建筑热环境与建筑节能课件

建筑热环境与

建筑节能课程的目的和任务本课程的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。通过学习这门科学，我们要完成这样的任务：了解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；掌握改变或控制这些室内、外热环境的基本原理与方法。通过本课程学习使学生了解围护结构传热基础知识，以及如何合理地解决房屋的保温、防热、防潮及节能设计等问题，理解并掌握建筑热工、建筑节能及室内热环境设计所必需的技术基础知识。第三部分建筑热环境设计本讲主要内容建筑保温设计:建筑保温综合处理原则，外墙和屋顶的保温设计，外窗、外门和地面保温设计，特殊部位保温设计，被动式太阳能利用设计初步建筑隔热设计:建筑防热综合途径，建筑防热控制指标，屋顶和外墙的隔热设计，自然通风，窗口遮阳建筑隔热设计,建筑日照设计,日照基本原理,棒影图的应用.本讲总结推荐课外阅读书目、资料回顾第一部分基础知识

第一章绪论建筑热环境分类建筑热工学的任务建筑热工学基本内容第二章建筑热工学基础知识建筑中的几中传热现象建筑围护结构传热基本方式湿空气的物理性质室内热环境及其评价室外热环境因素

回顾第二部分建筑传热、传湿原理

第三章建筑围护结构的传热原理及计算

稳定传热一维稳定传热特征平壁内的导热过程平壁的稳定传热过程封闭空气间层的热阻平壁内部温度的计算

周期性不稳定传热谐波热作用谐波热作用下的传热特征谐波热作用下材料和围护结构的热特性指标谐波热作用下平壁的传热计算温度波在平壁内的衰减和延迟计算

回顾第二部分建筑传热、传湿原理

第五章外围护结构的湿状况

材料的吸湿外围护结构中的水分转移围护结构的蒸汽渗透内部冷凝的检验防止和控制冷凝的措施防止和控制表面冷凝防止和控制内部冷凝建筑热环境在建筑学教学计划中的定位分析参考资料建筑保温设计建筑保温设计综合处理的基本原则外墙和屋顶的保温设计外窗、外门和地面的保温设计特殊部位保温设计被动式利用太阳能设计初步保温设计综合处理的基本原则充分利用可再生能源防止冷风的不利影响选择合理的建筑体形与平面形式使房间具有良好的热特性与合理的供热系统外墙和屋顶的保温设计外墙和屋顶是建筑外围护结构的主体部分，对其保温能力的要求，取决于房间的使用性质及技术经济条件。一般从下面几个方面来考虑：保证内表面不结露，即内表面温度不得低于室内空气的露点温度；对于大量的民用建筑，不仅要保证内表面不结露，还需满足一定的热舒适条件，限制内表面温度，以免产生过强的冷辐射效应；从节能要求考虑，热损失应尽可能的小；应具有一定的热稳定性。最小传热阻按我国现行设计规范，保温设计是取阴寒天气作为设计计算基准条件。以下是我国国家标准《民用建筑热工设计规范》中规定的设计方法---最小热阻法。以上参数的确定原则和选用方法为：冬季室内计算温度titi值因房间使用性质不同而有不同的规定值。

对于一般居住建筑取18℃；对于高级居住建筑、医疗和福利建筑、托幼建筑等，取20℃

。冬季室外计算温度te

te值的选取较为复杂一些，它的取值大小与所设计的外墙或屋顶的热惰性指标值大小有关。一般说来，热惰性指标值大，te取值较高，相反亦然。我国规范对te的选取作了具体规定，见表3--1室内空气与外墙（或屋顶）内表面之间的允许温［Δt］允许温差［Δt］，根据房间性质及结构，按表3-2取值。温差修正系数n内表面换热阻Ri，按第二章表2-2取值。

按上述步骤，在取得各参数值后，便可求得Ro.min

。应当注意，求得这个最小传热组，并不意味着外围护结构的实有热阻一定要刚好等于最小传热阻，它只是起码的标准。实际热阻应高于或等于它，但不得低于它。

Ro≥Ro.min

此外，在实际设计当中，当居住建筑、医院、幼儿园、办公楼、学校和门诊部等建筑物的外墙为轻质材料时，外墙的最小传热阻应在前述计算求得Ro.min的基础上进行附加，其附加值应按表3-4的规定采用。绝热材料

