建筑物理课件1

第一讲建筑与气候

1.1室外热环境

•室外热环境是指作用在建筑外围护结构上的一切热物理量的总称；是

室外气候的组成部分，是建筑设计的依据；建筑外围护结构的主要功能

即在于抵御或利用室外热环境的作用。

•因此，要做好建筑热环境设计，必须掌握室外气候学的基本知识，熟

悉建筑与气候的关系。

・气候因素（U照、降水、温度、湿度等）直接影响建筑的功能、形式、

围护结构。决定了建筑的形式是紧凑的还是疏松的？是封闭的还是开敞

的？是厚重的还是轻盈的？是平屋顶还是坡屋顶……所有这些构成了

乡土建筑的最基本特征。

•气候与其它相关因素共同影响建筑。例如气候条件决定了一个地区的

水源、植被状况，对地质土壤也有一定程度的影响，从而大体上限定了

该地区的建筑材料。

•气候还会影响人、社会审美等方面的差异性，最终间接而又鲜明的影

响到建筑本身。

①.建筑本身适应地域气候；

②.建筑所使用的材料尽可能的就地取材；

③.利用本地廉价劳动力，采取一种手工式、劳动密集型的作业方式；

④.建筑形式多采取低层高密度的模式；

⑤.采用一种可逐渐增长的模式，便于改建和扩建；

⑥.注重地方文化和民俗习惯，体现人文建筑。

1.2建筑气候分区及对建筑热工设计的基本要求

•不同的气候条件对房屋建筑提出不同的要求。炎热地区需要通风、遮

阳、隔热，以防止室内过热。寒冷地区需要采暖、防寒和保温。为了明

确建筑和气候两者的科学联系，使建筑可以充分地利用和适应气候条

件，做到因地制宜，我国和世界分别进行了气候分区。

▲严寒地区

i

▲寒冷地区

▲夏热冬冷地区

▲夏热冬暖地区

▲温和地区

我国《民用建筑热工设计规范》从建筑热工设计的角度，对我国各地气

候作区域划分，具体分区及设计要求见下表

建筑热工设计分区及设计要求（表1・1）

八b分区指标、

分区名r不小XA*设*ft计l_要rHt求-P-

主要指标辅助指标

必须充分满足冬季保

口平均温度05c的天

严寒地区最冷月平均温度湘要求,一般可不考

效N145d

虑夏季防热

应满足冬季保温要

日平均温度£5.C的天

寒冷地区最冷月平均温度0〜-10℃求，部分地区兼顾夏

数90〜145d

季防热

日平均温度W5℃的天

最冷月平均温度0〜10C必须满足夏季防热要

夏热冬冷数0〜90dE平均温度

求，适当兼顾冬季保

地区N25C的天数40〜

最热月平均温度25〜30℃温

110d

最冷月平均温度＞10℃必须允分满足夏季防

夏热冬暖日平均温度N25c的

热要求，一般可不考

地区1天数100〜200d

最热月平均温度25〜29c虑冬季保温

最冷月平均温度0〜13c部分地区考虑冬季保

日平均温度45℃的天

温和地区温，一般可不考虑夏

数0〜90d

最热月平均温度18〜25c季防热

•英国人斯欧克莱（Szokoay）在《建筑环境科学手册》中根据空气温度、

湿度、太阳辐射等项因素，将世界各地划分为4个气候区：

▲湿热气候区

▲干热气候区

▲温和气候区

▲寒冷气候区

2

气候分区及建筑气候策略（表

1-2）

•以气温和降水两个气候要素为基础，并参照自然植被的分布，把全球

气候分为五个气候区：

▲赤道潮热性气候区（A）

▲干热性气候区（B）

▲湿润性温和性气候区（C）

▲湿润性冷温型气候区（D）

▲极地气候（E）

▲山地气候（H）

其中A、C、D、E为湿润气候，B为干旱气候

1.3多姿多彩的全球气候

全球气候分区图

圆顶雪屋——爱斯基摩小屋

安纳沙兹人的“悬崖宫殿”

中国传统民居形式——陕西窑洞

1.4、影响建筑设计的气候因素

•我国幅员辽阔，地形复杂，各地区气候差异悬殊，北方的大陆性气候、

沿海的海洋性气侯、南方的湿热气候、云南的高原气候、四川的盆地气

候、吐鲁番的沙漠性气候等。空气温度、空气湿度、太阳辐射、风、降

水、积雪、日照以及冻土等都是气候的要素。

•结合气候设计的五大要素:

3

▲室外气温通常指距地面1.5m高、背阴处的空

k温度。

]▲影响室外气温的主要因素有太阳辐射照度、气

流状况、地面覆盖情况以及地形等等。

♦・A3

♦—

▲空气温度取决于地球表面温度

AK

“物▲温度的年变化和日变化

::::•室外气温与城市热岛现象

AM

▲在建筑物与人口密集的大城市，由于地面覆益物

:::北吸收的辐射热多，发热体也多，形成市中心的温度

高于郊区,即“城市热岛”现象。

▲热岛现象的存在，使市中心温度较高的空气由于质量轻而向上升，郊

区地面的较冷空气则从四面八方流向城市。市区热空气携带的一部分烟

尘滞留在城市上空，一部分较重的在郊区沉降，污染地面，因此在城市

规划中应减弱或避免产生热岛现象。

▲热岛现象也有明显的日变化和年变化，一般冬季强夏季弱，夜晚强白

天弱。

•避免或减弱热岛现象的措施：

▲在城市中增加水面设置、扩大绿化面积。由于水的热容量大，并且可

以通过蒸发吸收热量。绿化则除蒸发吸热外，对日辐射还有一定的反射

作用，尤其在夏季E辐射照度很大时，可以显著降低周围的空气温度

-----绿化可以改善建筑周围小气候。

▲避免方形、圆形城市面积的设计，多采用带形城市设计。

C）气压与风

•三个全球性的风带：信风、西风和极风。

▲季风系，是由于海、陆加热量的年差所造成的。

▲海陆风，发生于山谷之处；沿海一带又有日风和夜风

▲城市高楼风和街道风

•海陆风

5

▲在白天，陆上的空气温度较同一纬度海上的空气温度为高，热气上升,

海上的冷气流即吹向内陆。在夜间，此过程相反。

•山谷风

▲在山区，局部的温差会造成局部地风型。

•风向和风速

▲风主要是由于地球表面接受的日辐射不均匀所引起的空气流动造成

的.同时受到地形、地势、地表覆盖、水陆分布等局部分布的影响，对

一个地区来说风的变化有一定规律。

▲地区的风向频率图（又称风玫瑰图）表示当地的风向规律。

▲表示风的强弱用风速。气象学上将风分为十二级。（表1-3）

风级风速（m/s）风名风的目测标准风级风速（m/s）风名风的目测标准

00-0.5无风|缓烟直上，树叶不动712.5〜15.2疾风树干摇摆，大枝弯曲迎风步艰

i绥烟一边斜，有风的感觉j

10.6〜1.7软风815.3〜18.2大风大树摇摆，细枝折断

21.8~3.3轻风树叶沙沙作响，风感觉显著918.3〜21.5烈风大枝折断，轻物移动

33.4〜5.2微风树叶及细枝微动不息1021.6〜25.1狂风・拔树■

45.3〜7.4和风树叶、细枝动摇1125.2〜29.0暴风■有重大损毁■

57.5-9.8清风大枝摆动12>29,0飓风风后破坏严重，一片荒凉

69.9〜12.4强风粗枝摇摆，电线呼呼作响

D）空气湿度

・空气湿度，是指大气中的水蒸气含量，湿度的表示可以用绝对湿度、

相对湿度以及大气中水蒸气分压力来表示。

▲温度的日变化和年变化影响空气湿度如下图

▲水蒸气压力主要随季节而变，通常夏季高于冬季。

▲水蒸气压力在竖向高度上的递减量较气压的递减更快，因此，水蒸气

的浓度随着海拔高度而降低。水蒸气压力最大的年变化发生在季风影响

的区域内；这些季风从海洋上带来了热的湿空气，又从内陆带来了干燥

的空气。

E）凝结与降水

6

•当含有一定量水汽的空气冷却时，容湿能力就降低，相对湿度渐渐增

值饱和。对应于饱和状态时的空气温度称为露点。当空气因受冷而温度

低于露点时，水蒸气含量就超过了空气的湿容量，过剩的水蒸气即发生

凝结。

第二讲：建筑热环境基础知识

2.1建筑中的传热现象

2.1.1传热：热量的传递

•在自然界中，只要存在温差就会有传热现象，热

能由高温部位传至低温部位。

•有三种:辐射，对流和导热。建筑物的传热大多

是三种方式综合作用的结果.

