第2章 建筑热工学基本知识PPT演示课件

第2章建筑热工学基本知识,2.1室内热环境2.2室外气候2.3建筑传热基本概念与原理2.4建筑围护结构传热计算方法,1,2.1室内热环境本节要点：1.人体热平衡；2.室内热环境因素；3.室内热环境评价。,2,2.1.1人体热平衡人体与机器比较热能机:燃料产热做功散热人体:食物产热生命活动散热发热体,散热体,恒温体人体热平衡:产热量=散热量人体健康基本条件,3,人体热天平,4,环境随气候变化,散热,动态热平衡人体具有热调节方式:生理调节主观调节,5,生理调节:环境变冷(热)皮肤毛细血管收缩(膨胀)血流量减少(增加)皮肤温度下降(上升,出汗)保持热平衡,6,活动,主观调节:,7,衣服,主观调节:,8,人体热平衡调节方式,生理调节主观调节,皮肤温度出汗,活动衣着,人的生存范围,寒带冷热热带,衣着皮肤温度出汗,人体生理调节与衣着相结合使人适应四季气候变化扩大生存范围,9,生理调节与舒适:出汗不舒适生理调节范围小舒适生理调节与健康:生理调节能力强体质好,10,2.1.2人体热感觉影响因素,热感觉可量化的影响因素因素1:产热量因素因素2:散热量因素因素3:室内热环境因素,散热方式环境因素对流空气温度、空气流速辐射壁面温度蒸发空气温度、湿度,11,散热得热,散热方式环境影响因素对流空气温度、空气流速,12,散热方式环境影响因素辐射壁面温度,散热得热,13,散热方式环境影响因素蒸发:空气温度、湿度,呼吸无感觉蒸发出汗,14,影响人体热感觉的因素:,6个因素的不同组合产生不同的热环境，各因素之间具有互补性。,热感觉,空气温度空气流速空气湿度壁面温度新陈代谢率衣服热阻,室内环境因素人体主观因素,15,6个因素的组合达到热舒适时,三种方式散热比例:对流25%30%辐射45%50%呼吸和无感觉蒸发25%30%,16,2.1.3室内热环境评价单因素评价:空气温度,空气温度感觉34100%的人感到热,42.3%的人难以忍受303484%的人感到热,14.5%的人难以忍受283030%的人感到热,但可以忍受25舒适185%坐着的人感到冷1280%坐着的人感到冷,20%活动的人感到冷,居住建筑室内舒适性标准:夏季2628，冬季1820可居住性标准:夏季不高于30，冬季不低于12,17,热感觉,空气温度空气流速空气湿度壁面温度新陈代谢率衣服热阻,措施暖气,空调通风,风扇加湿,除湿辐射地板、墙体、顶棚,需要对热环境进行综合评价,18,多因素综合评价方法:,影响因素:因素1因素2因素3,单一指标,优点:有利于发挥各种热环境改善措施的作用,降低能源消耗和经济成本。,19,空气温度2湿度100%,人的状态：薄衣、走动,热感觉相同,(1)有效温度,空气温度1空气湿度1空气温度2(有效温度),空气温度1湿度1,20,空气温度1湿度1流速1,空气温度2湿度100%流速0,人的状态：薄衣、走动,热感觉相同,(1)有效温度,空气温度1空气湿度1空气温度2(有效温度)空气流速1,21,舒适区,有效温度与空气温度、湿度、流速的关系图,22,(2)PMVPPD,人体热舒适:f(t,v,R,m)=0,人体热平衡:qmqwqcqr=0其中:qm产热量qr辐射散热量qc对流散热量qw蒸发散热量,影响参数:新陈代谢率m壁面辐射温度空气温度t,湿度,流速v衣服热阻R,在满足人体热平衡的范围内找出热舒适的充分条件,得到热舒适方程,热舒适指标:PMV=f(t,v,R,m),(PMV:PredictMeanVote),23,预测平均热感觉指标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.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。,24,并按人体的感觉分成热、暖、稍暖、舒适、稍凉、凉、冷等七个等级。,25,PPD（PredictedPercentageDissatisfied）：感到不满意的人数占全部人数的百分比。,ISO规定，PMV在-0.50.5范围内为室内热舒适指标。,PMV-PPD图,根据,查得不满意人数百分比。