所谓绝热材料是指那些绝热性能比较高，也就是导热系数比较小的材料。通常把导热系数λ<0.25，并能用于绝热工程的称为绝热材料把用于控制室内热量外流的叫保温材料。防止热量进入室内的叫隔热材料。影响材料导热系数λ的因素：1.密度；2.湿度；3.温度

绝热材料的选择（按热物理性能、强度、耐久性、耐火性及耐侵蚀性等，满足要求）

三、选择保温构造方案（一）保温构造的种类1.单设保温层（见图3-6）2.封闭空气间层保温（一般空气间层厚4-5cm）3.保温与承重相结合（见图3-7）4.混合型构造（见图3-8）选择保温构造方案保温构造的种类单设保温层（见图3-6）（一般空气间层厚4-5cm)D保温与承重相结合（见图3-7）

d混合型构造（见图3-8）单设保温层复合结构的形式及持点内保温和外保温外保温的优点主要有：保护墙或屋顶，降低温度应力起伏，提高结构的耐久性;有利于房间热稳定性；防止内部产生水蒸汽凝结；消除热桥；有利于旧房节能改造；节约使用空间.

防水层不设在保温层上边，而是倒过来设在保温层底下,这种方法，在国外叫作"Upsidedown"构造方法;简称USD构法。外窗、外门和地面的保温设计

对一栋建筑物来说，外窗户、外门和地面在外围护结构总面积中占有相当的比例，一般在30-60%之间。从冬季失热量来看，外窗、外门及地面的失热量要大于外墙和屋顶的失热丘，表3-5是西安建筑科技大学一栋住宅楼外围护结构各部分耗热量分布。窗户的保温设计控制窗墙面积比（表3-6）按我国设计规范，窗墙面积比=窗户洞口面积/外墙面积（开间*层高）提高气密性，减少冷风渗透我国的有关标准规定，在窗两侧空气压差为10Pa的条件.单位时间内每米缝长的空气渗透量q1的允许标准如下：在低层和多层建筑中应不大于4.0m3/（m.h）在中、高层建筑中应不大于2.5m3/（m.h）窗缝的处理提高窗户的保温能力改善窗框保温性能改善窗玻璃部分的保温能力合理选择窗户类型外门保温设计

这里的外门包括户门（不采暖楼梯间）、单元门（采暖楼梯间）阳台门下部以及与室外空气直接接触的其他各式各样的门。门的热阻一般比窗户的热阻大，而比外墙和屋顶的热阻小，因而也是建筑外围护结构保温的薄弱环节，见表3-8地板的保温设计人体足部与地板直接接触传热地板面层材料的密度、比热容和导热系数值的大小是决定地面的热工指标吸热指数的重要参数。B是与传热阻R不同的另一个热工指标。B越大，则从人脚吸取的热量越多越快。根据B值，我国将地面划分为三类（表3-9）。

试验研究证明，地面对人体热舒适及健康影响最大的是厚度约3---4mm的面层材料。沿底层外墙周边局部的保温处理我国规范规定，对于严寒地区采暖建筑的底层地面，当建筑物周边无采暖管沟时，在外墙内侧0.5—1.0m范围内应铺设保温层，其热阻不应小于外墙的热阻。特殊部位保温设计围护结构交角处的保温设计

围护结构的交角，包括外墙转角、内外墙交角、楼板或屋顶与外墙的交角等。第五节被动式利用太阳能设计初步太阳能建筑主动式运行中需要机械动力被动式不需要机械动力直接受益式间接受益式集热墙水墙附加日光间第五节被动式利用太阳能设计初步

英国伦敦连排住宅原型第五节被动式利用太阳能设计初步第五节被动式利用太阳能设计初步第五节被动式利用太阳能设计初步建筑防潮设计51第一节基本知识材料的吸湿:把一块干的材料试件置于湿空气之中，材料试件会从空气中逐步吸收水蒸汽而受潮，这种现象称为材料的吸湿。平衡湿度:材料的温度与周围空气温度一致(热平衡)，试件重量不再发生变化(湿平衡)，这时的材料湿度称为平衡湿度.如图4-1所示.

