建筑热物理基础1

建筑热物理基础绪论本课程属于建筑物理四个（声、光、热、气候）分支学科之一，目的是探讨外部热环境的特性、室内热环境的形成原因与特性，以及人对环境的要求，是一门反映人－建筑－自然环境三者之间关系的科学。通过学习，了解建筑热状态和基本的热物理模型，对具体如保温、隔热、空气渗透、蒸汽渗透等技术问题加以解决的理论基础。人和生产过程需要什么样的室内、外热环境；了解室内、外热环境形成特征和影响因素。基本观点和内容：非稳态的热状态描述；运用基本的传热学原理，描述和提供建立热物理模型的思路和方法；多种传热传质途径的综合分析；

预备知识太阳与地球地球自转：每天绕着通过它本身南极和北极的”地轴”自西向东地自转一周。每转一周(360°)为一昼夜,一昼夜又分为24h,所以地球每小时自转15°。第一章建筑热环境、第一节概述建筑热环境:作用在房屋外因护结构上的一切热物理量的总称。外围护结构的功能在于抵抗或利用热作用，以便在房间产生易于控制的舒适的热状况。因此，在设计满意的建筑围护结构时，必须洞悉作用在其上的各种热，才能创造性地去利用已有的经验和创造新的技术。所谓满意的建筑围护结构是就其适用性、经济性(建造与使用经济和节约能量)和耐久性而言的。本章的目的是要对作用在建筑外围护结构上的各种热物理量的变化规律作定量的描写。为了层次清晰想见，将建筑热环境分为室外热作用和室内热状况两方面加以论述。因为室外热作用是外因，这个外因通过围护结构之后在室内造成的结果是室内热状况，所以，室内热状况往往作为评价围护结构热性质的指标。热环境是用热辐射、气温、湿度及风速四个物理量来描的。而建筑热环境，不论是室外热作用，还是它内热状况，也都是考察这四个热物理量，或叫做热气候参量。第二节太阳辐射能太阳辐射热是大气过程的主要能源，也就是建筑热环境四个参量中影响最大的一个。日照和遮阳是建筑设计首先关心的事情，这就是针对太阳辐射热的。特别是房屋围护结构的设计，必须仔细考虑可作为能源使用的太阳辐射热。愈来愈严重的能源危机迫使人们设计和建造被动控制建执以利用自然能量，太阳辐射热的利用是最重要的，这就对围护结构的设计提出更高的要求。太阳常数

在太阳与地球的平均距离处，垂直于入射光线的大气上界单位面积上的热辐射流，叫做太阳常量。从理论上计算得的常量I’o＝l395．6W／m2——天文太阳常量，实测分析决定的太阳常量I。＝1256w／m2叫做气象太阳常量。多次卫星测得：1367(±7)W／M2

世界气象组织采用：1367W2／M2太阳辐射在大气中的减弱

太阳辐射先通过大气圈，然后到达地表，由于大气对太阳辐射有一定的吸收、散射和反射作用，使投射到大气上界的太阳辐射不能完全到达地面，所以在地球表面所呈现的太阳辐射强度比1367W/m2小。太阳光穿道地球大气层时，各光谱成分的热福射受到不同程度的减弱，但都满足微分减弱定律。如图l—l所示，对于波长为λ的光线，该定律表示为太阳辐射在大气中的减弱太阳辐射在大气中的减弱太阳辐射在大气中的减弱曲线1是大气上界太阳辐射光谱；曲线2是臭氧层下的太阳辐射光谱；曲线3是同时考虑到分子散射作用的光谱；曲线4是进一步考虑到粗粒散射作用后的光谱；曲线5是将水汽吸收作用也考虑在内的光谱，它也可近似地看成是地面所观测到的太阳辐射光谱。产生这些变化的原因有以下几方面：

1.大气对太阳辐射的吸收：太阳辐射穿过大气层时，大气中某些成分具有选择吸收一定波长辐射能的特性。大气中吸收太阳辐射的成分主要有水汽、氧、臭氧、二氧化碳及固体杂质等。太阳辐射被大气吸收后变成了热能，因而使太阳辐射减弱。1.1水汽虽然在可见光区和红外区都有不少吸收带，但吸收最强的是在红外区据估计，太阳辐射因水汽的吸收可以减弱4—15％。所以大气因直接吸收太阳辐射而引起的增温并不显著。1.2

臭氧在大气中含量虽少，但是对太阳辐射能量的吸收很强。在0.2-0.3微米为一强的吸收带，使得小于0.29微米的辐射由于臭氧的吸收而不能到达地面。在0.6微米附近又有一宽的吸收带，吸收能力虽然不强，但因位于太阳辐射最强烈的辐射带里，所以吸收的太阳辐射量是相当多的。

