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建筑热环境热环境绪论建筑物和它所处的城市环境常年受到各种气候因素的作用，诸如风、霜、雨、雪、太阳辐射等，一般统称为建筑气候的热湿作用。建筑物外围护结构又将人们的生活与工作空间分为室内和室外两部分，因而，建筑热环境也就分为室内热环境和室外热环境。在建筑物经受室内外各种热环境因子的作用时，属于室外的因素如太阳辐射、空气的温湿度、风、雨雪等，一般称之为“室外热湿作用”；属于室内的如空气温湿度、生产和生活散发的热量与水分等，则称之为“室内热湿作用”。人们为了营造所需要的建筑和城市热环境，就必须从建筑气候环境的变化规律出发考虑相应的对策。因此，建筑气候环境的热湿作用是建筑工程设计和城市规划设计的重要依据，它不仅直接影响工程设计的热环境质量，也在很大程度上影响建筑和城市的可持续发展。建筑热工学的任务是介绍建筑热工学原理，论述如何通过建筑规划和设计上的相应措施，有效地防护或利用室内外环境的热湿作用，合理解决建筑和城市设计中的防热、防潮、保温、节能、生态等问题，以创造可持续发展的人居环境。当然，在大多数情况下，单靠建筑措施是不能完全满足对室内外热环境的要求的。为了获得合乎标准的室内外热环境，往往需要配备适当的设备，进行人工调节。如在寒冷地区设置采暖设备，在炎热地区采用空调通风设备等等。但须注意的是，只有首先充分发挥各种建筑措施的作用，再配备一些必不可少的设备，才能做出技术上和经济上都合理的设计。建筑气候环境的基本特征、围护结构传热传湿的基本原理和计算方法是建筑热工学的中心内容。同时还必须了解材料的热物理性能，重视构造处理的技能，才能正确解决实际的设计任务。本篇内容着重介绍一般工业与民用建筑的热工设计，包括建筑保温设计、防潮设计、防热设计和建筑节能设计等。对于某些特殊用途的房间(如高湿、恒温恒湿房间等)的热工设计，除须应用本篇所述的内容以外，还得参阅有关的专著和文献。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。1.1.1地区性气候及其特征对建筑的影响气候因素（日照、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。1.1.2气候与地方特征的技术策略：.建筑本身适应地域气候；.建筑所使用的材料尽可能的就地取材；.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；.建筑形式多采取低层高密度的模式；.采用一种可逐渐增长的模式，便于改建和扩建；.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。 1.2.1我国的气候分为五大区：严寒地区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）分区名称分区指标设计要求主要指标辅助指标严寒地区最冷月平均温度-10日平均温度5的天效 145d必须充分满足冬季保温要求，一般可不考虑夏季防热寒冷地区最冷月平均温度0-10日平均温度5的天数90145d应满足冬季保温要求，部分地区兼顾夏季防热夏热冬冷地区最冷月平均温度010最热月平均温度2530日平均温度5的天数090d日平均温度25的天数40110d必须满足夏季防热要求，适当兼顾冬季保温夏热冬暖地区最冷月平均温度10最热月平均温度2529日平均温度25的天数100200d必须充分满足夏季防热要求，一般可不考虑冬季保温温和地区最冷月平均温度013最热月平均温度1825日平均温度5的天数090d部分地区考虑冬季保温，一般可不考虑夏季防热1.2.2世界气候分区：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：.太阳辐射.空气温度.气压与风.大气湿度.凝结与降水A）太阳辐射太阳辐射是来自太阳的电磁波辐射在地球表面上，太阳光谱的波长范围约在0.283.0微米之间。太阳光谱可大致划分为三个区段：紫外线、可见光（可见光的波长：0.38至 0.76微米）、红外线。太阳常数在地球大气层外，太阳与地球的平均距离处，与太阳光线相垂直的表面上、单位面积、单位时间里所接收到的太阳辐射能称为太阳常数。太阳常数值约为1367W/长波辐射与短波辐射凡是起源于太阳的辐射，包括地球上水面、玻璃和混凝土对太阳辐射的反射以及天空和云层的散射均属短波辐射。建筑物这一部分和另一部分之间通常传递的辐射能以及最后辐射输出的能都是长波辐射。直射辐射与散射辐射太阳辐射在透过大气层到地面的过程中又受到大气层中臭氧、水蒸气、二氧化碳等的吸收和反射而减弱。其中一部分穿过大气层直接辐射到地面的称为直射辐射；被大气层吸收后，再辐射到地面的称为散射辐射。 B）室外温度室外空气温度取决于地球表面温度室外气温通常指距地面1.5m高、背阴处的空气温度。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。空气温度取决于地球表面温度温度的年变化和日变化室外气温与城市热岛现象在建筑物与人口密集的大城市，由于地面覆盖物吸收的辐射热多，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，尤其在夏季日辐射照度很大时，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000.5无风缓烟直上，树叶不动712.515.2疾风树干摇摆，大枝弯曲迎风步艰10.61.7软风绥烟一边斜，有风的感觉815.318.2大风大树摇摆，细枝折断21.83.3轻风树叶沙沙作响，风感觉显著918.321.5烈风大枝折断，轻物移动33.45.2微风树叶及细枝微动不息1021.625.1狂风拔树45.37.4和风树叶、细枝动摇1125.229.0暴风有重大损毁57.59.8清风大枝摆动1229.0飓风风后破坏严重，一片荒凉69.912.4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。