最大吸湿湿度:100%条件下的平衡湿度叫做最大吸湿湿度。52第一节基本知识图中的ω100、ω80、ω60、…等等,分别表示在相对湿度为100%、80%、60%……等条件下的平衡湿度.等温吸湿曲线的形状呈"S"形，显示材料的吸湿机理分种状态，(1)在低湿度时为单分子吸湿;(2)在中等湿度时为多分子吸湿(3)在高湿度时为毛细吸湿。表4-1列举了若千种材料在0-20˚C时不同相对湿度下的平衡湿度的平均值。材料的吸湿湿度在相对湿度相同的条件下，随温度的降低而增加。53第一节基本知识围护结构中的水分迁移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，均能引起材料内部所含水分迁移。围护结构的蒸汽渗透当室内外空气的水蒸汽含量不等时，在外围护结构的两侧就存在着水蒸汽分压力差，水蒸汽分子将从压力较高的一侧通过围护结构向低的一侧渗透扩散。54第一节基本知识稳态下纯蒸汽渗透过程的计算与稳定传热的计算方法是完全相似的。55第一节基本知识类似内部温度的计算56第一节基本知识内部冷凝的检验（内部冷凝，危害最大）为判别围护结构内部是否会出现冷凝现象，可按以下步骤进行。（1）根据室内外空气的温湿度（t和

），确定水蒸汽分压力Pi和Pe，然后按（4-3）式计算围护结构各层的水蒸汽分压力，并作出“P”分布线。（2）据室内外空气温度ti和te，确定Ps。（附录2）（3）据“P”线和“Ps”线相交与否来判定内部是否会冷凝现象。57第一节基本知识58第一节基本知识59第一节基本知识60第一节基本知识61第二节防止和控制冷凝的措施

一、防止和控制表面冷凝（1）正常湿度的房间：满足最小传热阻的要求。（2）高湿房间：防水层、SWA的高吸水性的树脂，其吸湿能力可达600g/m2(lmm厚涂层)。

二、防止和控制内部冷凝（一）合理布置材料层的位置，难进易出（二）设置隔汽层（三）设置通风间层或泄汽沟道62第二节防止和控制冷凝的措施合理布置材料层的相对位置-----进难出易在同一气象条件下，使用相同的材料，由于材料层次布置的不同，一种构造方案可能不会出现内部冷凝，另一种方案则可能出现。如图4-8所示。63第二节防止和控制冷凝的措施设置隔汽层---保温层蒸汽流入的一侧64第二节防止和控制冷凝的措施设置通风间层或泄汽沟道---外侧65第二节防止和控制冷凝的措施冷侧设置密闭空气层：在冷侧设一空气层，可使处于较高温度侧的保温层经常干燥，这个空气层叫做引湿空气层，这个空气层的作用称做收汗效应图4-13为瑞典一建筑实例，其墙体外表面为玻璃板，原来在玻璃板与其内部保温层之间有小间隙，墙体内部无冷凝;改建后玻璃板紧贴保温层，原起到泄汽沟道作用的小间隙消失，一年后保温材料内冷凝严重，体积含湿量高达50%。66第二节防止和控制冷凝的措施67TheEnd!68

建筑防热

heatinsulationinbuilding第一节热气候特征与防热途径热气候特征与我国炎热地区范围干热和湿热(见下表)第一节热气候特征与防热途径热气候特征与建筑设计原则（表5-2）第一节热气候特征与防热途径室内过热的原因和防热的途径室内过热的原因太阳辐射和室外气温共作用直直射进室的太阳辐射自然通风过程中带进或带出的热量室内生产或生活过程中产生的途热，包括人体散热第一节热气候特征与防热途径防热的途径减弱室外的热作用外围护结构的隔热自然通风遮阳第一节热气候特征与防热途径利用自然能绿化喷淋第二节建筑防热设计控制指标室外综合温度太阳辐射热的作用室外空气的传热结构外表面的有效长波辐射的自然散热作用第二节建筑防热设计控制指标第二节建筑防热设计控制指标第二节建筑防热设计控制指标第二节建筑防热设计控制指标隔热设计标准

