建筑物理课件

對於一維穩定傳熱過程,q—通過平壁的傳熱量w/m2R0—平壁的傳熱阻，表示熱量叢平壁一側傳到另一側是所受到的總阻力（m2K/w）R0—平壁的傳熱阻ti—室內氣溫te—室外氣溫λ1λ2λ3

d1d2d3tite組合壁的平均熱阻：F是各部分在垂直熱流方向的表面積m2

平行於熱流方向沿材料層中不同材料的介面將其分隔為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等部分計算各部分的熱阻RⅠRⅡRⅢ——修正係數，注意：

φ

：修正係數，F0:與熱流方向垂直的總傳熱面積F1、F2、F3…:平行於熱流方向的各個傳熱面積R0.1、R0.2、R0.3…:各個傳熱部位的傳熱阻

Ri

、Re

：內表面換熱、外表面換熱阻

R

：平均熱阻R0=Ri+R+Re（三）封閉空氣層的熱阻

建築設計中常用封閉空氣層作為圍護結構的保溫層。空氣層中的傳熱方式：導熱、對流和輻射主要是對流換熱和輻射換熱封閉空氣層的熱阻取決於間層兩個介面上的邊界層厚度和介面之間的輻射換熱強度。與間層厚度不成正比例關係

在有限空間內的對流換熱強度與間層的厚度、間層的設置方向和形狀、間層的密閉性等因素有關。垂直空氣間層中，θ1>θ2*當間層厚度很薄時(d<0.5cm)氣流的流動困難，氣流近似為靜止，對流換熱很弱*當間層厚度較薄時熱氣流和冷氣流相互干擾，形成局部環流，使邊界層減薄。*當間層厚度增加(d>10cm)上升氣流和下降氣流干擾程度逐漸減小

*當厚度達到一定程度時，就與自然對流情況類似.在水準間層中*當熱面在上方時，間層內可視為不存在對流。*當熱面在下方時，熱氣流的上升和冷氣流的下沉相互交替形成自然對流，此時自然對流換熱最強，1—純導熱換熱量2—對流換熱量3—總換熱量可見：普通空氣間層的傳熱量中輻射換熱占很大比例，

要提高空氣間層的熱阻須減少輻射傳熱量。

通過間層的輻射換熱量與間層表面材料的輻射性能和間層的平均溫度高低有關。減少輻射換熱量的方法：1、將空氣間層佈置在圍護結構的冷側，降低間層的平均溫度。（效果不夠顯著）2、在間層壁面塗貼輻射係數小的反射材料（鋁箔等）一般建築材料的輻射係數：4~4.5J/（m2hK4）鋁的輻射係數：0.25~0.96J/（m2hK4）4—間層內有一表面貼有鋁箔5——間層內兩表面都貼有鋁箔增效不顯著故以一個表面貼反射材料為宜實際設計計算中可查表2-4得空氣間層的熱阻Rag例：求鋼筋混凝土圓孔板冬季的熱阻（設熱流為自下而上）(單位：m)(1)將圓孔折算為等面積的正方形孔0.0890.0230.0210.0890.020b2=d2/4b=0.079m0.0790.0330.0260.0790.025(2)計算各部分的傳熱阻R0.1=0.026/1.74+0.17+0.025/1.747+0.11+0.04=0.349(m2•K/W)有空氣間層部分無空氣間層部分R0.2=0.13/1.74+0.11+0.04=0.225(m2•K/W)(3)求修正係數鋼筋混凝土的導熱係數：1.74W/(m•K)空氣的導熱係數：0.079/0.17=0.46W/(m•K)λ1=1.74W/(m•K)λ2=0.46W/(m•K)0.46/1.74=0.267由表2-1：修正係數φ=0.93（4）圓孔板的平均熱阻代入數據得=0.139(m2•K/W)作業：求鋼筋混凝土圓孔板夏季的熱阻孔內單面貼鋁箔（設熱流為自上而下）(單位：m)0.0920.0320.0310.0920.031五、平壁內部溫度的計算

