建筑物理（第4版）课件：建筑热工学基本知识

建筑物理（第4版）

建筑热工学基本知识知识单元1围护结构传热的基本方式1.1建筑中的传热现象及热工对策1.2热量传递的基本方式知识单元2围护结构的稳定传热过程2.1围护结构一维稳定传热的基本规律2.2组合材料层的稳定传热热阻2.3封闭空气间层的热阻2.4一维稳定传热时平壁内部的温度分布知识单元3周期性不稳定传热的基本规律3.1周期性不稳定传热的基本特点3.2谐波作用下材料和围护结构的热特性指标知识单元4描述湿空气性质的物理量4.1水蒸汽的分压力4.2空气湿度4.3露点温度：4.4湿球温度知识单元5室内外热环境5.1室外热环境5.2室内热环境知识单元1围护结构传热的基本方式1.1建筑中的传热现象及热工对策建筑围护结构的作用之一就是防热御寒，使室内形成舒适的热环境。冬夏两季，热量通过围护结构的传递方式不同：冬天热量由室内流向室外，夏季白天和晚上的热量流动方向相反。因此，围护结构夏季的热工对策与冬季不同，在冬季，要求围护结构具有较好的保温性能，而夏季不仅要求围护结构隔热好，也要求夜间散热快。建筑围护结构的热工设计应根据建筑物室内外的热量传递情况、传热部位以及建筑结构形式结合当地室外气候特征，采取不同的措施和处理方法。1.2热量传递的基本方式热量的传递方式有导热、对流和辐射三种。1.2热量传递的基本方式（1）导热导热是指在同一物体内各部分温度不同、或温度不同的物体直接接触时，材料内部发生的热量转移的过程。单纯的导热过程只有在密实的固体中才会发生，通过围护结构实体材料的热传递过程，可作为导热过程来考虑。如图8-1所示的单层匀质平壁，其宽与高的尺寸比厚度大得多，假设平壁内外表面的温度分别为θi和θe，均不随时间变化，而且假定θi>θe。实践证明，此时通过壁体的热量与壁面之间的温度差、传热面积和传热时间成正比，与壁体的厚度成反比，即：知识单元1围护结构传热的基本方式1.2热量传递的基本方式式中

Q——总导热量（kJ）或（W•h）；λ——热导率[W/(m•K)]，与称为导热系数，由材料性质决定的比例系数；θi——平壁内表面的温度（C°）；θe——平壁外表面的温度（C°），对温度差，1C°=1K；d——平壁厚度（m）；F——垂直于热量传递方向的平壁表面积（m2）；τ——导热进行的时间（h）。热导率λ反映了材料的导热能力，其数值为：在稳定传热的情况下，当材料层单位厚度内的温差为1C°时，在1h内通过1m2表面积的热量。如果用q表示单位时间内通过单位面积的热量（称为面积热流量），则知识单元1围护结构传热的基本方式1.2热量传递的基本方式式中q——平壁的面积热流量），也称为热流强度（W/m2）；R——热阻一（m2•K/W），R=d/λ。

热阻R反映了热量通过平壁时遇到的阻力，是平壁抵抗热量通过的能力。在同样的温差条件下，热阻越大，通过材料层的热量就越少。要想增加热阻，可以加大平壁的厚度，或选用热导率λ值小的材料。（2）对流

对流是指依靠流体的宏观流动，把热量由一处传递到另一处的现象。工程上大量遇到的是流体流过一个固体壁面时发生的热量交换过程，称为表面换热或对流传热。知识单元1围护结构传热的基本方式1.2热量传递的基本方式对流按产生原因可分为自然对流和受迫对流两种。流体与固体表面的对流传热过程可用牛顿公式进行计算：qc=αc(t-θ)式中