▲辐射：把热量以电磁波的形式从一个物体传向另一个物体的现象。凡温度

高于绝对零度的物体，都可以发射同时也可以接受热辐射。

▲对流：流体与流体之间、流体与固体之间发牛:相对位移时所产生的热量交

换现象。

▲导热：同一物体内部或相互接触的两物体之间由于分子热运动，热量由高温

处向低温转移的现象。

2.1.3人的热传递

•为了保持体温，人体不间断的向周围环境散发热量。

•人体与室内环境的换热也是同时以辐射、对流、导热三种方式进行。

•人体的散热量决定于：室内空气温度、风速、围护结构内表面温度。

2.2围护结构传热方式

2.2.1建筑中的热平衡

•建筑的得热和失热主要包括十个方面

7

•得热部分有五个方面：

1）通过墙和屋顶的太阳辐射得热

2）通过窗的太阳辐射得热

3）居住者的人体散热

4）电灯和其他设备散热

5）采暖设备散热

•失热部分有五个方面：

6）通过外围护结构的传热和对流辐射向室外散热

7）空气渗透和通风带走热量

8）地面传热

9）室内水分蒸发，水蒸汽排出室外所带走的热量

10）制冷设备吸热

▲为取得建筑中的热平衡，让室内处于稳定的适宜温度中，在室内达到热舒适环

境后应以上各项得热总和等于失热总和。即：1+2+3+4+5=6+7+8+9+10

2.2.2导热

•导热：直接接触的物体由于有温度差时，质点作热运动而引起的热能传递过

程。

•在固体、液体、气体中都存在导热现象。其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。固体：由平衡位置不变的质点振动引起导热。金属：通过自由电子的

转移而导热。

•绝大多数的建筑材料（固体）中的热传递为导热过程

▲温度场温度梯度热流密度

A）温度场：在某一时刻物体内各点的温度分布。

▲热量传递与物体内部温度的分布密切相关。温度f是空间坐标xyz和时间T

的函数即

8

▲不稳定温度场：温度分布随时间而变

，，*

Nt▲稳定温度场：温度分布不随时间而变

F血血小危出

▲一维温度场：温度只沿X一个坐标轴发生变化

B)温度梯度

▲等温面：温度场中同一时刻有相同温度各点连成的面。

▲温度梯度：温度差At与沿法线方向两等温面之间距离△口的比值的极限。

C)热流密度(q)

▲导热不能沿等温面进行，必须穿过等温面。

▲热流密度(q)：单位时间内，通过等温面上单位面积的热量。等温面上面

积元dF(W),单位时间内通过的热量为dQ(w)

•导热基本方程一一傅立叶定律：

•物体内导热的热流密度的分布与温度分布有密切关系。

-•傅立叶定律内容：匀质材料内各点的热流密度与温度梯度的大小成正比。

或：描述成一个物体在单位时间、单位面积上传递的热量与在其法线方向的温度

变化率成正比。

q——2—

•用公式表小：①

q一—单位时间、单位面枳上通过的热量，又称热流密度或热流强度

况

加一一等温面温度在其法线方向上的变化率叫温度梯度

八一一表示材料导热能力的系数，称导热系数

负号是因为热流有方向性，是以从高温向低温方向流动为正值;温度也

是一个向量，以从低到高为正，二者相反。

•导热系数

9

•导热系数：指温度在其法线方向的变化率（温度梯度）为1C/m时，在单位

时间内通过单位面积的导热量。导热系数大，表明材料的导热能力强。

•其物理意义：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1病截面积的导热量。

•各种物质的导热系数，均由实验确定。以金属的导热系数最大，非金属和液体

次之，气体最小。

•各种材料的人值大致范围是：气体为0.006~0.6；液体为0.07~0.7；建筑材料

和绝热材料为0.025-3；金属为2.2~420。导热系数小于0.25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。

