季 22 春、秋季 10 22 ,34,升温过程: 太阳辐射 地面 气温,35,气温变化滞后:,时刻,36,影响因素: 太阳辐射 地面状况: 地表覆盖材料, 地形 大气对流 高、低温空气混合,地面温度,37,三、空气湿度 (1) 水蒸气分压力P 单位：Pa,38,饱和水蒸气分压力Ps,湿空气 饱和湿空气,水蒸气,水蒸气饱和,蒸发,39,饱和水蒸气分压力Ps 空气容湿能力 气温 气温() : 0 10 20 30 Ps (Pa) : 609 1225 2331 4232,P,Ps,P Ps,40,饱和水蒸气分压力Ps 气温 附录1查表,41,空气中的水蒸气分压力P变化,P Ps,P = Ps,气温升高 Ps大,气温降低 Ps小,42,人感觉的空气干湿程度,Ps,43,(2) 相对湿度 人感觉的空气干湿程度 相对湿度日变化,44,(3) 露点温度td,45,【例2-1】空气温度为18，相对湿度为60%，求露点温度td。【解】由附录1查表得空气温度为18时饱和水蒸气分压力: Ps = 2062.5 Pa 已知相对湿度 为60%, 可算出水蒸气分压力： P = Ps =60%2062.5=1237.5 Pa 以 1237.5 Pa为饱和水蒸气分压力，查附录1表得露点温度 td =10.1,46,四、风 风是水平方向的气流 形成: 空气压力差 空气受热不均匀 (热压差) 高空气流: 热 冷 地面气流: 冷 热,47,描述: 风向, 风来的方向 风速 单位: m/s,48,风级 风速(m/s) 风名 目测标准 0 00.5 无风 缕烟直上，树叶不动 1 0.51.7 软风 缕烟一边斜，有风感 2 1.83.3 轻风 树叶沙沙响，风感明显 3 3.45.2 微风 树叶及树枝动不息 4 5.37.4 和风 树木细枝动摇 5 7.59.8 清风 大枝摇动 6 9.912.4 强风 粗枝摆动，电线呼呼响 7 12.515.2 疾风 树干摇摆，大枝弯曲迎风步艰 8 15.318.2 大风 大枝摇摆，细枝折断 9 18.321.5 烈风 大枝折断，轻物移动 10 21.625.1 狂风 拔树 11 25.229 暴风 有重大损失 12 29 飓风 破坏严重，一片荒凉,49,类型: (1) 大气环流 (2) 季风 (3) 地方风,50,(1) 大气环流,51,(2) 季风(海陆风),52,(3) 地方风,53,边界层,风的垂直分布:,v/v0,100%90%,50%,v0,54,边界层,边界层,风的垂直分布:,55,五、气候调节 地面对太阳热量进行分配:,反射,吸收,蒸发吸热,升温,地下储热,加热空气,56,蒸发吸热,凝结放热,蒸发吸热,降水,液(固),放热,水的相变循环减少地面过热:,57,热,冷,空气流动产生的风减少空气温差:,58,风、水作用调节气候:,太阳辐射,气温,59,2.2.2 建筑热工设计气候分区,60,建筑热工设计分区及设计要求,61,2.2.3 城市气候 一、城市气候特点 (1) 太阳直接辐射减少，散射辐射增多; 晴天减少，阴天、雾天增多; 天空透明度降低。,62,(2) 气温偏高，出现城市热岛现象。,63,(3) 风速减小,64,(4) 湿度减小 城市大部分为不透水的硬化表面，降雨后水分迅速被人工排水管道排走，导致城市可供蒸发的水分少，空气湿度小。,65,二、城市热岛对环境的影响 (1) 形成热岛环流, 把城市边缘区工厂排放的污染带进市区。 (2) 酷热天气增多, 寒冷天气减少;空调能耗增多, 采暖能耗减少。,66,三、城市热岛产生的原因 (1) 人为热排放 人们生产和生活以及新陈代谢中排放出来的废热。 城市输入的各种能量最终是以热量形式散发到大气中。,67,(2) 地面状态改变 立体化的下垫面, 通风不良, 吸热多, 散热难。 不透水的硬化表面多, 蒸发散热小, 表面温度高。,68,四、城市热环境改善措施 (1) 各行各业开展节能,减少人为热排放。 (2) 城市生态环境建设。 扩大绿地、水面 采用透水铺装 透水地砖,69,2.2 室外气候复习：太阳辐射、空气温度、空气湿度、风介绍。热工设计气候分区: 严寒、寒冷、夏热冬冷、 夏热冬暖、温和。城市气候特点: 气温偏高、通风不良、形成热岛现象。,70,思考题：决定气候的因素有哪些？人的活动可以影响气候的哪些方面？,71,第2章 建筑热工学基本知识,2.1 室内热环境2.2 室外气候2.3 建筑传热基本概念与原理2.4 建筑围护结构传热计算方法,72,2.3 建筑传热基本概念与原理本节要点： 1.