按照《民用建筑热工设计规范》（GB50176-93）要求，自然通风房屋的外围护结构应当满足如下的隔热控制指标：θi,max≤te,max第三节屋顶与外墙的隔热设计外围护结构隔热设计的原则隔热的重点在屋顶，其次是西墙与东墙降低室外综合温度（浅色、遮阳）在外围护结构内部设置通风间层合理选择外围护结构的隔热能力，主要根据地区气候特点，房屋的使用性质和结构在房屋中的部位来考虑第三节屋顶与外墙的隔热设计利用水的蒸发和植被降温屋顶和东、西墙应当进行隔热计算充分利用自然能源空调建筑Ko符合《采暖通风与空气调节设计规范》GBJ19规定的要求第三节屋顶与外墙的隔热设计屋顶和外墙的隔热设计屋顶隔热自然通风实体材料层和带有封闭空气层的隔热屋顶通风屋顶阁楼屋顶遮阳绿化.土.石喷淋.蓄水第三节屋顶与外墙的隔热设计第三节屋顶与外墙的隔热设计第三节屋顶与外墙的隔热设计第三节屋顶与外墙的隔热设计第三节屋顶与外墙的隔热设计第三节屋顶与外墙的隔热设计第三节屋顶与外墙的隔热设计第四节窗口遮阳遮阳的目的与要求目的：避直射光室内过热、眩光、紫外线要求：夏天防止日照，冬天不影响必需的房间日照晴天遮挡直射阳光，阴天保证房间日照减少遮阳构造的挡风作用，最好还能起导风入室的作用能兼作防雨构件，并避免雨天影响通风不阻挡从窗口向外眺望的视野构造简单，经济耐久必须注意与建筑造型处理的协调统一第四节窗口遮阳遮阳的形式及其效果遮阳的形式水平式遮阳（南向、北回归线以南—北向窗）垂直式遮阳（东北、北、西北)总综合式遮阳（东南、西南）挡板式遮阳（东、西）第四节窗口遮阳遮阳的效果窗口设置遮阳之后，对遮挡太阳辐射热量和在闭窗情况下降低室内气温，效果都较为显著。但是对房间的采光和通风，却有不利的影响。遮阳对太阳辐射热量的阻挡遮阳对室内气温的影响遮阳对房间采光的影响遮阳对房间通风的影响第四节窗口遮阳遮阳形式的选择与构造设计遮阳形式的选择遮阳的构造设计遮阳的板面组合与构造遮阳板的安装位置材料与颜色活动遮阳第五节房间的自然通风有空气的压力差形成通风造成空气压力差的原因有二:热压;风压.第五节房间的自然通风风压作用是风作用在建筑物上产生的风压差。第五节房间的自然通风房间要取得良好自然通风，最好是穿堂入室直吹室内。假设有一夹角α（图5-32）。第五节房间的自然通风建筑朝向、间距与建筑群的布局（一）建筑朝向选择夏季主导风原则：首先要争取房间自然通风，同时亦综合考虑防止太阳辐射以及防止夏季暴雨的袭击等。第五节房间的自然通风房屋的间距与建筑群布局三、房间开口和通风措施房间开口的位置和面积第五节房间的自然通风第五节房间的自然通风门窗装置和通风构造第五节房间的自然通风利用绿化改变气流状况第五节房间的自然通风建筑平面布置与剖面处理基本原则建筑布局采用交错排列或前低后高，或前后逐层加高的布置正确选择平面的组合形式；在屋顶，有利导风、透风利用天井、楼梯间引导气流，组织自然通风开口位置的布置应使室内流场分布均匀改进门窗及其他构造，使其有利于导风、排风和调节风量、风速等第五节房间的自然通风小结：1.自然通风的组织（风压、热压）、原理。2.建筑朝向、间距与建筑群的布局。3.房间的开口和通风措施。4.建筑平面布置与剖面处理基本原则。扩展知识点：1.建筑设计中的具体应用，剖面、平面、群体布局、高层等。2.建筑与自然通风结合考虑设计，技术设计理念。第六节自然能源利用与防热降温在建筑防热设计中可利用的自然能源大致有以下：太阳辐射能有效长波辐射能夜间对流水的蒸发能地冷能第七节空调建筑节能设计合理确定空调建筑的室内热环境标准合理设计建筑平面与体形改善和强化围护结构的热工性能窗户隔热和遮阳外气空凋第八节夏季结露及其防止方法夏季结露及其危害夏季结露的成因夏季结露的防止方法

