建筑物理复习建筑热工学

第一篇建筑热工学第1章建筑热工学基础知识1.室内热环境构成要素:室内空气温度、空气湿度、气流速度和环境辐射温度构成。２.人体的热舒适①热舒适的必要条件:人体内产生的热量=向环境散发的热量。——人体新陈代谢产热量——人体蒸发散热量——人体与环境辐射换热量——人体与环境对流换热量②充足条件: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%。处在舒适状况的热平衡,可称之为“正常热平衡”。(注意与“负热平衡分辨”)③影响人体热舒适感觉的因素:1.温度；２.湿度；３．速度;4.平均辐射温度；5.人体新陈代谢产热率;6．人体衣着状况。3.湿空气的物理性质①湿空气构成:干空气＋水蒸气=湿空气②水蒸气分压力：指一定温度下湿空气中水蒸气部分所产生的压力。⑴未饱和湿空气的总压力:——湿空气的总压力(Ｐa）——干空气的分压力（Ｐa)——水蒸气的分压力(Pa)⑵饱和状态湿空气中水蒸气分压力：——饱和水蒸气分压力注：原则大气压下，随着温度的升高而变大（见本篇附录2)。表明在一定的大气压下,湿空气温度越高，其一定容积中所能容纳的水蒸气越少，因而水蒸气呈现出的压力越大。③空气湿度:表明空气的干湿程度，有绝对湿度和相对湿度两种不同的表达办法。⑴绝对湿度：单位体积空气所含水蒸气的重量,用表达（g/m3)。饱和状态下的绝对湿度则用饱和水蒸气量（ｇ/m3)表达。⑵相对湿度：一定温度，一定大气压力下,湿空气的绝对湿度，与同温同压下饱和水蒸气量的比例:⑶同一温度(Ｔ）下,建筑热工设计中近似认为与成正比例关系,因此，相对湿度又可表达为空气中水蒸气分压力与同温度下饱和水蒸气分压力的比例，表达为:——空气的实际水蒸气分压力（Ｐa);——同温下的饱和水蒸气分压力（Ｐa)。（注:研究表明,对室内热湿环境而言，正常湿度范畴大概在3０%～６0％。）④露点温度:露点温度是在大气压力一定,空气含湿量不变的状况下，未饱和空气因冷却而达成饱和状态的温度。用(℃)表达。4.室外热湿环境是指作用在建筑物外围护构造上的一切热湿物理量的总称。构成要素:空气温度、空气湿度、太阳辐射、风、降水等。５.建筑围护构造传热的基本知识热量传递的三种基本方式：导热、对流和辐射。①导热:指物体中温差时,由于直接接触的物质质点作热运动而引发的热能传递过程。⑴热流密度：单位时间内，通过等温面上单位面积的热量。设单位时间内通过等温面上微元面积的热量为,则热流密度表达为：(W/ｍ2）积分形式为：或者(W）如果热流密度在面积上均匀分布，单位时间内通过导热面积的热量（或称热流量)为：⑵傅里叶定律:１8２2年，法国物理学家Foｕrier发现，均质物体内各点的热流密度与温度梯度的大小成正比，即(W/m２）式中的成为导热系数,恒为正值。负号表达热量传递只能沿着温度减少的方向而引发。沿n方向温度增加，为正,则为负值，表达热流沿ｎ的反方向。⑶影响导热系数的因素:物质种类、构造成分、密度、湿度、压力、温度等。②对流换热：空气沿围护构造表面流动时,与壁面之间所产生的热交换过程。这种过程既涉及由空气流动所引发的对流传热过程，同时也涉及空气分子间和空气分子与壁面分子间的导热过程。注意:对流传热只发生在流体之中，它是因温度不同各部分流体之间发生相对运动互相掺合而传递热能的。⑴表面的对流换热量能够运用牛顿公式:其中,——对流换热强度，(W/ｍ2）——对流换热系数，W/(m2·K）——流体的温度，（℃）——固体表面的温度,（℃)⑵影响因素：对流换热的强弱重要取决于层流边界层热量交换状况。还与流体运动的因素及运动状况、流体与固体间温差、流体的物理性质、固体壁面的形状、大小及位置等因素有关。③辐射传热:辐射传热指依靠物体表面对外发射热射线（能产生明显热效应的电磁波）来传递能量的现象。