第一章建筑热工学基本知识.ppt

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1、1,建筑物理环境学,建筑热工学,2,建筑热工学,第一章 建筑热工学基本知识第二章 围护结构传热与计算第三章 建筑保温第四章 外围护结构的湿状况第五章 建筑防热热第六章 建筑日照,3,第一章 建筑热工学基本知识,4,建筑热工学,建筑热工设计方法是建筑节能设计、太阳能建筑设计、建筑气候设计、生态绿色建筑设计的基础；建筑热工设计规范是相关设计标准的基础规范；建筑热工设计的理论基础，是建筑热工学。,5,第一节 热环境概述一、概述1、热工学研究对象：建筑热环境-影响人体冷热感 的环境 2、热环境：-室内热环境（热气候）-室外热环境（热气候）,6,3、热工学的任务。A、创造良好的健康舒适热 环境 _本课程

2、的研究任务。B、创造满足使用要求的热环境 4、描述热环境的参数体系：（你将如何考虑?),7,8,三、室外热环境构成1、日照环境2、风环境3、温湿度环境这些环境既相联系又相互独立，这些环境常常分开来研究。室外热环境好坏的评价常与室内热环境的需求相联系。,9,四、室内热环境构成1、温湿度、风、辐射构成的热气候环境2、空气质量环境，与前述热气候息息相关,10,五、城市热环境特点1、风特点（如区域风、巷道风、高楼风、庭 院风等）2、温湿度特点（如热岛效应等）3、热辐射、日照特点（光热污染等）,11,六、影响室外热环境的建筑规划、设计、建设因 素。1、重点考虑日照规划设计、风环境设计2、绿化水景设计3、

3、建筑外饰面设计4、温湿度环境设计，一般需借助计算机模拟。,12,七、室内热环境研究内容1、室内热环境的气候因素和空气质量因素2、室内热环境的评价3、建筑的得热与失热4、建筑的传热规律5、影响室内热环境的设计因素6、危害室内热环境的设计方法,13,14,八、热环境气候气候可以看作围绕建筑物的媒介，通过建筑物的开口与室内相通或通过不透气的外壳传热；而室内人员周围的环境则是室外环境的延续。全球气候系统以太阳能、加热的陆地和水体为动力。大气中空气团在陆地与水体的上空对流，形成了水的蒸发和降雨过程，导致空气温度和大气压力发生变化，所有这些组成了以空间和时间变化为特征的气候系统。,15,有关气候的因素很多

4、，包括风、雨、雪、雾、气温、阳光、辐射、湿度等本文中仅涉及与舒适及能耗有关的人居环境问题，因此只讨论影响建筑物热状态和舒适性的气候特征。这些特征包括太阳辐射、空气温度、湿度和风。,16,第二节 室外热环境(热气候)参数,17,到达地球上的太阳光辐射超短波辐射线，通过电离层时被吸收；大部分紫外线（0.290.38m）被臭氧层吸收；波长超过2.5 m的辐射强度较低且基本被大气吸收只有波长为0.380.76 m的可见光部分能比较完整地到达地面在地面上利用太阳能可只考虑0.282.5 m的射线,18,1、太阳辐射中的热辐射（电磁辐射能）（E（w/）：1）太阳辐射（热辐射）构成：可见光0.380.76m

5、(52%)红外线0.763m 紫外线0.280.38-热辐射（0.283m）问题：在建筑设计中那些地方需要考虑太阳辐射？2、辐射照度在各朝向表面的变化规律：冬季：E南E水E东西E北夏季：E水E东西E南E北,19,20,问题：图中有什么规律？为什么南向房子好？夏季建筑防热的重点部位在什么地方？,21,22,23,2、室外空气温度 通常指距地面1.5米高、背阴处的空气温度。影响室外温度的因素：太阳辐射照度（主要因素），气流状况，地面覆盖情况，地形，地理纬度等。,24,25,气温的变化：大气能大量地吸收地面的长波辐射使大气增温，所以，地面与空气的热量交换是气温升降的直接原因。特点：1、室外气温与室内

