建筑热工学教案

第一篇建筑热工学

教学任务：

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

地防护和利用室内外热湿作用，合理地解决房屋的保温、防热、防潮、节能等

问题，以创造良好的室内热环境并提高围护结构的耐久性。

教学内容:

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

和建筑节能设计以及建筑日照设计等。

-太阳辐射［

室

建

内

热

筑

湿空气的温湿度1

热

作

用

环

风、雨、雪等

境

-

室

外空气温湿度

热

湿

作

用生产和生活发生得热量与

水分等

第1章建筑热工学基础知识

1.1室内热湿环境

建

筑室内物理环境属于

内（生理环境）建筑物理学

部

环

室内心理环境

境

室内物理环境：

室内那些通过人体感觉器官对人的生理发生作用的影响的物理因素。

室内物理环境组成：

由室内热湿环境、室内光环境、室内声环境以及室内空气质量环境等组

成。其中室内热湿环境是建筑热工学必须研究的内容。

1.1.1室内热环境构成要素及其对人体热舒适的影响

构成室内热环境的因素：

•室内温度

•室内湿度

•气流速度

•壁面辐射温度

建筑热环境的设计目标：舒适、健康、高效

人体热平衡方程：

△q=qm—qe±.qr+qc

Aq——人体得失的热量，w；

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，Wo

Aq=O体温恒定不变

Qw=25-30%

•正常热平衡Qc=25-3O%

（舒适的）Qr=45-5O%

・负荷热平衡Aq>0体温上升

（可以忍受的）Aq<0体温下降

使用采暖、空调设备

（不能忍受的）

不同的人对舒适的差异

・瞬感现象

・衣着状况

•个体状况

•适应性

•种族差异

•年龄差异

•恒定与变化

•代谢率单位lmet=58.2W/m2,其定义为人静坐时的代谢率。

人体的能量代谢率受多种因素影响，如肌肉活动强度、环境温度、性别、

年龄、神经紧张程度、进食后时间的长短。

1.1.2室内湿热环境的评价方法和标准

室内湿热环境标准是建筑热工设计的基本依据之一。

最简单、方便且应用最为广泛的指标是室内空气湿度。目前我国很多建筑

设计规范和标准中，仍以室内空气温度作为设计控制指标，如在严寒地区居住

建筑冬季采暖居室内基准设计温度为18℃o

1）有效温度ET

•有效温度是1923—1925年由美国Yangion等人提出的一种热指标。

・包含因素：空气温度、空气湿度、气流速度

•以受试者的主观反应为评价依据。

新有效温度：

用黑球温度代替空气温度，称为新有效温度。

・新有效温度与新感觉之间的关系如下：

有效43403534〜3130252019~161510

温度

执

主观允许酷热炎热/'、、稍热适中稍冷冷寒冷严寒

热感觉上限VeryhhotwarmSlighneutralslightccoolcoldVery

otwarmoolcold

2）热感觉PMV-PP。指标

,由丹麦学者房格尔（Fanger）提出。建

立在热舒适平衡方程基础上。寒冷(cold)

六项参数：人的活动量凉(cool)

稍凉(slightcool)

衣着情况

四个热环境要求。----0热舒适(neutral)

----+1稍热(slightwarm)

热舒适平衡方程Q=Qm—Qe±Qr±Qc

----+2暖(warm)

----+3热(hot)