与导热和对流在机理上有本质区别，它是以电磁波传递热能的。⑴特点：①发射体热能变为电磁波辐射能，被辐射体将所接受的辐射能转换成热能。凡温度高于绝对零度（0Ｋ）的物体,都能发射辐射热。②由于电磁波能在真空中传输，因此物体依靠辐射传热时,不需要与其它物体直接接触，也无需任何中间媒介。⑵辐射换热量计算:（牛顿公式）其中,——对流换热强度,（W/m2）——对流换热系数，W/(m２·Ｋ)、——两辐射换热物体的表面温度（℃)⑶物体辐射分类：按物体辐射光谱特性,可分为黑体、灰体和选择辐射体(或称非灰体）三大类。６.围护构造的传热过程围护构造的传热要通过三个过程：表面吸热、构造本身传热、表面放热。1.表面吸热：内表面从室内吸热（冬季)，或外表从室外空间吸热(夏季。)2.构造本身传热:热量由高温表面传向低温表面。3.表面放热:外表面对室外空间散发热量(冬季),或内表面对室内散热(夏季)。ﻬ第２章建筑围护构造的传热计算与应用根据建筑保温与隔热设计中所考虑的室内外热作用的特点,可将室内外温度计算模型归纳为以下两种:恒定热作用:室内和室外温度在计算期间不随时间而变化。这种计算模型普通用于采暖房间冬季条件下的保温与节能。周期热作用:根据室内外温度波动的状况，又可分为单向周期热作用和双向周期热作用两类。前者普通用于空调房间的隔热与节能设计，后者则用于自然通风房间的夏季隔热设计。1.稳定传热过程定义:温度场不随时间变化的传热过程。一维稳定传热特性：(1）通过平壁的热流强度到处相等。只有平壁内无蓄热现象,才干确保温度稳定，因此就平壁内任一截面而言,流进与流出的热量必须相等。（2）同一材质的平壁内部各界面温度分布呈直线关系。由知,当=常数时,若视不随温度而变,则有＝常数,各点温度梯度相等,即温度随距离的变化规律为直线。2.平壁的热阻建筑热工中的“平壁”不仅是指平直的墙体，还涉及地板、平屋顶及曲率半径较大的穹顶、拱顶等构造。热阻是表征围护构造本身或其中某层材料阻抗传热能力的物理量。同样的温差条件下，热阻越大，通过材料的热量越少,围护构造的保温性越好。要想增加热阻,可增加平壁厚度,或采用导热系数较小材料。①单层匀质平壁的导热和热阻：导热方程：；热阻：②多层平壁的导热和热阻：导热方程：结论：多层平壁的总热阻等于各层热阻之和，即*③组合壁的导热和热阻:组合壁的平均热阻应按下式计算：式中,——平均热阻;——与热流方向垂直的总传热面积;——按平行于热流方向划分的各个传热面积;——各个传热面部位的传热阻；——内表面换热阻，取0.11(ｍ2·K)／W;——外表面换热阻,取0.04(m2·K）/W；——修正系数,见表2-1。④封闭空气间层的热阻建筑设计中惯用封闭空气层作为围护构造的保温层。空气层中的传热方式有:导热、对流和辐射。其中:重要是对流换热和辐射换热。封闭空气层的热阻取决于间层两个界面上的边界层厚度和界面之间的辐射换热强度。与间层厚度不成正比例增加关系。(１)结论:普通空气间层的传热量中辐射换热占很大比例，要提高空气间层的热阻须减少辐射传热量。(２）减少辐射换热量的办法:①将空气间层布置在围护构造的冷侧,减少间层的平均温度。②在间层壁面涂贴辐射系数小的反射材料（铝箔等)③实际设计计算中可查表2-４得空气间层的热阻Rag3．平壁内部温度的计算①平壁的稳定传热过程:内表面吸热、材料层导热、外表面放热。②平壁内部温度计算：根据稳定传热条件:得出:1.内表面温度：２.多层平壁内任一层的内表面温度：３.外表面层的温度可写成：或注:（1）稳定传热条件下,当各层材料的导热系数为定值时,每一层材料内的温度分布是一条直线。这样，多层平壁内温度的分布成一条持续的折线。(2)材料的热阻越大，温度降落越大。＊4．建筑保温与节能计算（理解)建筑物耗热量计算建筑采暖耗煤量5．周期性不稳定传热①谐波热作用下的传热特性:(1)室外温度、平壁表面温度、内部任一截面处的温度都是都是周期相似的谐波动；(2）从室外到平壁的内部，温度波动的振幅逐步减小，即。