建筑物理第一章.ppt

第一章建筑热工学基础知识第二章建筑围护结构传热原理及计算第三章建筑保温设计第四章外围护结构湿状况第五章建筑防热第六章建筑日照 概述 各地区建筑物的形式 风格受气候条件的影响 建筑物的室内外主要气候因素 室外气候因素 太阳热辐射 空气温湿度 风 雨 雪等 统称为 室外热湿作用 室内气候因素 空气的温湿度 生产和生活散发的热量与水分等 统称为 室内热湿作用 建筑热工学的任务 1 如何通过建筑和规划上的手段有效防护或利用室内外气候因素 合理解决房屋的日照 保温 防热 防潮等问题 2 如何配备适当的设备进行人工调节 如采暖 空调等 3 如何创造和完善装配房屋的建筑构件 以创造好的室内热环境并提高围护结构的耐久性 建筑热工学的基本内容 围护结构传热 传湿的基本原理和计算方法 其他知识大都是在此基础上进行扩展 重视与建筑材料 建筑构造和建筑设计知识的融合 学习目的在于解决实际设计问题 第一章建筑热工学基础知识 1 1建筑中的传热现象1 2围护结构传热基础知识1 3湿空气的物理性质1 4室内热环境1 5室外热环境 1 1建筑中的传热现象 冬夏两季 通过围护结构传递热量的方向特征不同 冬季 内向外 夏季 黑 白双向 传热的基本方式 传热的特点 传热发生在有温度差的地方 并且总是自发地由高温处向低温处传递 传热有三种基本方式 如下图 1 导热2 对流3 辐射 建筑物的传热并非以某一种传热方式单独进行 而大多是辐射 对流 导热三种方式综合作用的结果 传热举例 国际单位制SI基本单位 1 2围护结构传热基础知识 传热的基本方式传热产生的原因温差导致热量从温度高的地方流向温度低的地方传热的三种方式 导热 对流 辐射温度场的概念及表示温度的常用符号t T 不同温标之间的转换 摄氏tc 华氏tF 开氏T 温度 T t 273 15F 32 9 5t温度 分子平均平动动能 绝对温标K 绝对零度 水的三相点 温度计 超导 温度场 热量传递的动力是温度差 研究传热时必须知道物体的温度分布 对某一物体或某一空间来说 某一瞬时 物体内各点的温度总计叫温度场 物体内各点温度不随时间变化 称为稳定温度场 反之 则为不稳定温度场 在稳定温度场内发生的热量传递过程为稳定传热过程 在不稳定温度场内发生的热量传递过程为不稳定传热过程 一 导热 定义 指温度不同的物体直接接触时 靠物质微观粒子 分子 原子 自由电子等 的热运动引起的热能转移现象 导热可在固体 液体和气体中发生 但只有在密实的固体中才存在单纯的导热过程 在建筑热工学中 大量课题涉及非金属固体材料的导热 有时也涉及空气 水分或金属导热问题 1 2围护结构传热基础知识 一 导热 导热的机理 固体 液体 气体 不同温度质点的热运动导热热量的计算 导热 材料的导热系数及热阻热阻是表征围护结构本身或其中某层材料抵抗传热能力的物理量 热阻与材料本身的导热系数成反比 和材料的厚度成正比导热系数 在稳态条件下 1m厚的物体 两侧表面温差为1 1h内通过1m2面积传递的热量 不同状态的物质 导热系数相差很大气态 导热系数最小0 006 0 6W m K 常温下空气为0 029W m K 液态 0 07 0 7W m K 水约为0 58W m K 固态 非金属约为0 03 3 5W m K 金属约为2 2 420W m K 同一种材料厚度不同 热阻也不同工程上把导热系数低于0 25W m K 的材料称绝热材料 导热 导热 导热系数的影响因素 材质的影响 组成结构不同 材料干密度的影响一般密度越大 导热系数也越大有些材料如玻璃棉有一个最佳密度 材料含湿量的影响材料的防潮问题 其它的影响 如使用温度 二 对流 定义 对流只发生在流体中 是因温度不同的各部分流体之间发生相对运动 互相掺合而传递热能的 促使流体产生对流的原因 1 本来温度相同的流体 因其中某一部分受热 或冷却 而产生温度差 