第一章 建筑热工学基本知识

第一章建筑热工学基本知识一、影响宣内气候的因素室内气候：指的是由空气温湿度，气流以及壁面的辐射热等综合组成的一种室内环境(亦称室内热环境)，它是建筑环境科学重要的研究对象之一。各种室内气候因素的不同组合，形成不同的室内气候。我们所希望的室内气候，当然应该是在热湿效果方面适合人民生活、工作和生产需要的。影响室内气候的因素有：室内外热温作用，建筑规划与设计，材料性能及构造方法，设备措施等等。室外热湿作用对室内气候的影响是人所共知的，特别是在寒冷或炎热地区，其影响更为明显。一定的室外热湿作用对室内气候影响的程度和过程，主要地取少于围护结构材料的热物理性质(传热，传湿，透气……)及构造方法。如果围护结构抵抗热湿作用的性能良好，室外热湿作用对室内的影响就比较小。但必须指出，房屋的朝向，间距，环境绿化以至单体建筑的平剖面形式，都对室内气候有不同程度的影响。如果这一系列问题未能很好综合处理，即使围护结构热工性能良好，也难以实现所需的室内气候。房间内部热湿散发量的多少及其分布状况，在某些建筑中也可能成为决定室内气候的主要因素。例如冶炼．铸造、热轧等车间，由于生产中大量散发热量，因而尽管采取建筑和设备上的一系列措施，车间内的温度仍然是很高的。相反，一般民用建筑和冷加工车间，则只有人体及生括，生产设备散发的为数不多的热量和水分，其室内气候主要决定于室外热握作用。对于内部热湿作用严重的房间，主要是如何迅速排除余热和多余的水分，对内部热湿产量不大的房间，则主要是防止室外热湿作用对室内气候的不利影响。二，对室内气候的要求对室内气候的要求取决于房间的使用性质。以满足生产工艺和科学实验要求为主的房间，其室内气候标准在相应的规范或文献中都有具体的规定。这里不加论述。以满足人体生理卫生需要为主的房间(如居住，公共和一般生产房间)，其室内气候主要是保证人们正常生活和工作，以维护人体的健康。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（以后简称热体产热量）和人体向周围环境散热量之间的平衡关系，这种关系可以用图1及式1表示。Δq=qm－qw±qr±qcqm--人体产热量；qw—人体蒸发散热量，qr—人体辐射换热量；qc--人体对流换热量；Δq--人体得失的热量；Δq=0时，体温恒定不变；Δq＞时，体温上升；Δq＜时，体温下降。人体产热量qm:主要取决于机体活动的剧烈程度。在常温下，处于安静状态的成年人，每小时的产热量约为95～115W·h，当成年人从事重体力劳动时产热量可达580～700W·h。蒸发散热量qw:在人体尚未出汗时，是通过呼吸和无感觉的皮肤蒸发进行的。当劳动强度变大或环境较热时，人体大量出汗，qw随汗液的蒸发而显著增加。辐射换热量qr:主要是在人体表面与周围墙壁、天花板、地面以及窗玻璃之间进行的。如果室内有火墙、火炕、壁炉、辐射采暖办之类的装置，当然qr就包括与这些装置的辐射换热在内。当人体表面温度高于周围表面温度时，辐射换热的结果，人体失热，qr为负值；反之，则人体得热，qr为正值。对流换热量qc是当人体表面与周围空气之间存在温度差时的热交换值。当体体表度高于气温时，对流换热的结果，人体散热，感到凉爽(夏季)或寒冷(冬季)，qc为负值。反之，则人体得热，qc为正值。当Δq=0时，人体处于热平衡状态，体温维持正常不变(约为36.5℃)，在这种情况下，人的健康不会受到损害。但必须指出，Δq=0并不一定表示人体处于舒适状态。因为各种热量之间可能有许多不同的组合都可使Δq=0，也就是说，人们会遇到各种不同的热平衡，然而只有那种能使人体按正常比例散热的热平衡，才是舒适的。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%，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”。