qc——对流传热的面积热流量（W/m2）；αc——表面传热系数（W/m2•K），即当固体壁面与流体主体部分的温差为1℃（对温差1℃=1K）时，单位时间通过单位面积的传热量；t——流体主体部分温度（℃）；θ——固体壁面温度(℃)；由于各种因素的影响，表面传热系数常用如下的经验公式进行计算：（1）自然对流（围护结构内表面）知识单元1围护结构传热的基本方式1.2热量传递的基本方式知识单元1围护结构传热的基本方式1.2热量传递的基本方式3．辐射任何物体只要热力学温度高于零开尔文，表面就会不停地向四周发射电磁波，同时又不断地吸收其他物体投射来的电磁波。如果这种辐射的波长范围为0.4μm～40μm，就会有明显的热效应。这种辐射与吸收的过程就造成了以辐射形式进行的物体间的能量转移——辐射传热。辐射传热不需要物质间相互接触，也不需要任何中间媒介。当物体表面受到辐射强度为Ｉo的辐射时，如反射的辐射强度为Ｉρ，被吸收的辐射强度为Ｉα，透过物体从另一侧传出去的辐射强度为Ｉτ（如透过玻璃）。据能量守恒定律有Ｉ0=Ｉρ＋Ｉα＋Ｉτ知识单元1围护结构传热的基本方式1.2热量传递的基本方式式中

ρ——物体对辐射热的光谱反射比，ρ=Ｉρ／Ｉo；α——物体对辐射热的光谱吸收比，α=Ｉα／Ｉo；τ——物体对辐射热的光谱透射比，τ=Ｉτ／Ｉo

。物体对不同波长的外来辐射的吸收、反射及透射的性能是不同的。凡能将外来辐射全部反射（ρ=１）的物体称为绝对白体，能全部吸收（α=１）的称为全辐射体（也可称为黑体），能全部透过（τ=１）的则称为绝对透明体或透热体。在自然界中没有绝对全辐射体、绝对白体和绝对透明体。全辐射体辐射遵守斯蒂芬-波尔兹曼定律：知识单元1围护结构传热的基本方式1.2热量传递的基本方式式中Ｔb

——全辐射体的热力学温度（Ｋ）；Ｃb

——全辐射体的辐射系数，Ｃb＝5.68W/(m2•K4)。灰体的全辐射照度Ｅ也可按斯蒂芬-波尔兹曼定律来计算：式中

Ｔ——灰体的热力学温度（Ｋ）Ｃ——灰体的辐射系数[W/(m2•K4)]黑度，用ε来表示，即知识单元1围护结构传热的基本方式1.2热量传递的基本方式黑度ε表明灰体的辐射照度接近全辐射体的程度。根据希荷夫定律，在一定温度下，物体对辐射热的吸收系数α在数值上与其黑度ε是相等的。图8-2为不同表面对辐射热的光谱反射比图线。玻璃与一般建筑材料不同，对于可见光来说，它是透明体，但对红外线却几乎是不透明体。因此，用普通玻璃制作的温室，能引进大量的太阳辐射热而阻止室内的长波辐射向外透射，产生所谓的“温室效应”。建筑设计中可利用“温室效应”应用绿色的太阳能。表8-1列出了若干材料的辐射系数C、黑度ε和对太阳辐射热的光谱吸收比αs值。知识单元1围护结构传热的基本方式序号材料ε(10～40C°)C=εCbαs1234567891011全辐射体开在大空腔上的小孔黑色非金属表面（如沥青、纸等）红砖、红瓦、混凝土、深色油漆黄色的砖、石、耐火砖等白色或淡奶油色砖、油漆、粉刷涂料窗玻璃光亮的铝粉漆铜、铝、镀锌铁皮、研磨铁板研磨的黄铜、铜磨光的铝、镀锡铁皮、镍铬板1.000.97～0.990.90～0.980.85～0.950.85～0.950.85～0.950.90～0.950.40～0.600.20～0.300.02～0.050.02～0.045.685.50～5.625.11～5.504.83～5.404.83～5.404.83～5.405.11～5.402.27～3.401.14～1.700.11～0.280.11～0.231.000.97～0.990.85～0.980.65～0.800.50～0.700.30～0.50大部分透过0.30～0.500.40～0.650.30～0.500.10～0.401.2热量传递的基本方式表8-1一些材料的C、ε及αs值知识单元1围护结构传热的基本方式1.2热量传递的基本方式实际上，建筑物的传热大多是辐射、对流和导热三种方式综合作用的结果。图8-3为屋顶被太阳照射时的传热情况，图8-4为供暖室内的热交换过程。知识单元1围护结构传热的基本方式2.1围护结构一维稳定传热的基本规律知识单元1围护结构传热的基本方式2.1围护结构一维稳定传热的基本规律知识单元1围护结构传热的基本方式1.2热量传递的基本方式知识单元1围护结构传热的基本方式1.2热量传递的基本方式①表中的h为肋高，s为肋间净距。内表面特征αi