•影响导热系数数值的因素：物质的种类（液体、气体、固体）、结构成分、

密度、湿度、压力、温度等。

2.2.3对流和表面对流换热

①自然对流和受迫对流

▲自然对流：由于流体冷热部分的密度不同而引起的流动。空气的自然对流是由

于空气温度愈高密度愈小，当环境中存在空气温差时，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。

▲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。

②对流传热和对流换热

▲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。

③表面对流换热

▲表面对流换热：在空气温度与物体表面的温度不等时，由

于空气沿壁面流动而使表面与空气之间所产生.的热交换。

▲表面对流换热量取决因素：温度差、热流方向（从上到

下或从下到上，或水平方向）、气流速度、物体表面状况（形

状粗糙程度）等。

▲表面对流换热量的表示式：一一牛顿公式%=3（2­°）

10

▲对平壁表面，当空气温度t与壁表面温度e一定时，表面对流换热量取决于“边

界层”

▲“边界层”一一指由壁面到气温恒定区之间的区域，包括层流区、过渡区、紊流

区。

▲在层流区内以空气导热传递热量。

2.2.4辐射换热

•辐射换热的特点:是发射体的热能变为电磁波辐射能，被辐射

的物体又将所接受的辐射能转换成热能，温度越高，热辐射愈

强烈。

▲一个物体时外来的入射辐射可以有反射、吸收、和透射3种情况，他们与入射

辐射的比值分别叫作物体对辐射的反射系数Y、吸收系数p、透射系数T。以入

射辐射为1,则有Y+P+T=1

▲不透明的物体丁=0则有Y+P=1

•为了方便研究，在理论上分为黑体、白体、灰体。

▲黑体：对外来辐射全吸收的物体，p=1

▲门体：对外来辐射全反射的物体，丫=1

▲透明体：对外来辐射全透过的物体T=1

▲灰体：自然界中介于黑体与白体之间的不透明物体。建筑材料多数为灰体。

A）斯蒂芬・波尔兹曼定律

•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、单位时间以波长入=0〜g的全波段向半球空间辐射的全部能

