第一篇-建筑热工学

第一篇《建筑热工学》主要内容；一般工业与民用建筑的热工设计：建筑保温设计、防潮设计、防热设计、建筑节能设计。基本内容：围护结构传热、传湿的基本原理和计算方法。国标和规范：《民用建筑设计规范》（GB50176—93）《建筑气候区划标准》（GB50178—93），《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》（GBJ24—95）等。第一章建筑热工学基础知识§1.1建筑中的热传现象1、围护结构的作用：防热御寒、使室内形成舒适的热环境。2、热量的传递方式：辐射对流导热辐射、对流辐射反射导热辐射对流导热辐射对流辐射对流对流导流辐射室内供暖设备在室内的热交换辐射传热—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把的现象。对流传热—指流体与流体之间、流体与固体之间发生相对位移时所产生的热量交换现象。导热—指同一物体内部或两物体之间由于分子热运动，热量由高温处向低温处转换的现象。温室效应温室效应是指当热辐射由不同温度物体产生的时候，它的属性产生差异的一种结果。如图所示，高温的太阳发出短波辐射，可以通过大气层和玻璃。在温室或其他建筑物的内部这些热量被物体吸收，然后这些物体回发出再辐射热。因为温室内部的物体处于比太阳低的温度，因此长波辐射热无法穿透玻璃。于是这些再辐射热就会被困在室内并且使得温室内部的温度升高。太阳的短波辐射通过玻璃传送长波辐射被困在玻璃内部300K6000K室内物体吸收并再辐射热能§1.2围护结构传热基础知识一、导热在不同的物质中导热的机理的区别：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—是通过平衡位置间隙移动着的分子振动引起的；在固体中—除金属外，由平衡位置不变的质点振动引起的，金属中主要是通过自由电子的转移而导热。1、温度场、温度梯度和热流密度（1）、温度场一般情况下，温度是空间坐标x、y、z和时间τ的函数，即：t=f（x、y、z、τ）某时刻物体内各点的温度分布状况—温度场。（2）温度梯度等温面：温度场中同一时刻由温度相同的各点连成的面叫做等温面。温度梯度：温度差△t与沿法线方向两等温面之间的距离△n的比值的极限，叫温度梯度。即：ntntnlim0nndfgttttt等温面示意图热流密度q：单位时间内，通过等温面上单位面积的热量称为热流密度。dFdQq（W/m2)qdFdQFqdFQQ=qF2、傅立叶定律匀质材料物体内各点的热流密度与温度梯度的大小成正比，即：ntq其中λ是比例常数—材料的导热系数。负号表示热量传递只能沿着温度降低的方向而进行。3、导热系数：指当温度梯度为10C/m时，在单位时间内通过单位面积的导热量。即：ntqW/mk导热系数大，表明材料的导热能力强。影响导热系数数值大小的因素：材料的——种类、结构成分、密度、湿度、压力、温度等。导热系数λ的大小：金属最大——λ=2.2～420非金属和液体次之——λ=0.07～0.7气体为最小——λ=0.006～0.6隔热材料——λ﹤0.25。建筑材料和绝热材料——λ=0.025～3导热系数与温度的关系:bt0其中：λ0为00C时的导热系数；b为实验测定的常数。二、对流对流的原因：（1）流体有温度差——自然对流；（2）流体因受外力作用——受迫对流。牛顿公式（确定表面对流换热量）qC=αC（t-θ）qC—对流换热强度，W/㎡;t—流体的温度，C0；αC—对流换热系数，W/㎡K;θ—固体表面温度，C0。1、自然对流表面类型C垂直表面40.2tC水平表面（热流由下而上）45.2tC水平表面（热流由上而下）43.1tC2、受迫对流：内表面——6.32C外表面——夏冬6.356.32CC三、辐射：辐射传热的本质：辐射传热的本质是以电磁波传递热能的。温度高于绝对零度的物体都能发射辐射热。