/[W/(m2•K)]Ri/(m2•K/W)外表面状况αe/[W/(m2•K)]Re(m2•K/W)

墙、地面、表面平整的顶棚、屋盖或楼板以及带肋的顶棚（h/s≤0.3）

有井形突出物的顶棚、屋盖或楼板（h/s＞0.3）727.560.1150.132

与室外空气直接接触的表面不与室外空气直接接触的表面：阁楼楼板上表面不采暖地下室顶棚下表面23.26145.820.0430.1230.172表8-2内表面的表面传热系数和热阻表8-3外表面的表面传热系数和热阻知识单元1围护结构传热的基本方式2.2组合材料层的稳定传热热阻如图8-6所示的组合材料层，平均热阻按下式计算：式中

F0——与热量流动方向垂直的总传热面积（m2）；F1、F2．．．Fn——按平行于热量流动方向划分的各个传热面积（m2）；R0.1、R0.2．．．R0.n——各个传热面部位的传热阻[(m2•K)/W]；知识单元2围护结构的稳定传热过程2.2组合材料层的稳定传热热阻Ri——内表面传热阻，取0.11(m2•K)/W；Re——外表面传热阻，取0.04(m2•K)/W；φ——修正系数，按表8-4采用。λ2/λ1或(λ2+λ3)/2λ10.09～0.190.20～0.390.40～0.690.70～0.99φ0.860.930.960.98表8-4修正系数φ值（1）封闭空气间层自然对流情况2.3封闭空气间层的热阻知识单元2围护结构的稳定传热过程2.3封闭空气间层的热阻知识单元2围护结构的稳定传热过程（2）封闭空气间层的辐射传热表8-5为工程设计中所采用的空气间层热阻Rag值。2.3封闭空气间层的热阻位置、热量流动状况及材料特性冬季夏季间层厚度（单位：mm）间层厚度（单位：mm）51020304050>6051020304050>60一般空气间层热量向下流动(水平、倾斜)0.100.140.170.180.190.200.200.090.120.150.150.160.160.15热量向上流动(水平、倾斜)0.100.140.150.160.170.170.170.090.110.130.130.130.130.13垂直空气间层0.100.140.160.170.180.180.180.090.120.140.140.140.150.15表8-5空气间层的热阻Rag单位：(m2•K)/W知识单元2围护结构的稳定传热过程2.3封闭空气间层的热阻位置、热量流动状况及材料特性冬季夏季间层厚度（单位：mm）间层厚度（单位：mm）51020304050>6051020304050>60单面铝箔空气间层热量向下流动(水平、倾斜)0.160.280.430.510.570.600.640.150.250.370.440.480.520.54热量向上流动(水平、倾斜)0.160.260.350.400.420.420.430.140.200.280.290.300.300.28垂直空气间层0.160.260.390.440.470.490.500.150.220.310.340.360.370.37双面铝箔空气间层热量向下流动(水平、倾斜)0.180.340.560.710.840.941.010.160.300.490.630.730.810.86热量向上流动(水平、倾斜)0.170.290.450.520.550.560.570.150.250.340.370.380.380.35垂直空气间层0.180.310.490.590.650.690.710.150.270.390.460.490.500.50表8-5空气间层的热阻Rag（续表）

