建筑物理教案

西安培华学院《建筑物理》课程教学教案

授课院（部）授课教师学生层次本桩（V）；专桩（）

课程名称建筑物理授课方式理遮（V）；实嬲（）

授课专业授课班级考核方式

总学时数周学时数学时分配

出版社及

教材名称作者

出版时间

教学基本单元设计模板（以2学时为一个基本单元）

绪论物理环境概论

0.1人类活动与自然环境

0.2人与物理环境

授课章节0.3物理环境（品质）优化授课时间年月日

第1篇建筑热工学

第1.1章室内外热环境

1.1.1室内热环境

1了解人类活动与自然环境的关系、人与物理环境及物理环境包括的热（湿）环境、光

环境、声环境、空气环境

教学目的2了解物理环境（品质）优化

3了解室内热环境

4掌握人体与周围环境的热交换的方法及室内热环境的舒适性评价方法

教学方法1、教学方法：课堂讲授法为主；

及手段2、教学手段：以口述、多媒体课件的手段为主；

绪论物理环境概论

(

内0.1人类活动与自然环境

课

容

堂

及一、人与自然的关系的简述（视频5min）

教

过1人类对自然的影响

学

程

)设2自然对人类的制约

计

与

小二、人类活动对环境和人类自身的伤害

结

1资源消耗

2温室效应（视频5min）

3水污染（昆明滇池暴发蓝藻）

三、人居、营建活动的耗能与排废

绿色建筑

0.2人与物理环境

一、城市物理环境（视频5min）

二、城市物理环境变化浅析

1热（湿）环境

2光环境

3声环境

4空气环境

0.3物理环境（品质）优化

物理环境品质人们对刺激量的主观感受。（两方面）

I有延时制的

及任时前

ft,

一、城市范围的物理环境问题

光、热、声、电磁辐射

二、新建筑类型、新材料的物理环境问题

高楼中庭、玻璃幕墙、照明、建筑噪声、办公微尘环境、地下商铺通风

三、生活方式的物理环境问题

四、自然条件创造宜居物理环境

五、全面考虑物理环境（品质）优化及设计整合

上海生"ML筑示兔楼

得风喝

第1篇建筑热工学

第1」章室内外热环境

室外热环境（室外气候）

i.i.i室内热环境

i.i.i.i室内热环境组成要素

室内热环境主要由室内气温、湿度、气流、壁面辐射等

室内热环境主要取决于室外热环境

1.1.1.2人体平衡与舒适度

室内气候对人体的影响主要表现在冷热感。

冷热感取决于人体新陈代谢产生的热量和人体向周围环境散热量之间的平衡关系。

热舒适的必要条件：人体内产生的热量=向环境散发的热量

Aq=q„-q”、

q,n：人体新陈代谢产热率

qw.人体蒸发散热率

qr：人体与环境辐射换热率

%：人体与环境对流换热率

所谓按正常比例散热，指的是对流换热约占总散热量的25-30%,辐射散热约为

45-50%,呼吸和无感觉蒸发散热约占25-30%,处于舒适状况的热平衡，可称之为“正

常热平衡”。

1.1.1.3人体热平衡的影响因素

1人体新陈代谢产生的热量

2对流换热量

3辐射换热量

4人体的蒸发散热

1.1.1.4室内热环境的综合评价

1有效温度(EffectiveTemperatureET)

2热应力指数(HSI)(HeatStreesIndex)

给定热环境中作用于人体的热应力等于人体所需的蒸发散热量；

数值上等于需要的蒸发散热量与人体最大蒸发散热量之比乘以100；

主要用于夏季室内热环境评价

船应力制gW体的反反关第II.W

江力n”《反gAEe

』副

-W伍H利睚娥息物.整跚浦M)

0MM力

lor融r时舱制财就翻腾a

静.&抬的仙群f*情妙ATI池雅础蚁神行

10~%图R2大MAN■力弓5药。年,*JLR有舛认£1的金幅

疯■正飘列健力

3预测热感觉指数(PMV-PPD)

△q=f(30，4，%，m,Rci,〃，么卬)

△9=0，匕，加，凡人火，/卬)=o

热舒适方程:瓦匕，/")=0

ft.、Oclo

02

00

510152025

2029J0”