2.1.2传热方式有三种: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、流体与固体之间发生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+102.2.2 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 t是空间坐标x y z和时间的函数即不稳定温度场：温度分布随时间而变稳定温度场：温度分布不随时间而变一维温度场：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t与沿法线方向两等温面之间距离n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()，单位时间内通过的热量为dQ(w)导热基本方程傅立叶定律：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。用公式表示：q单位时间、单位面积上通过的热量，又称热流密度或热流强度等温面温度在其法线方向上的变化率叫温度梯度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。导热系数导热系数：指温度在其法线方向的变化率（温度梯度）为1/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1时，在一小时内通过1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。各种材料的值大致范围是：气体为0.0060.6；液体为0.070.7；建筑材料和绝热材料为0.0253；金属为2.2420。 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。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。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：牛顿公式 对平壁表面，当空气温度t与壁表面温度一定时，表面对流换热量取决于“边界层”“边界层”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。一个物体对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、吸收系数、透射系数。以入射辐射为1，则有不透明的物体则有为了方便研究，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，白体：对外来辐射全反射的物体，透明体：对外来辐射全透过的物体灰体：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=0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0.5m ；而16左右的常温物体发射的最大辐射力波长约在10m 。B）灰体 黑度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。灰体的全辐射力计算公式：-灰体的辐射系数，-灰体的绝对温度，；-灰体全辐射力，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。黑体的黑度为1，其他物体黑度均小于1。用公式表示：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2m以下的辐射反射系数很大，波长6 m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。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0.22.5m的可见光和近红外线有很高的透过率，而对波长为4m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而温度升高，但室内构件发射的远红外辐射则基本不能通过玻璃再辐射出去，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：指的是干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()：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 (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（）：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/ps100 露点温度（）：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；超过这个饱和值（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对应的温度，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。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）室内空气温度室内温度有相应的规定：冬季室内气温一般应在1622，夏季空调房间的气温多规定为2428，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5060%。在大多数情况下，即气温在1625时、相对湿度在3070%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0.5m/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：当q=0时，人体处于热平衡状态，q=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q=0，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q=0，但人体已不在舒服状态。2.4.3 室内热环境综合评价方法室内空气温度、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。