单位：(m2•K)/W知识单元2围护结构的稳定传热过程仍以图8-5的三层平壁为例，通过平壁内表面的面积热流量与通过平壁各部分的热流量相等。由q=qi有：2.4一维稳定传热时平壁内部的温度分布知识单元2围护结构的稳定传热过程得出壁体的内表面的温度为：由q=q1=q2有：2.4一维稳定传热时平壁内部的温度分布知识单元2围护结构的稳定传热过程由以上各式可得：以此类推，对于多层平壁内任一层的内表面温度θm为：2.4一维稳定传热时平壁内部的温度分布知识单元2围护结构的稳定传热过程其中m=1,2,3．．．NΣRj是从第一层到第m-1层的热阻之和，层次编号是顺着热量流动的方向。由q=qe有：

得出外表面的温度为：[例8-1]已知室内气温为15℃，室外气温为-10℃，试计算通过图8-8所示的钢筋混凝土预制板屋顶和砖墙的面积热流量和内部温度分布。Ri=0.11m2•K/W；Re=0.04m2•K/W。2.4一维稳定传热时平壁内部的温度分布知识单元2围护结构的稳定传热过程2.4一维稳定传热时平壁内部的温度分布知识单元2围护结构的稳定传热过程2.4一维稳定传热时平壁内部的温度分布知识单元2围护结构的稳定传热过程2.4一维稳定传热时平壁内部的温度分布知识单元2围护结构的稳定传热过程3.1周期性不稳定传热的基本特点知识单元3周期性不稳定传热的基本规律（1）温度波动过程的延迟（2）温度波的“衰减”3.2谐波作用下材料和围护结构的热特性指标（1）材料的蓄热系数我们把某一匀质半无限大壁体一侧受到谐波热作用时，迎波面（即直接受到外界热作用的一侧表面）上接受的面积热流量振幅Aq与该表面的温度振辐Aθ之比，称为材料的蓄热系数。用“S”表示，单位是W/(m2•K)。即知识单元3周期性不稳定传热的基本规律3.2谐波作用下材料和围护结构的热特性指标在同样的谐波热作用下，材料的蓄热系数S越大，材料表面的温度波动越小。（2）材料层的热惰性指标材料层的热惰性指标是表示材料层受到波动热的作用后，背波面上温度波动剧烈程度的一个指标，它表明材料层抵抗温度波动的能力，用D表示。它是一个无量纲的量。在数值上等于材料层的热阻R与材料层的蓄热系数S之积。D=RS式中

R——材料层的热阻，单位为m2•K/WS——材料的蓄热系数，单位为W/(m2•K)对由多层材料组成的围护结构，热惰性指标为各材料层热惰性指标之和，即D=R1S1+R2S2+...+RnSn=D1+D2+...+Dn空气间层的蓄热系数S和热惰性指标D均为零。知识单元4描述湿空气性质的物理量4.1水蒸汽的分压力Pw=Pd+P4.2空气湿度（1）绝对湿度每立方米的湿空气所含水蒸汽的重量，称为绝对湿度。绝对湿度一般用f表示，单位一般使用g/m3。饱和状态下的绝对湿度则用饱和蒸汽量fmax表示。（2）相对湿度相对湿度是指在一定温度及大气压下，湿空气的绝对湿度f与同温度下的饱和蒸汽量fmax的比值，又称为饱和度。相对湿度一般用φ表示。知识单元4描述湿空气性质的物理量4.2空气湿度