形成对流运动 称为 自然对流 2 因受外力作用 如风吹 泵压等 迫使流体产生对流 称为 受迫对流 工程上遇到的一般是流体流过一个固体壁面时发生的热量交换过程 称为 对流换热 单纯的对流换热不存在 总伴随有导热发生 对流 对流换热机理 温度不同的流体之间因宏观运动 相互掺合而传递热量对流换热只发生在流体之间或流体与紧贴的固体表面之间在建筑工程中更多涉及的是后者 即流体与固体表面之间 对流换热的大小主要取决于 层流边界层的状况 流体运动状况 温差 流体本身的物理性质 表面状况等 层流层 过渡层 紊流层 对流 对流换热计算 自然对流 对流换热热阻 三 辐射 定义 辐射指依靠物体表面向外发射热射线 能产生显著效应的电磁波 来传递能量的现象 自然界中凡温度高于绝对零度 0K 的物体 都能发射辐射热 同时 也不断吸收其它物体投射来的辐射热 特点 辐射换热时有能量转化 热能 辐射能 热能参与换热的物体无须接触 如图 辐射热的反射 吸收与透射 例 普通窗玻璃的保温能力 吸热玻璃 辐射任何表面绝对温度大于0K的物体都会产生辐射 辐射是一种电磁波 不同温度的物体向外辐射电磁波的波谱不同 不同波长的电磁波照射在物体上会产生不同的效应 无线电波 微波 红外线 紫外线 X射线等 辐射红外线 波长在0 8 600 m范围 可产生热效应热射线 波长在0 4 40 m范围 热效应最为显著 热射线的传播过程称为热辐射 特点 1 辐射换热中伴随有能量形式的转化 一物体内能 电磁波 另一物体内能 2 电磁波可在真空中传播 故辐射换热不需有任何中间介质 也不需冷热物体直接接触 3 一切物体 不论温度高低都在不停地对外辐射电磁波 辐射换热是两物体互相辐射的结果 物体对外来射线的反应遵循与可见光相同的规律 设有能量为I0的热射线投射到物体表面 则其中Ir被反射 Ia被吸收 It可能透过物体 如图7 6 2 辐射能的吸收 反射和透射 由能量守恒 或 一般 固体和液体都是不透明的 即 h 0因此 h h 1所以 凡是善于反射的物体一定不善于吸收 磨光的铝 镍鉻板 研磨的黄铜 h 0 02 0 04 反之亦然 严格说 物体对不同波长的外来辐射的吸收 反射及透射的性能不同 绝对白体 简称白体 能将外来辐射全部反射的物体 绝对黑体 简称黑体 能将外来辐射全部吸收的物体 绝对透明体 透热体 能将外来辐射全部透过的物体 辐射 辐射换热的特点辐射换热过程中伴随着能量形式的转化物体的内能 电磁能 内能电磁波的传播无需任何介质 也不需要冷 热物体直接接触辐射换热是物体之间互相辐射的结果 综合的结果 温度高的物体净失热 温度低的物体净得热 对外来辐射的反应电磁波 反射 吸收和透射能量守恒定律 辐射 对外来辐射的反应能量守恒定律 反射系数rh 吸收系数 h 透射系数 h绝对白体 白体 rh 1 绝对黑体 黑体 h 1 绝对透明体 透明体 h 1 一般建筑材料为非透明体 因此 rh h 1 即如果材料的反射能力越强 则吸收能力就越弱同一材料对不同波长的电磁波的反射能力会不一样 辐射 辐射系数C 0 5 68 与黑度 的概念影响因素 材质表面的化学性质 光洁度等 辐射定律 斯蒂芬 波尔兹曼定律 Stephan Bolzman sLaw 辐射 物体向外辐射的能力 物体的温度对辐射的影响温度越高 辐射能力越强温度越高 辐射的电磁波短波的成分越多 最大单色辐射本领向短波方向移动常温下 辐射的成分主要以远红外和红外线成分为主 太阳辐射的电磁波 可见光及紫外线部分占52 而红外部分只占48 辐射 玻璃 一般可认为是部分透明体 类似的有机塑料等对太阳辐射有很强的透射性能对红外线基本不透明温室效应玻璃材料的改进 颜色玻璃 吸热玻璃 热反射玻璃 变色玻璃Low E玻璃等 辐射 Low E玻璃又称低辐射玻璃 其镀膜层具有对可见光高透过及对中远红外线高反射的特性 使其与普通玻璃及传统的建筑用镀膜玻璃相比 