建筑热工学中，把室外温度振幅与由外侧温度谐波热作用引发的平壁内表面温度振幅之比称为温度波的穿透衰减度,也称为平壁的衰减倍数,用表达:。（3）从室外空间到平壁内部,温度波动的相位逐步向后推延,即。温度波穿过平壁的总延迟时间：总的延迟相位：温度波的衰减和延迟是材料的热容量和热阻的共同作用造成的——壁体的热惰性。衰减和滞后的程度取决于围护构造的蓄热能力。②谐波热作用下材料和围护构造的热特性指标(1)材料的蓄热系数意义:半无限厚物体在谐波热作用下，表面对热作用的敏感程度。材料蓄热系数越大,其表面温度波动越小。密度大的重型材料或构造蓄热性能好、热稳定性好。当围护构造中某层是由几个材料组合时，该层的平均蓄热系数应按下式计算：(2)材料层的热惰性指标:表征材料层受到波动热作用后,背波面上温度波动激烈程度的一种指标,也是阐明材料层抵抗温度波动能力的一种特性指标,用表达。其大小取决于材料层迎波面的抗波能力和波动作用传至背波面时所受到阻力。注:①如围护构造中有空气间层，由于空气的蓄热力系数S为0,该层热惰性指标Ｄ值为0。②如围护构造中某层是由几个材料组合时，③越大，阐明温度波在其间的衰减越快，围护构造的热稳定越好。③材料层表面的蓄热系数它与材料蓄热系数的物理意义是相似的,普通两者在数值上也可视为相等。计算办法：沿着与热流相反的方向,根据围护构造的材料分层,逐级计算（如图）。各层内表面蓄热系数计算式采用以下通式:注:如某层厚度较大(）,则该层的，内表面的蓄热可从该层算起，背面各层就可不再计算。６.建筑隔热设计控制指标计算①隔热设计原则:房间在自然通风状况下,建筑物的屋顶和东、西外墙的内表面最高温度，应满足下式规定:内表面最高温度直接反映围护构造的隔热性能,关系着人体辐射散热。②室外综合温度:围护构造隔热重要隔的是室外综合温度。围护构造外表面受到3种不同方式热作用:１．太阳短波辐射；2．室外空气换热；3．围护构造外表面有效长波辐射的自然散热。可将三者对外围护的共同作用综合成一种单一的室外气象参数——“室外综合温度”:——围护构造外表面对太阳辐射热的吸取系数（表2-8）；——太阳辐射强度；——外表面有效长波辐射温度，粗略计算可取:屋面——3．5℃,外墙——1．８0℃。(注:普通围护构造隔热设计中仅考虑前两项）式中值又叫做太阳辐射的“等效高温”或“当量温度”。表达围护构造外表面所吸取的太阳辐射热对室外热作用提高的程度。它对室外综合温度影响很大。ﻬ第三章建筑保温与节能１.围护构造的保温构造类型保温构造分类：单设保温层、封闭空气间层、保温与承重叠二为一、混合型构造。①单设保温层用导热系数很小的材料做保温层而起保温作用。由于不规定保温承重,选择的灵活性较大。②封闭空气间层围护构造中的空气层厚度,普通以4~５厘米为宜。间层表面最佳采用强反射材料(如铝箔）。为了提高反射材料的耐久性，还应采用涂塑解决等保护方法。③保温与承重相结合材料的导热系数小,机械强度满足承重规定。保温与承重相结合：空心板、空心砌块、轻质实心砌块等，既能载重又能保温。④混合型构造当单独用某一种方式不能满足保温规定,或为达成保温规定而造成技术经济上不合理时,采用复合构造。例如，现有实体保温层，又有空气层和承重层的外墙或屋顶构造。

