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1、建筑物理（热工学）,华南理工大学建筑学院 张宇峰（讲师）,第一篇 建筑热工学,第一章 传热基本知识第二章 室内热环境第三章 建筑气候第四章 建筑保温设计第五章 建筑防热设计,第一章 传热基本知识,11 传热方式12 平壁稳定传热13 平壁周期性传热,传热的基本概念,围护结构,冷空气,热空气,热量传递（热流）,传热：各种热量传递过程的总称。温差是传热的动力。稳定传热过程：传热过程中各点温度不随时间变化。不稳定传热过程：传热过程中各点温度随时间变化。,传热的基本方式,围护结构,冷空气,热空气,对流辐射,对流辐射,导热,导热,导热：当物体各部分之间不发生相对位移，或不同的物体直接接触时，依靠分子、原
2、子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递。,导热可在固体、液体和气体中发生单纯的导热只发生在密实固体中,导热的简单计算,T1,T2,Q,d,单位时间通过面积为F的平壁的导热量为：,如果平壁两个表面的温度不随时间变化，并且T1 T2，那么：,单位时间单位面积的平壁的导热量为（热流密度）：,材料的导热系数，单位为W/（mK）。建筑材料导热能力大小的一个重要指标。影响导热系数的因素：,材质干密度含湿量,绝热材料：导热系数在0.3W/(m K)以下的材料。按用途不同称作保温材料或隔热材料，比如矿棉、岩棉、泡沫塑料等。静止的空气具有很好的保温能力。水和金属的导热系数较大。,材料的干密度越小，内部孔
3、隙越多，导热性能越差。？但对于一些小密度材料，比如纤维状和发泡材料，密度过低，孔隙过大，材料传热性能越强。,玻璃棉,多孔材料的含湿量越大，导热性能越强。？干砖砌体： 0.5W/(m K)湿砖砌体：1.04W/(m K)建材的生产、运输、堆放、保管和施工,加气混凝土,对流,对流：指流体各部分之间发生相对运动, 互相掺混而传递热量。,单纯的对流只发生在流体中,对流换热：流体与壁面接触时同时发生对流和导热的热量传递过程。,边界层,主流区,层流区,紊流区,对流换热机理,壁面,空气,流态平稳，主要靠导热进行热传递,流态紊乱，主要靠对流进行热传递,热量传递在边界层中进行,t,对流换热的简单计算,t 流体主
4、流区温度。c对流换热系数，表征边界层对流换热能力的大小，c越大，对流换热能力越强。影响因素较多，一般通过实验方法确定。,注意公式选择的条件。,自然对流换热：因温差引起的对流换热。（暖气）强制对流换热：受外力推动引起的对流换热。（手摇扇、吊扇、空调、开窗自然通风。）,From Indoor Climate by McINTYRE, 1980.,强制对流换热中包含自然对流换热，强制对流换热能力更强。,通风隔热屋顶,通风隔热屋顶效果,通风隔热屋顶,阁楼隔热屋顶,通风隔热屋顶,通风隔热屋顶传热过程示意图,层内风速,层内风速是影响通风屋顶隔热效果的重要因素；层内风速应至少达到0.2m/s，通风屋面才有较
5、好的隔热效果；风速越大，隔热效果越好，当风速大于0.8m/s时再增加风速无明显改善；平屋顶：风压驱动为主，室外风速，兜风檐口；坡屋顶：风压、热压共同驱动，温差与高差；降低间层空气阻力：清理层内杂物，增加空气进出口面积与间层横截面积，加大间层高度（200240mm）。,层内气流组织方式,通风隔热屋顶设计原则,a.屋面外表面应刷白或浅色；b.通风空气间层的高度在 200240mm 之间为宜；c.应在通风屋面的进出口间造成一个压差，以增加间层内的空气流动速度；d.太长的通风间层要避免；e.通风间层内空气流动方向应与该建筑物所在地的夏季主导风向一致，以获得较大的通风量；f.当通风屋面带有保温材料时，应
