建筑物理——热工学基础知识.ppt

1、建筑物理讲义,2020/7/17,建筑物理,主讲人: 南新军 电 话:建筑物理讲义,绪论,建筑物理概述 一、为什么要学习建筑物理知识？ 二、建筑物理知识包括那些范畴？ 三、如何通过建筑物理知识的应用解决工程技术问题？,建筑物理讲义,建筑物理,建筑物理是建筑学专业的选修课，通过本课程的教 学，使学生把建筑艺术与建筑技术有机的融为一体，使之掌 握室内物理环境基本设计原理与方法、处理与设计有关的技 能和措施。它是建筑设计理论组成部分，并且为建筑设计和 建筑创作提供必要的基础。目的在于使学生理解并掌握建筑 物中的热环境、声环境、光环境设计的基本知识，充分利用 自然能源，确保室

2、内环境的质量，以满足人们生活质量不断 提高的要求。,一、课程性质与目的,建筑物理讲义,第一章 筑热工学基本知识 第二章 围护结构的传热原理及其计算 第三章 建筑保温设计 第四章 外围护结构的湿状况第五章 建筑防热 第六章 建筑日照第七章 建筑光学基础知识第八章 天然采光第九章 建筑照明第十章 建筑声学基础知识第十一章 室内声学原理第十二章 吸声材料与吸声结构第十三章 室内音质设计第十四章 噪声控制与建筑隔音建筑物理实验 8 学时,30学时,12学时,12学时,二、课程教学内容：,理论教学,实验教学,建筑物理讲义,三、课程教学的基本要求： 1.要求学生在理解建筑传热、声音传播等物理规律的基础上，

3、懂得客观物理现象“是什么”？ “为什 么” ？； 2.结合相应的设计实践，懂得“做什么”？ “怎么做”？能运用理论知识解决设计中所碰到的一些技术问题，以提高今后工作中的后劲。四、教学要求 ： 教学要求：通过学习，学生应较好的掌握热工学、光学，了解声学 相关的基本理论知识，并能运用这些知 解决工程实际问题，尤其是建筑节能设计问题。,建筑物理讲义,五、与其它相关课程的关系： 本课程的前续课程，主要与建筑材料、建筑构造紧密联系，要求后续课程：住宅设计（保温、防热），影剧院设计、陈展馆（博物馆）设计相配合。,建筑物理讲义,第一篇 建筑热工学 （32学时）本篇主要内容： 建筑热工学基本知识 围护结构的传

4、热原理及其计算 建筑保温设计 外围护结构的湿状况 建筑防热 建筑日照,建筑物理讲义,第一章 建筑热工学基础知识, 1-1 建筑中的传热现象 热量的传递称为传热，只要 存在温差，就会有传热现象。 热传导的几种方式： 导热传热分子热运动 对流传热相对位移 辐射传热电磁波,建筑物理讲义,建筑物理讲义,1-2围护结构传热基础知识一、导热概念：导热是指物体中有温差时由于直接接触的物质的质点 作热运动而引起的热量传递过程。 固体 平衡位置不变的质点振动 气体 分子的无规则运动相互碰撞 液体 平衡位置间歇移动着的分子振动1.温度场、温度梯度和热流密度 温度 t与空间坐标x，y，z和时间的函数关系： t =f

5、（ x，y，z ，） （1-1） 温度场：在某一时刻物体内各质点的温度分布，称为温度场等温面：温度场中同一时刻由相同温度连成的面叫“等温面”温度梯度： （1-2）,建筑物理讲义,热流密度:通过等温面上单位面积的热量称为热流密度。设单位时间内通过等温面上微元面积dFm2的热量为dQW则热流密度可表示为： (1-3) 由式（13)得： 或： (1-4) 如果热流密度在面积F上均匀分布，则热流量为： (1-5),w/m2,建筑物理讲义,2.傅立叶定律 法国数学物理学家傅立叶于1822年最先发现提出的导热规律：匀质材料物体内各点的热流密度与温度梯度的大小成正比，即 （1-6） 式中是个比例常数，恒为正

6、数，叫做材料的导热系数。负号是表示热量传递只能沿温度降低的方向进行。 3.导热系数 定义：当温度梯度为1C/m时，在单位时间内通过单位面积的导热量。 由式（1-6） w/(m .k) (1-7),建筑物理讲义,一般来说,以金属的最大,非金属和液体次之,气体的最小。工程上通常把导热系数小于0.25的材料，作为绝热材料。,导热系数还与温度有关，即： = 0+bt,式中00C时的导热系数 b 实验测定常数,二、对流 对流传热只发生在流体之中。,建筑物理讲义,概念：温度不同的各流体之间发生相对运动、互相掺合而传递热能的一种传 热方式。分为两种： 自然对流本来温度相同的流体，因其中一部分受热（或冷）而产

