建筑物理热光作业讲评

07级建筑热光作业讲评主讲人:冉茂宇第1章作业(课堂）1.温度是怎样定义的？温标主要有哪三种？它们相互间存在怎样的换算关系？80℉为多少℃和多少K？（12分）答：世间万物(任何物体）都包含着热能；温度是描述物体处于某一状态时所包含热能这一属性的状态参量。在热学中用它来判别一物体与其他物体是否处于热平衡状态。温标主要有三种：摄氏温标、开氏温标、华氏温标。三者的关系是：1）摄氏温标与开氏温标的关系为：T(开氏)=t(摄氏)+273.15(K)2）华氏温标与摄氏温标的关系为：t(摄氏)=[F(华氏)-32]*5/9(℃)3）开氏温标与华氏温标的关系为：T(开氏)=[F(华氏)-32]*5/9+273.15(K)80℉为26.667℃、为299.817K2.空气的湿球温度该怎样定义？什么是空气的绝对湿度和相对湿度？两者间存在怎样的关系？（9分）答：空气的湿球温度是指温度计的温包部分为液态水润湿（裹上薄层润湿纱布），置于空气中稳定后读出的温度。

空气的绝对湿度是指1m3湿空气中含有多少质量的水分，单位kg/m3。

空气的相对湿度是指湿空气的绝对湿度ρv与同温同压下饱和绝对湿度ρs之比，它表示空气容纳水分的能力大小和空气干燥程度，即RH=ρv/ρs两者之间的联系：在空气温度不变的情况下，相对湿度与绝对湿度成正比，即RH=ρv/ρs。两者之间的区别：绝对湿度是指1m3湿空气中含有水分的多少，它与空气温度无关；相对湿度与饱和绝对湿度ρs有关，而ρs只与空气温度有关，随空气温度的升高而升高；所以相对湿度与空气温度有关，在绝对湿度不变的情况下，随温度升高而减少。3.什么是导热？影响导热的因素有哪些？（10分）答：由于温度不同引起物体微观粒子（分子、原子、电子等）的热运动，从而产生热量转移的现象。影响导热的因素有：导热面积F、材料种类（反映在导热系数λ上）、材料厚度d，还与温差(t1-t2)和时间长短有关。4.有一内墙为砖砌体，其导热系数为0.81W/（m·℃），面积为12m2，厚度为240mm，两表面温度分别维持为27℃和22℃，保持10小时。求此墙导热热阻R和通过该墙的热量Q为多少kJ

及热流密度q为W/m2。（15分）解：墙的导热热阻和热流分别为：通过该墙的热量Q:5.什么是对流传热和对流换热，两者有什么区别？影响对流换热的因素有哪些？（15分）答：对流传热是指温度不同的流体有宏观相对位移（即发生相对运动）时，依靠流体微团的相互渗合，把热量从一处转移到另一处的现象。

对流换热是指流体流过固体表面，与固体间进行的热交换的现象。两者的区别：对流传热只在流体间进行热量传递和转移，只有单一传热机制；而对流换热是指固体与流体之间的换热，包含了导热和对流传热两种机制。影响对流换热的因素：流体流过固体表面的流速、流体种类、固体种类，固体放置方式、流体流动模式、固体与流体接触面积、固体表面与流体间的温差、换热时间有关。6.对于自然对流的换热系数，有下述3个经验公式可供选择，试说明各公式的应用条件及各系数不同的原因。（10分）答：前者用于垂直表面自然对流换热；中者用于水平下表面自然对流换热；后者用于水平上表面自然对流换热。系数不同的原因：对流换热与气流流动速度有关，流动速度越大，换热越强。由于上述各种放置和加热方式对气流流动的阻碍作用不同，造成了系数不同。中者对气流流动阻碍作用最大，气流最不易流动，故换热系数最小；后者最有利于气流流动，故换热系数最大；前者间于两者之间，故系数也间于两者之间。7.辐射传热的机理与导热传热、对流传热有什么不同？什么是黑度？影响辐射换热的因素有哪些？（12分）答：辐射传热的机理是依靠原子中电子振动和能级跃迁，将能量以电磁波形式向外辐射而传热；导热的基理是靠微观粒热运动来传递，对流传热基理是依靠流体微团的相互渗合来传递。