空m蜜*.<v>

图1.1-3用速与空气0度之间关系的焦灯送饯17程球盘发J与室气温度I,之间关系的

(衣着O.Sdo.gi=50%"产，J

购好造线(&u»=0clo・，L，r)

30加

-£

匕

》

工a

d

d108

25

i.206

军IS5

曲1O

5

051015202530351.1-6PMV-PPD曲线图

空气温赛”丁）

最为全面的评价方式，广为采用尽管PMV=O,。有5%的人感觉不舒适,ISO推荐-0.5~0.5

为热舒适环境

1）对流冷

2）不对称热辐射

3）垂直温差

4）暧或冷地板

4心理适应性模式

%=17.8+0.34

1.1.1.5室内热环境的影响因素

1室外气候因素

2热环境设备的影响

3其他设备的影响

4人体活动的影响

物理环境（品质）优化

重点人体与周围环境的热交换的方法

掌握室内热环境的舒适性评价方法

难点掌握室内热环境的舒适性评价方法

刘加平：《建筑物理》，中国建筑工业出版社，2009年

参考资料

陈仲林，唐鸣放主编：《建筑物理》（图解版），中国建筑工业出版社，2009年

作业对自己所居住的或家乡的物理环境进行概述（以小组为单位）

1.1.2室外气候

1.1.3我国建筑热工设计分区及设

授课章节授课时间年月日

计要求

1.1.4城市气候和微气候

1了解影响室外气候因素：太阳辐射、气温、湿度、风、降水

教学目的2掌握我国建筑热工设计分区及设计要求

3了解城市气候和微气候

教学方法1、教学方法：课堂讲授法为主；

及手段2、教学手段：以口述、多媒体课件的手段为主；

L-i*ru

1.1.2室外气候

室外气候因素：太阳辐射、气温、湿度、风、降水

1.1.2.1太阳辐射:

太阳辐射是的主要热源:

如图：太阳辐射图解到达地面的太阳辐

射又可分为：直接辐射和散射辐射\

影响太阳辐射强度的因素：太阳高度角、大气透明度、地理纬度、云量和海拔高度等。

1.1.2.2气温：

气温：指空气的温度。一般气象学上所指气温是距地面1.5m高处的空气温度。

影响气温的主要因素：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。其中，太阳辐射起决定作用。

气温变化：四季变化（年变化）、日变化和随地理纬度的变化。

1.1.2.3空气湿度：

空气湿度：表示大气湿润程度。一般用相对湿度表示。

相对湿度的日变化通常与气温的日变化相反：如图

相对皿更S3度

相对浪度的日交化

我国各地的相对湿度：受海洋气候影响，南方大部分地区相对湿度年内夏季最大

秋季最小；华南和东南沿海一带因春季海洋气团入侵，且此时温度还不高，形成较大相

对湿度，大约以3-5月为最大，秋季最小，南方地区在夏季之交气候潮湿，室内地面常出现

泛潮现象。

1.1.2.4风

1.风——指由大气压力差所引起的大气水平方向的运动。

2.风的类型

(1)季候风(大气环流)——由于太阳辐射热在地球上照射不均匀，使得赤道和两

极之间出现温差，从而引起大气在赤道和两极之间产生活动，即为大气环流。

(2)地方风一一局部地区受热不均引起的小范围内的大气流动，如海陆风、山谷风、

庭院风等。

3.风的特性

(1)风向一风吹来的地平方向为风向，通常用风向风玫瑰图表示。

(2)风速一单位时间内风前进的距离，单位为m/s,也可用风玫瑰图表示。

风的描述：风通常是以水平运动为主的空气运动。

风的描述包括风向和风速。

风玫瑰图能直观反映•个地方的风速和风向。如下图。

(a)为某地夏季七月的风向频率分布；(b)为各方位的风速。

1.1.2.5降水

1.降水一从大地蒸发出来的水蒸汽进入大气层，经过凝结后又降到地面上的液态或固态

的水分。如雨、雪、雹都属降水现象。

2.降水的性质

（1）降水量一降落到地面的雨、雪、香等融化后，未经蒸发或渗透流失而累积在水平

面上的水层厚度。单位为mmo

（2）降水强度一单位时间（24小时）内的降水量，单位：mm/d

根据降水强度，可将降水划分如下：

小雨＜10

中雨10-25

大雨25~50

暴雨50~100

1.1.3我国建筑热工设计分区及设计要求

建筑热工设计分区及设计要求表1.1

分区指标

分1乂名称设计婴求

主要指标刎助指标

显冷月干均n平均温u支

必须充分汹足冬季保温要

“富地X温度V5P的天数

求,般“J■不可出应季防热

V—1OP^145d

城冷月平均n平均温度

应满足冬季保对要求，部分

寒冷地X温度W5P的天数

地3款帧SL季防热

O-1OTC9O~146d

最冷门平均温度II平均温度W5P

完热冬冷0-1O1C.原热门的大数0—90d.必须满足£L季防热要求.适

地区平均温惶25I1十均温收A5P当然颐冬季保温

~30P的天数40—110d

粉冷、卜均温度

Q热冬暧11平均温出A25P必须充分满足Q孽防热密

A1OP,五支热+

地区的人数1OO〜200d求，般可不由应冬季保温

均温U改25~29P

好冷JJ干均温位O

”平均温度V6P部分地由电冬李保温.

温和地区~13P,必热月平

的天数0~9Qd一般“『不考虑SL不防热

均温收18~25P

1.1.4城市气候和微气候

1.1.4.1城市气候

1大气透明度较小，消弱太阳辐射

2热岛效应（视频5min）

///••“if-、•*

.../•。…\中

1//

fca«..

<«u•

3风速减小，风向因地而异

4蒸发减少，湿度变小

5雾多，能见度差

1.1.4.2微气候

1下垫面的影响

2建筑物的影响

3气流的影响

影响室外气候因素：太阳辐射、气温、湿度、风、降水

重点掌握我国建筑热工设计分区及设计要求

城市气候和微气候

影响室外气候因素：太阳辐射、气温、湿度、风、降水

难点

城市气候和微气候

刘加平：《建筑物理》，中国建筑工业出版社，2009年

参考资料

陈仲林，唐鸣放主编：《建筑物理》（图解版），中国建筑工业出版社，2009年

作业P35(2),(3)、(7)、(9)、(10)

第1.2章建筑的传热与传湿

授课章节1.2.1传热方式授课时间年月日

1.2.2平壁的稳态传热

1、熟悉建筑中的传热现象

2、传热的基本方式及传热机理

教学目的3、掌握围护结构传热基础知识

4、稳态传热的特点及特性指标

5、稳态传热的计算及应用

教学方法1、教学方法：课堂讲授法为主；

及手段2、教学手段：以口述、多媒体课件的手段为主;

1.2.1传热方式

传热：热能的传递、转移现象。温差是热传递的动力。

传热方式：有导热、对流和辐射三种。

稳定传热过程：传热过程中各点温度不随时间变化。

非稳态传热过程：传热过程中各点温度随时间变化。

1.2.1.1导热

定义：同一物体内部或直接接触的两物体之间由于有温度差时，质点作热运动而引起的

热能传递过程。

导热可在固体、液体和气体中发生，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：

(

内固体：由平衡位置不变的质点振动引起导热；

课

容

堂

及金属：通过自由电子的转移而导热。

教

过绝大多数的建筑材料(密实固体)中的热传递为导热过程。

学

程

)设I.导热的机理

计

与

小

结

BB1.2平

垂的导热如果平壁两侧表面的温度不随时间变化，并且历＞公,

那么单位时间内通过面积为尸的平壁的导热量。为，

/：壁体材料导热系数，W/(mK)

d:壁体材料厚度

单位时间、单位面积平壁的导热量（热流密度）:

2.材料导热系数及影响因素

导热系数：指温度在其法线方向的变化率（温度梯度）为l°C/m时,在单位时间内通过单位

面积的导热量。

物理意义：在稳定传热状态下当材料厚度为1m两表面的温差为时，在一小时内通过lm2

截面积的导热量。

各种物质的导热系数，均有试验确定，导热系数的影响因素：材质、干密度、湿度

金属的导热系数最大，非金属和液体次之，气体最小。

空气与纯银相差1.56万倍，空气与水相差20倍。

气体0.006-0.6；液体0.07~0.7：金属2.2~420；

建筑材料和绝热材料0.025~3o

导热系数小于0.3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。

材料的干密度越小，内部空隙越多，导热性能越差；但对于一些小密度材料（纤维状和发泡

材料），密度过低，空隙过大，传热性能强。

aO

05

0.035

01020304050607080

了密度

玻璃棉导热系数与干密度的关系

含湿量越大，导热性能越强。建材在生产、运输、保管和施工中应防潮。

024681。

重信湿度3-%)

R砌体导热系数与重量湿度的关系

2.热阻

e-eq-々

q=-i---e=----

d/AR

热阻R=是热流通过壁体时遇到的阻力，反映了壁体抵抗热流通过的能力。

单一材料层壁体热阻：7

多层复合壁体总热阻：•ft

_e.-ee

复合壁体内流经各层的热流强度：4-/+%+…+4”

组合壁体的传热较复杂，采用平均热阻的概念。

例题1.2—1

1.2.1.2对流

对流产生的原因；对流是由于温度不同的各部分流体间发生相对运动、相互掺合而传递热

流

G对

/外

x

空

平\

气

all/

子-Hx

x

x

l/

t2

渡

.k区

lx流

层■■

边

界层

量。

对流换热：流体和壁面接触时同时发生对流和导热的热量传递过程。

表面对流换热的机理：固体表面温度0高于流体温度t发生传热，对流换热量取决于“层流

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。

层流区以空气导热传热，呈斜线分布；

过渡区以空气对流传热，呈抛物线分布。

对流换热强度的表示式：q,=a,®一，）

对流换热系数ac,表征边界层对流换热的能力。ac越大，对流换热能力越强。

一般通过实验方法确定。自然对流ac与温差有关，强迫对流ac与风速有关。

对流的两种形式：臼然对流和受迫对流

自然对流：由于流体冷热部分的密度不同而引起的流动。空气的自然对流是空气存在温差

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。

当平壁处于垂直状态时：%.=2.0*#®-.）

当平壁处于水平状态时：

若热流由下而上%.=2.5*蝇=7）

若热流由上而下%.=1.3*（e-。

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。

对于围护结构外表面ac=（2.5~6.0）+4.2v

对于围护结构内表面ac=2.5+4.2v

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。

1.2.1.3辐射

一、辐射的本质和特点（视频5min）

105m—无线电波（长波）

104m-

103m—!:无线电波（中波）

102m—

10m-无线电波（短波）

IE-

10cm—

1cm-

0波

IO-1cm-

IOOME-

10pm-

ipm一

10~1pm—

—

10-3pm-X射纹

-

丫射投

辐射指物体通过电磁波来传递能量的方式。

热辐射是因温度原因发生辐射能的现象。

人们将电磁波分为许多波段：

太阳辐射的波长（0.15—4微米）

红外线：0.8~600微米

0.4〜40微米称为热射线热效应最为明显

0.4-0.76微米这部分称为可见光

1.辐射换热的本质特点

A在辐射传热中伴随着能量形式的转化：

1）物体内能一电磁能一外界

2）电磁能f被物体吸收f转换为内能

B电磁波的传播不需要任何中间介质，也不需要冷、热物体直接接触。

C凡温度高于绝对零度的物体，不论温度高低都在不断的向外辐射不同波长的电磁

波。

2辐射能的吸收、反射、透射：

辐射能遇到物体时，会发生3种情况：被物体吸收，被物体反射，穿透物体到达另一侧

能量守恒，则：+/:=/（）

钿身寸桃的吸反身十月近身叶

Ph+Ph+P/,=1吸收系数。h、反射系数rh和透射系数Th

绝对黑体：全部吸收辐射热（ph=1）：

绝对白体：全部反射辐射热（rh=l）；

绝对透热体：全部透射辐射热（rh=l）；

灰体：介于黑体与白体之间的非透明体。

1.0

0.8

0.6

0.4

镌他的生铁

02

-可见光谱白色表面

］黑色表q

24681O

辐射波长4（um）

表面对辐射热的反射系数

不同物体对辐射热的吸收、反射和透射能力不同，影响因素有：热辐射波长，表面材料的材

质、分子结构、光洁度和颜色。

3辐射本领、辐射系数和黑度

黑体的全辐射本领

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、单位时间以全波段向半球空间辐射的全部能量，称为黑体的全辐射本领Eb；某