6、该将保温材料布置在下层屋面；g.通风屋面这重结构不适用于冬季时间长，夏季时间短的地区。,q 人体蓄热量qm人体产热量qw人体蒸发散热量qr人体辐射散热量qc人体对流散热量,人体热平衡,人体对流散热量 qc,人体与周围环境空气的对流换热量。与皮肤（衣服）表面温度Ts 、环境空气温度Ta和对流换热系数c 有关。对流换热系数空气流速vTa Ts： qc 0, v qc 导热散热量附加热阻对流散热量,人体蒸发散热量 qw,途径：皮肤出汗的汗液蒸发呼吸过程中吸入空气湿度的变化原理：皮肤或呼吸道表面水分蒸发吸热影响因素：空气流速 qw 空气湿度 qw 流速小，湿度大闷热,自然通风的作用,呼吸新鲜空气；排除
7、房间内余热、湿气，降低室内空气温度和湿度；排除烟尘和气味，提高空气品质；增加人体蒸发和对流散热量，维持热舒适。,自然通风方式1热压通风,温差驱动，室内空气自下而上流动；取决于密度差和进出口高差；,低温、重空气,高温、轻空气,山谷风,海陆风,自然通风的原理风压通风,建筑物的迎风面空气受阻，风速减小，动能变成静压，形成正压区；建筑物的背风面、屋顶和两侧因气流曲绕（涡流），形成负压区；,自然通风的原理风压通风,风压取决于室外风速：,自然通风的原理风压通风,工厂的热加工车间有稳定热源，热压通风较为稳定和普遍；沿海地带的建筑物风压较大，风压通风较为普遍；一般民用建筑中，室内外温差不大，进排气口高度相近，
8、难以形成有效的热压通风，主要依靠风压组织自然通风。,自然通风的设计,建筑物朝向建筑群布局房间开口位置和面积与通风有关的构造措施利用环境组织通风建筑物平面布置与剖面处理的基本原则,建筑物朝向,风玫瑰图是自然通风设计的基本依据。建筑物迎风面出现的最大压力在与风向垂直的面上，所以建筑物朝向应尽量靠近夏季主导风向。南向和南偏东向。,建筑群布局涡流,背风涡流区风力弱、风向不稳定，处于涡流区的建筑物很难形成有效自然通风。,Wind identify breezeways, cold exposure, stagnation,summer,winter,冬季北风C06小区规划方案室外风环境（1.5m高处）,
9、建筑群布局涡流,背风涡流区长度与建筑物的长宽高有关。,建筑群布局平面布局,实例一,北京某住宅小区规划方案：（a）最初方案（方案I）；（b）第一次改进后的方案（方案II）；（c）最终方案（方案III）,实例一介绍利用数值模拟方法对北京某住宅小区的规划方案设计进行优化的过程,实例一结果简介,(a) 原方案（方案I），北风模拟结果,以下都为地面以上1.5米高度处建筑群外气流分布情况,实例一结果简介,(b) 方案 II, 北风模拟结果,实例一结果简介,(c) 方案 III, 北风模拟结果,房间开口位置和面积,开口位置的影响（平面图）,房间开口位置和面积,开口位置的影响（剖面图）,房间开口位置和面积,开
10、口面积的影响,最佳通风效果：开口宽度为开间宽度的1/32/3开口面积为地板面积的1525,与通风有关的构造措施,开口面积的影响,利用环境组织通风,绿化具有一定的降温作用,利用环境组织通风,海陆风,山谷风,建筑物平面布置与剖面处理的基本原则,主要的使用房间布置在夏季迎风面，辅助用房可布置在背风面。当房间的进风口不能正对夏季主导风向时，可采用台阶式的平面组合或设置挡风板加强自然通风。利用楼梯间、小厅和天井等增加建筑物内部的开口面积，充分利用开口面积组织自然通风。开口位置的布置应尽量使得室内气流分布均匀，并力求风吹过房间主要使用部位。门窗有关构造有利于导风、排风和调节风向、风速。,建筑物平面布置与剖
11、面处理的基本原则,节能建筑- BRE Energy Efficient Office,四、节能建筑,节能建筑- BRE Energy Efficient Office,无风夏季：热压通风,吊顶内的风洞,四、节能建筑,节能建筑- BRE Energy Efficient Office,有风：风压贯流通风,自动控制窗,四、节能建筑,夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准,当室外热环境参数优于室内热环境时，居住建筑通风宜采用自然通风使室内满足热舒适及空气质量要求。居住建筑外窗的可开启面积不应小于外窗所在房间地面面积的8或外窗面积的45。,一、CFD基本介绍,CFD (Computational Fluid