,26,PMV与人的主观感觉PPD的关系,(PPD:PercentageofPredictDissatisfy),27,PMV热感觉度量标尺,空气温度空气湿度空气流速壁面辐射温度衣服热阻新陈代谢率,28,2.1室内热环境复习：人体热平衡:产热量=散热量人体散热方式:对流,辐射,蒸发热平衡调节方式:生理调节(皮肤温度,出汗)主观调节(活动量,衣着)热感觉影响因素:环境因素(空气温度、流速、湿度、壁面温度)主观因素(新陈代谢率、衣服热阻)热环境综合评价方法,29,思考题：室内热环境因素中,通过建筑设计能够最有效改善的有哪些因素？,30,第2章建筑热工学基本知识,2.1室内热环境2.2室外气候2.3建筑传热基本概念与原理2.4建筑围护结构传热计算方法,31,2.2室外气候本节要点：1.气候因素:太阳辐射、空气温度、空气湿度、风。2.城市气候特点。,32,2.2.1室外气候因素一、太阳辐射光谱:波长0.23.0m（1m=10-6m）短波热辐射能量:辐射强度I，单位:W/m2,33,太阳辐射,太阳常数：,在太阳与地球的平均间距离处，垂直于入射光线的大气界面单位面积上的热辐射流叫太阳常数。,天文太阳常数：理论上计算值,天文太阳常数：实测分析值,34,太阳辐射能量比例,进入大气层后被反射和吸收，光谱成分有所改变，辐射照度有所改变。太阳高度角是重要影响因素。,35,总辐射=直接辐射+散射辐射影响因素:太阳高度角大气透明度云量,36,太阳高度角:,37,二、气温气温是常用的气候评价指标,单位:,(F=32+9/5C)季节连续5天的日平均气温冬季10夏季22春、秋季1022,38,升温过程:太阳辐射地面气温,39,气温变化滞后:,时刻,40,影响因素:太阳辐射地面状况:地表覆盖材料,地形大气对流高、低温空气混合,地面温度,41,三、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水蒸气压力主要随季节而变，通常夏季高于冬季。,42,三、空气湿度(1)水蒸气分压力P单位：Pa,43,饱和水蒸气分压力Ps,湿空气饱和湿空气,水蒸气,水蒸气饱和,蒸发,44,饱和水蒸气分压力Ps空气容湿能力气温气温():0102030Ps(Pa):609122523314232,P,Ps,PPs,45,饱和水蒸气分压力Ps气温附录1查表,46,空气中的水蒸气分压力P变化,P29飓风破坏严重，一片荒凉,53,类型:(1)大气环流(2)季风(3)地方风,54,风：就是大气的流动。,大气环流是各地气候差异的原因。,貌条件不同造成，如海陆风、山谷风、,庭院风、巷道风等,成，冬季大陆吹向海洋，夏季海洋吹向大陆,季风：造成季节差异，以年为周期海陆间季节温差造,地方风：造成局部差异，以一昼夜为周期地方性地,大气环流：造成全球各地差异,赤道和两极温差造成。,风的成因,55,(1)大气环流,56,(2)季风(海陆风),57,(3)地方风,58,边界层,风的垂直分布:,v/v0,100%90%,50%,v0,59,边界层,边界层,风的垂直分布:,60,海陆风和山谷风,在山区，局部的温差会造成局部地风型,61,风玫瑰图字母表示方向,某地的风向频率分布实线为全年，虚线为7月份。,某地一年的风速频率分布。,62,五、气候调节地面对太阳热量进行分配:,反射,吸收,蒸发吸热,升温,地下储热,加热空气,63,蒸发吸热,凝结放热,蒸发吸热,降水,液(固),放热,水的相变循环减少地面过热:,64,热,冷,空气流动产生的风减少空气温差:,65,风、水作用调节气候:,太阳辐射,气温,66,2.2.2建筑热工设计气候分区,67,建筑热工设计分区及设计要求,68,2.2.3城市气候一、城市气候特点(1)太阳直接辐射减少，散射辐射增多;晴天减少，阴天、雾天增多;天空透明度降低。,69,(2)气温偏高，出现城市热岛现象。,70,(3)风速减小,71,(4)湿度减小城市大部分为不透水的硬化表面，降雨后水分迅速被人工排水管道排走，导致城市可供蒸发的水分少，空气湿度小。,72,二、城市热岛对环境的影响(1)形成热岛环流,把城市边缘区工厂排放的污染带进市区。(2)酷热天气增多,寒冷天气减少;空调能耗增多,采暖能耗减少。,73,三、城市热岛产生的原因(1)人为热排放人们生产和生活以及新陈代谢中排放出来的废热。城市输入的各种能量最终是以热量形式散发到大气中。