一般热环境书中介绍有四种综合评价方法：（1）有效温度（effective temperature）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（predicted mean vote） PMVPMV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 .O. Fanger）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（operative temperature）（4）热应力指标（heat stress index）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，热量由室内传向室外；在夏季则正好相反，热量由室外传向室内。3.1.1建筑围护结构热转移方式热量的传递称传热。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，其方式有辐射、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间吸热；结构传热-热量由高温表面传向低温表面；表面放热-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：.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。.不稳定传热（周期热作用）：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（）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1（1K）时，在一小时内通过1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0.029 W/（mK），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0.58 W/（mK），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58.2 W/（mK）。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0.0233.49 W/（mK）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0.58 W/（mK）、 2.33W/（mK）都远大于空气的导热系数（0.03 W/（mK），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-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0.25 W/（mK）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：.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）.空气层绝热（air space insulation ）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。.反射绝热材料（reflective insulation）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、间层形状、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：“2”线“3”线：间层空气的辐射换热量。“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。一维稳定传热的计算公式： 式中：-低温表面温度；-高温表面温度-热流密度，w/m2即单位面积上的热流量或热流强度。-单一实体材料的厚度。3.3.2平壁内的导热过程单层匀质平壁的导热：热阻定义：稳定传热计算公式中，d/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。单层匀质平壁的稳定导热方程： 其中热组：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：多层平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q ，关键是求组合壁的平均热阻，其R的计算公式如下：式中：3.3.3 平壁的稳定传热过程内表面吸热：平壁材料层的导热：外表面的散热：一维稳定传热过程应该有：。通过平壁的传热量q为： 叫作平壁的传热系数，其物理意义：当温差为1时，在单位时间内通过平壁单位面积的传热量，单位是。假如把该式写成热阻形式，则有：比较两式，可得或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（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()8.70.1l有肋状突出物的顶棚()7.60.13外表面换热系数及外表面换热阻值（表3-3）适用季节表面特征冬季外墙、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楼板17.00.06闷顶、外墙上有窗的不采暖地下室上面的楼板12.00.08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19.00.053.3.4平壁内部温度的计算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：对于多层平壁内任一层的内表面温度，可写成根据得出外表面的温度或 3.4 周期性不稳定传热在建筑实践中真正的稳定传热是不存在的，围护结构所受到的环境热作用是随时间变化的，尤其是室外环境因不能进行人工调节，所以每时每刻都在变化。外界热环境随时间发生变化时，围护结构内部的温度和通过围护结构的热流量也将发生变化。若外界热作用随时间出现周期性变化，这种传热过程叫周期性不稳定传热。3.4.1 谐波热作用在周期性波动的热作用中，最简单最基本的是谐波热作用；即温度随时间的正弦或余弦函数作规则变化（见图。一般用余弦函数表示，如下式：其中：-在时刻的介质温度，；-在一周期内的平均温度，；-温度波的振幅，即最高温度与平均温度之差，；-温度波的周期，h。对室外温度波，一般以24h为一周期；-以某一指定时刻（如从午夜零点）起算的计算时间，h.；-温度波的初相角，度，即从起算时刻（一般为午夜零点）到温度波达到最高点的时间差，以角度计（如以24小时为一周期即360，则1小时相当于15 ）。