12、 Dynamics)的发展 1933年首次出现英国 1974 年首次应用于建筑环境领域丹麦，P.V. Nilsen 流体动力学，数值计算，计算机图形学技术的综合 CFD的主要分支（流体特性）不可压湍流流动数值模拟可压缩高速流动数值模拟多相流体流动的数值模拟 CFD的主要分支（物理模型）湍流模式理论，大涡模拟，直接模拟,一、CFD基本介绍,为何采用CFD模拟,模型实验： 可靠，直观 周期长，价格昂贵,CFD模拟： 周期短，成本低，资料完备 技术性强，不确定,二、CFD软件介绍,商用CFD软件,FLUENT,PHOENICS,CFX,STAR-CD,二、CFD软件介绍,PHOENICS的界面,VR
13、 EDITOR中建立模型,VR EDITOR中定义边界条件,二、CFD软件介绍,PHOENICS的界面,EARTH计算界面,二、CFD软件介绍,PHOENICS的网格划分,二、CFD软件介绍,PHOENICS的网格划分,二、CFD软件介绍,PHOENICS的模拟结果显示,VR-VIEWER中的速度场,二、CFD软件介绍,PHOENICS的结果,VR-VIEWER中的温度等高图,VR-VIEWER中的流线图,VR-VIEWER中的温度等值面图,二、CFD软件介绍,PHOENICS的特点 1、与CAD接口,复杂的图形可以通过CAD轻松完成,300MW压水堆核电站 反应堆下腔室流场数值模拟,珠江俊园
14、夏季风场,夏季主导风向的风吹过建筑群，不同高度的风场分布,箭头代表风向颜色代表风速大小,夏季主导风向的风吹过建筑群，不同位置的风场分布,热辐射,辐射：物体通过电磁波来传递能量的方式。不同波长的电磁波可产生不同的效应（手机、收音机。）。,热辐射：因温度原因发出辐射能的现象。,可见光：0.390.76微米。,太阳辐射（短波辐射）,常温物体辐射（长波辐射）,太阳辐射：0.23微米，包括部分紫外线，全部可见光和近红外线区域，称为短波辐射。,常温物体辐射：3100微米，集中在远红外线区域，称为长波辐射。,热辐射：因温度原因发出辐射能的现象。,辐射换热的特点,（1）伴随能量形式的转换：内能电磁波能内能（2
15、）可在真空传播，不需任何中间介质，不需冷热物体直接接触。（3）凡是温度高于绝对零度（0K，273）的一切物体都在不停地对外发射辐射热。（4）辐射换热是两物体间互相辐射的结果。,高温,低温,发射,接收,发射,接收,接收本领,吸收率,反射率,透射率,物体对不同波长辐射热的吸收率、反射率和透射率不同不同物体的特性不同，材质、表面光洁度和颜色是影响因素。,不同物体的反射率,黑体：全部吸收辐射热白体：全部反射辐射热透明体：全部透射辐射热工程材料（玻璃除外）大多是非透明体，也即透射率0，吸收率反射率1。,隔热涂料（反射漆）：,人体表面吸收率推荐实用值引自建筑环境学,发射本领,物体在单位时间内单位表面积向半
16、球空间所有方向发射的全部波长的辐射能：辐射力,辐射光谱,温度越高，辐射力越强同温度下，黑体辐射能力最强。与黑体辐射光谱曲线类似，辐射能力较弱的物体称为灰体。大多数建材可近似看作灰体。,实际物体的发射率（黑度），01，表征物体辐射能力与黑体接近的程度。物体对长波辐射的吸收率发射率注意：对常温物体辐射的吸收率发射率对太阳辐射的吸收率发射率,发射率,黑体的辐射力,灰体的辐射力,玻璃：对常温物体辐射的吸收率大，透过率小保温对太阳辐射的吸收率小，透过率大透热温室效应太阳房,发射率,GB/T 15405-2006 被动式太阳房热工技术条件和测试方法,太阳辐射透射率0.76集热墙吸热涂层太阳辐射吸收率0.8
17、8，以黑、蓝、棕、墨绿为宜。墙体屋顶保温。,集热（蓄热）式太阳房特朗勃墙冬暖夏凉,辐射换热的简单计算,F1两表面间看得见的面积。C12当量辐射系数。 C12C1C2/Cb 两表面的辐射角系数。表示单位时间内，1表面投射到2表面的辐射换热量与1表面向外界辐射总热量的比值。几何关系量。,一般位置两灰体,T1C1,T2C2,T1T2,平行平板间的辐射换热,q1-2,1C121/(1/C1+1/C2-1/Cb),辐射换热系数对流换热系数,导热,自然对流,一般建材（辐射对流）,一个表面贴铝箔,两个表面贴铝箔,太阳辐射,大气层外太阳辐射光谱（表面约5500 ）,52,48,太阳辐射能量集中于可见光区和近红