1.架空层防结露2.空气层防结露

3.材料层防结露4.呼吸防结露

5.密闭防结露6.通风防结露

7.空调防结露

建筑日照设计designofdaylightinbuilding114第一节日照的基本原理日照的作用与建筑对日照的要求日照:就是物体表面被太阳光直接照射的现象.日照时数:是表示太阳照射的时数.日照率:是以实际日照时数与同时间内(如年、月、日等)的最大可照时数的百分比。日照的作用:促进生物机体的新陈代谢;防病;杀菌;供热;立体.建筑对日照的要求：是根据建筑的不同使用性质而定.2h;3h

115第一节日照的基本原理地球绕太阳运行的规律公转:地球按一定的轨道绕太阳的运动.黄道面:地球公转轨道.由于地轴是倾斜的，它与黄道面约成66。33'的交角.太阳赤纬角δ:太阳光线与地球赤道面所夹的圆心角来表示.116第一节日照的基本原理时角Ω:地球自转一周为360o，因而每小时的时角为15o.即时角Ω=15t,t表示时数.117第一节日照的基本原理太阳高度角和方位角的确定太阳光线与地平面间的夹角hs称为太阳高度角.太阳光线在地平面上的投射线与地平面正南线所夹的角As称为太阳方位角。118第一节日照的基本原理太阳高度角的计算119第一节日照的基本原理120第一节日照的基本原理地方时与标准时121第二节棒影图的原理及其应用棒影日照图的基本原理及制作设在地面上0点立一任意高度H的垂直棒，在已知某时刻的太阳方位角和高度角的情况下，太阳照射棒的顶端a在地面上的投影为a’，则棒影oa‘的长度H’=H·ctghs，这是棒与影的基本关系

[见图6-3(a)]。122第二节棒影图的原理及其应用由于建筑物高度有不同，根据上述棒与影的关系式，当ctghs，不变时，H’

与H成正比例变化。若把H作为一个单位高度，则可求出其单位影长H’。若棒高由H增加到

2H，则影长亦增加到2H‘，等等[见图6-3(b)]。123第二节棒影图的原理及其应用已知春分、秋分目的太阳高度角和方位角，可给出其棒影轨迹图(图6-4)。

124第二节棒影图的原理及其应用棒影日照图的制作步骤，以广州地区(北纬23˚8‘)冬至日为例来说明，其步骤如下:

1·由计算法或图解法求出广州冬至日各时刻的方位角和高度角，并据此求出影长及方位角。假定棒高lcm，其计算结果见表6-2。125第二节棒影图的原理及其应用如图6-5所示，在图上作水平线和垂直线交于0，在水平线上按1:100比例以lcm代表lm的高度。截取若干段(也可以其他比例代表棒高的实长)。由0点按各时刻方位角作射线(用量角器量出)，并标明射线的钟点数。再按Hctghs值在相应的方位角线上截取若干段影长，即有lcm棒高的日照图后，也可根据棒长加倍，影长随之加倍的关系，将影长沿方位射线截取而获得棒高为2cm、3cm等的影长，依此类推，并在图上标明1，2，3……等标记。然后把各射线同一棒高的影长各点连接，即成棒影日照图。126第二节棒影图的原理及其应用棒影日照图上应注明纬度、季节日期、比列及指北方向等。按上述制作方法，可制作不同纬度地区在不同季节的棒影日照图。北纬40˚和北纬23˚地区的夏至。冬至、春分、秋分的棒影日照见附录3.127第二节棒影图的原理及其应用用棒影日照图求解日照问题建筑建筑物阴影区和日照区的确定建筑阴影区试求北纬40˚地区一幢20m高，平面呈U形，开口部分朝北的平屋顶建筑物(见图6-6)，在夏至上午10点，在周围地面上的阴影区。128第二节棒影图的原理及其应用室内日照区的确定利用棒影日照图也可以求出采光口在室内地面或墙面上的投影即室内日照区。了解室内日照面积与变化范围，对室内地面、墙面等接收太阳辐射所得的热量计算，窗口的形式与尺寸及室内的日照深度等，均有莫大的关系.129第二节棒影图的原理及其应用首先将绘于透明纸上的平屋顶房屋的平面图覆盖于棒影图上，使平面上欲求之A点与棒图上的O点重合，并使两图的指北针方向一致。平面图的比例最好与棒影比例一致，较为简单。但亦可以随意，当比例不同时，要注意在棒影图上影长的折算。例如选用1:100时，棒高1cm代表1m;选用1:500时，棒高1cm代表5m，余类推。如平面图上A为房屋右翼北向屋檐的一端，高度为20m。则它在这一时刻之影就应该落在10点这根射线的4cm点A'处(建筑图比例为1:500，故棒高4cm代表2Om)，连接AA'线即为建筑物过A处外墙角的影。130第二节棒影图的原理及其应用确定建筑物日照时间和遮阳尺寸为了求解这一类问题，不能直接利用上述解阴影区日照区所用的棒影图，需要把它的指北向改为指南向，然后应用。如图6-8

表示旋转180˚后的棒影图。

131第二节棒影图的原理及其应用旋转180˚就意味着将某一高度的棒放在相应的棒影轨迹Oˊ上，则其棒的端点A的影恰好落在0点上。如果将棒立于连线OOˊ之上任一位置，则0点就受到遮挡，即0点无日照，如果将棒立于连线ooˊ以外时，棒端点A的影就达不到0点，则0点受即OA有日照。132第二节棒影图的原理及其应用日照时间的计算例如：求广州冬至日正南向底层房间窗口P点的日照时间，窗台高1m，房间外围房屋见图6-9。图中B1幢房屋高9m，B2高3m，B3高6m。由于减去1m窗台高，故B1相对高8m，B2相对高2m，B3相对高5m。133第二节棒影图的原理及其应用将棒影图O与P点重合，使图的SN旋转180˚，并使与建筑朝向相重合。由图内找出5个单位影长的轨迹线，则B3平面图上的

C‘D’与轨迹相交，这是有无照射的分界点。而平面上的ABC‘D’均在轨迹线范围内，故这些点均对P点有遮挡，由时间线查出10

点10分之前遮挡P点。134第二节棒影图的原理及其应用建筑朝向与间距的选择图6-10中前幢房屋

(相对)高度为15m，位于北纬40˚地区，已知冬至日后幢房屋所需日照时数为正午前后3h，确定前后房屋的间距和朝向.135第二节棒影图的原理及其应用若两幢房屋朝向正南，如图中A(实践)布置。假设1个单位棒高代表10m，即H=10m，则前幢房屋相当于1.5个单位棒高，因而讨论这一问题时，必须利用棒影图中的1.5个单位影长曲线。根据图6-8原理。为保证后幢房屋正午前后有3h日照，即从10点30分到13点30分，前幢不得遮挡后幢，则前幢房屋北墙外皮，必须位于1.5个单位影长曲线与10点30分、13点30分两条射线(虚线)之二交点的联结线上。确定了北墙皮的位置以后，即可从图中12点钟时间线上量出前后房屋之间距D为1.7H′。由于北纬40˚地区冬至正午时，单位影长等于单位棒高的2倍，故