建筑物理ppt课件.ppt

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1、建筑物理,建筑热工学 建筑 光学 建筑声学,主讲人： 王振彪联系电话：87935553网址： http:/ ,教学安排,建筑物理共64学时。教材：建筑物理，东南大学 柳孝图。教学内容以教材为主，适当删减或补充，讲课次序不一定全按教材。考试内容以讲课和作业为准，请同学适当做好笔记。考试：闭卷考试。,物理环境概论,建筑热环境建筑光环境建筑声环境,建筑热环境,室内温度、湿度、通风如何满足人的舒适性要求？围护结构的保温、防热机理和措施？墙体内部冷凝现象的研究以及预防措施？节能建筑的原则？室内通风？建筑日照，太阳能的利用？,建筑光环境,光照的度量及视觉特征？建筑的采光标准及措施？室内照明？各类电光源、灯

2、具发光原理、发光特性及使用？,建筑声环境,人的听觉特性（频率特性、定位、哈斯效应等）？建筑内音质的控制？噪声控制？隔声？,第1.1章 室内热环境第1.2章 建筑热工学基本知识第1.3章 建筑保温第1.4章 建筑防热第1.5章 建筑日照与遮阳,第1.1章 室内热环境,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。,qr: 人体与环境辐射换热率,qw: 人体蒸发散热率,qm: 人体新陈代谢产热率,qc:人体与环境对流换热率,室内热环境,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 ，

3、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”。,各地区建筑物的形式、风格受气候条件的影响。,室外热环境：,构成室外热环境的主要气候因素： 太阳辐射、温度、湿度和风等。,1. 太阳辐射:,太阳辐射是房屋外部的主要热源： 如图：太阳辐射图解 到达地面的太阳辐射又可分为：直接辐射和散射辐射。,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、云量和海拔高度等。,2. 风,风：就是大气的流动。大气环流是各地气候差异的原因。,风的种类： 季候风：由大气环流形成的风，在一年内随季节不同而有规律变换方向。例如：我国气候特点之一就是季风

4、性强。,地方风：由于地面上水陆分布，地势起伏，表面覆盖等地方性条件不同而引起小范围内的大气环流。 如：水陆风，山谷风，庭院风，巷道风，这些都是由于局部受热不均而引起的，其特点是日夜交替变向。,风的描述： 风通常是以水平运动为主的空气运动。风的描述包括风向和风速。 风玫瑰图能直观反映一个地方的风速和风向。如下图。(a)为某地夏季七月的风向频率分布；(b)为各方位的风速。,3. 气温:,气温：指空气的温度。一般气象学上所指气温是距地面 高处的空气温度。 影响气温的主要因素：入射到地面上的太阳辐射热量，地形与地表面的覆盖以及大气环流的热交换作用等。其中，太阳辐射起决定作用。 气温变化：四季变化（年变

5、化）、日变化和随地理纬度的变化。,4. 空气湿度:,空气湿度：表示大气湿润程度。一般用相对湿度表示。 相对湿度的日变化通常与气温的日变化相反：如图11-1 我国各地的相对湿度：受海洋气候影响，南方大部分地区相对湿度一年内夏季最大，,秋季最小；华南和东南沿海一带因春季海洋气团入侵，且此时温度还不高，形成较大相对湿度，大约以3-5月为最大，秋季最小，南方地区在夏季之交气候潮湿，室内地面常出现泛潮现象。,5. 降水:,指从地球表面蒸发出去的大量水汽进入大气层，经凝结后又降到地面上的液态或固态水分。如：雨、雪、冰、雹等。,热环境的综合评价,略,第1.2章 建筑热工学基本知识,2-1 传热的基本方式2-

6、2 围护结构的传热过程2-3 湿空气的物理性质,温度,T=t+273.16F=32+9/5t温度：分子平均平动动能。绝对温标k，绝对零度，水的三相点，温度计，超导。,国际单位制SI基本单位,7-1 传热的基本方式,传热的特点：传热发生在有温度差的地方，并且总是自发地由高温处向低温处传递。, 温度场,传热有三种基本方式（如图7-1）： 1. 导热 2. 对流 3. 辐射,一、导热：（传热）,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

7、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。,二、对流：,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：,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

8、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,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，物体内各点的温度总计叫温度场。,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

9、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。,2-2 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 i e , 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。,（7-3）,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

10、 ：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,作业 :,某钢筋混凝土墙(=1.74W/mk)厚20cm,内表面温度25,外表面温度40 ,求通过墙体的热流强度,并图示温度分布.要求在课堂内完成.,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i e , 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

11、流强度为：,稳定导热条件下有：,由以上四式解得： （7-4）,n层多层壁的导热计算公式：,各层接触面的温度：,多层壁内第 层与第 层之间接触面温度：,作业,某砖墙(=1.1W/mk)厚24cm,外侧保温材料(=0.2W/mk)厚5cm,内侧抹灰(=0.8W/mk)厚度0.5cm。内表面温度25,外表面温度-10 ,求通过墙体的热流强度,并图示温度分布.要求在课堂内完成.,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

12、公式：,确定对流换热系数 ： 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 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：波长范围 ； 热射线：波长范围 ； 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，

13、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 h 0.020.04 ，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

14、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。,2-3 平壁的稳定传热计算,传热过程：室内、外热环境通过围护结构而进行的热量交换过程，包含导热、对流及辐射方式的换热，是一种复杂的换热过程。稳定传热过程：温度场不随时间而变的传热过程。,如图，设由三层平壁组成的围护结构，平壁厚度分别为d1 、d2 、d3 ，导热系数分别为1、2、3 ，围护结构两侧空气及其它物体表面温度分别为 ti、te（设 ti te ），室内通过围护结构向室外传热的整个过程要经过三个阶段：,2）平壁材料层的导热：,1）内表面吸热：,3）外表面的散热：,2）平壁材料层的导热：,1）内表面吸热： 内表