量，称为黑体的全辐射力。

黑体的全辐射力：

•用Eb表示黑体的全辐射力，单位W/m2；

•黑体的温度越高，其最大辐射力的波长愈短，如太阳相当于温度为6000K的黑

体辐射，其最大辐射力波长为0.5pm；而16c左右的常温物体发射的最大辐射

力波长约在10|jmo

11

V

工

更C

Z

XB）灰体黑度

1

B

•灰体的辐射特性与黑体近似，但在同温度下其全辐射力低于黑

体。工程上为了便于计算，将多数建筑材料视为灰体。

收直职a队的发射系数T

E=C（—）4

•灰体的全辐射力计算公式：10°

°一——灰体的辐射系数，歹/（/

T……灰体的绝对温度，

2

E……灰体全辐射力，Wlm

•黑度：黑度又称发射率，是物体辐射系数与黑体辐射系数之比。黑体的黑度

c

E=--

为1,其他物体黑度均小于1。用公式表示：a

•辐射系数：可以表征物体向外发射辐射的能力。各种物体（灰体）的辐射系

数均小于黑体。其数值大小取决于物体表层的化学性质、光洁度、颜色等。各种

物体的辐射系数是由实验可确定。

•在一定温度下，物体对辐射热的吸收系数在数值上与其黑度相等，即物体辐射

能力越大，它对外来辐射的吸收能力也越大；反之若辐射能力越小，则吸

收能力也越小。

C）反射系数

•对于多数不透明的物体来说，对外来入射的辐射只有吸收和反射，既吸收系

数与反射系数之和等于1。吸收系数越大，则反射系数越小。如右图：

•擦光的铝表面对各种波长的辐射反射系数都很大，黑色表面对各种波长辐射的

反射系数都很小；白色表面对波长为2口m以下的辐射反射系数很大，波长6Pm

以上的辐射反射系数又很小，接近黑色表面。这种现象对建筑表面颜色和材料

的选用有一定的影响。

12

Longwavelengths

aVYXMphere

D）玻璃的温室效应

•常用的普通玻璃一般为透明材料，它只对波长为

0.2〜2.5pm的可见光和近红外线有很高的透过率，而对波

长为4Pm以上的远红外辐射的透过率却很低。

•玻璃对太阳辐射中大部分波长的光可以透过，而对一般

常温物体所发射的辐射（多为远红外线）则透过率很低。

这样通过玻璃获取大量的太阳辐射，使室内构件吸收辐射

youndHMsFbMti而温度升高，但室内构件发射的远红外辐射则基本不能通

ggrMnhouM

过玻璃再辐射出去，从而可以提高室内温度。

•在利用太阳能的建筑设计中，常用这一效应为节能服务。

2.3描述湿空气的物理量

•湿空气：指的是「空气与水蒸气的混合物，室内外的空气都是含有一定水分

的湿空气。

•空气湿度：指空气中水蒸气的含量。水蒸气主要来自于水面、植物的蒸发和

其它潮湿表面，经风的携带遍布于空气中。

•描述湿空气的物理量有五个量：

▲饱和水蒸气分压力（E）：在一定温度和气压下空气中所能容纳的水蒸气量

有一定的限度，水蒸气量达到最高限度的空气称饱和空气，这时的水蒸气分压力

称饱和水蒸气分压力。用4表示，未饱和的水蒸气分压力用p表示。标准大气

压下（气压相同时），空气温度愈高它所能容纳的水蒸气量也愈多。不同

温度时的只见《建筑物理》书后附录。

▲空气的实际水蒸气分压力：在整个大气压力中有水蒸气所造成的那部分压

力，单位为己（帕）

▲绝对湿度（f）：每立方米湿空气中所含水蒸气的量。单位为g/m3

▲相对湿度（p（%）：在一定的温度和气压下空气中实际水蒸气分压力量与饱

和水蒸气分压力量之比。（p=p/psx100%

13

▲露点温度（*W）:在一定的气压和温度下，空气中所能容纳的水蒸气量有

一饱和值；超过这个侬和值（饱和水蒸气分压力），水蒸气就开始凝结，变为液

态水。饱和水蒸气分压力随空气温度的增减而加大或减小，当空气中实际含湿量

不变，即实际水蒸气分压力P不变，而空气温度降低时，相对湿度将逐渐增高,

当相对湿度达到100%后，如温度继续下降，则空气中的水蒸气将凝结析出。相

对湿度达到100%,即空气达到饱和状态时所时应的温度，成为露点温度。

2.4室内热环境及评价方法

•室内热环境构成要素是以人的热舒服程度为评价标准。一人的热舒服受以下

环境影响的因素：

▲室内空气温度

▲空气湿度

▲气流速度（室内风速）

▲环境辐射温度（室内热辐射）

•下面分别对四要素作解释：

A）室内热辐射：

•对一般民用建筑来说，室内热辐射主要是指房间周围墙壁、顶棚、地面、

窗玻璃对人体的热辐射作用，如果室内有火墙、壁炉、辐射采暖板之类的采

暖装置，还须考虑该部分的热辐射。

•室内热辐射的强弱通常用“平均辐射温度”（Tmrt）代表，即室内对人体辐射热

交换有影响的各表面温度的平均值。

•平均辐射温度也可以用黑球温度换算出来。黑球温度是将温度计，放在直径为

150mm黑色空心球中心测出的反映热辐射影响的温度。

•平均辐射温度与黑球温度间可用贝尔丁公式换算。

•平均辐射温度对室内热环境有很大影响。

▲在炎热地区，夏季室内过热的原因除了夏季气温高外，主要是外围护结构内

表面的热辐射，特别是由通过窗口进入的日辐射所造成。而在寒冷地区，如外

围护结构内表面的温度过低，将对人产生“冷辐射”，也严重影响室内热环境。

B）室内空气温度