為判定圍護結構的表面和內部是否會產生冷凝水須對所設計的圍護結構進行溫度核算λ1λ2λ3

d1d2d3titeθiθe穩定傳熱條件下：得內表面溫度：λ1λ2λ3

d1d2d3titeθiθeθ2θ3由此推廣得：層次編號順著熱流方向λ1λ2λ3

d1d2d3titeθiθeθ2θ3λ1λ2λ3

d1d2d3titeθiθe得：材料層內的溫度降落程度與各層的熱阻成正比。材料層的熱阻越大，（導熱係數越小）

溫度降落越大，（直線斜率越大）。1234n

在穩定傳熱條件下，每一材料層內的溫度分佈是一直線，在多層平壁中成一連續的折線。例：若室內氣溫為15℃，室外氣溫為-10℃，試求牆體的熱流強度以及內部溫度分佈（單位：mm）15℃—石膏板12—石膏板12—礦棉板70—空氣間層50—石棉水泥板6-10℃查表得導熱係數：石膏板：0.33

礦棉板：0.07

石棉水泥板：0.52R空氣=0.21m2K/W1、牆體總熱阻：15℃—石膏板12—石膏板12—礦棉板70—空氣間層50—石棉水泥板6-10℃2、通過牆體的熱流強度3、牆體內的溫度分佈Ri=0.133石膏板0.036礦棉板1.0石膏板0.036

空氣間層0.21石棉水泥板0.115Re=0.05二、壁體內部溫度的圖解法由式：其中ti、R0、Ri、te

為常數則θn是變數∑Rn的一次函數

以熱阻為橫坐標，溫度為縱坐標，則溫度分佈為一直線。0.1330.1691.1690.51.01.51.2051.4151.531.583.06.09.012.015.0-3.0-6.0-9.00i=12.902=12.333=-3.50

4=-4.075=-7.39e=-9.21二、週期性不穩定傳熱——外界熱作用隨時間週期性的變化一、簡諧熱作用Zt也可寫成：二、諧波熱作用下的傳熱特徵（1）室外溫度平壁外表面溫度平壁內表面溫度（2）從室外空間到平壁內部，溫度波動的振幅逐漸衰減。（3）從室外空間到平壁內部，溫度波動的相位逐漸向後推延。平壁的總衰減度平壁的總相位延遲溫度波穿過平壁的總延遲時間：關係：解釋：R1R2R3

d1d2d3

溫度波在傳遞過程中產生的衰減和延遲現象，是由於在升溫和降溫過程中材料的熱容作用和熱量傳遞中材料的熱阻作用造成的。三、諧波熱作用下材料和圍護結構的熱特性指標1、材料的蓄熱係數S

(w/m2K)定義：把某一勻質半無限大壁體一側受到諧波熱作用時，迎波面上接受的熱流振幅Aq與該表面的溫度振幅Af之比稱為材料的蓄熱係數若Z=24h，物理意義：材料的蓄熱係數說明了半無限大的物體在諧波熱作用下，表面對諧波熱作用的敏感程度。

