建筑热工学-1建筑热工学基础知识

第一篇建筑热工学,第一章建筑热工学基本知识第二章稳定传热第三章建筑保温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,内容概要,概述:,第一章建筑热工学基本知识,在不同的气候条件下,各地区形成了不同的建筑物形式、风格.原因就在于不同的地区，室内外的热湿环境不同。,第一章建筑热工学基本知识,第一章建筑热工学基本知识,民用建筑热工设计规范（GB50176-93）建筑气候区划标准（GB5017893）民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）（GBJ24-95）公共建筑节能设计标准（GB50189-20005）,相关规范,建筑热工学的任务：（1）如何通过建筑物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，以创造好室内热环境并提高围护结构的耐久性。,1）影响室内微小气候的因素：室内气候指的是由空气温度、湿度、气流速度以及壁面的辐射热等综合组成的一种室内环境(室内热环境)，它是建筑环境科学重要的研究课题之一。研究室内热环境的目的：使室内的热湿效果适合人民生活、工作和生产的需要。影响室内气候的因素：室内外热湿作用建筑规划设计材料性能及构造方法、设备等,一、室内气候,2）对室内气候的要求：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。,体温恒定；体温上升；体温下降。,q-人体得失热量；qm-人体产生的热量；qw-人体蒸发散热；2530%qr-人体辐射散热；4550%qc-人体对流散热。2530%,注：只有按正常比例散热时，人才会感到舒适。,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”。,室内热环境舒适度评价:,1、有效温度ET:包括t、v，综合影响。2、预测热感指标PMV：t、v、tr环境因素人体的活动量（代谢量）、衣着-人体因素3、湿空气的物理性质,室内外气候的影响因素：,室外气候的影响因素：1、太阳辐射2、室外气温3、空气湿度4、风室内气候的影响因素：1、温度2、湿度3、气流速度4、壁面辐射热,我国气候分区：,分为五个区：1、严寒2、寒冷3、夏热冬冷4、夏热冬暖5、温和,第一章建筑热工学基本知识,1、传热的基本方式2、围护结构的传热过程3、湿空气的物理性质,1.1传热的基本方式分为导热、对流和辐射三种。,1、传热的基本知识,1.1.1导热(conduction),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。在建筑热工学中，通过分析理想化的“单层匀质平壁”为例的一维传热或单向传热说明传热规律。,单位时间内通过单位截面积的热流量-热流强度。,q=-（d/dx）,-导热系数w/mk，为材料的热工属性参数。,影响材料导热系数的因素,容重kg/m3容重大，则导热系数大。,静止的空气=0.0240.031w/mk结晶材料=4.67w/mk无机材料大约3.5w/mk左右有机材料=0.30.4w/mk,含湿量含湿量大，则导热系数大。水：=0.5w/mk(与前面的空气对比)冰：=2.3w/mk与温度的关系t=0（1+t）,=0.0025,但常温时不考虑,400C的高温时考虑。*与热流方向有关,二、对流（convection）：,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。,三、辐射(radiation)：,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,一个物体对外来的入射辐射可以有反射、吸收、和透过3种情况，它们与入射辐射的比值分别叫作物体对辐射的反射系数（又称反射率）、吸收系数（又称吸收率）和透过系数（又称透过率），以入射辐射为1，则有如下关系式：,+=1,为了便于研究，在理论上将对外来辐射全吸收的物体（=1）称为黑体；对外来辐射全反射的（=1）称为白体；对外来辐射全透过的（=1）称透明体。但在自然界中没有理论上所定义的绝对的黑体、白体或透明体，自然界中的不透明物体多数介于黑体与白体之间，近似称为灰体。它的辐射光谱与黑体光谱相似，但每一波长辐射能量与同温度黑体同波长辐射能量比值为一常数。,斯蒂芬一波尔兹曼定律：式中：E黑体全辐射力W/m2；C黑体的辐射系数，常数，其值为5.68W（W/m2K4)T黑体表面的绝对温度，K。,黑度(发射率)：是物体辐射系数与黑体辐射系数之比。,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,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，物体内各点的温度分布叫温度场。,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。,围护结构的传热过程,一、平壁导热二、对流换热三、辐射换热,一、平壁导热：,定义：指通过围护结构材料传热。经过单层平壁导热经过多层平壁导热,经过单层平壁导热：,设一单层匀质平壁（如图7-2），厚d平壁内、外温度为i、e（设ie,且均不随时间变化）。,单位时间内通过单位面积的热流量，称为热流强度。,这是一稳定导热问题，实践证明，通过壁体的热流量Q满足下面关系式：,热阻：在同样温差条件下，热阻越大，通过材料层的热量越少；增加热阻的方法：加大平壁厚度或选用导热系数小的材料。,说明：,导热系数：当材料层单位厚度内的温差为10C时，在1小时内通过1m2表面积的热量。,影响的最大因素是：容重和湿度。,不同状态的物质导热系数相差很大,经过多层平壁导热：,设三层材料组成多层壁（如图7-3），各材料层之间紧密配合，各层厚为d1、d2、d3，导热系数分别为1、2、3，平壁内、外温度为i、e（设ie,且均不随时间变化），可用2、3表示层间接触面的温度。,将多层壁视为三个单层壁，分别算出通过每层壁的热流强度为：,稳定导热条件下有：,由以上四式解得：,二、对流换热：,层流边界层：由于摩擦力作用，在紧贴固体壁面处有一平行于固体壁面流动的流体薄层，叫“层流边界层”。,对流换热系数,对流换热热阻,对流换热过程：（如图7-4）倾斜直线区层流边界层；抛物线区流体核心部分；水平线区过度区。,对流换热计算公式：,确定对流换热系数c：对流换热系数包含了影响对流换热强度的一切因素。建筑热工学中常遇到的对流换热问题都是指固体壁面与空气间的换热，据具体情况选用表7-1公式：,三、辐射换热：,本质：物体表面向外辐射出的电磁波在空间传播；电磁波的波长可从10-6m到数公里；不同波长的电磁波落到物体上可产生各种不同的效应（如图7-5）；红外线：热射线：热辐射：热射线的传播过程。,1、辐射换热的本质和特点：,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h0.020.04，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。,玻璃窗的特性,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,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Ps表示；未饱和水蒸气分压力用P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=f/fmax.100%由于空气中所含蒸汽量难以测定，所以将其转化为水蒸气分压力表示，即：=(P/Ps)100%,三、露点温度：,露点