,74,(2)地面状态改变立体化的下垫面,通风不良,吸热多,散热难。不透水的硬化表面多,蒸发散热小,表面温度高。,75,四、城市热环境改善措施(1)各行各业开展节能,减少人为热排放。(2)城市生态环境建设。扩大绿地、水面采用透水铺装透水地砖,76,2.2室外气候复习：太阳辐射、空气温度、空气湿度、风介绍。热工设计气候分区:严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖、温和。城市气候特点:气温偏高、通风不良、形成热岛现象。,77,思考题：决定气候的因素有哪些？人的活动可以影响气候的哪些方面？,78,第2章建筑热工学基本知识,2.1室内热环境2.2室外气候2.3建筑传热基本概念与原理2.4建筑围护结构传热计算方法,79,2.3建筑传热基本概念与原理本节要点：1.三种传热方式的特点；2.平壁热阻和热惰性指标；3.材料导热系数;4.空气间层传热特点。,80,三种基本传热方式,81,屋顶被太阳照射时的受热情况,室内供暖设备在室内的热交换,82,辐射对流导热,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。,83,热量传递的三种基本方式,84,传热基本概念:条件:温差方向:高温低温基本方式:导热固、气、液对流气、液辐射无需介质传热量:Q单位:W;q单位:W/m2,85,2.3.1辐射传热一、热辐射电磁波绝对温度T0(K)的物体都会向外辐射电磁波也会接收外来电磁波T=273+t(K)(),T1,T2,86,电磁波分类:,87,电磁波分类:,88,二、物体接收热辐射的性能性能参数:反射系数,吸收系数,透过系数+=1非透热材料+=1白体:=1黑体:=1透热体:=1,89,影响因素:表面材料:材质、分子结构、表面光洁度热辐射波长。,90,影响因素:表面材料:材质、分子结构、表面光洁度热辐射波长。,刷白表面,低,高,短波高长波低,91,影响因素:表面材料:材质、分子结构、表面光洁度热辐射波长,高低,92,温室效应,高低,93,三、物体发射热辐射的性能辐射体类型:黑体,灰体,选择性辐射体辐射能力:单位:Wm2C辐射系数W/(m2K4)，黑体最大,94,黑体辐射光谱特点:温度愈高，最大辐射力的波长愈短太阳辐射(6000K黑体),95,灰体辐射性能参数:辐射系数C,或黑度C灰体辐射系数Cb黑体辐射系数灰体1;黑体=1,96,建筑材料黑度,97,四、辐射换热换热强度:qr=r(12)(Wm2)r辐射换热系数,与表面辐射系数、温度有关1,2表面温度,98,2.3.2对流传热一、对流类型自然对流温差强迫对流外力自然对流方向:,热,冷,99,壁面空气对流传热方式:层流边界层导热为主紊流区对流为主,100,二、对流换热换热强度:qc=c(t)(Wm2)c对流换热系数壁面温度t空气温度对流换热系数:自然对流时与温差有关强迫对流时与流速v有关建筑外表面:,101,2.3.3热传导一、热传导的时间和空间概念等温线(面)热流指向温度梯度降低的方向二维(三维)传热一维传热(平壁传热),102,稳定传热:各点温度不随时间变化能量守恒,即任意封闭空间Q进=Q出非稳定传热:温度随时间变化周期传热:温度随时间周期性变化,q进q出,103,二、平壁稳定传热温度分布:直线热流强度:温差/热阻H,L表面温度R平壁热阻(m2KW)平壁热阻:d平壁厚度(m)材料导热系数W(mK),104,多层平壁热流:q=q1=q2=q3多层平壁热阻:R=R1+R2+R3,105,三、平壁周期传热特征:(1)各点温度都随时间按照同样的周期变化(2)沿传热方向温度波幅衰减(3)沿传热方向波动变化时间延迟,106,性能参数:热惰性指标D单位无量纲D=RsR平壁热阻(m2KW)s材料蓄热系数W(m2K)多层平壁D=D1+D2+=R1s1+R2s2+衰减倍数:,107,四、材料热物性1.导热系数表示材料导热难易程度的基本参数,用实验测定影响因素:(1)材质材料名称W(mK)钢筋混凝土1.74砖砌体0.81加气混凝土0.190.22聚苯乙烯泡沫塑料0.0420.047,108,影响因素:(2)密度材料名称W(mK)密度(kg/m3)加气混凝土0.0195000.22700玻璃棉与密度的关系,109,影响因素:(3)湿度随材料湿度增大而增大,110,保温材料:0.3W(mK)特点:轻质多孔需要防潮,111,2.