1.1.3湿空气的物理性质

1）水蒸气分压力

•湿空气是指干空气与水蒸气的混合物。

干空气水蕉气湿空气

V

P+P

重量1kgxkg1+xkg

在一定温度和压力的条件下，一定容积的干空气所能容纳的水蒸气，是

有一定限度的。所产生的水蒸气分压力用P表示；

・处于饱和状态的湿空气中的水蒸气所呈现的压力，叫饱和蒸气压Ps。

单位Pa。饱和蒸汽压随着温度升高而变大。

2）空气湿度

湿度表示空气的干湿程度。有绝对湿度和相对湿度两种表达方法。

绝对湿度（f）：每立方米空气中所含水蒸气的重量，叫空气的绝对湿度（g/m3）。

•饱和状态下的绝对湿度则用饱和水蒸气量fmax（g/m3）表示。

•绝对湿度表示单位体积空气中所含水蒸气的真实数量。

相对湿度（”）：一定温度，一定大气压力下，湿空气的绝对湿度与同温同压

下的饱和蒸气量的百分比。即finno/

•水蒸气实际分压力P：尸=0.46。

可近似地认为是空气的水蒸气分压力与同温同压下饱和蒸气压的百分比。

P

QB—XIOO%

Ps

3）露点温度

在大气压力一定、含湿量不变的情况下，未饱和的空气因冷却而达到饱

和状态时的温度。用td（°C）表示。

［例1-1］用干温球温度计测得某采暖居室空气温度ti=18℃,相对湿度6=61.1%,

试求该居室空气的露点温度tdo

［解］:首先要求出该居室的实际水蒸汽分压力P。查附录2,当t=18℃时，饱和

水蒸气压Ps=2062.5Pa,从公式可反求出P为：

P=Ps6=2062.5X0.611=l260Pa

其次，按露点温度的定义，当该室气温下降到Ps=1260Pa时所对应的温度,

即为该室空气露点温度。从附录2中，查得Ps=1260Pa对应的温度为：td=10.4℃

即该居室的露点温度为10.4℃o

1.2室外热湿环境

室外热湿环境：指作用在建筑外围护结构上的一切湿热物理量的总称。

组成室外热湿气候的要素：空气温度、空气湿度

太阳辐射

风、降水、积雪、日照以及冻土

1.2.1地区性气候及其特征

1）空气温度

一般气象学上所指的气温是距地面1.5米高处的空气温度。

影响气温的主要因素有：

•入射到地面上的太阳辐射热量。

•地形与地表面的覆盖。

•大气环流的热交换作用。

2）太阳辐射

太阳辐射是地表大气热过程的主要能源。针对太阳辐射热，建筑设计要考

虑日照和遮阳。

到达地面的太阳辐射有：直接辐射

散射辐射

影响太阳辐射强度的因素：

•太阳高度角

•大气透明度

•地理纬度

•云量

।I(«s•r**ititit

•海拔高度

3）空气湿度

即室外空气中含水蒸气量的多少。也采

用绝对湿度和相对湿度两个物理量来描述。

4）风：即水平方向的气流。

按风的形成机理，可分为:

•大气环流

•地方风

风向和风向频率图

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。

水陆风

1.2.2建筑气候分区以及对建筑设计的基本要求

分区名分区指标

设计要求

称主要指标辅助指标

最冷月平均温度W日平均温度W5℃的天数必须充分满足冬季保温要

严寒

-10℃2145d求，一般可不考虑夏季防

地区

热

寒冷最冷月平均温度日平均温度W5℃的天数应满足冬季保温要求，部

地区0-10℃90-145d分地区兼顾夏季防热

最冷月平均温度日平均温度W5°C的天数必须满足夏季防热要求，

夏热冬

0-10℃,最热月平均0-90d,日平均温度225c适当兼顾冬季保温。

冷地区

温度25-30℃的天数40-110d

夏热冬最冷月平均温日平均温度225℃的天数必须充分满足夏季防热要

暖地区度＞10℃,最热月平100-200d求，一般可不考虑冬季保

均温度25-29C温。

温和最冷月平均温度日平均温度W5C的天数部分地区考虑冬季保温，

地区0-13℃,最热月平均0-90d一般可不考虑夏季防热

温度18-25C

1.2.3城市气候及其成因

城市气候的基本特征表现为：

1）空气温度和辐射温度

城市区域空气平均温度、瞬时温度值均大于郊区，形成众所周知的城市热

岛现象。

2）城市风和紊流特征：

在大环境天气系统背景风速很大时：

・平均风速明显小于郊外

•风向分布基本无规律可循

•部分区域形成风影区和强风区

在大环境天气系统背景风速很小时：

城市风场即为由城市热岛现象引起的热力紊流，成为“城市风”。这种风常认为

是“污染风”。

3）湿度和降水

城区自然蒸发量小，空气绝对湿度和相对湿度较郊区略低，日波动模式也与

郊区有所不同；但因城区空气中的尘埃浓度较高，所以雾和云量也高，城区及

下风区的降水量较郊外更多。

4）太阳辐射与日照

城市气候产生差异的原因：

1）高密度的建筑物改变了地表层性态

・由粗糙度改变引起

•表面材料性质改变

2）高密度的人口分布改变了能源与资源消费结构

•向空气中排放大量温室气体，增加了城市区域的温室效应；

•向城市覆盖层内排放大量人为热量

1.3建筑围护结构传热基础知识

热量传递有三种基本方式：

1.3.1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。

•在气体中是通过分子做无规则运动时互相碰撞而导热；

•在液体中是通过平衡位置间歇移动的分子振动引起的；

•在固体中，除金属外，都是由平衡位置不变的质点振动引起，在金属中,

主要是通过自由电子的转移而导热。

（纯粹的导热现象仅发生在理想的密实固体中）

1）温度场、温度梯度和热流密度

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T的函数即：t=f（x,y,z,T）

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t=f（X）

二维温度场：温度沿X和y两个坐标轴发生变化t=f（x,y）

温度梯度：温度差At与沿法线方向两等温面之间距离△!!的比值的极限。

・等温面：温度场中同一时刻有相同温度各点连成的面。

・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(m2),单位时间内通过的热量为dQ(w)。

如果热流密度在面积F上均匀分布则热流量为右式:

Q=qF

dQ=qdF

◎="户

q=dQW/m~

2)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：一个物

体在单位时间、单位面积上传递的热量于在其法线方向的温度变化率成正比。

,%t：-tAT

q=—/——=_ie_

dnF

3)导热系数

在稳定条件下，两侧表面温差为1℃时，在lh内通过lm2面积所传导的

热量。

•导热系数大，表明材料的导热能力强。

•各种物质的导热系数，均由试验确定。以金属的导热系数最大，非金属

和液体次之，气体最小。

各种材料的人值大致范围是：

气体为0.006-0.6；

液体为0.07-0.7；

建筑材料和绝热材料为0.025-3；

金属为2.2-420。

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、结构成分、密度、湿度、压力、

温度等。其中主要影响因素是密度和湿度。

大多数材料的导热系数人与温度的关系近似直线关系，即：4=之0+初

式中：X0—材料在0℃条件下的导热系数；

b—经实验测定的常数。

1.3.2对流

对流传热只发生在流体之中，它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。

产生对流有的原因

1）自然对流：

由于流体冷热部分的密度不同而引起的流动。

空气的自然对流是空气温度愈高密度愈小。当环境存在空气温差时，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。

垂直表面:4.=2.0疝

水平表面（热流向上）:％,=25匹

水平表面（热流向下）:a=1.3际

2）受迫对流

由于产表面：%=2+3.6V使流体产生对流。外力愈大，对流速度愈大。

外表面：ac=2+3.6v（冬季）

ac=5+3.6v（夏季）

•特点：单纯的对流换热过程是不存在的，对流的同时总伴随着导热。

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。

表面对流换热量取决因素：空气流动状况、结构所在的位置、壁面状况、

热流方向等。

（八、ATAT

表面对流换热量的表示式：牛顿公式。即：。=/k-6）=丁一=丁

（

表面对流换热量取决于“边界层"。//X'c

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。

1.3.3辐射

指热量以电磁波的形式把热量由一个物体传向另一个物体的现象。

热能辐射能热能

1）物体的辐射特性

按物体的辐射光谱特性，可分为黑体、灰体和选择性辐射体三大类。

黑体：能发射全波段的热辐射能力，在相同的温度条件下，辐射能力最大。

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设

辐射能力与同温同波长的黑体的比值为一常数.用"发射率''或“黑度”表示。

选择性辐射体：其辐射光谱与黑体光谱截不同,

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。

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丫、吸

收系数P、透射系数T。以入射辐射为1,则

Y+P+T=1o

白体：对外来辐射全反射的物体，Y=1

透明体：对外来辐射全透过的物体，T=1

黑体和灰体的全辐射能力与其表面的绝对温度的四次幕成正比，即:

\4

E=C工

100；

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。

黑体单色辐射力的最大值随着黑体温度升高而向波长较短一边移动，对

应于这一辐射力为最大值的波长与黑体绝对温度的关系用公式表示：

,2898

maXx=丁-------

2）物体表面对外来辐射的吸收与反射特性

对于任一特定的波长，P=£

LO

就

帐

占

职

£

操

演

，

透过

可以

的光

波长

部分

的大

射中

阳辐

对太

玻璃

«

透

）则

外线

远红

（多为

辐射

射的

所发

物体

常温

一般

而对

。

很低

射率

）

。m

波长

辐射

换热

辐射

间的

体之

3）物

意

间任

在空

，所以

能力

射的

收反

射吸

来辐

对外

射和

射辐

有发

都具

物体

任何

热。

射换

生辐

会产

间就

彼此

体，

的物

分离

相互

两个

,

能力

射的

收辐

和吸

发射

，表面

温度

面的

于表

取决

主要

射量

的辐

面间

两表

置。

互位

的相

之间