在一定温度下，湿空气中水蒸汽含量与水蒸汽分压力成正比，因此，相对湿度也可用湿空气中水蒸汽的分压力P，与同温度下水蒸汽的饱和蒸汽压Ps之比来表示。相对湿度φ值小，表示空气干燥，吸收水分的能力强；φ值大，表示空气潮湿，吸收水分的能力弱。φ为零则空气为干空气；φ＝100％，则为“饱和的”空气。显然由相对湿度φ值大小，可直接判断空气的干、湿程度。相对湿度的大小和人对空气湿度的感觉及材料的湿特性相吻合。4.3露点温度空气在含湿量和大气压不变的情况下，冷确到饱和状态（即相对湿度φ=100%）所对应的温度，称为该状态下空气的露点温度，以符号td表示。气温如低于露点温度，就会发生结露或结霜现象。知识单元4描述湿空气性质的物理量4.3露点温度知识单元4描述湿空气性质的物理量4.4湿球温度用两支相同的水银温度计，一支的水银球用浸在水中的湿纱布包起来，称为湿球温度计；另一支不包纱布，称为干球温度计。二者共同构成干湿球温度计。其相应的读数分别称为湿球温度twet和干球温度tdry。干球温度实质就是空气的温度。干湿球温度计可用来测定空气的相对湿度。一般用图表表示相对湿度φ与twet和tdry的关系。知识单元5室内外热环境5.1室外热环境（1）与建筑物密切相关的气候因素1）气温气温为城市近郊气象台离地面1.5m高处空气的温度。2）太阳辐射太阳辐射的波长范围大致在10-10m～105m，其中波长在0.2×10-6～3×10-6m范围内的能量占全部辐射能量的98%。3）空气湿度相对湿度的变化程度，大陆大于海面，夏季大于冬季，晴天大于阴天。相对湿度的日变化趋势与温度的日变化趋势相反。一年中最热月的绝对湿度最大，最冷月的绝对湿度最小。一年中相对湿度的大小与绝对湿度刚好相反。知识单元5室内外热环境5.1室外热环境4）风风是自然界由大气压力差所引起的大气水平方向的运动。风可分为大气环流与地方风两大类。图8-9为我国几个主要城市的风玫瑰图。图8-9风玫瑰图的表示方法及我国几个主要城市的风玫瑰图（1）知识单元5室内外热环境5.1室外热环境图8-9风玫瑰图的表示方法及我国几个主要城市的风玫瑰图（2）知识单元5室内外热环境5.1室外热环境气象学上将风分为12级，如表8-6所示。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00～0.5无风清烟直冲天712.5～15.2疾风树干摇摆、大枝弯曲、迎风步艰10.6～1.7软风吹脸面感21.8～3.3轻风树叶沙沙响，风感觉显著815.3～12大风大树摇摆，细枝折断33.4～5.2微风树叶及细枝微动不止913～21.5烈风大枝折断，轻物移动45.3～7.4和风树叶及细枝动摇1021.6～25.1狂风拔树57.5～9.8清风大枝摆动1125.2～29.0暴风有重大损毁69.9～12.4强风粗枝摇摆，电线呼呼作响12>29.0飓风风后破坏严重，一片荒凉表8-6风速风级表知识单元5室内外热环境5.1室外热环境5）降水从地球表面蒸发出来的水汽进入大气层，经凝结后又降到地面上的液态或固态水分，称为降水。影响降水量分布的因素很复杂，寒冷地区降水量少，炎热地区降水量大。此外，大气环流、地形、海陆分布的性质及洋流对降水都有影响。（2）我国的建筑气候分区我国地域辽阔，气候复杂。GB50176-2016《民用建筑热工设计规范》依据建筑特点、设计要求及各种气候因素对建筑物的影响，在全国范围内进行了建筑气候分区的工作。知识单元5室内外热环境5.1室外热环境（3）城市小气候特点同一种气候区域，并非气候完全一致。由于地形、土壤、植被、水面等地面情况的不同，一些地方往往具有独特的“小气候”。城市小气候是由于特殊的地表覆盖、众多人口排放的热量和水汽、废气及其他生活污染物造成的。城市区域的小气候因素体现在：1）大气透明度小，削弱了太阳辐射。2）气温较高，形成“热岛效应”。3）风速减小，风向因地而异。4）蒸发减弱、湿度变小。5）雾多，能见度差。城市建筑热工设计必须考虑这些小气候因素。知识单元