14

•室内温度有相应的规定：冬季室内气温一般应在16~22℃,夏季空调房间的

气温多规定为24~28℃,并以此作为室内计算温度。室内实际温度则有房间内得

热和失热、围护结构内表面的温度及通风等因素构成的热平衡所决定，设计者的

任务就在于使实际温度达到室内计算温度。

C）室内空气湿度

•室内空气湿度直接影响人体的蒸发散热。一般认为最适宜的相对湿度应为

50~60%。在大多数情况下，即气温在16〜25℃时、相对湿度在30~70%范围内

变化，对人体得热感觉影响不大。如湿度过低（低于30%）,则人会感到干燥、

呼吸器官不适；湿度过高则影响正常排汗，尤其在夏季高温时，如湿度过高（高

于70%）则汗液不易蒸发，最令人不舒适。

D）室内风速

•室内气流状态影响人的对流换热和蒸发换热，也影响室内空气的更新。在一般

情况下，对人体舒适的气流速度应小于0.3m/s；但在夏季利用自然通风的

房间，由于室温较高，舒适的气流速度也应较大。

•人头顶上的自然对流速度是0.2m/s,是人体对风速可以觉察的阈值，往往

用来确定室内风速的设计标准。当空气流速W.5m/s,实验研究表明，只要把空

气温度调整的合适（提高空气温度），就可以使空气的流动几乎觉察不到。

2.4.2人的热舒服要求

•人的热舒服感主要建立在人和周围环境正常的热交换上，即人由新陈代谢的产

热率和人向周围环境的散热率之间的平衡关系。人体得热和失热过程用下式表

示：Aq=qi注q注qc

•当Aq=0时，人体处于热平衡状态，Aq=0时并不一定表示人都处于舒服状态，

因为各种热量之间可能有许多不同的组合使△qw，即人们会遇到各种不同的热

平衡，只有那种能使人体按正常比例散热的热平衡，才是舒服的。

•所谓按正常比例散热是指：对流换热占总热量的25%~30%,辐射散热为

45%~50%,呼吸和无感觉蒸发散热占25%~30%。

•当劳动强度或室内热环境要素发生变化时，正常的热平衡可能被破坏。当环

境过冷时，皮肤毛细血管收缩，血流减少，皮肤温度下降以减少散热量；当环境

过热时，皮肤血管扩张，血流增多，皮肤温度升高，以增加散热量，甚至大量出

汗使蒸发散热量qe变大，以争取新的热平衡。这时的热平衡叫“负荷热平衡”，

在负荷热平衡下，虽然Aq=0,但人体己不在舒服状态。

2.4.3室内热环境综合评价方法

15

•室内空气温度、空气湿度、气流速度(室内风速)、环境辐射温度(室内热辐

射)作为室内热环境各因素，它们是互不相同的物理量，但对人们的热感觉

来说，他们相互之间又有着密切的关系。改变其中的一个因素往往可以补偿其

他因素的不足，如室内空气温度低而平均辐射温度高，和室内空气温度高而平均

辐射温度低的房间就可以有同样的热感觉。所以，任何一项单项因素都不足说明

人体对热环境的反应。

•科学家们长期以来就一直希望用一个单一的参数来描述这种反应，这个参数叫

做热舒适指数,它综合了同时起作用的全部因素的效果C

•一般热环境书中介绍有四种综合评价方法：

(1)有效温度(effectivetemperature)ET

▲有效温度最早由美国采暖通风协会1923年推出，为室内气温、空气湿度、室

内风速在一定组合下的综合指标。在同一有效温度作用下，虽然温度、湿度、

风速各项因素的组合不同，但人体会有相同的热舒服感觉。

(2)预测平均热感觉指标(predictedmeanvote)PMV

▲PMV是80年代初得到国际标准化组织(ISO)承认的一种比较全面的热舒指

标，丹麦房格尔(P.OFanger)综合了近千人在不同热环境下的热感觉试验结

果，并以人体热平衡方程为基础，认为人在舒服状态下应有的皮肤温度和排汗

散热率分别与产热率之间存在相应关系，即在一定的活动状态下，只有一种皮肤

温度和排汗散热率是使人感到舒适的。他们之间的数值关系为：

(3)作用温度(operativetemperature)

(4)热应力指标(heatstressindex)

第三讲：建筑材料的热工特性和建筑围护

结构的

传热原理及计算

3.1建筑围护结构的传热过程

•房屋围护结构时刻受到室内外的热作用，不断有热量通过围护结构传进传出。

在冬季室内温度高于室外，热量由空内传向室外；在夏季则正好相反，热量

由室外传向室内。

16

•热量的传递称传热。在自然界中，只要存在着温差，就会有传热现象，而且热

能是由温度较高的部位传至温度较低的部位，其方式有辎射、对流和导热三种。

▲传导(Conduction),是固体内热转移的主要方式

▲对流(Convection),是流体即液体与气体内热转移的主要方式

▲辐射(Radiation),是自由空间热转移的主要方式

_3.1.2围护结构的传热过程和传热量

•传热有3个基本过程，即：表面感热、构件传热、表面散热，主

要传热方式见表：

▲表面吸热冬季内表面从室内吸热，夏季外表面从室外空诃吸

热；

O恒定的热作用

▲结构传热--热量由高温表囱传向低温表面；

▲表面放热■一冬季外表面向室外空间散发热量，夏季内表面向室内散热。

每一个传热过程都是三种基本传热方式的综合过程。

表面吸热和表面放热的机理是相同的，称为“表面换热”