7、生温差，形成对流运动。 受迫对流受外力作用迫使流体运动。 在建筑热工中所涉及的主要是空气沿围护结构表面流动时，与壁面之间所产生的热交换过程（表面的对流换热），包括： 1）空气流动时所引起的对流传热； 2）空气分子间和相接触的空气分子与壁面分子之间的导热 对流换热量可用牛顿公式：,(1-8),Qc对流换热强度 t 流体的温度 ac 对流换热系 固体表面温度,w/m2,w/(m2 .k),建筑物理讲义,1.自然对流（指围护结构内表面） 垂直表面 （1-9） 水平表面（热流由下而上） （1-10） 水平表面（热流由上而下） （1-11） 上式中 是壁面与室内空气的温度差,下面讨论对流换热系数,2.受

8、迫对流 内表面 外表面,（1-12）,（1-13）,式中 是气流速度，m/s,建筑物理讲义,三、辐射 概念：与导热和对流在机理有本质的区别，它是以电磁波的形式传递热能，凡是温度高于绝对零度的物体都存在辐射。 1.物体的辐射特性 黑体：能发射全波段的热 辐射，在相同的温度条件下， 辐射能力最大。,建筑物理讲义,灰体：其辐射光谱具有与黑体辐射光谱相似的形状，且对应每一波长的单色辐射力 与同温同波长的黑体的 的比值 为一常数 ，即,比值 称为“发射率”或“黑度”,非灰体:其辐射光谱具有与黑体光谱截然不同,甚至有的只能发射某些波长的辐射线。 一般建筑材料都可看作灰体。 斯蒂芬波尔兹曼定律： 黑体和灰体

9、的全辐射能力与其表面的绝对温度的四次幂成正比。即：,（1-14）,（1-15）,C物体的辐射系数 w/(m2.k4) T物体表面的绝对温度,K,黑体的辐射系数Cb=5.68是由实验测得的,建筑物理讲义,由式（1-14）可得灰体的辐射系数：,(1-16),2.物体表面对外来辐射的吸收与反射特性 任何物体不仅具有向外发射热辐射的能力，而且对外来的辐射具有吸收和反射的特性，某些物体还具有透射特性。,(1-18),建筑物理讲义,3.物体之间的辐射换热,换热量按下式计算：,或,（1-19）,从上式可以看出，换热量与表面温度有关。,建筑物理讲义,第一章 建筑热工学基础知识, 1-2围护结构传热基础知识,四

10、、围护结构的传热过程 一般要经过三个过程,1）表面吸热 2）结构本身传热 3）表面放热,建筑物理讲义,严格地讲，每一传热过程都是三种基本传热方式的综合过程。,1.表面换热,建筑物理讲义,2.结构传热,平壁厚度尺寸比另外两个方向尺寸 小的多的构件称为平壁。单一 材料组成的平壁叫做单层平壁。,在工程上仅对均匀材料进行研究,由式（1-6）得在单位时间内，通过单位面积的热流热流强度为：,（w/m2）,（1-21）,建筑物理讲义,当平壁两侧的温度不随时间变化时，此种传热称为: “稳定传热”。,建筑物理讲义,1-3湿空气的物理性质,一、水蒸气分压力 湿空气干空气和水蒸气的混合物在温度、压力一定的条件下，一

11、定容积的干空气所能容纳的水蒸气量是有限的，当水蒸气含量达到这一限度时，该湿空气叫做“饱和”的。,建筑物理讲义,根据道尔顿分压定律，湿空气的压力等于干空气的分压力和水蒸气分压力之和，即,处于饱和状态的湿空气中水蒸气所呈现的压力叫做“饱和水蒸气压”或最大水蒸气分压力，用PS表示,PS与温度的关系:,建筑物理讲义,二、空气湿度 概念：表示空气的干湿程度。,水蒸气的实际分压力可近似按下式表示:,（1-23）,（1-24）,相对湿度：在一定温度、一定大气压力下， 湿空气的绝对湿度f与同温同压下饱和水蒸 气量fmax的百分比。,建筑物理讲义,相对湿度也可用公式：,（1-25）,三、露点温度td 概念:本来

12、不饱和的空气，因温度降低而达到饱和状态，这一特定的温度称为露点温度。,建筑物理讲义,【例题】,已知室内空气的温度t=20C,相对湿度=60.5%,试求该室空气的露点温度td。 解首先应求出该居室的实际水蒸气分压力P, 从附录2中查得Ps=2337.1Pa； 由式（1-25）得 P=PS=2337.1x60.5% =1413.9Pa 从附录2中查得Ps=1413.9Pa对应的 温度td=12.15 C,建筑物理讲义,1-4室内热环境,室内环境包括：,一、室内热环境构成要素及对人体热舒适的影响 构成要素：空气温度、空气湿度、 气流速度、环境辐射温度,建筑物理讲义,热平衡公式：,=0时，体温恒定不变； 0时，体温上升； 0时，体温下降。,qm人体产热量，w qe人体蒸发散热量，w qr人体辐射换热量，w qc人体对流换热量，w,建筑物理讲义,二、室内热环境的评价方法和标准,有效温度 ET作为衡量一个房间热环境的指标,时主观热感觉相同，则B房间的有效温度ET=20C,建筑物理讲义,评价标准,有效温度ET 43 40 35 30 25 20 15 10,主观热感觉 允许上限 酷热 炎热 热 稍热 适中 稍冷 冷 寒冷 酷冷,建筑物理讲义,1-5室外热环境,一、地区性气候及其特征 我国将整个地区划分为五个气候区： 严寒地区