蓄热系数表示材料在周期性热作用下蓄存热量或放出热量的能力T热作用的周期（h）c材料比热容kJ/（kgK）材料的密度（kJ/m3）以一日24h为热作用周期的材料的蓄热系数：,112,材料蓄热系数与密度关系:重质材料蓄热系数大轻质材料蓄热系数小材料名称s24W(m2K)（kJ/m3）钢筋混凝土17.22500砖砌体10.631800加气混凝土3.59700聚苯乙烯泡沫塑料0.07100,113,2.3.4封闭空气间层传热导热、对流和辐射三种传热方式综合作用。,114,导热:很弱辐射:占70%对流:,115,导热:很弱辐射:占70%对流:与厚度、位置、传热方向有关,116,空气间层热反射的效果,117,2.3建筑传热基本概念与原理复习：物体接收热辐射：吸收,反射,透过,影响因素(波长,材料)物体发射热辐射:温度,辐射率壁面对流传热:温差,对流换热系数,流向平壁平壁稳定传热:热流=温差/热阻平壁周期传热:衰减,延迟平壁R,D作用及计算材料,影响因素(密度,湿度)空气间层传热以辐射为主,118,思考题：物体吸收热辐射的能力是否与发射热辐射的能力相同？,119,第2章建筑热工学基本知识,2.1室内热环境2.2室外气候2.3建筑传热基本概念与原理2.4建筑围护结构传热计算方法,120,2.4围护结构传热计算方法本节要点：1.围护结构总热阻计算；2.组合墙传热系数计算；3.周期传热计算方法。,121,2.4.1围护结构稳定传热过程及传热量传热过程:内表面吸热,围护结构传热,外表面放热,122,一、导热,导热是指物体中有温差时由于直接接触的物质质点作热运动而引起的热能传递过程。,固体、液体、和气体中都存在导热现象，,纯粹的导热现象仅发生在理想的密实固体中，但大多数建筑材料或多或少总是有孔隙的，并非是密实的固体，在固体的孔隙内将会同时产生其他方式的传热，但因对流和辐射方式传递的热能所占比例甚微，故在热工计算中可认为在固体建筑材料中,的热传递仅仅是导热过程。,123,二、围护结构的传热过程,房屋围护结构时刻受到室外的热作用，不断有热量通过围护结构传进或传出。通过围护结构的传热要经过三个过程,2)结构本身传热：热量由高温内表面传向低温表面,从室外空间吸热（夏季）,1)表面吸热：内表面从室内吸热（冬季）或外表面,124,3)表面放热：外表面向室外空间散发热量（冬季）,或内表面向室内散热（夏季）,每一传热过程都是三种基本传热方式的综合过程,严格的说：,表面换热：表面吸热与表面放热的总称,包括：对流+导热+辐射传热,1.表面换热,根据,对流换热强度,辐射换热强度,125,表面总换热乃是对流换热量与辐射换热量之和。,即,单位表面换热量,表面换热系数,壁面温度,室内或室外气温,辐射换热系数,对流换热系数,126,内表面换热系数,外表面换热系数,内表面吸热围护结构传热外表面放热,127,内表面换热阻,外表面换热阻,内表面吸热围护结构传热外表面放热,128,三层平壁传热,平壁传热q=,温差热阻,内表面吸热围护结构传热外表面放热,RiRRe,129,三层平壁传热,平壁传热q=,温差热阻,热流:总热阻R0=Ri+R+Re,RiRRe,q,130,或传热系数K=1/R0,热流:总热阻R0=Ri+R+Re围护结构保温指标:R0或K,131,总热阻R0的计算:R0=Ri+R+Re(1)Ri,Re查表一般Ri=0.11m2KWRe=0.04m2KW(2)R=R1+R2+R3+,132,【例】墙体构造:水泥砂浆20mm;多孔砖240mm;保温砂浆20mm;计算R0和K【解】查附录表材料的导热系数,计算热阻如下:材料层厚度(m)导热系数W/(mK)热阻(m2K/W)水泥砂浆0.020.930.02多孔砖0.240.580.41保温砂浆0.020.290.070.50R0=Ri+R+Re=0.11+0.50+0.04=0.65m2K/WK=1/0.65=1.54W/(m2K),热阻=厚度/导热系数,133,2.4.2围护结构构造层热阻实体材料层热阻:空气间层热阻:测定测量通过空气间层的热流和两表面温差计算出热阻。,134,135,组合壁热阻,136,【例2-2】计算钢筋混凝土圆孔板冬季的热阻。,1