在同樣的諧波熱作用下，蓄熱係數越大，表面溫度波動越小；2、材料層的熱惰性係數D

表徵材料層受到波動熱作用後，被波面上溫度波動劇烈程度的一個指標，也是說明材料層抵抗溫度波動能力的一個特性指標。

其大小取決於材料層迎波面的抗波能力和波動作用傳至背波面時所受到阻力。多層材料的圍護結構：封閉空氣層：S=0D=0組合材料層：3、材料層表面的蓄熱係數Y

有限厚度的材料層受到週期波動的溫度作用時，其表面溫度的波動不僅與材料層本身的熱物理性質有關，還與邊界條件有關。

順著溫度波前進的方向，該材料接觸的介質的熱物理性能和散熱條件對材料表面的溫度波動有影響。R4R3R2

R1

計算方向第一層外表面：

外nn-1….21內

Yne

Yn-1eY2e

Y1e

(a)各材料層的外表面Ye計算方向第m層外表面：

外nn-1….21內

Yne

Yn-1eY2e

Y1e

計算方向第n層（最外層）外表面：

外nn-1….21內

Yne

Yn-1eY2e

Y1e

第n層（最外層）內表面：

外nn-1….21內計算方向Yni

Yn-1iY2i

Y1i

(b)各材料層的內表面Yi第m層內表面：

外nn-1….21內計算方向Yni

Yn-1iY2i

Y1i

最內層內表面：

外nn-1….21內計算方向Yni

Yn-1iY2i

Y1i

四、諧波作用下的平壁的傳熱計算設平壁兩側受到的諧波作用為：外側：

內側：分為三個過程：熱作用分為三個過程：1、在室內平均溫度和室外平均溫度作用下的穩定傳熱過程圍護結構內表面的溫度2、在室外諧波熱作用下的週期傳熱過程，此時室內氣溫不變，在平壁內表面的溫度振幅為Aif,e——溫度波動由室外傳到平壁內表面的振幅總衰減度。——溫度波動從室外傳到內表面的相位延遲角（deg）2、在室外諧波熱作用下的週期傳熱過程，此時室內氣溫不變，在平壁內表面的溫度振幅為Aif,e則在外側諧波熱作用下引起內表面溫度諧波為：3、在室內諧波熱作用下的週期傳熱過程，此時室外氣溫不變,在平壁內表面的溫度振幅為Aif,i——溫度波動由室內傳到平壁內表面的振幅總衰減度。——溫度波動從室內傳到內表面的相位延遲角（deg）3、在室內諧波熱作用下的週期傳熱過程，此時室外氣溫不變,在平壁內表面的溫度振幅為Aif,i則在內側諧波熱作用下引起內表面溫度諧波為：4、確定內表面溫度合成波的振幅和初相位兩個諧波作用：合成波的振幅：N=A1sinΦ1+A2sinΦ2M=A1cosΦ1+A2cosΦ2若M為+，N為+Φif為第一向限α=0°若M為-，N為+Φif為第二向限α=180°若M為-，N為-Φif為第三向限α=180°若M為+，N為-Φif為第二向限α=360°5、圍護結構內表面的溫度內表面的最高溫度：可見：欲得在諧波作用下平壁內表面的溫度，須計算衰減度和相位延遲五、溫度波在平壁內的衰減和延遲計算1、室外溫度諧波傳至平壁內表面時的衰減和延遲計算——圍護結構的衰減倍數

——平壁總的熱惰性指標

——平壁內外的表面的換熱係數

——由內到外各材料層的蓄熱係數

——由內到外各材料層外表面的蓄熱係數熱工設計中，習慣用延遲時間表示延遲相位取Z=24小時2、室內溫度諧波傳至平壁內表面時的衰減和延遲計算只經過一個邊界層的振幅衰減和相位延遲過程例：某建築西牆構造如圖，使求其衰減度ν0及延遲時間ξ0505080鋼筋混凝土鋼筋混凝土岩棉板材料層鋼筋混凝土岩棉板d0.050.08λ1.740.064R=d/λ0.02871.25S17.20.93D=R•S0.491.163（1）計算各層熱阻R

和熱惰性指標DΣD=2.143(2)各材料層表面的蓄熱係數YD1<1=13.76D2>1Y2,e=S2=0.93D3<1=9.18Ye=Y3,e=9.18外表面內表面D1<1=9.18Yif=Y1,i=9.18（3）計算對室外綜合溫度波的衰減倍數=27.58倍(4)計算室外綜合溫度波的延遲時間=5.28小時作業：某建築西牆構造如圖，使求其衰減度νif及延遲時間ξif鋼筋混凝土鋼筋混凝土606070岩棉板

第四節室內熱環境室內熱環境室內空氣溫度室內空氣濕度室內氣流速度環境輻射溫度一、室內熱環境組成要素及其對人體熱舒適的影響人體舒適度與人體本身和室內熱環境有關人體人體產熱量衣著情況△q=0△q<0△q>0體溫恒定不變體溫上升體溫下降人體得熱△q=qm-qe±qr±qcqmqeqrqc△q人體產熱量人體蒸發散熱量人體輻射換熱量人體對流換熱量人體得失的熱量正常熱平衡對流換熱占25%~30%輻射散熱占45%~50%呼吸和無感覺散熱占25%~30%負載熱平衡四要素人體產熱量衣著情況舒適的可以忍受不可忍受對於不舒適的熱環境，可通過調溫設施來改變缺點:1、經濟上不合適2、降低人體對環境變化的適應能力不利於健康二、室內熱環境的評價方法和標準1、有效溫度ET1923~1925包含因素：氣溫、空氣濕度和氣流速度評價依據：人的主觀反映方法：A相對濕度為100%氣流速度為0.1m/s溫度？B相對濕度氣流速度溫度為B室的有效溫度新的有效溫度ET(℃)43403530201510主觀熱感覺允許上限酷熱炎熱熱稍熱適中稍冷冷寒冷嚴寒PMV-3-2-10123熱感覺寒冷