1、物体的辐射特性：1）分类—按物体的辐射光谱特性黑体：能发射全波段的热辐射，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色辐射力，与同温度同波长的黑体的的比值ε为一常数。即：常数bEE,称为发射率或黑度非灰体：只能发射某些波长的辐射线。Eλλ123黑体、灰体、非灰体单色辐射的对比1—黑体；2—灰体；3—非灰体其中（2）斯蒂芬—波尔兹曼定律：黑体和灰体的全辐射能力与其表面的绝对温度的四次幂成正比即：4100TCE其中：C—物体的辐射系数，W/m2k4T—物体表面的绝对温度，K黑体的辐射系数Cb=5.68，灰体的辐射系数CbbCCCC或比值ε称为发射率或黑度温度不同时，其光谱中的波长特性也不同，温度增加，短波成分增强。mT2898T为物体表面的绝对温度，K。2、物体表面对外来辐射的吸收与反射特性任何物体不仅具有本身向外辐射的能力，而且对外来的辐射具有吸收性和反射性，某些材料还有透射性。（绝大多数建筑材料对热辐射不透明）。（1）、对不透明表面的反射和吸收：投射至不透明材料表面的辐射能，一部分被吸收，一部分则被反射。r+ρ=1吸收系数ρ——被吸收辐射能Iρ与入射能I之比；反射系数r——被反射辐射能Ir与入射能I之比。IIrrII（2）、材料对热辐射的吸收和反射性能，只要取决于表面的颜色、材性和光滑平整程度；对于短波辐射——颜色起主导作用；对于长波辐射——材性起主导作用。（材性是指导电体还是非导体）IIrI不透明表面的反射和吸收3、物体之间的辐射换热：（1）空间任意两个相互分离的物体，彼此间就会产生辐射换热（2）两表面间的辐射换热量主要取决于表面的温度、表面发射和吸收辐射的能力、相互之间的位置。Q1，2=αr（θ1—θ2）·F或q1,2=αr（θ1—θ2）其中αr—辐射换热系数，W/（㎡·K）1与2表面之间的辐射换热1表面2表面1表面吸收外来辐射2表面吸收外来辐射1表面向外辐射2表面向外辐射“1”表面辐射散热”，“2”表面辐射得热表面的辐射换热四、围护结构的传热过程：通过围护结构的传热经过的三个过程：1、表面吸热——内表面从室内吸热（冬季），或外表面从室外空间吸热（夏季）；2、表面放热——外表面向室外空间散发热量（冬季），或内表面向室内散热（夏季）以上两项可以统称为表面换热；3、结构本身传热——热量由高温表面传向低温表面。放热te吸热传热tiθi00Cθe围护结构传热过程表面总换热量是对流换热量与辐射换热量之和，即：q=qC+qr=αc（θ-t）+αr（θ-t）=（αc-αr）（θ-t）=α（θ-t）其中：q—表面换热量，W/㎡；α—表面换热系数，α=αC+αr，W/㎡·K；θ—壁面温度，0C；t—室内或室外气温，0C。1、表面换热（表面吸热和放热的总称）2、结构传热：（1）、热流强度：W/㎡式中：λ——材料的导热系数，W/（m·k）；dθ/dx——温度梯度，k/m。（2）分类：稳定传热：当平壁两侧的温度θi和θe不随时间变化时，此种传热称为“稳定传热”。dxdqxixdxedx0xdqxq平壁一维导热模型X不稳定传热：平壁的各截面温度和通过各截面的热流都随时间而变，此种传热称为“不稳定传热”。影响不稳定传热的因素除导热系数外，材料的的比热C和容重γ对传热过程有更重大的影响，（三种材性的综合影响）。材性的导温系数α：α被称为热扩散系数(三种材性的综合影响)。当平壁一个表面温度（如图中θi）作升降变化时，α表征这种变化向内壁传播的快慢程度。α越大，则传播得越快；α越小，则越慢。C§1.3湿空气的物理性质一、定义：干空气，湿空气湿空气=干空气+水蒸气干空气容纳水蒸气的含量有一定的限度：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。未饱和湿空气：当水蒸气的含量尚未达到一定限度时，该湿空气叫作未饱和湿空气。饱和湿空气：达到这一限度的湿空气叫做饱和湿空气。