三种传热方式的特点； 2.平壁热阻和热惰性指标； 3.材料导热系数; 4.空气间层传热特点。,73,传热基本概念: 条件: 温差 方向: 高温 低温 基本方式: 导热 固、气、液 对流 气、液 辐射 无需介质 传热量: Q 单位:W ; q 单位:W/m2,74,2.3.1 辐射传热 一、热辐射 电磁波 绝对温度 T 0 (K)的物体都会向外辐射电磁波 也会接收外来电磁波 T = 273 + t (K) (),T1,T2,75,电磁波分类:,76,电磁波分类:,77,二、物体接收热辐射的性能 性能参数: 反射系数,吸收系数, 透过系数 + =1 非透热材料 +=1 白体:=1 黑体:=1 透热体: =1,78,影响因素: 表面材料: 材质、分子结构、表面光洁度 热辐射波长。,79,影响因素: 表面材料: 材质、分子结构、表面光洁度 热辐射波长。,刷白表面,低,高,短波 高 长波 低,80,影响因素: 表面材料: 材质、分子结构、表面光洁度 热辐射波长, 高 低,81,温室效应, 高 低,82,三、物体发射热辐射的性能 辐射体类型: 黑体, 灰体, 选择性辐射体 辐射能力: 单位:Wm2 C辐射系数W/(m2 K4)，黑体最大,83,黑体辐射光谱特点: 温度愈高，最大辐射力的波长愈短 太阳辐射(6000K黑体),84,灰体辐射性能参数: 辐射系数C , 或黑度 C 灰体辐射系数 Cb 黑体辐射系数 灰体 1 ; 黑体= 1,85,建筑材料黑度,86,四、辐射换热 换热强度: qr=r(1 2) (Wm2) r 辐射换热系数, 与表面辐射系数、温度有关 1 ,2 表面温度,87,2.3.2 对流传热 一、对流类型 自然对流 温差 强迫对流 外力 自然对流方向:,热,冷,88,壁面空气对流传热方式: 层流边界层 导热为主 紊流区 对流为主,89,二、 对流换热 换热强度: qc=c( t) (Wm2) c 对流换热系数 壁面温度 t 空气温度 对流换热系数: 自然对流时与温差有关 强迫对流时与流速v 有关 建筑外表面:,90,2.3.3 热传导 一、热传导的时间和空间概念 等温线(面) 热流指向温度梯度降低的方向 二维(三维)传热 一维传热(平壁传热),91,稳定传热: 各点温度不随时间变化 能量守恒, 即任意封闭空间 Q进=Q出 非稳定传热: 温度随时间变化 周期传热: 温度随时间周期性变化,q进 q出,92,二、平壁稳定传热 温度分布: 直线 热流强度: 温差/热阻 H ,L 表面温度 R 平壁热阻(m2KW) 平壁热阻: d 平壁厚度(m) 材料导热系数W(mK),93,多层平壁热流: q = q1 = q2 = q3 多层平壁热阻: R=R1+R2+R3,94,三、平壁周期传热 特征: (1) 各点温度都随时间按照同样的周期变化 (2) 沿传热方向温度波幅衰减 (3) 沿传热方向波动变化时间延迟,95,性能参数: 热惰性指标D 单位无量纲 D = R s R 平壁热阻 (m2KW) s 材料蓄热系数 W (m2K) 多层平壁D = D1+D2+ = R1 s1+R2 s2+ 衰减倍数:,96,四、材料热物性 1. 导热系数 表示材料导热难易程度的基本参数, 用实验测定 影响因素: (1) 材质 材料名称 W(mK) 钢筋混凝土 1.74 砖砌体 0.81 加气混凝土 0.190.22 聚苯乙烯泡沫塑料 0.042 0.047,97,影响因素: (2) 密度 材料名称 W(mK) 密度(kg/m3) 加气混凝土 0.019 500 0.22 700 玻璃棉与密度的关系,98,影响因素: (3) 湿度 随材料湿度增大而增大,99,保温材料: 0.3 W(mK) 特点: 轻质多孔 需要防潮,100,2. 蓄热系数 表示材料在周期性热作用下蓄存热量或放出热量的能力 T 热作用的周期（h） c 材料比热容kJ/（kgK） 材料的密度（kJ/m3） 以一日24h为热作用周期的材料的蓄热系数：,101,材料蓄热系数与密度关系: 重质材料蓄热系数大 轻质材料蓄热系数小 材料名称 s24 W (m2K) （kJ/m3） 钢筋混凝土 17.2 2500 砖砌体 10.63 1800 加气混凝土 3.59 700 聚苯乙烯泡沫塑料 0.07 100,102,2.3.4 封闭空气间层传热 导热、对流和辐射三种传热方式综合作用。