18、外区,玻璃的太阳辐射得热,Low-e（低发射率）贴膜玻璃,高反射率低发射率（0.33）,透射率,反射率,可见光区390760,近红外区7602500,反射型贴膜玻璃,低透射率高反射率低吸收率,透射率,反射率,吸收型贴膜玻璃,低透射率低反射率高吸收率,透射率,反射率,普通玻璃,反射玻璃,吸热玻璃,玻璃系统的光学测量Optical measurement of glazing system详情参见英文文章 Details at “Study of the solar-optical properties of PVB laminated glass.” Journal of Harbin Inst
19、itute of Technology (New Series). 2007, 14(sup.): 338-340.,紫外可见近红外分光光度计 UV-Visible-NIR Spectrophotometer,反射率Reflectance,透射率Transmittance,玻璃品种 Glass types:低辐射Low-E热反射Thermal reflected热吸收Thermal absorbed ,隔热涂层的本地化Localization of thermal insulated coating详情参见 Details at “The developments of nano transp
20、arent thermalinsulating coatings.” Acta Energiae Solaris Sinica. 2006, 27(11): 1117-1119.,选择材料Material selection,振荡搅拌Oscillating and mixing,涂膜Coating on glass,光学测量Optical measurement,遮蔽系数、可见光透过率,将透过3mm厚标准透明玻璃的太阳辐射能量作为1.0，其它玻璃在同样条件下透过太阳辐射能的相对值称为遮蔽系数。遮蔽系数越小说明通过玻璃进入室内的太阳辐射能越少。,公共建筑节能设计标准（GB 501892005）,
21、遮蔽系数、可见光透过率,夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准,遮蔽系数、可见光透过率,玻璃或玻璃组件的遮蔽系数Se的设计计算选值及其可见光透过率的设计限值广州地区高新校区建筑节能设计标准,建筑贴膜玻璃光热性能分析与分级（华工硕士论文）综合考虑贴膜玻璃的可见光透过率和遮阳系数两个性能指标，首先按透光性能分为5级，然后在每级中按遮阳性能再分5小级。这种分级方法兼顾采光和节能，实用性好。,建筑气候回顾,广州地区的气候特点：1、气温年较差、日较差（较大？较小）2、最热月平均气温？最冷月平均气温？3、极端最高气温？极端最低气温？4、夏季和冬季主导风向，风速？5、处于建筑热工设计分区的哪个区？,广州典型气象年
22、,广州典型气象年,广州典型气象年,广州典型气象日,严寒地区,寒冷地区,夏热冬冷地区,夏热冬暖地区,温和地区,寒冷地区,严寒地区,寒冷地区,严寒地区,建筑热工设计分区,建筑热工设计分区及设计要求,平壁的稳定传热,围护结构,冷空气,热空气,导热,T1,T2,Q,导热热阻,导热温差,导热热流,T1,T2,R,q,对流,对流热阻,对流温差,对流热流,t,Rc,q,t,Q,辐射,辐射热阻,辐射温差,辐射热流,T1,T2,Rr,q,T1C1,T2C2,Q,吸热,Ric,Rir,i,ti,i,ti,假定外界辐射温度与空气温度相等：,导热,i,e,2,3,q1,q2,q3,d1,d3,d2,R1,R2,R3,