冷稍冷適中稍熱

熱炎熱不滿意率90%70%30%5%30%70%90%2、PMV-PPD指標（70年代房格爾丹麥）包含因素：四個環境要素，兩個人體要素（人的活動量和衣著情況）方法：受試對象在實驗中對某種環境因數組合的人感覺的投票值

第四節室外熱環境一、地區性氣候及其特徵1、室外氣溫2、太陽輻射是評價不同地區氣候冷暖的根據地表大氣熱過程的主要能源太陽常數：垂直與入射光線的大氣介面單位面積上的熱輻射流實測大小為1256W/m2總輻射量直接輻射散射輻射3、空氣濕度絕對濕度變化不大相對濕度變化很大4、風NNEESESSWWNW風向頻率圖（風向玫瑰圖）注意：除最裏環外，每環代表5%

實測時各個方向上的風出現次數占總次數的百分比包含：大氣環流地方風夜日白天夜間和清晨

日夜地方風水陸風林原風山谷風二、建築氣候分區及對建築熱工設計的基本要求蒙古族氈包西藏民居沿崖窯洞雲南竹樓北京四合院三、城市氣候及對建築設計的影響1、空氣溫度和輻射溫度2、城市風3、空氣濕度和降水空氣溫度城市大於郊外輻射溫度城市大於郊外特徵風速小於郊外風向無規律會形成無風、強風區降水量多空氣濕度小4、太陽輻射強度較郊區小，但吸收高影響因素：

參數變化特徵參數

變化特徵

紫外輻射大量減少紊流

增大可見光輻射

減少溫度

增加

紅外輻射

增加濕度

白天增大，夜間減小

能見度

降低雲量城區濕霧，下風雲量增加

蒸發

減少

霧

或增加，或減少

熱流通量

增加降水

雨水增加，降雪減少

風速

減小1、地表形態的改變2、高密度的人口分佈對能源與資源結構的改變第二章建築圍護結構的傳熱原理及計算tite恒定的熱作用採暖房間冬季條件下的保溫設計tite週期熱作用空調房間的隔熱設計自然通風房間的夏季隔熱設計tite第一節平壁的穩定傳熱傳熱過程——室內外熱環境通過圍護結構而進行的熱量交換，包含導熱、對流以及輻射換熱方式溫度場不隨時間變化的傳熱過程——穩定傳熱過程λ1λ2λ3

d1d2d3tite設:ti>

te傳熱過程經歷三個階段λ1λ2λ3

d1d2d3tite一、內表面吸熱ti>θi,內表面以對流和輻射的方式吸熱—平壁內表面吸熱量w/m2

—

室內空氣以對流形式傳給平壁內表面的熱量—室內其他表面以輻射形式傳給平壁內表面的熱量

w/m2—平壁內表面的熱轉移係數

w/（m2K）—室內空氣及其它表面的溫度—圍護結構內表面的溫度θi內表面熱轉移阻Ri經驗數據

表面特性

IW/(m2•K))RI((m2•K)/W)牆面、地面、表面平整或有肋狀突出物的頂棚（h/s0.3）8.70.11有肋狀突出物的頂棚（h/s>0.3）7.60.13λ1λ2λ3

d1d2d3tite二、平壁材料層的導熱θiθe——通過平壁的導熱量w/m2——平壁外表面的溫度℃三、外表面的散熱θe>te,外表面把熱量以對流和輻射的方式傳給室外的空氣——外表面的散熱量，w/m2

——外表面的热转移系数，w/（m2K)季節

表面特徵

eRe冬季外牆、屋頂、與室外空氣直接接觸的表面23.00.04與室外空氣相通的不採暖地下室上面樓板17.00.06悶頂、外牆上有窗不採暖地下室上面樓板12.00.08外牆上無窗的不採暖地下室上面的樓板6.00.17夏季外牆和屋頂19.00.05qe

e對於一維穩定傳熱過程,上式聯立:q—通過平壁的傳熱量w/m2

R0—平壁的