这就是它们间的不同之处。黑度是指灰体辐射系数C与黑体辐射系数Cb之比值即表示灰体的辐射光谱图与黑体辐射光谱图的接近程度。影响辐射换热的因素有：物体的温度、物体的相对位置、物体的黑度，物体的面积和换热时间。8.假设人体表面为2m2,体表温度为34℃，空调房间为3m×4m×2.9m，内壁辐射温度为26℃。试求空调房间中人与内壁面单位时间的辐射换热量。如果空调气流以1m/s的速度掠过人体，再求人体单位时间的对流散热量。（注：人体表面黑度为0.95，房间内壁面黑度为0.92）。（17分）解答：(1)辐射换热：人体在室内为内壁面所包围，其向外辐射的热量全部落在壁面上，故角系数ψ12=1Cb=5.68W/(m2·K4），C1=0.95Cb=0.95×5.68=5.396W/(m2·K4），C2=0.92Cb=0.92×5.68=5.2256W/(m2·K4），F1=2.0m2,F2=2(3×4+3×2.9+4×2.9)=64.6m2T1=34+273.15=307.15KT2=26+273.15=299.15K（2）对流换热量：考虑到人体与空气之间的对流换热，包含自然对流和强制对流两部分，故而换热系数为：第2～4章作业（课堂）1.写出人体热平衡方程，并标明其中各项的物理意义。人体要感到热舒适，必要条件和充分条件各是什么？（12分）解答：人体热平衡方程及其中各项的物理意义为：人体要感到热舒适，体温既不能升高，也不能降低，因此，体内产热必须为体外对流、辐射、蒸发散热所平衡，即必要条件是△q=0。人体感到热舒适的充分条件是：对流、辐射、蒸发散热的比例保持在以下范围内：即对流散热：25-30%辐射散热：45-50%蒸发散热：25-30%2.影响人体热冷感觉的因素有哪些？对于同一空调的影剧院（室内气温ta=26℃，相对湿度RH=60%,气流速度v=0.3m/s），为什么人们在夏季着短衫短裤看影剧感到热舒适，而冬季则要着厚衣裤看影剧才感到热舒适？（12分）答：影响人体室内热感觉的因素有室内空气温度、空气湿度、空气流速、周围辐射温度、活动量与衣着状况。在本题中，冬、夏两季影剧院维持相同的室内空气温度、相对湿度、气流状况，人都是坐着看戏活动量也相同。这四个因素对人体热感觉的影响在冬夏两季是相同的，不同之处只有壁面的辐射温度和衣着状况。夏季，由于室外气温较高、太阳辐射较强，致使内壁面温度较高，人体向周围壁面辐射散热较少，当壁温高于体表温度时，还从周围壁体辐射获得热量,穿短薄衣裤可增加人体向室内空气的对流换热、蒸发散热和向内表面的热辐射，提高人体的热舒适感。冬季，由于室外温度较低，致使内壁面温度较低，人体向周围壁面辐射散热较多；因此，在冬季着厚衣服，可以减少向壁体的辐射散热和对流散热，提高人体的热舒适感。3.影响建筑的室外气候因素有哪些？在建筑设计中可采取哪些措施控制建筑的得热和散热？（16分）解答：影响建筑的室外气候因素有：太阳辐射、空气温度、空气湿度、风速风向、降水等；其中太阳辐射是最主要的因素。在建筑设计中，控制建筑的得热和散热是维持室内热舒适和建筑节能的重要措施。在全年都较寒冷的地区，主要控制建筑的散热，在全年都较炎热的地区，主要控制建筑的得热，而在冬季寒冷和夏季炎热的地区，既要控制建筑的得热，又要控制建筑的散热。控制建筑得热，主要从遮阳和通风入手：（1）安排建筑之间相互遮荫，避免相互阻风。（2）选择建筑主要朝向，避免东、西向暴晒。（3）在屋顶、东、西向使用构件遮阳或绿化遮阳。（4）门窗位置、大小安排有利于内外自然通风和遮阳。（5）提高建筑围护结构的隔热能力。（6）减少室内散热设备，减小设备发热量。控制建筑散热，主要从避风和提高围护结构保温性能入手：（1）选址规划“负阴抱阳”。（2）安排建筑之间相互避风(围合），减小风速造成的散热。（3）选择建筑主要朝向，争取日照。（4）减小建筑外表与室外空气接触面积，即减小建筑体型系数。（5）门窗位置、大小有利于避风，减小冷风渗漏，争取日照。（6）提高门窗、外墙、屋面的保温能力。4.城市气候有哪些特点？如何减弱或消除城市气候带来的不利影响？（16分）答：城市气候是指某一地区在城市化后，由于人口密集，下垫面改变，大量资源消耗等原因，形成的一种与城市周围不同的局地气候。