一波长的辐射能称为单色辐射本领EbAo

则黑体的全辐射本领Eb(单位W/m2)为，

斯蒂芬一波尔兹曼定律

绝对黑体的辐射系数Cb=5.68W/(m2-K4)：

黑体的绝对温度7b

黑体向外辐射一切波长的辐射能，但不同波长的单色辐射能力分布不同，同温度下

黑体较其它物体的辐射能力最强。

辐射波长a

同温度物体的辐射光谱示例

1—黑体；2—灰体；3—选择性辆射体

灰体的辐射特性与黑体近似，但在同温度下其全辐射本领低于黑体。多数建筑材料

视为灰体。

-cQ

灰体的全辐射本领计算公式：1100；

温度对辐射本领的影响：温度升高，辐射本领急剧增加，随温度升高，短波辐射比例增加,

最大单色辐射本领向短波移动。

gaaJSCtw

辐射系数可以表征物体向外发射辐射的能力。实际物体c小于黑体，

C=0~5.68W/(m2-K4),其大小取决于物体表层的化学性质、光洁度、颜色等。

f

i2000

s

s1500

i1000

a500

0

0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.4

波氏4(um)

地球大气层上界的太阳辐射光谱

实际物体的黑度——灰体辐射性能参数，又称发射率，表征物体辐射本领与黑体接近的程度,

_c_

b

是物体辐射系数与黑体辐射系数之比，~~Cb

黑体£=1,灰体f<1。

在一定温度下，物体对辐射热的吸收系数oh=黑度£,即物体辐射能力越大，它对

外来辐射的吸收能力也越大。

注意：黑度反映物体的长波辐射能力，故对常温物体辐射的吸收率=黑度；对太阳

辐射的吸收率W黑度。

Ps*PhPs*£

玻璃的特性——温室效应

玻璃是与一般建筑材料性能不同的特殊材料。对常温物体辐射的吸收率大，透过率小；

对太阳辐射的吸收率小，透过率大。

普通玻璃对波长为0.2~2.5um的可见光和近红外线有很高的透过率；对波长为4um以

上的远红外的透过率很低。

玻璃对一般常温物体发射的辐射透过率很低。如净片平板玻璃对可见光的透过率高达

85%,反射率仅7%,通过玻璃获取大量太阳辐射而使室内温度升高，但室内构件发射的远

红外辐射很难透过玻璃，因而提高室内温度。

4.辐射换热的计算

物体表面间的辐射换热量主要取决于各个表面的温度、发射和吸收辐射热的能力以及它

们之间的相对位置。

一般位置的两灰体间的辐射换热量为：

互易定理：WMl=〃2尸2

围护结构的表面和其他表面的辐射换热量,

分=%(仇一。2)

其中辐射换热系数

1.2.2平壁的稳态传热

“平壁”不仅是指平直的墙体，还包括地板、平屋顶及曲率半径较大的穹顶、拱顶等结构。

1.平壁传热过程

稳定传热一温度恒定，与时间无关，能量守恒，任意封闭空间()进=(2出；传热形式一导热、

对流和辐射相伴随；热阻一导热热阻、对流热阻和辐射热阻

传热过程可分为三个阶段：

(1)壁体内表面吸热(既有对流换热，同时也存在辐射换热)

(2)平壁材料层导热

%=5

R

(3)壁体外表面散热，效果同(1)

%=a3—J

稳态传热，平衡时有：/=/=/=<7

q__L+；+〔"T"&+；+&&F=小f)=K°«,r)

tz,4ae

2.封闭空气间层的传热

建筑设计中常用封闭空间层作为围护结构的保温层。

空气层的传热方式是导热、对流和辐射综合作用的结果，主要是对流和辐射换热。

对流换热的强度与间层的厚度、位置、形状等有关

」

:

换热

伴对流

仇

一

产n仇〉

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仇

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e冷

I

⑹

干扰

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和

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气