,103,导热: 很弱 辐射: 占70% 对流:,104,导热: 很弱 辐射: 占70% 对流: 与厚度、位置、传热方向有关,105,空气间层热反射的效果,106,2.3 建筑传热基本概念与原理复习：物体接收热辐射：吸收,反射,透过, 影响因素(波长,材料)物体发射热辐射: 温度,辐射率壁面对流传热: 温差,对流换热系数, 流向平壁平壁稳定传热: 热流=温差/热阻 平壁周期传热: 衰减, 延迟平壁R, D作用及计算材料, 影响因素(密度, 湿度)空气间层传热以辐射为主,107,思考题：物体吸收热辐射的能力是否与发射热辐射的能力相同？,108,第2章 建筑热工学基本知识,2.1 室内热环境2.2 室外气候2.3 建筑传热基本概念与原理2.4 建筑围护结构传热计算方法,109,2.4 围护结构传热计算方法本节要点： 1.围护结构总热阻计算； 2.组合墙传热系数计算； 3.周期传热计算方法。,110,2.4.1 围护结构稳定传热过程及传热量 传热过程: 内表面吸热, 围护结构传热, 外表面放热,111,内表面换热系数,外表面换热系数,内表面吸热 围护结构传热 外表面放热,112,内表面换热阻,外表面换热阻,内表面吸热 围护结构传热 外表面放热,113,三层平壁传热,平壁传热 q =,温差热阻,内表面吸热 围护结构传热 外表面放热,Ri R Re,114,三层平壁传热,平壁传热 q =,温差热阻,热流: 总热阻R0= Ri+ R+ Re,Ri R Re,q,115,或 传热系数 K=1/ R0,热流: 总热阻R0= Ri+ R+ Re 围护结构保温指标: R0 或 K,116,总热阻R0 的计算: R0= Ri+ R+ Re (1) Ri , Re 查表 一般 Ri = 0.11 m2KW Re = 0.04 m2KW (2) R=R1+R2+R3+,117,【例2-1】墙体构造: 水泥砂浆20mm; 多孔砖240mm; 保温砂浆20mm; 计算R0 和 K【解】查附录表材料的导热系数,计算热阻如下: 材料层 厚度(m) 导热系数W/(mK) 热阻(m2K/W) 水泥砂浆 0.02 0.93 0.02 多孔砖 0.24 0.58 0.41 保温砂浆 0.02 0.29 0.07 0.50 R0= Ri+R+Re= 0.11+0.50+ 0.04=0.65 m2K/W K=1/0.65=1.54 W/(m2K),118,2.4.2 围护结构构造层热阻 实体材料层热阻: 空气间层热阻: 测定 测量通过空气间层的热流和两表面温差计算出热阻。,119,120,组合壁热阻,121,【例2-2】计算钢筋混凝土圆孔板冬季的热阻。,122,【例2-2】计算钢筋混凝土圆孔板冬季的热阻。 【解】 （1）将圆孔折算成等面积方孔。,R0,1,R0,2,123,（2）分别计算各部分传热阻。 查表: Ri=0.11 m2KW Re=0.04 m2KW 钢筋混凝土1=1.74W(mK) 空气层热阻R=0.17 m2KW,（m2KW）,（m2KW）,R0,1,R0,2,124,（3）求修正系数 钢筋混凝土1=1.74W(mK) 空气层当量导热系数,R0,1,R0,2,=0.93,125,（4）计算组合板平均热阻,（m2KW）,R0,1,R0,2,126,组合墙传热系数,K2,F2,F1,K1,127,组合墙传热系数,K2,F2,F1,K1,q1,q2,F2,F1,K,q,128,组合墙传热系数,K2,F2,F1,K1,129,组合墙传热系数,130,2.4.3 围护结构周期传热计算方法 一、单向周期传热内表面热流 第k小时内表面热流: （k =1，2， ，24） tk为第k小时室外温度加权平均值 W0, W1, W23为权重,qk,131,权重W1, W2, W23 解释,132,二、双向周期传热内表面温度 分解成一个稳定传热过程和两个单向周期传热过程, 分别计算每个过程内表面温度,再叠加。,133,稳定传热过程内表面温度:,134,单向周期传热过程内表面温度:,135,三、数值计算方法 中国建筑科学研究院编制的围护结构周期传热计算软件 操作步骤: (1) 围护结构构造建模 (2) 边界条件选择 (3) 结果显示,136,（1）围护结构构造建模 100mm钢筋混凝土屋面板；30mm聚苯板；20mm水泥砂浆,室内,室外,137,（2）边界条件选择,138,（3）结果显示 内表面温度最大值38.8，平均值32.9，衰减倍数7.65，延迟时间6 h。,139,2.4 围护结构传热计算方法复习：围护结构传热强度:围护结构总热阻: R0= Ri+ R+ Re 传热系数: K=1/ R0组合墙传热系数:围护结构周期传热计算方法介绍,