城市气候特点：（1）大气透明度差，太阳辐射减弱。（2）气温较高，形成“热岛”效应。（3）风速减小，风向各地而异。（4）蒸发减弱，湿度变小，形成“城市干岛”。（5）城区降水量增多，形成“城市雨岛”。城市云量比郊区为多，城市中下风方向降水量多。（6）雾多、能见度差。城市气候有利有弊。“热岛”效应在冬季有利于采暖，但不利于夏季防热；大气透明度差，有利于减少人体受太阳辐射，但各种污染物，不利于人体健康；蒸发减弱，不利于城市降温；降水增多，会形成洪涝；能见度度差，对交通安全不利。因此，总体上讲，城市气候带来的影响，不利大于有利。减弱或消除城市气候的不利影响，可从以下几方面入手：（1）在城市选址和规划中，控制城市人口规模；考虑主导风大小和方向，城市街道安排有利于城市通风，并将工业区布置在主导风下风侧，减轻城市污染。（2）提高城市能源和资源利用效率，减少人为排热和各种废弃物排放。（3）使用透水性地面，增加下垫面蓄水能力，减弱城市“干岛”效应和洪涝，减弱城市“热岛”效应。（4）提高城市绿化覆盖率，净化空气，提高空气质量，减少凝结核，由此减弱城市“热岛”效应和城市“雨岛”效应。（5）严格执行和遵守环境保护法和各种规范标准。5.中国建筑区划分为几个一级区和二级区？一级区划分的主要指标是什么？二级区划分的指标又是什么？（12分）答：中国建筑区划分为7个一级区和20个二级区。一级区反应大差别，其主要指标是平均气温（1月和7月）、相对湿度（7月）、年降水量为指标。二级区划分进一步反映一级下的差别，其指标依据不同气候特性而定，见下表：6.中国建筑热工设计分区分为哪五个区，各区对建筑的得失热量设计方面提出了什么要求？（15分）答：中国建筑热工设计分区，以累年最冷月（1月）和最热月（7月）平均温度作为主要指标；用累年日平均温度≤5℃和≥25℃的天数为辅助指标，将我国分为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区，主要用于建筑的热环境和保温隔热设计。7.什么是地方太阳时？试计算对应北京（东经120°）时间10：00点钟的拉萨（东经91°）太阳时。（7分）答：某地地方太阳时是以太阳经过某地子午线(经线或正南线)时为正午12点来计算一天的时间。地方太阳时Tm与国家或地区标准时的关系为：在上式中代入T0=10h,L0=120°,Lm=91°得：8.什么是太阳的赤纬角、时角、高度角、方位角？方位角和时角有何区别和联系？（10分）答：太阳赤纬角δ:太阳与天球中心的连线与赤道面的夹角。太阳时角Ω:太阳所在时圈平面与某地子午圈平面的夹角,向西为正,向东为负。太阳高度角h：太阳与天球中心的连线与地平面的夹角，也即太阳光线与地平面的夹角。太阳方位角A：太阳所在方位圈平面与某地子午圈平面的夹角。太阳光线在地平面上的投影线与地平正南线所夹的角。方位角和时角区别：时角是基于赤道面而定义的，用来表示太阳离中午的时间，只在1天中变化，Ω=15(t-12);同一时刻同一经度线上太阳时角相同，与纬度无关。方位角是基于地平面而定义的，用来表示太阳的方位。同一时刻同一经度线上，太阳方位角随纬度变化。太阳方位角随时刻和季节而变化。方位角和时角联系：子午圈平面是定义时角和方位角的共同平面；在子午圈上，太阳时角等于方位角为0°；都是向西为正，向东为负。如果知道太阳在某一时刻的赤纬角，某地纬度，则方位角和时角可相互换算：可以通过上述式子计算日出日落的太阳方位和时角，从而计算某地在某天的日出日落太阳时。