23、i,e,放热,te,e,Rec,Rer,te,e,假定放热辐射温度与空气温度相等：,围护结构的稳态传热,R0 =Ri +R +Re（围护结构的传热阻）qi = q1 = q2 = q3 = qe,ti,i,e,2,3,te,q1,q2,q3,qi,qe,表征热量从室外传到室内受到的所有阻力（导热、对流、辐射）大小。等于室内外空气温差1，单位时间内通过单位面积平壁的传热量。衡量墙体、屋面稳定传热能力的重要指标。,围护结构的传热阻:,围护结构的传热系数K：,1 热箱 2 冷箱 3 试件框 4 电暖气 5 试件 6 隔风板 7 风机 8 蒸发器 9 加热器 10 环境空间 11 空调器 12 冷冻机
24、窗墙传热实验台示意图,GB/T 13475-92 建筑构件稳态热传递性质的测定、标定和防护热箱法GB/T 2680-94 建筑外窗保温性能分级及检测方法,不同热阻的温度点首尾相连。各热阻传递的热流密度相等。,串连:,不同热阻的温度点相同。不同热阻传递的热量可能不同。,并连:,计算实例:,注明：以上外墙内外侧均抹水泥砂浆25mm厚。,外墙节能的国家和行业标准:,GB 50189-2005 公共建筑节能设计标准,JGJ 75-2003 夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准,节能复合墙体:,复合墙体：钢筋混凝土200外墙内贴隔热材料（仅外侧抹灰25mm，内侧不抹灰）：,屋顶节能的国家和行业标准:,GB
25、50189-2005 公共建筑节能设计标准,JGJ 75-2003 夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准,外墙和屋顶的节能措施:,引自JGJ 75-2003 夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准,外窗K值要求:,GB 50189-2005 公共建筑节能设计标准,JGJ 75-2003 夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准对外窗K值不作要求。,各材料热阻接近，并联。各材料热阻差别较大，出现二维传热。简化计算公式：,组合材料:,i,e,q1,q2,q3,R1,R2,R3,i,e,组合材料计算软件THERM:,组合材料计算软件THERM:,组合材料传热系数:,K2.54W/m2K,K=5.59W/m2K,K1.
26、5W/m2K,建筑物理P139,平壁的周期性传热,周期性传热现象周期性传热特征相关指标,周期性传热,温度周期性波动：,春夏秋冬四季更替：年变化日出日落昼夜更替：日变化空调采暖设备开启教室、会议室人为热,平壁表面及内部任何一点温度出现与空气温度等周期的波动；从空气到表面及内部，温度波动的振幅逐渐减小温度波的衰减；从空气到表面及内部，温度波动的相位逐渐后移温度波的延迟。,半无限大物体周期性传热特征：,半无限大物体周期性传热特征：,1 2 3,单位质量的物质，温度升高或降低1所吸收或放出的热量，kJ/(kg )。用来衡量物体储存热量的能力。,与常见的建筑材料相比，水的比热容较大。,比热容,物体表面热
27、流波幅与温度波幅的比值：,蓄热系数,表征物体表面在周期性热作用下反抗温度波动的能力。同样热作用下，蓄热系数越大，反抗温度波动的能力越强，物体表面的温度波动越小。蓄热系数与导热系数、比热容和密度呈正比。,蓄热系数的应用：,档案馆：要求室内温度波动小，稳定性强。室内一侧材料的蓄热系数（大 ？小）,广东省档案局档案库房围护结构设计：要求：在库房空调停机后62h温度升高不超过2、湿度波动不超过10%技术特点：提高墙体的热阻，把蓄热系数大的重质材料放在墙体内侧，构造：（外）防水层+防护层+防潮层+绝热层+蓄热层+饰面（内）,蓄热系数的应用：,会议室：会议期间要求围护结构内表面温度能在短时间内达到设定值。