第四章建筑围护构造的传湿与防潮1．建筑围护构造的传湿①等温吸湿曲线:呈“S”型，显示材料的吸湿机理分三种状态：低湿度时为单分子吸湿;中湿度时为多分子吸湿;高湿度时为毛细吸湿。可见，材料中的水分重要以液态形式存在。材料的吸湿湿度在相对湿度相似的条件下,随温度的减少而增加②围护构造中的水分转移：(１)水分转移的动力:当材料内部存在压力差(分压力或总压力)、湿度(材料含湿量）差和温度差时,均能引发材料内部所含水分的迁移。(2)材料中包含的水分能够三种状态存在:气态（水蒸气)、液态(液态水）和固态(冰)。(3)材料内部可迁移的水的两种状态：1.以气态的扩散方式迁移;2．以液态水分的毛细渗入方式迁移。（4)稳态下水蒸气渗入过程的计算(与稳定传热的计算办法完全相似):如图:在稳态条件下通过围护构造的水蒸气渗入量（渗入强度),与室内外的水蒸气分压力差成正比，与渗入过程中受到的阻力成反比：（１)——水蒸气渗入强度，g／（m2.h）；——围护构造的总水蒸气渗入阻,(ｍ２.h.Pａ）/g；——室内空气的水蒸气分压力,Ｐa；——室外空气的水蒸气分压力，Pａ。围护构造的总水蒸气渗入阻按下式拟定:(2)式中,——任一分层的厚度；——任一分层材料的水蒸气渗入系数g／(m.h.Pa）。水蒸气的渗入系数是1ｍ厚的物体，两侧水蒸气分压力差为1Pa，1h内通过１ｍ2面积渗入的水蒸气量。意义：水蒸气的渗入系数表明了材料的透气能力，与材料的密实程度有关,材料的孔隙率越大，透气性就越强。水蒸气的渗入阻是围护构造或某一材料层，两侧水蒸气分压力差为1Pa，通过1ｍ２面积渗入1g水蒸气所需要的时间。注：由于围护构造内(外）表面的湿转移阻（），与构造材料层的蒸汽渗入阻本身相比是很微小的，因此在计算总的蒸汽渗入阻时能够无视不计。这样围护构造内外表面的水蒸气分压力能够近似取为和。围护构造内任一层内界面的水蒸气分压力可由下式计算:(其中m＝２,3,4……ｎ)（３）式中,——从室内一侧算起,由第一层至第m-1层的水蒸气渗入阻之和。③围护构造内部冷凝的检查:冷凝危害：①当水蒸气接触构造表面时,若表面温度低于露点温度，水汽会在表面冷凝成水。表面冷凝水将有碍室内卫生,某些状况下还将直接影响生产和房间的使用。②水蒸气通过围护构造时，在构造内部材料的孔隙中冷凝成水珠或冻结成冰，这种内部冷凝现象危害更大，是一种看不见的隐患。③内部出现冷凝水,会使保温材料受潮，材料受潮后，导热系数增大,保温能力减少；另外,由于内部冷凝水的冻融交替作用,抗冻性差的保温材料便遭到破坏,从而减少构造的使用质量和耐久性。分辨围护构造内部与否会出现冷凝现象，可按下列环节进行:(1)根据室内外空气的温湿度(t和），拟定水蒸气分压力和，然后按照上节（3）式计算围护构造各层的水蒸气分压力，并作出“”分布线。对于采暖房屋，设计中取本地采暖期的室外空气平均温度和平均相对湿度作为室外计算参数。(２)根据室内外空气温度和，拟定各层温度,并按照附录2作出对应的饱和水蒸气分压力“”的分布线。(3）根据“”和“”线与否相交来判断围护构造内部与否出现冷凝现象，如图。注：实践和理论表明,在水蒸气渗入的途径中，如材料的水蒸气渗入系数出现由大变小的界面,因水蒸气至此碰到较大的阻力,最易发生冷凝现象，习惯上把这个最易出现冷凝,并且凝结最严重的界面,称为围护构造内部的“冷凝界面”。冷凝强度：当出现内部冷凝时,冷凝界面处的水蒸气分压力已经达成该界面温度下的饱和水蒸气分压力。设由水蒸气分压力较高一侧空气进到冷凝界面的水蒸气渗入强度为，从界面渗入分压力较低一侧空气的水蒸气渗入强度为，两者之差即是界面处的冷凝强度,如图。2.建筑围护构造的防潮①避免和控制表面冷凝一、正常湿度的采暖房间尽量使围护构造内表面附近的气流畅通，家具,壁柜等不适宜紧靠外墙；供热设备放热不均,引发围护构造内表面温度波动,出现周期性冷凝时,应当在围护构造内表面采用蓄热特性系数较大材料。二、高湿房间（普通指冬季相对湿度高于75％的房间)间歇性高湿条件的房屋,内表面设防水层（ＳＷA高吸水树脂）;持续性高湿条件房屋，设立吊顶将水引走；加强屋顶内表面附近通风。三、避免地面泛潮②避免和控制内部冷凝一、合理布置材料层的相对位置原则：材料层次的布局应尽量在水蒸气渗入的通路上做到“进难出易”。如中图。前面提到的USＤ屋面,也是进难出易的原则设计的,如图。二、设立隔汽层针对具体构造方案中，材料层的布置往往很难完全符合“进难出易”原则的规定。可在保温层蒸汽流进入一侧设立隔汽层（如图)。三、设立通风间层或泄气沟道针对设立隔汽层即使能改善围护构造内部的湿状况,但其质量在施工和使用过程中不易确保，且会影响房屋建成后构造的干燥程度。对高湿度房间可采用设立通风间层和泄气沟道的办法(如图)。四、冷侧设立密封空气层在冷侧设一空气层，可使处在较高温度侧的保温层经常干燥,此空气层也叫做引湿空气层，其作用称为收汗效应。