15、面吸热是对流换热与辐射换热的综合过程。,3）外表面的散热： 外表面的散热是平壁把热量以对流及辐射的方式传给室外空气及环境。讨论的问题属于一维稳定传热过程，则有联立上面四式得若写成热阻形式得,内表面换热阻,外表面换热阻,2-4、封闭空气间层的热阻：,在空气间层中的传热过程中，导热、对流和辐射三种传热方式都存在，其传热过程包括对流换热和辐射换热（如图）空气间层中的热阻主要取决于间层两个界面上的边界层厚度和界面之间的辐射换热程度。,在有限空间内的对流换热强度与间层的厚度、间层的设置方向和形状、间层的密闭性等因素有关。（如图8-4）,通过间层的辐射换热量与间层表面材料的辐射性能和间层的平均温度高低有关

16、。,图8-5，说明空气间层内，在单位温差下通过不同传热方式所传递的各部分热量的分配情况。 对于普通空气间层，在总的传热量中，辐射换热占的比例很大。因此，要提高空气间层的热阻，首先要设法减少辐射传热量。,在实际设计计算中，空气间层的热阻一般采用表8-2和表8-3所示计算数据。,减少辐射换热量，最有效的是在间层壁面吐贴辐射系数小的反射材料，目前采用的主要是铝箔。,例题 P108,试计算某屋顶结构的热阻（冬）,钢筋混凝土：=1.74 (W/mK)加气混凝土：=0.19 (W/mK)水泥砂浆： =0.93 (W/mK)油毡防水层： =0.17 (W/mK)注意：全部采用国际单位。,1、由附录4查各种材

17、料的导热系数,2、求各层热阻,(1)钢筋混凝土空心板热阻R空：取计算单元，沿垂直热流方向分三层计算。R1=R3=0.035/1.74=0.02 (m2K/W)空气间层由空气层、钢筋混凝土、填缝组成。空气间层热阻0.16 (m2K/W),钢筋混凝土热阻0.13/1.74=0.075 (m2K/W)砂浆部分热阻 0.13/0.93=0.140 (m2K/W),R空=0.02+0.13+0.02=0.17 (m2K/W),(2)加气混凝土保温层热阻 R气砼=0.08/0.19=0.421 (m2K/W)（3）水泥砂浆抹平层热阻 R砂浆=0.02/0.93=0.022 (m2K/W)（4）油毡防水层热

18、阻 R油毡=0.01/0.17=0.059 (m2K/W),3、屋顶结构总热阻,内表面热转移阻 Ri=0.11 (m2K/W)外表面转移阻 Re=0.05 (m2K/W)总热阻 R=0.11+0.17+0.421+0.022+0.059+0.05=0.832 (m2K/W),8-3 平壁内部温度的计算及图解法,一、平壁内部温度的计算二、壁体内部温度的图解法,一、平壁内部温度的计算：,意义：围护结构的表面温度及内部温度也是衡量和分析围护结构热工性能的重要数据。为判断表面和内部是否会产生冷凝水，就需要对所设计的围护结构进行温度核算。,以图8-1所示三层平壁结构为例。,据稳定传热条件下，通过平壁的热

19、流量与通过平壁各部分的热流量相等有 ，即,解得壁体内表面温度为,又据 有,解得,由此推知，对于多层平壁内任一层的内表面温度为,在稳定传热条件下，每一材料层内的温度分布是直线，在多层平壁中成一条连续的折线。材料层内的温度降落程度与各层的热阻成正比，材料层的热阻越大，在该层内的温度降落也越大。,二、壁体内部温度的图解法：,根据：,其中： 、 、 和 是常量，所以 是变量 的一次函数，若以热阻为横坐标画出壁体的截面图，则温度分布为一直线。,具体方法：（如图8-7）,实际上，围护结构所受到的环境热作用，不论是室内或室外，都在随时间变化，因此，围护结构内部的温度和通过围护结构的热流量也必然随时间发生变化

20、。这种传热过程叫不稳定传热。若外界热作用随着时间呈现周期性的变化，则出现周期性不稳定传热。在建筑热工中研究的变化热作用，都带有一定的周期波动性，如室外气温和太阳辐射热的昼夜、小时变化，在一段时间内可以近似地看作每天出现重复性的周期变化；冬天当采用间歇采暖时，室内气温也会引起周期性的波动。,玻璃窗的 特性,2-3 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。

21、,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 表示；未饱和水蒸气分压力用 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 e/E.100%,三、露点温度：,露点温度：（设不人为地增加或减少空气含湿量，而只用干法加热或降温空气） 某一状态的空气，在含湿量不变的情况下，冷却到它的相对湿度 时所对应的温度，称为该状态下空气的露点温度，用 表示。 若从 往下继续降温，则空气中容纳不了原有水蒸气，迫使部分水蒸气凝结成水珠（露水）析出。,定温定压下， 一定的空气，其 一定；空气所能容纳的最大水蒸气含量 以及与之相对应的最大水蒸气分压力 ，也都一定；所以，相对湿度 当然也一定。,干湿温度计,空调冷凝水电冰箱内的霜降雨过程,作业：,传热的基本方式有哪些，它们分别有哪些特点？为减少围护结构的传热，可采用哪些措施？试列举生活中外墙内表面结露现象实例，并说明结露原因。,