28、室内一侧材料的蓄热系数（大 ？小）墙体内保温vs墙体外保温（建筑物理P98）秋冬季节，赤脚在大理石地板和松木地板上走，感觉有什么不同，为什么？春夏之交（3、4月份），户外的空气温度回升较快，但房间里的墙摸起来还很凉，为什么？,表面敏感度物体内部导热能力。表征物体内部在周期性热作用下反抗温度波动的能力。同样热作用下，热惰性指标越大，物体内部的温度波动幅度越小。热惰性指标越大，经过围护结构的衰减和延迟越显著。,单层材料,多层材料,热惰性指标,热惰性指标,引自DBJ 15-51-2007 公共建筑节能设计标准广东省实施细则,夏季，室外气温一般在中午12点达到最大值，房间中的最高温度出现在几点钟，为什
29、么？覆土种植屋面与普通混凝土屋面相比，在稳定传热和周期性传热方面都有哪些特点？,热惰性指标的应用,热惰性指标相关标准,DBJ 15-51-2007 公共建筑节能设计标准广东省实施细则,JGJ 75-2003 夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准,区分蓄热系数与热惰性指标,青海省玉树的夏季室外计算日较差高达12.7 ，为减小外墙内表面的温度波动，宜选择（蓄热系数？热惰性指标）较大的材料作为外墙材料。人工气候室通过空调和加热设备调节室内空气的温度和湿度，其控制要求之一是围护结构内表面温度能够较好的跟随空气温度变化而变化，那么，应在人工气候室墙体内侧布置（蓄热系数？热惰性指标）较小的材料。波动源关心的表
30、面,土壤年温度波动,温度波幅的衰减呈指数函数规律,土壤日温度波动,地温垂直分布,地表以下具有冬暖夏凉的特点,动态风洞剖面图Dynamic wind tunnel profile,注：图中H为入口段，I为稳定段，J为试验段，K为辅助段，L为扩散段，P为光源室，Q为空调室，R为加湿器，S为空调机Note: H: inlet section, I: stabilized section, J: test section, K: assistant section, L: diffusion section, P: Lighting chamber, Q: Air-conditioning chamb
31、er, R: Humidifier, S: Air-conditioning device,动态风洞性能Dynamic wind tunnel performance,空气温度Air temperature performance,相对湿度Relative humidity performance,输入信号Input signal,输出值Output measurement,动态风洞调控范围Dynamic wind tunnel control range,动态风洞测试技术Thermal test with dynamic wind tunnel,佛甲草动态传热阻测试结果Thermal res
32、istance of Fojia grass:,详情参见英文文章 Details at “Measurement of the equivalent thermal resistance of rooftop lawns in a hot-climate wind tunnel.” Journal of Harbin Institute of Technology (New Series). 2006, 13(sup.)53-56.,建筑能耗动态模拟软件,模拟建筑周期性传热过程（往往以h 为时间步长） ，适于模拟分析建筑物围护结构的动态热特性和建筑物的全年运行供暖与空调能耗。19世纪70年代石油危机促使建筑模拟发展，以美国DOE-2和欧洲ESP-r为代表，90年代美国逐渐放弃DOE-2开发全新建筑模拟软件EnergyPlus。1989年清华大学开始开发国内建筑模拟软件DeST（Designers Simulation Toolkits），目前已陆续在内地、香港、欧洲和日本等地得到应用。,室内热环境的影响因素,通过屋顶、墙、地面和窗的导热,通过敞开的门和窗的对流换热,太阳辐射透过玻璃被室内墙面和地面吸收,室内各表面间辐射换热,室内的内热源（电器、人体）,