过饱和湿空气：水蒸气将凝结成液态水析出。二、道尔顿定律：1、道尔顿定律：未饱和湿空气压强的规律：湿空气的压强等于干空气的分压力和水蒸气分压力之和，即：PW=Pd+PPW—湿空气的总压力，Pd—干空气的分压力，P—水蒸气的分压力。+=干空气水蒸气湿空气容积VVV压强PdPPW=Pd+P2、饱和状态的湿空气中的水蒸气的压力—“饱和蒸气压”Ps：（1）标准大气压力下，不同温度时的Ps：在一定的大气压下，湿空气的温度越高，其一定容积中所能容纳的水蒸气优越多，因而水蒸气所呈现的压力越大例如：在标准大气压下不同温度下的饱和水蒸气分压力Ps值：t（0C）Ps（Pa）0610.65871.9101227.9151703.9202337.1253167.7温度上升，Ps升高，水蒸汽含量越高。（2）、在气温一定时，水蒸气分压力随绝对湿度成正比例变化；绝对湿度f一定时，水蒸汽分压力随绝对温度成正比例变化：P=0.461Tf（3）、P与f成正比例，PS与fmax成正比例，相对湿度的另一表示方式：φ=P/PS×1000/0式中：P—空气的实际水蒸气分压力，Pa；PS—同温度下的饱和蒸汽压，Pa。三、空气湿度：空气湿度（f）——描述空气的干湿程度1、绝对湿度：（f）每立方米所含水蒸气的重量。f与P对应（g/m3）饱和状态时——fmax2、空气的相对湿度（φ0/0）（1）、一定温度，一定大气压力下，湿空气的绝对湿度f，与同温同压下的饱和蒸汽量fmax的百分比，即：00max/100ff（4）、绝对湿度相同而相对湿度不同：f相同φ不同的居室参数名称A室B室参数名称A室B室室内气温t0C1810实际蒸汽压P(Pa)相对湿度φ﹪1261.061.1226.499.9绝对湿度fg/m39.49.4饱和蒸汽压PS(Pa)2062.51227.9四、露点温度：1、温度压力一定条件下，绝对湿度一定的空气中所含水蒸汽量是一定的，因而其实际水蒸汽分压力P也是一定的。其所能容纳的最大水蒸汽含量以及与之对应的最大水蒸汽分压力PS也都是一定的，相对湿度φ也是一定的。2、水蒸汽含量不变，用干热法加热升温，在加热过程中既不增加也不减少空气中水蒸汽的含量，也就是保持P值不变，相对湿度随之变小。即：T↑PS↑φ↓；T↓PS↓φ↑。3、露点温度：当温度T下降到某一特定值时，PS小到与P值相等，则相对湿度为φ=100﹪，本来是不饱和的空气，终于因室温下降而达到饱和状态，这一特定温度称为该空气的“露点温度”td。其物理意义为空气中的水蒸汽开始出现结露的温度。例题：用干湿球温度计测得某采暖居室气温ti=180C,相对湿度φ=61.1﹪,试求该居室空气的露点温度td。【解】首先要求出该居室的实际水蒸汽分压力P。查附录2，知当t=180C时，饱和蒸汽压PS=2062.5Pa，可求出P为P=PSφ=2062.5×0.611=1260Pa当该室气温降到PS=1260Pa时所对应的温度，即为该点的露点温度。从附录2中查得PS=1260Pa对应的露点温度为：td=10.40C§1.4室内热环境一、建筑环境1、室内环境室内物理（生理）环境：室内热环境、室内声环境、室内光环境、室内空气质量等。室内心理环境。2、室外环境。3、室内热环境构成要素：室内热辐射、室内气温、室内空气湿度、室内风速。二、室内热环境要素分析：1、室内热辐射（1）、平均热辐射温度：在要求较低的状态下可以用此式（不考虑风速情况下）——nnnAAATATATATmrt212211(2)、用黑球温度换算；黑色铜皮球D=150mm温度计黑球温度计测出球中心的温度tg测出空气温度ta用经验公式Tmrt=tg+2.4v0.5（tg-ta）其中V为风速。2、室内气温：按使用要求规定：冬天—160C～220C，采暖温度为180C，幼儿园室内气温为200C；夏天—有空调温度为240C～280C。这些温度称为计算温度。3、室内湿度：（影响人体的蒸发散热）适宜湿度：φ