具有以下明显优势 1 优异的热性能 普通浮法玻璃的辐射率高达0 84 当镀上一层以银为基础的低辐射薄膜后 其辐射率可降至0 1以下 因此 用Low E玻璃制造建筑物门窗 可大大降低因辐射而造成的室内热能向室外的传递 达到理想的节能效果 如果使用Low E玻璃 由于热损失的降低 可大幅减少因采暖所消耗的燃料 从而减少有害气体的排放 2 良好的光学性能 Low E玻璃对太阳光中可见光有高的透射比 可达80 以上 而反射比则很低 这使其与传统的镀膜玻璃相比 光学性能大为改观 Low E玻璃的上述特性使得其在发达国家获得了日益广泛的应用 实际传热过程 例 冬季 室内通过外墙向室外传热是包含三种基本传热方式的复杂过程 如图所示 对流辐射 导热 对流辐射 围护结构的传热过程 表面换热和结构传热对流换热和辐射换热合称为表面换热 其热流强度为二者之和 平壁的传热过程 1 平壁内表面的吸热qI qIc qIr Ic tI I Ir tI I Ic Ir tI I I tI I 2 平壁本身的导热 3 平壁外表面的放热 q qe qec qer e e te 1 3湿空气的物理性质 一 水蒸气分压力二 空气湿度三 露点温度四 湿球温度 一 水蒸气分压力 湿空气 指干空气与水蒸气的混合物 道尔顿分压定律 在温度和压力一定的条件下 一定容积的干空气所能容纳的水蒸气量是有一定限度的 水蒸气的含量未达到限度的湿空气 叫未饱和湿空气 达到限度时则叫饱和湿空气 饱和蒸汽压 或最大水蒸气分压力 处于饱和状态的湿空气中水蒸气所呈现的压力 饱和蒸汽压用表示 未饱和水蒸气分压力用表示 标准大气压下 饱和蒸汽压随温度的升高而增大 二 空气湿度 湿度 空气的干湿程度 绝对湿度 每立方米空气中所含水蒸气的重量 绝对湿度一般用表示 饱和空气的绝对湿度用饱和蒸气量表示 相对湿度 一定温度和大气压下 湿空气的绝对湿度与同温同压下的饱和蒸气量的百分比 表示为 三 露点温度 露点温度 设不人为地增加或减少空气含湿量 而只用干法加热或降温空气 某一状态的空气 在含湿量不变的情况下 冷却到它的相对湿度时所对应的温度 称为该状态下空气的露点温度 用表示 若从往下继续降温 则空气中容纳不了原有水蒸气 迫使部分水蒸气凝结成水珠 露水 析出 定温定压下 一定的空气 其一定 空气所能容纳的最大水蒸气含量以及与之相对应的最大水蒸气分压力 也都一定 所以 相对湿度当然也一定 请试着解释下列现象 空调冷凝水电冰箱内的霜降雨过程 课堂讨论 传热的基本方式有哪些 它们分别有哪些特点 为减少围护结构的传热 可采用哪些措施 试列举生活中外墙内表面结露现象实例 并说明结露原因 1 4室内热湿环境 建筑物内部环境可分为室内物理环境和室内心理环境 室内物理环境包括室内热湿环境 室内光环境 室内声环境及室内空气质量 其中的室内热湿环境属于建筑热工学的研究范畴 一 室内热湿环境构成要素及其对人体热舒适的影响 室内气候对人体的影响主要表现在冷热感 冷热感取决于人体新陈代谢产生的热量和人体向周围环境散热量之间的平衡关系 如图 1室内热湿环境 人体的舒适感 人体热平衡方程 人体热舒适的必要条件 人体得失热量 q的影响因素 室内气候四要素 人体活动量 新陈代谢率m 皮肤平均温度 汗液蒸发率 衣服的热阻 人体热舒适的充分条件 皮肤温度及汗液蒸发率处于舒适的范围 或称按正常比例散热 对流25 30 辐射45 50 呼吸和无感蒸发25 30 体温恒定 体温上升 体温下降 qr 人体与环境辐射换热率 qw 人体蒸发散热率 qm 人体新陈代谢产热率 qc 人体与环境对流换热率 室内热湿环境组成要素 室内气温ti 室内相对湿度 i 气流速度vi 壁面的热辐射 I 室内热环境是指由室内空气温度 空气湿度 室内风速及环境平均辐射温度 室内各壁面温度的当量温度 等因素综合组成的一种室内热环境 不同的要素组成不同的室内热湿环境 