6、气温不同；2、接近地面的部分与高空的部分的温度不同3、在草地与泥地上相同高度点的气温亦有差 别。5、白天与晚上不同。4、为什么？,26,气温的日变化：白天地表因受到光照日射而温度上升，然后会放热使大气获得热量而增温。而夜间因为日射消失，使地表冷却，因此气温也跟着下降。气温的日变化如图1-31所示，呈正弦曲线,27,28,从图1-31气温日变化曲线可以看出：1、气温日变化中有一个最高值和最低值。最高值与日平均值的差值称为日较差或 日振幅。2、最高值通常出现在午后2时(即14时)左 右，而不是在中午太阳高度角最大的时 刻；3、最低气温一般出现在日出前后，而不 是在午夜。这是由于空气与地面间因辐射换

7、热而增温或降温都需要经历一段时间。,29,日变化的特征 主要是以最高气温与最低气温的差(或以日较差或日振幅)来表示。1、纬度愈低日较差愈大（我国情况并非如 此），为什么？2、自海岸开始愈深入内陆日较差也愈大。3、在高山或高空中日较差很小，4、草地上的日较差小，而砂地上的日较差 则大。,30,一般而言：1、日照强烈，气候干旱地区，温度日较 差较大；2、日照温和，气候潮湿地区，温度日较 差较小；3、其他情况处于二者之间。这种变化规律，是由太阳辐射热与长波辐射的日夜平衡所引起的,31,一日的气温还受到大气中云层的影响。由于水蒸气凝结成云，能够阻断并吸收相当多的辐射热，因此在多云的日子，白天的太阳日射

8、被遮蔽使气温不会上升。夜间自地表放出的热为云层所吸收，部分又会射回地表面，因此气温下降不大。所以多云的日子日较差较小。,32,气温的年变化 与日变化相同，因日射的不同，通常也是呈正弦曲线的情形。一年中的太阳辐射量变化：冬至最低，夏至最高，一年中的气温变化：气温最低值应在12月，比冬至晚1-2个月。气温最高值则在78月。比夏至晚12个月。,33,一年间的最高气温与最低气温的差值叫做气温年较差。年较差受纬度影响很大，在低纬度地区年较差很小，而纬度愈高则年较差愈大(见图1-32)。,34,35,我国各地气温分布1、日较差一般从东南向西北递增。2、一年中，我国年最高气温出现的时间：内陆一般是在7月份，

9、沿海或岛屿一般是在7月下旬或8月上旬；年最低气温一般出现在1-2月。3、我国气温的年较差自南到北、自沿海到 内陆逐渐增大。华南和云贵高原为10-200C，长江流域增到20-300C，华北和东北的南部为30-400C，东北的北部和西北部则超过400C。,36,因受地理环境、海陆分布和气候条件的影响，我国夏季气温的变化有其特点：1)一般气温日变化随纬度增加而减少。可是，我国东南沿海，多云湿润，草木茂盛；西北地处内陆晴朗干燥，植物稀少。因此，气温变化受纬度影响的因素不很显著，以致出现日较差随纬度增加而由南向北递增的反常现象。,37,例如1、沿海地区的厦门地处北纬20027，日较差年平均为540C；同

10、样沿海的上海地处北纬31012，而日较差年平均为920C。2、再如，内陆地区的长沙处于北纬28015，日较差年平均为77；南京地处北纬 31012，而日较差年平均却为87。,38,2)随季节由冷变热，日温变化逐渐增大，一般夏季 日较差大于冬季。可是我国受地理和季风气候的 调剂，夏季日较差反比冬季减少。3)日温变化与地面的热容量和水陆分布率有关，还与天气的状况和大气云量以及地形的凹凸等因 素有关。例如：1、如水面日温变化小于陆地，2、粘土日温变化小于沙土。3、日温的变化值，阴天小于晴天，潮湿的天气小于 干燥天气。,39,4、小盆地白天太阳辐射较盛，夜晚冷空气下 降形成低温，日较差大。5、山峰的空

11、气与地面接触面少，日温变化 小。6、日温变化还因高度的增加而急剧减少，这是由于高度越高，受地面影响越小的缘故。,40,41,42,43,44,Relative Humidity,What is 100%RH?Fog,45,此规律有何用途？,46,5）、露点温度：空气气压和水蒸气含量一定的情况下:当空气相对湿度刚好达到=100%对应的温度。特点：如果从露点温度往下继续降温，空气就容纳不了原有的水蒸气，而迫使一 部分凝成水珠析出结露。,47,48,结露的危害,49,50,露点温度计算作业：设室温为18度，相对湿度为70%，求该环境下的露点温度。,51,52,53,C、风的方向表示：风向频率图或称风