若起算时刻区在温度出现最大值处则=03.4.2 谐波热作用的传热特征平壁在谐波热作用下具有以下几个基本传热特性：室外温度和平壁表面温度、内部任意截面处的温度都是同一周期的谐波动，都可用余弦函数表示。从室外空间到平壁内部，温度波动振幅逐渐减小，即：室外温度波的振幅（）平壁外表面温度波的振幅（）平壁内表面温度波的振幅（），这种现象叫做温度波的衰减。传热衰减的程度，即为平壁的总衰减度，用表示从室外空间到平壁内部，温度波的相位逐渐向后推延，即：室外温度波的初相位（）平壁外表面温度波的初相位（）平壁内表面温度波的初相位（）。3.4.3 谐波热作用下材料和围护结构的热特性指标在周期性传热过程中，传热量的多少与材料、材料层的蓄热系数及材料层的热惰性有关。材料的蓄热系数（S）:一匀质半无限大壁体，在其一侧受到周期性波动热作用，迎波面（即直接受到外界热作用的一侧表面）上接受的热流振幅与材料表面温度波动的振幅之比，叫材料的蓄热系数，用表示，。-材料的导热系数，比热，密度。材料的蓄热系数（S）反映了材料对波动热作用反应的敏感程度，在同样波动热作用下，蓄热系数大的材料，表面温度波动较小，即热稳定性好。当波动周期为24小时，得以24小时为周期的材料蓄热系数，并可按下式计算。即：围护结构内表面蓄热系数当房间内供暖不稳定、具有周期性变化时，通过围护结构的热流量也必不稳定，围护结果内表面的温度必将随之而产生周期性变化，通过围护结构内表面热流波动的振幅与内表面温度波动振幅之比，称为围护结构内表面蓄热系数，以公式表示如下：内表面蓄热系数表示在周期性热作用下，直接受到热作用一侧的表面对周期性热作用反应敏感程度特性的指标。越大，表明在同样的周期性热作用下，内表面温度波动越小，即温度越稳定。围护结构内表面蓄热系数值反映了围护结构内表面的热稳定性。内表面蓄热系数的数值和围护结构各层材料的性质及厚度有关，大致可分为两种情况加以考虑：当围护结构内表面有较厚的一种材料组成时，内表面蓄热系数可用这层材料的材料蓄热系数( )值来表示。当围护结构内表面材料层不很厚时，如由多层材料构成的屋顶或外墙，其内表面温度的波动振幅不仅与面层材料的物理性质有关，而且与其后面材料的性能有关,即在顺着热流波动前进的方向与该材料相接触的介质（另一种材料或空气）的热物理性能和散热条件对内表面的波动也有影响。围护结构内表面蓄热系数的计算：对各层编号是从波动热作用方向的反向编起的；构造层中某一层为厚层时，该层的，内表面蓄热系数可从该层算起，后面各层就不再计算计算方法为：依照围护结构的材料分层，逐层计算。 围护结构的热惰性指标当围护结构的表面受到周期性热作用后，温度波将向结构内部传递，同时不断衰减，直到背波面（如波动热作用在外侧，则指内表面) 。热惰性指标是表明背波面上温度波衰减程度的一个主要数值，它表明围护结构抵抗周期性温度波动的能力。对单一材料围护结构，热惰性指标为材料热阻与材料蓄热系数的乘积。表示为：对多层材料的围护结构，热惰性指标为各材料层热惰性指标之和：、分别为各材料层的热阻和蓄热系数。围护结构中空气层的蓄热系数（）为0，该层热惰性指标为0。温度波的衰减与热惰性指标的关系。材料层的热惰性指标愈大，说明温度波在期间的衰减愈大。温度波的衰减与材料层的热惰性指标是呈指数函数关系。即式中：-温度波在x层处的衰减度（衰减倍数）；-波动热作用表面的温度波动振幅，；-x层的温度波动振幅，。-自然对书的底，=2.71828。温度振幅衰减倍数达到2时，称这层材料为“厚”层，或“剧烈波动层”，如衰减倍数为2，则D值需等于1，由此得出以热惰性指标D是否大于1作为材料层是否为“厚”层的判断。如200mm厚加气混凝土D值为3.263，370mm厚的砖墙D值为4.856，在同样条件下，后者的内表面温度波动小，温度较稳定。3.4.4 谐波热作用下平壁的传热计算计算要解决的问题：当围护结构一侧或两侧同时受到周期波动的热作用情况下，计算要解决的问题是：求围护结构内表面的温度。内表面的温度是热工设计主要关心的问题。如果平壁两侧（室内、外）分别受到谐波热作用，其热作用分别用下式表示：外侧：内侧：室内外两侧热作用平均温度都是定值，则其综合过程可分解成三个分过程：在室内平均温度和室外平均温度作用下的稳定传热过程。室外为周期性热作用，室内一侧温度不变，由此在平壁内表面引起的温度波动振幅为；室内为周期性热作用，室外一侧其温度不变，由此在平壁内表面引起的温度波动振幅为双向谐波热作用传热过程的分解求每一个分过程的热作用在内表面引起的温度的合成即为综合过程在内表面引起的温度。（1）在室、内外平均温度作用下，按稳定传热计算平壁内表面的温度:（2）单向谐波热作用-室外温度变化，室内温度视为稳定，即在外侧谐波热作用下所引起的内表面温度谐波:（3）单向谐波热作用-室内温度变化，室外温度视为稳定，即在内侧谐波热作用下所引起的内表面温度谐波:有三个分过程的振幅和初相位，确定内表面合成波的振幅和初相位，从而确定内表面的温度（任一时刻的温度和最高温度）3.4.5 温度波在平壁内的衰减和延迟计算 在求双向热作用下平壁内表面的温度时，牵涉到衰减度和延迟时间的计算，在这里引用什克洛维尔提出的一种近似计算法：（1）室外为周期热作用，传至平壁内表面时的衰减倍数和延迟时间的计算：当周期Z=24小时，则延迟时间为：（2）室内为波动热作用，传至平壁内表面时（室外温度视为稳定情况下）的衰减倍数和延迟时间的计算公式：若用时间表示相位延迟，当Z=24小时，则内表面的延迟时间为：第四讲：建筑围护结构保温建筑保温问题在我国大约有占全国总面积70%的地区冬季室内需要采暖。这些地区的建筑在设计上既要考虑保证良好的室内热环境，还要注意节省采暖的能耗和建造费用，即需要注意建筑保温问题。建筑保温包括：围护结构保温建筑方案设计中的保温综合处理4.1 围护结构保温设计围护结构冬季保温设计是取阴寒天气作为设计基本条件。室外为稳定低温，并且昼夜温度波动较小，室内是由供暖设备保持一定温度，热量持续由室内流向室外，因此冬季围护结构的传热可以粗略的主要按稳定传热计算，见下图。4.1.1 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。围护结构保温能力的选择主要是根据气候条件和房间的使用要求，并按照经济和节能的原则而定。围护结构对室内热环境的影响，主要是通过内表面温度体现的。如内表面的温度太低，不仅对人产生冷辐射，影响到人的健康，而且如温度低于室内露点温度，还会在内表面产生结露，并使围护结构受潮，严重影响室内热环境并降低围护结构的耐久性