9.厦门（φ＝23°）有一组住宅建筑，室外地平的高度相同，设其朝向南偏东15°，后栋建筑一层窗台高1.5m，前栋建筑总高15m（从室外地平至檐口，则其计算高度H0为13.5m），要求后栋建筑在大寒日正午12点前后各1.5小时日照(共3小时)，求其必需的建筑间距。如果朝向改为正南向,必需的建筑间距又为多少?解答：纬度φ=23°，大寒日δ=-20°，正午12点前后各1.5小时，时角Ω=±15°×1.5=22.5°(1)南偏东15度,如图所示，a=-15°(1)正南向，a=0°10.根据自己出生地所在城市(或邻近城市)类型和气候区要求,用计算法作相应日期的棒影图(表明城市名,纬度,日期,棒高比例)11.用上述棒影图,求两同高建筑物正南朝向排列时，保证从11:00到13:00两小时日照，间距D与建筑物高度H之比。以泉州为例建筑气候区划Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区Ⅳ区Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ区大城市中小城市大城市中小城市日照标准日大寒日冬至日日照时数≥2小时≥3小时≥1小时有效日照时段8－16时9－15时计算点底层窗台面(1)查找相应日期：气候区与日照间距标准要求（2）计算对应日期不同时刻太阳高度角，方位角和影长，从日出日落开始算起。泉州（φ＝24°54’，δ=23°27’），计算公式:（3)计算结果列表时间日出(6:47‘)7:008:009:0010:0011:0012:00日落(17:13‘)17:0016:0015:0014:0013:00方位角As63.9262.4755.0645.6133.3717.900高度角hs02.7114.3624.8533.5439.4641.60影长Hctghs无穷大21.05H3.90H2.15H1.50H1.21H1.12H影方位角A’sA’s=180+AsA’s=180+AsA’s=180+AsA’s=180+AsA’s=180+AsA’s=180+AsA’s=180+As(4)绘制棒影图(5)量得距离与高度比为1.12H第5～6章作业（课堂）1.北京某住宅一外墙直接与室外空气接触,拟采用右图所示构造：从内到外分别是10mm水泥砂浆,加气混凝土（500kg/m3)保温,120mm碎石混凝土,10mm水泥砂浆。(1)如果室内采暖温度维持在18℃,室外计算温度取-14℃,要使该墙内表面不结露,最小总热阻应是多少?为了满足最小总热阻要求,加气混凝土应设计成多厚才符合要求?解答：根据题意条件知，室内气温ti=18℃，室外气温te=-14℃查找相应参数得：

n=1.00,[△t]=6.0℃,

Ri=0.11(m2·℃)/WRe=0.043(m2·℃)/W最小总热阻为：Rmin=(ti-te)nRi/[△t]=(18+14)×1×0.11/6=0.586(m2·℃)/W各层热阻：内水泥砂浆R1=d1/λ1=0.01/0.93=0.01075(m2·℃)/W碎石混凝土R3=d3/λ3=0.12/1.51=0.07947(m2·℃)/W外水泥砂浆R4=d4/λ4=0.01/0.93=0.01075(m2·℃)/W所需加气混凝土热阻：R2=Rmin-Ri-R1-R3-R4-Re=0.586-0.11-0.01075-0.07947-0.01075-0.043=0.3315(m2·℃)/Wd2=R2×λ2=0.3315×0.19=0.063m热惰性指标计算S1=11.37W/（m2·℃）,D1=11.37*R1=11.37*0.01075=0.1222S2=3.59(m2·℃)/WD2=S2*R2=3.59*0.063/0.19=1.188S3=15.36(m2·℃)/WD3=S3*R3=15.36*0.07947=1.2206S4=11.37(m2·℃)/WD4=11.37*R4=11.37*0.01075=0.1222D=D1+D2+D3+D4=2.6531.6<D=2.653<4.0为III型，符合要求。