12、玫瑰图。风向频率图：它是按照逐时实测的各个方位风向出现的次数，分别计算出每个方向风的出现次数占总次数的百分比，并按一定的比例在各方位线上标出，最后连接各点而成。,54,55,56,57,58,Topography,Warm air risesCool air dropsMorning and afternoon“diurnal winds”are intensified in canyons and on sloped surfaces and diverted by hills and ridges,59,Sea Breeze Effect,Onshore winds occur when

13、water temperature is lower than adjoining air temperature over land.Offshore winds are the reverse process.,60,61,62,第三节 建筑热气候分区一、建筑气候区划：进行建筑设计之前，最先应考虑的因素 气候特点,63,64,4、夏热冬暖地区：最冷月平均温度10，最热月平均温度25-29。5、温和地区：最冷月平均温度0-13，最热月平均温度18-25。,65,66,67,68,3、干热气候区：高温、高辐射、干燥。风大。4、湿热气候区：温度高、温差小、湿度大（约80%左右）、降雨量大。,69

14、,各地区建筑物的形式、风格受气候条件的影响。,70,71,72,73,74,75,76,3）、大气透明度较小，太阳辐射比郊区 小；4）、蒸发减弱、湿度变小；5）、雾多，能见度差，日照较郊区差；问题：是什么原因造成城市气候不同于郊 区气候？城市气候变化哪些是有益 的哪些是不利的？,77,78,79,C、夏季外围护结构内表面温度过高，会产生强烈的热辐射，造成室内过 热，对人产生不舒适热辐射。冬季外围护结构内表面温度过低，将对人体产生不舒适“冷辐射”问题：冷辐射是物体表面向人体 辐射冷量吗？,80,问题1：冷辐射是物体表面向人体 辐射冷量吗？问题2：暖气片为什么要放在窗台下？放在 窗台下，对节能和室

15、内热环境各有 什么影响？暖气片到底放在什么位 置最合适？,81,82,83,5、室内热环境设计原则（1）将室内4个气候参数控制在前述舒适范围内（2）室内温度场相对比较均匀，但不能绝对均 匀。（3）表面辐射温度相对接近讨论：根据人体的热感觉特征论述热环境指标体系的合理性。,84,85,86,87,热交换平衡关系：q=qm-q w qr-qc(w/m2)q=0 对应的室内热环境状态：1）、热舒适状态：q=0 2）、可忍受状态：q=0 3）、不可忍受状态：q0问题：如果q 0 或 q 0将会出现 什么情况？,88,89,新课题-创造健康而舒适的热环境,90,91,（三）、影响人体热舒适感的热环境评价

16、 指标：1、作用温度：综合了室内气温和平均辐射温度对人体的影响。2、有效温度：为室内气温和室内湿度和室内风速在一定组合下的综合指标。,92,3、热应力指标：人体所需的蒸发散热量 最大可能的蒸发散热量,93,它是根据人体热平衡的条件，先求出在一定热环境中人体所需的蒸发散热量，然后再计算在该环境中最大可能的蒸发散热量，以这二者的百分比作为热应力指标，它提供了一种按照人体活动产热、衣着及周围热环境对人的生理机能综合影响的分析方法。,94,95,96,97,第五节 传热的基本方式,98,一、传热的基本方式：导热、对流、辐射传热实质：热能转移现象。传热方向：高温低温。二、对流机理：由于流体中的各部分之间

17、的 相对运动而传递热量，发生在 气体和液体中。,99,方式：1、自然对流：由于流体各部分的温度不同而发生相 对运动形成。自然对流成因：存在温差。问题：能举出几种通过设计手段形成自然 对流（自然通风）的例子吗2、受迫对流：因外力作用（如风吹、泵压等），迫 使流体产生对流。,100,3、表面对流换热：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。由于空气与固体的温度不等而发生热交换。1）、影响换热量多少的因素：温度差、热流方向、气流 速度、表面状况等。,q,t1 t2,101,102,影响c的因素:气流状况(自然对流、受迫对流)，表面 位置(垂直、水平)，表面状况（内表面 外表面、粗糙度