1.3二氧化碳对太阳辐射的吸收总的说来是比较弱的，仅对红外区4.3微米附近的辐射吸收较强，但这一区域的太阳辐射很微弱，被吸收后对整个太阳辐射的影响不大。此外，悬浮在大气中的水滴、尘埃等杂质，也能吸收一部分太阳辐射，但其量甚微。只有当大气中尘埃等杂质很多时，吸收才比较显著。由以上分析可知：大气对太阳辐射的吸收具有选择性，因而使穿过大气后的太阳辐射光谱变得极不规则。由于大气中主要吸收物质(臭氧和水汽)对太阳辐射的吸收带都位于太阳辐射光谱两端能量较小的区域，因而吸收对太阳辐射的减弱作用不大。也就是说，大气直接吸收的太阳辐射并不多，特别是对于对流层大气来说，太阳辐射不是主要的直接热源。

3．太阳辐射对各种表面的照射及总辐射强度

天空和地面辐射的总散射辐射在任意表上的总散射强度太阳运行轨道和光线入射角天球特点：1、与直观感觉相符的科学抽象2、天体在天球上的位置只反映天体视方向的投影3、天球上任意两天体的距离用其角距表示4、地面上两平行方向指向天球同一点5、任意点为球心

以任意点为球心，任意长为半径，为研究天体的位置和运动而引进的一个与人们直观感觉相符的假想圆球。天球上的基本点圈1、天极(p、p,)和天赤道(Q、Q,)2、天顶(Z)天底(Z,)和真地平3、天子午圈、四方点、和卯酉圈4、黄道和黄极5、二分点和二至点6、天极在天球上的位置h北＝φ1、天极和天赤道：天极：P过天球中心做一与地球自转轴平行的直线（天轴），它与天球相交的两点为天极。天赤道：QQ’

过天球中心做一与天轴垂直的平面（天赤道面），它与天球相交的大圆为天赤道。2、天顶、天底和真地平天顶：Z过天球中心做一直线与观测点的铅垂线平行，交天球于两点，位于观测者头顶的一点称天顶。天底：Z’

与天顶相对的另一交点为天底。真地平：过天球中心做一与铅垂线垂直的平面，与天球相交的大圆为真地平。3、天子午圈、四方点、卯酉圈天子午圈：过天极和天顶的大圆。四方点：天子午圈与真地平相交的两点为南北点，（靠近北天极的为北点）天赤道与真地平相交的两点为东西点。卯酉圈：过天顶和东西点所做的大圆弧。4、黄道与黄极黄道：过天球中心做一与地球公转轨道平面平行的平面为黄道面，与天球相交的大圆为黄道。黄极：黄道所对应的两个极点。黄赤交角：黄道与赤道的交角。ε＝230.55、二分点、二至点二分点：黄道与天赤道的两个交点。春分点；秋分点二至点：黄道上与二分点相距900的另两个点。夏至点；冬至点

当地的地理纬度等于北极星的高度天球坐标系一、地平坐标基本点：天顶天底基本圈：真地平地平高度h:

由真地平沿过天体的地平经圈向天顶、天底量度（00

—±900）（天顶距Z):Z＝900－h

方位角A:

起始点：南点北点由南点或北点沿真地平顺时针度量到过天体的地平经圈（00

–3600）时角坐标

基本点：天极基本圈：天赤道赤纬δ：由天赤道沿过天体的赤经圈向两极方向度量（00-±900）时角t：起始点：子午圈与天赤道南边的交点。由起始点沿天赤道顺时针量至天体所在赤经圈（0h

–24h）

赤道坐标

赤纬δ：同上赤经α：起始点：春分点由春分点沿天赤道逆时针方向量至天体所在赤经圈（0h

–24h)

春分点的时角：

tr

＝(α＋t)黄道坐标基本点：黄极基本圈：黄道黄纬β：由黄道沿过天体的黄经圈向两边度量（00

—±900）黄经λ：起始点：春分点

由春分点沿黄道逆时针量至天体所在黄经圈与黄道的交点（00

–3600)天球坐标系的变换一、赤道坐标与时角坐标的换算：

已知地方区时（如北京时）可以计算出地方恒星时，由地方恒星时S与时角t的关系式，α=S-t，可求出天体的时角t。

其他天球坐标系之间的换算可由球面三角基本公式得出换算公式。

（1）已知天体方位角A、天顶距z及地理纬度φ，利用球面三角公式求天体的时角t和赤纬δsinδ=sinφcosz-cosφsinzcosA（余弦公式）

cosδsint=sinzsinA（正弦公式）

cosδcost=sinφsinzcosA+coszcosφ（第一五元素公式）

地平坐标与时角坐标的换算：（2）已知天体的时角t赤纬δ和地理纬度φ，求天体的方位角A和天顶距z（或地平高度）

利用如下球面三角公式即可

cosz=sinφsinδ+cosφcosδcostsinzsinA=cosδsintsinzcosA=-sinδcosφ+cosδsinφcos赤道坐标与黄道坐标的换算公式

（1）由天体的赤经α、赤纬δ；黄道与赤道的夹角