•表面换热

▲表面总换热量是对流换热量(qc)与辐射换热量(qr)之和。即：

•结构传热

▲在建筑热工学中，结构传热只对平壁传热作叙述，平壁不仅包括平直

的墙壁、屋顶、地板，也包括曲率半径较大的墙、穹顶等结构。

▲本课程的结构传热只讨论一个方向的热流传递,即一维传热或单向传热。

▲依据室内外温度的特点，结构传热分为两种方式：

①.稳定传热(恒定的热作用)：

▲结构两侧(室内和室外)有温差，且室内温度和室外温度不随时间而改变。

▲冬季采暖房屋，外围护结构的保温设计，一般按稳定传热计算。

②.不稳定传热(周期热作用)：

17

▲结构两侧有温差，但温差方向的温度不是恒定而是随时间在变化。

▲在建筑上遇到的不稳定传热多属周期性不稳定传热，即热作用和结构内部

温度呈周期性变化。

▲按热作用的情况，不稳定传热分为：1)单向周期热作用(如空调房间的隔热设

计)；2)双向周期热作用(如自然通风房间夏季隔热设计)。

3.2导热系数及材<•>…L<>>1

料的热工特性

3.2.1导热系数

•导热系数是反映材料导热能力的主要指标。

•导热系数(入)的物理意义：在稳定传热状态下当材料厚度

为1m、两表面的温度差为1C(1K)时，在一小时内通过

材料导热系数表达图示2

1加截面积的导热量

•各种物质(气体、液体、固体)的导热系数数值范围和性质有所不同，

它还与当时的压力、温度、密度、含湿量有关。

▲气体的导热系数最小，如常温常压下空气的导热系数为0.029VW(m,K),

静止不动的空气具有很好的保温能力。液态的导热系数大于空气，如水在

常温常压下，其导热系数为0.58W/(m・K),为空气的20倍。金属的导热系

数最大，如建筑钢材导热系数为58.2W/(m-K)o非金属固体材料，如大部分

建筑材料，导热系数一般低于金属材料，介于0.023〜3.49W/(m-K)之间。

3.2.2导热系数与温度、湿度、和密度的关系

•温度的影响

▲温度升高时，分子运动加强，使实体部分的导热能力提高；同时，空隙中的

对流、导热和辐射能力也加强，从而材料的导热系数增加。

•湿度的影响

▲各种材料与潮湿的空气接触后，材料总会吸收一些水分，材料受潮后，由于孔

隙中有了水分，增加了水蒸气扩散的传热量，还增加了毛细孔中液态水分所传导

的热量，导热系数将显著增大。水和冰的导热系数分别为0.58W/(m・K)、2.33W/

18

(m-K)都远大于空气的导热系数(0.03W/(m-K)),因此水或冰取代孔隙

中的空气必然使其导热系数加大。

•密度的关系

▲密度即单位体积的材料重量，密度小的材料内部孔隙多，由于空气导热系

数很小，故密度小的材料导热系数也小，良好的保温材料多是孔隙多、

密度小的轻质材料。但，当密度小到一定程度后，在加大孔隙，大的孔隙中

空气对流作用增强，对流换热增加，加大了材料的导热能力。因此，轻型(如纤

维)材料有一个最低导热系数的密度界限。

3.2.3隔热保温材料•一绝热材料

•导热系数越小，说明材料越不易导热。工程上常将导热系数入V0.25W/

(m-K)的材料称为隔热保温材料或绝热材料。如矿棉、泡沫塑料等。

•绝热材料可以归纳为三类：

①.轻型成型材绝热

▲轻型成型绝热材料分为无机材料和有机材料，其的导热系数及应用见下表(表

3-1)

②.空气层绝热(airspaceinsulation)

•在没有对流的条件下，厚边界空气膜具有高热阻性能。常见的形式：

▲轻型墙面空气间层；

▲窗帘与墙面空气间层；

▲双层、三层、四层玻璃间空气间层。

③.反射绝热材料(reflectiveinsulation)