18、等）、热流传递方向。注意：自然对流换热和受迫（强制）对流换热.,103,104,问题：从上述强制对流换热系数计算公式 你能想到改善热环境的某些方法吗？三、导热：1、导热：由于分子热运动引起分子、原子、自由电子及离子等相互碰撞而引起的热能 传递过程。发生在气、液、固体中。,105,（1）温度场 某一时刻物体内各点的温度分布 t=f（x，y，Z，）稳定温度场特点？不稳定温度场特点？（2）热流密度=热流强度单位时间流过 垂直热流方向单位面积的热量 q，Q=q F（3）等温面,106,（4）温度梯度,对一维传热：温度梯度=dt/dx,107,（5）导热基本方程（基本规律）,q-热流密度或热流强度，单位

19、时间、单位面 积上通过的热量(w/m2）。-导热系数，表示材料导热能力的大小 w/(m.k),108,一维导热基本方程,q=-dt/dx（w/m2）q-热流密度或热流强度，单位时间、单位面积上通过的热量。-导热系数，表示材料导热能力的大小。,109,一维导热基本方程（傅立叶导热方）：q=-dt/dx（w/m2）（在各向同性的介质中即均匀介质中 dt/dx-温度梯度，从低温到高温为正。公式中的负号表示热流方向与温 度梯度方向相反。-导热系数，表示材料导热能力的 大小。,110,111,3）、湿度的影响：湿度越大导热系数越大。3）4）、密度的影响：一般来说密度越小导热系数越小。但当小到一定程度后，

20、如继续降低 密度，导热系数反而会升高。因此材料存在一最佳密度。,112,不同状态的物质导热系数相差很大,113,114,115,116,117,118,119,问题：空气间层常用于围护结构保温，空气间层中的传热70%以上都是 辐射，为减少空气层的传热，空 气层应放在围护结构的冷侧还是 热侧？,120,2、热辐射的接受,121,122,123,124,问题：分析图中各种表面的辐射特 性，白色表面和黑色表面的 辐射特性有何异同？抛光表 面有何辐射特性？在建筑保 温和防热设计中这些特性有 何用途？,125,（2）、温室效应：玻璃对可见光几乎是透明体，而 对长波红外线几乎是不透明体，因此用玻璃制作的温

21、室，能引进 大量的太阳辐射热，却能阻止室 内的长波辐射向外透射，产生所 谓的温室效应。问题：温室效应有哪些用途和危害？请举例说明之,126,127,128,黑体辐射力和灰体辐射力,无论是黑体还是灰体：需注意不同波长的辐射力不一样。,129,黑体全辐射力：Eb=Cb(T/100)4 斯蒂芬-波尔兹曼定律 Cb-黑体辐射系数；灰体全辐射力：E=C(T/100)4 C-灰体辐射系数。黑度：=C/Cb 问题：黑度的大小反映了灰体的什么 能力？,130,131,132,133,s-对太阳辐射热的吸收系数;-黑度,表示材料吸收和发射 辐射的能力问题：上述表中哪种材料可以达到 白天吸热少，晚上散热快的 放热

22、效果?,134,135,问题:上述图中哪种颜色的物体向 外辐射能力最强?,136,3、两物体之间的辐射换热 辐射传热：,137,两物体之间的辐射换热：（1）、影响两物体表面在单位时间里辐 射换热量的因素：T、h、F1、F2、（平 均角系数）平均角系数反映辐 射表面之间的位置对换热量的 影响。,138,（2）、有遮热板的空气间层辐射换热：在围护结构内设置的空气层中，用铝箔或其他热辐射系数小的板加以分隔，能有效的提高空气间层的绝热能力。当有一材料热辐射性质与空气层表面1、2相同的遮热板放置在表面之间时，表面1传给表面2的净辐射热量将减少一半，当有n个相同辐射性质的遮热板时则净辐射换热量将减少到原来的1/（1+N）。,139,140,4、环境气候的辐射构成太阳辐射：直接太阳辐射，散射太阳辐射长波辐射：大气长波辐射，物体表面长波辐射,141,直接到达地球表面的为太阳直射辐射被气体分子、液体或固体颗粒反射无特定方向的为太阳散射辐射直射辐射散射辐射太阳总辐射,142,建筑围护结构外表面从空气中所接受的辐射：太阳直接辐射短波辐射天空散射辐射短波辐射地面反射散射辐射短波辐射大气长波辐射长波辐射地面物体长波辐射长波辐射,143,144,145,书面作业：1、预习第二章围护结构的传热原理及计算 中的稳定传热部分，撰写预习报告。请特别注意热阻和传热系数的概念。下星期上课前交,