所谓按正常比例散热 指的是对流换热约占总散热量的25 30 辐射散热约为45 50 呼吸和无感觉蒸发散热约占25 30 处于舒适状况的热平衡 可称之为 正常热平衡 1室内热湿环境 1 4室内热湿环境的评价方法和标准室内热环境标准是建筑热工设计的基本依据之一最简单的标准是室内空气温度 如住宅冬季18 夏季26 缺点 不全面主要评价方法 有效温度 EffectiveTemperature ET 预测热感觉指数 PMV PPD指标 1室内热湿环境 有效温度 EffectiveTemperatureET 由Houghton Yaglon等人于1923年提出表征室内气温 湿度及气流速度三者对人体综合作用的一种主观评价指标未考虑辐射的影响 改进后称为ET 1972成为ASHRAE的评价标准 1室内热湿环境 有效温度 ET 是室内气温 相对湿度和空气速度在一定组合下的综合指标 在数值上等于具有相同热感觉 静止 饱和 100 空气的温度 1室内热湿环境 预测热感觉指数 PMV PPD 由丹麦学者P O Fanger在1960年代提出 基于下列方程 舒适的充要条件 热平衡方程 实际环境的舒适度 1室内热湿环境 预测热感觉指数 PMV PPD 人体在环境中感到热舒适的充分条件 必须使人体的皮肤温度tsk处于舒适的温度范围 而且肌体的蒸发率也应处于舒适范围内 该方程比较全面合理地表达了人体热感与上述6个参数的定量关系 从而建立起PMV指标系统 把PMV值按人的热感觉分成7个等级 1室内热湿环境 预测热感觉指数 PMV PPD 最为全面的评价方式 广为采用尽管PMV 0 仍有5 的人感觉不舒适ISO推荐 0 5 0 5为热舒适环境 1 5室外热湿环境 2 1室外气候因素室外热环境是指由太阳辐射 大气温度 空气湿度 风 降水等因素综合组成的一种热环境 一 太阳辐射太阳内部进行着剧烈的由氢聚变成氦的热核反应 以E MC2 M为物质的质量 C为光速 的关系进行质能转换 1克物质可转化为9 1013焦耳能量 并不断向宇宙空间辐射出巨大的能量 1 太阳辐射能是地球上热量的基本来源 是决定室外热环境的主要因素 2 太阳辐射的分类 到达地球表面太阳辐射分为两个部分 一部分是直射辐射 另一部分是散射辐射 3 影响太阳辐射照度的因素 大气中射程的长短 太阳高度角 海拔高度 大气质量 4 太阳光谱 太阳辐射能量主要分布在紫外线 可见光和红外线区域 其中97 8 是短波辐射 波长0 2 m 3 m 5 日照百分率实际日照时数日照百分率 100 可照时数 二 大气温度1 气温 指距地面1 5m处百叶箱内的空气温度 2 变化规律 1 年变化规律 由地球围绕太阳公转引起 形成一年四季气温变化 北半球最高气温出现在7月 大陆 或8月 沿海 岛屿 最低气温出现在1月或2月 2 日变化规律 由地球自转引起 日最低气温出现在6 00 7 00左右 日最高气温出现在14 00左右 三 空气湿度1 湿度 空气中水蒸气的含量 可用绝对湿度或相对湿度表示 通常使用相对湿度表示空气的湿度 2 变化规律 1 年变化规律 最热月绝对湿度最大 最冷月绝对湿度最小 2 日变化规律 晴天时 日相对湿度最大值出现在4 00 5 00 日相对湿度最小值出现在13 00 15 00 四 风1 风 指由大气压力差所引起的大气水平方向的运动 2 风的类型 1 季候风 大气环流 由于太阳辐射热在地球上照射不均匀 使得赤道和两极之间出现温差 从而引起大气在赤道和两极之间产生活动 即为大气环流 2 地方风 局部地区受热不均引起的小范围内的大气流动 如海陆风 山谷风 庭院风等 3 风的特性 1 风向 风吹来的地平方向为风向 通常用风向风玫瑰图表示 2 风速 单位时间内风前进的距离 单位为m s 也可用风玫瑰图表示 五 降水1 降水 从大地蒸发出来的水蒸汽进入大气层 经过凝结后又降到地面上的液态或固态的