答：加气混凝土厚d2至少应为0.063m(2)按稳定传热计算各层界面温度，并查出个界面温度对应的饱和蒸汽压力，将温度和压力分布表示在图上。解答：R0=Rmin=0.586(m2·℃)/W稳定热流q=(ti-te)/R0=(18+14)/0.586=54.607W/m2查对应的饱和水蒸气压力为：Psi=2062.5pa；Pswi=1401.2pa；Ps1=1347.9paPs2=346.6pa；Ps3=237.3pa；Ps4=Pswe=225.3paPse=181.3pa（3）如果室内相对湿度维持60%，室外相对湿度为80%，试求各层界面实际水蒸气压力，并将其分布表示在图上。解答：水蒸气实际分压力计算Pi=Psi×0.6=2062.5×0.6=1237.5PaPwi=Pi=1237.5PaPe=Pse×0.8=181.3×0.8=145.04PaPwe=Pe=145.04Pad1=0.01m,μ1=0.0000210g/(m·h·Pa)H1=476.19(m2·h·Pa)/g,d2=0.063m,μ2=0.0000998g/(m·h·Pa)H2=631.26(m2·h·Pa)/gd3=0.12m,μ3=0.0000173g/(m·h·Pa)H3=6936.41(m2·h·Pa)/gd4=0.01m,μ4=0.0000210g/(m·h·Pa)H4=476.19(m2·h·Pa)/gH=H1+H2+H3+H4=8520.05(m2·h·Pa)/g水蒸汽流w为：w=(pi-pe)/H=(1237.5-145.04)/8520.05=0.1282g/(m2·h)P1=pi-H1×w=1237.5-0.1282×476.19=1176.45PaP2=P1-H2×w=1176.45-0.1282×631.26=1095.52PaP3=P2-H3×w=1095.52-0.1282×6936.41=206.27PaP4=P3-H4×w=206.27-0.1282×476.19=145.22PaP4=Pe，计算相符合。将实际水蒸气分压表示在图上如右图。（4）判断该围护结构内部是否会揭露；如果会结露，请提出相应的改进措施。解答：由上图可知，在加气混凝土与碎石混凝土交界面处，实际水蒸汽分压力P2=1095.52Pa大于饱和水蒸汽分压力Ps2=346.6Pa,在该界面一定有水分凝结解决的办法是：（1）在加气混凝土的室内侧加设隔汽层；（2）将加气混凝土改换在碎石混凝土室外侧。2.室外综合温度是怎样定义的？它有什么用处？受那些因素影响？如果1题中墙为西墙，青灰色，其在夏季所受太阳辐射见下表，求综合温度的平均值tsa和最高值tsmax,以及最高值出现的时间。tea℃temax℃ImaxW/m2IaW/m2aeW/(m2·K)30.236.3(15h)697(16h)15519解答：室外综合温度tsa是一个假想的温度，其对建筑物外表的热作用与室外空气和太阳辐射共同对建筑物外表的热作用相当。数学定义为：其用处就是要将复杂的室外热作用简化，用单一因素热作用代替。影响因素有：空气温度、太阳辐射、表面吸收系数，以及与外表面热转移系数相关的各种因素。