•利用磨光金属表面的高反射性与低发射性减少热传递」

▲铝箔做成单层卷材用作屋顶衬垫和墙布。

▲用格网将多层铝箔隔开做成多层铝箔绝热层，安装后可得到附加的空气间层。

3.2.4封闭空气间层的热阻

19

•静止的空气介质导热性很小，在建

筑设计中常用封闭间层作为围护

结构的保温层。空气间层的传热：

是有限空气层的两个表面之间的热

转移过程，包括对流换热和辐射换

热。

•空气间层的热阻主要取决于间层两

个表面间的辐射和对流换热的能力：

即取决于表面材料的辐射系数、闾层

传热过程形状、厚度、设置方向（水平或垂直）

及间层所处的环境温度。

•垂直封闭空气间层辐射与对流传热量的比较如图:

垂直间层内不同传热

▲?，，线〜，线：间层空气的辐射换热量。

方式的传热量的比较3,

▲“1”线：间层空气静止态纯导热量。

▲“2”线：间层空气对流换热量。

▲“3”线：间层空气的总的传热量。辐射换热量占总换热量的70%。

•减少空气间层传热，提高间层热阻方法：

▲将空气间层布置在维护结构的冷侧，降低间层的平均温度，减少辐射换热量。

▲在间层壁面上涂贴辐射系数小的反射材料，目前建筑中采用的主要是铝箔。

3.3稳定传热

3.3.1一维稳定传热的特征

•在单位时间、单位面积上通过平壁的热量即热流强度q处处相等。就平壁内

任一截面而言，流进流出的热量相等。

•同一材质的平壁内部各界面温度分布呈直线关系。

=/izll

▲一维稳定传热的计算公式：*

式中:低温表面温度;

20

4.......高温表面温度

4...热流密度，w/m2即

单位面积上的热流量或热

流强度。

多层平壁导热&——单•实体材料的厚

度。

•单层匀质平壁的导热:

▲热阻定义：稳定传热计算公式中，d/人定义为热阻，用R表示。是热量由平壁

内表面传至外表面过程中的阻力，表示平壁抵抗热流通过的能力。热阻越大，通

过材料的热量越小，围护结构的保温性能越好。

园］，(m2•K/W)

d

▲单层匀质平壁的稳定导热方程:I

R=一

其中热组：4

•多层平壁的导热

多层平壁由几层不同材料组成的平壁，见右图。如双面抹灰的砖砌墙体。

▲多层平壁导热计算公式：

▲多层半壁的总热阻等于各层热组的总和

•多种材料组合成的平壁导热

在实际应用中围护结构有时是两种或两种以上的材料组合而成的复合结构，如空

心楼板、带肋的填充墙等。如图

▲求组合壁的导热量c,关键是求组合壁的平均热阻，其R的计算公式如下：

21

一（玛+&）5

式中:

3.3.3平壁的稳定传热过程

•内表而吸热%：%=-4）

+血+血

电=（月-a"v

•平壁材料层的导热心：&0

•外表面的散热表：％-照-“

•一维稳定传热过程应该有：心二心=心。通过平壁的传热量q为:

在单位时间内通过平壁单位面积的传热量，单位是印・太）。

1—t.

q=-----

假如把该式写成热阻形式，则有：耳

1汨.=.+21+t［、尾=尼+系+凡

比较两式，可得％44或魂

其中内外表面的换热组、内外表面的换热系数分别见表：

内表面换热系数％和换热阻舄（表3-2）

表面特性

墙面、地面、表面平整或有肋状突出物的顶棚

22

s<0.3)

有肋状突出物的顶棚g/s>03）7.60.13

外表面换热系数%及外表面换热阻兄值（表3-3）

适用季节表面特征

外墙、屋顶、与室外空气直接接触的表面23.00.04

与室外空气相通的不采暖地下室上面的

17.00.06

楼板

冬季

闷顶、外墙上有窗的不采暖地下室上面的

12.00.08

楼板

外墙上无窗的不采暖地下室上面的楼板6.00.17

夏季外墙和屋顶19.00.05

•平壁内部温度的计算包括三方面：

▲求壁体内表面温度。

▲计算多层平壁内任一层的内表面温度。

▲求壁体外表面温度。

•计算公式如下式：

壁体内表面温度4：

对于多层平壁内任一层的内表面温度％,可写成

根据？=%=以得出外表面的温度用

2=4-三(D

(…)

或及

3.4周期性不稳定传热

23

•在建筑实践中真正的稳定传热是不存在的，I制护结构所受到的环境热作