第五章建筑防热与节能★在防热设计中,隔热和通风是重要的、同时也必须将窗口遮阳、环境绿化一起加以综合考虑。1.屋顶与外墙的隔热设计一、屋顶隔热——（南方炎热地区,日晒时数和太阳辐射强度以水平面为最大）,基本上分为实体材料层和带有封闭空气层的隔热屋顶、通风间层隔热屋顶、阁楼屋顶三类。另外尚有植被隔热屋顶、蓄水屋顶、加气混凝土蒸发屋面、淋水玻璃屋顶、成品隔热板屋顶等。1．实体材料层和带有封闭空气层的隔热屋顶如图,(实体材料层屋顶a-c）,（空气间层隔热屋顶d-ｆ）为提高材料的隔热能力，最佳选用和的值都比较小的材料,同时还要注意材料的层次排列（排列次序不同也影响构造衰减的大小（实体材料层屋顶a-c）。为了减轻屋顶自重，可采用空心大板屋面，运用封闭空气间层隔热。为减少屋顶外表面太阳辐射热的吸取,还应选择浅色屋顶外饰面(ｆ涂了层无水石膏)。2.通风屋顶优点:有助于隔热和散热(下图为其几个构造方式)。３.阁楼屋顶这种屋顶普通在檐口、屋脊或山墙等处开通气孔，有助于透气、排湿和散热。提高阁楼屋顶隔热能力方法:加强阁楼空间的通风是一种经济而有效的办法（如加大通风口面积，合理布置通风口位置等）。通风阁楼的通风形式常有(如图）：（a)山墙上开口通风；（b)檐口下进气屋脊排气;(c)屋顶设立老虎窗户通风等。4.植被隔热屋顶特别适合于夏热冬冷地区的城乡建筑。因素：植物的光合作用将热能转化为生化能；蒸腾作用增加蒸发散热;培植基质材料的热阻与热惰性。无土种植，有土种植。无土种植是采用膨胀蛭石作培植基质，它是一种密度小、保水性强、不腐烂、无异味的矿物材料。宜于选用浅根植物；种植草被要简朴得多。无土种植草被屋顶的内表面最高温度低；内表面温度波幅小,热稳定性较好；内表面大部分时间低于人体表面温度,是良好的散热面;屋顶外表面辐射吸取率低，外表面温度低,对环境的长波辐射热少。５.蓄水屋顶在南方地区使用较多，有蓄水屋顶、淋水屋顶和喷水屋顶等不同形式。原理：运用水在太阳光的照射下蒸发时需要大量的汽化热，从而大量消耗达成屋面的太阳辐射热,有效地削弱了经屋顶传入室内的热量,对应地减少了屋顶内表面的温度。隔热性能与蓄水深度亲密有关。蓄水屋顶的水层深度，从白天隔热和夜间散热的作用综合考虑，宜３-5cm。水面上敷设铝箔或浅色漂浮物，或种植漂浮植物水浮莲、水葫芦等。优点:a屋顶外表面温度、内表面温度、传热量大幅度下降;b随蓄水深度增加，内表面温度最大值愈低，15cm水深为宜;c在夏热冬暖地区，不增加环境辐射反射。缺点：ａ夜间不能运用屋顶散热;b增大了屋顶静荷载;c一年四季都不能没有水。6.加气混凝土蒸发屋面原理:在建筑屋面上铺设一层多孔材料。运用自然降温原理，通过积蓄雨水并使雨水逐步蒸发,达成减少建筑物面环境温度、缓和环境热岛效应的目的。7.淋水玻璃屋顶8.成品隔热板屋顶二、外墙隔热1.空心砌块墙可做成单排孔和双排孔(如图a）。2.钢筋混凝土空心大板墙(如图ｂ）。3．轻骨料混凝土砌块墙（如图：加气和陶粒混凝土砌块墙)。４．复合墙体(如图）。２.窗口遮阳①遮阳的形式:水平式、垂直式、综合式和挡板式。1.水平式遮阳：能有效遮挡高度角较大的、从窗口上方投射下来的阳光，合用于靠近南向的窗口,或北回归线以南低纬地区的北向附近的窗口。2.垂直式遮阳：能有效遮挡高度角较小的、从窗侧斜射的阳光，但对于高度角较大的、从窗口