查找西墙表面对太阳辐射的吸收系数，p89页为0.7，其综合温度平均值为：Ate=（temax-tea)=36.3-30.2=6.1℃Ats=0.7×（Imax-Ia）/19=0.7×（697-155）/19=19.97℃Ats/Ate=19.97/6.1=3.273Imax与temax出现的时差为1h,查表得修正系数为β=0.99Asa=（Ate+Ats）×β=（6.1+19.97）×0.99=25.8093℃tsamax=35.91+25.8093=61.7193℃第7～9章作业（课外）1波长为540nm的单色光源，其辐射功率为5w，试求：1）这个光源发出的光通量；2）如它向四周均匀发出光通量，求其发光强度；3）离它2m处垂直光线面的照度是多少？解答：1）从光谱光效率曲线查得540nm的光对应的光效率为0.98光通量φ=683×5×0.98=3346.7lm2）发光强度：I=φ/Ω=φ/(4πr2/r2)=3346.7/(4×3.14)=266.32cd3)2m的照度:E=Icosα/r2=266.32cos0°/22=66.58lx2一个直径为250mm的乳白玻璃球形灯罩，内装一个光通量为1260lm的白炽灯，设灯罩的透光系数为0.6，求灯罩外表面亮度。（不考虑灯罩内的光反射）解答：灯罩内表面照度E=φ/4πr2=φ/πd2

=1260/(3.1415×0.25×0.25)=6417.3lx灯罩外表面亮度L为L=E（lx)×τ/π=6417.3×0.6/3.1415=1225.65cd/m23.一房间平面尺寸为7m×15m，净空高5m，在天棚正中布置一亮度为500cd/m2的均匀扩散光源，其尺寸为5m×13m，求房间正中和四角处的照度。（不考虑光反射）解答：知道面光源亮度，求其在某处形成的照度的公式为E=LΩcosθ对房间地面中心点有：Ω1=5×13×cosα1/r12=5×13×cos0°/（5×5）=2.6SrCosθ1=cos0°=1中心点照度E1为：E1=LΩ1cosθ1=500×2.6×1=1300lx对房间地面四角有：Ω2=5×13×cosα2/r22r22=52+(7/2）2+（15/2)2=25+12.25+56.25=93.5r2=9.6695mCosα2=cosθ2=5/r2=5/9.6695=0.517Ω２＝5×13×0.517/93.5=0.3594Sr地面四角照度E２为：E２=LΩ２cosθ２=500×0.3594×0.517=92.9lx4.有一白纸的反光系数为0.8，最低照度为多少时，我们能看到它？达到刺眼时照度是多少？解答：亮度大于10-5asb时，人眼才能感觉得到；亮度超过16sb时，感到刺眼。纸可以认为是扩散反射材料，根据扩散反射材料亮度与所受照度关系Ｌ（asb)=E(lx)×ρ10-5=E1×0.8E1=1.25×10-5lx又Ｌ（cd/m2)=E(lx)×ρ/π16×104=E２(lx)×0.8/3.1415E2=6.283×105lx第5题解答1)根据采光系数定义得C=Ei/E0由书中例得水平窗洞在桌面形成的照度为：Ei=2500lx,由题有E0=10000lxC=2500/10000=0.252)加上0.8透明玻璃后，窗口亮度变为L=1×0.8sb水平窗洞在桌面形成的照度为：Ei=0.8×2500lxC=Ei/E0=0.8×2500/10000=0.23)乳白玻璃外表面水平照度为10000lx,内表面亮度为L=10000×0.5/3.1415=1591.59cd/m2=0.159159sbC=0.159159×2500/10000=0.0397第6提解答考虑会议室为侧窗采光,进深为5米，根据建筑类型和采光等级，查表得窗地面积比为1/3.5由此得所需窗面积为Ac=Ad/3.5=5×7/3.5=10.57m2房间高度为3.6m,扣除窗台高1m,可开窗高度2.6m设用高1.8米的窗，则单侧采光时窗