当劳动强度变大或环境较热时，本来是正常的热平衡就可能被破坏，但并不至于立即使体温发生变化，这是因为人体有一定的代谢的调节机能。当环境过冷时，皮肤毛细血管收缩，血流减少，皮肤温度下降以减少散热量；当环境过热时，皮肤血管扩张，血流增多，皮肤温度升高，以增加散热量，甚至大量出汗使qw变大，以争取新的热平衡，这时的热平衡称为“负荷热平衡”。在负荷热平衡下，虽然Δq仍然等于零，但人体却已不在舒适状态。不过只要分泌的汗液量仍在生理允许的范围之内，则负荷热平衡是可以忍受的。人体的物质代谢调节能力是有一定限度的，它不可能无限制地通过减少输往体表的血量的方式来抵抗过冷环境，也不可能无限制地借蒸发汗液来适应过热环境。当室内气候恶化，到一定程度之后，终将出现Δq≠0的情况，于是体温开始发生升降现象．虽然当体温变化不大，持续时间不长时，改变环境后仍然可以恢复到正常体稳，但从生理卫生方面来看，这已是不能允许的。综合上述分析，可见室内气候大致可分为舒适的、可以忍受的和不能忍受的三种情况。显然，只有采用充分空调设备的房间，才能实现舒适的室内气候。然而对于大量性建筑来说，按舒适要求来规定室内气候标准是不恰当的。因为在所有房间中都采用完善的空调设备，不仅在经济上是不现实的，而且从生理上说，人们长期处于几乎是稳定的室内气候下，也会降低人体对气温变化的适应能力，不利于健康。近年来，随着空调技术的发展，一些发达国家在办公楼．住宅、旅馆、医院等民用建筑中，广泛采用高气密化的空调房间。其结果，不但浪费了大量能源，还出现了“空调症”，已引起卫生保健专家和建筑师的注意。综上所述，不论从卫生保健成从经济方面考虑，室内气候都不应搞成“绝对舒适”的。我们所说的舒适的室内气候环境，是构成室内气候四要察的空气温度，湿度，气流速度和热辐射的某一组合。这种组合是一个范围，而不是唯一的。随着我国人民生活水平的提高，采暖、通风及空调设备终将进人居民家庭并逐步普及。即使到了那种时候，仍不能把房间搞成完全的“人工空间”。至于现实技术条件还无法解决的那些不能忍受的室内气候(如高温作业)，则只好通过加强工作人员的个体防护以及制订特殊的工作、休息制度来解决。三、室内气候的评价方法室内气候标准是建筑热工设计的重要依据。举例来说，我国目前规定寒冷地区居住房间冬季的室内气候标准是气温16～18℃，这一标准用起来很方便，对大多数采暖房间来说也是适用的。但对于以传统的火墙采暖或现代化辐射采暖的房间来说，就不适用了。为了弄清这里的道理，就得对如何评价室内气候有所了解。自本世纪初以来，不少学者从事于室内气候评价方法的研究，并根据各种不同的评价方法，先后提出了一系列评价指标，如有效温度(ET)、作用温度(OT)、热应力指标(H.S.I.)、预计热指标(PMV)等。由于衣着和劳动强度对人体热舒适感有重大影响，所以ET*有不同情况。图1—2是穿着热阻为0.6clo农服，处于静坐状态的人适用的ET*图。2．预计热指标丹麦学者房格尔(P．O.Fanger)提出的预计热指标PMV（PredictedMeanVote），是迄今为止考虑人体热舒适感诸多有关因素最全面的评价指标。他概括了主要的室内气候因素，也包括了劳动强度及衣着条件等。房格尔提出了经大量试验得出的各PMV值所对应的冷热感如下：-3（cold）寒冷-2（cool）凉-1（slightlycool）稍凉0(neutralcomfort)热舒适+1（slightlywarm）稍暖+2（warm）暖+3（hot）热为了以PMV值具体评价室内气候，丹麦的B&K公司根据房格尔的热舒适方程研制出热舒适测定仪(thermalcomfortmeter)，并有1212型产品正式用于热舒适的测定。只要设定人的劳动强度和衣服热阻，该仪器就能立即以数字显示出与室内气艇对应PMV值。便携、电池式仪器，用于调查人们在室内环境中所经受的热舒适(或不舒适)情况。配备热舒适换能器MM0023，此换能器设计成在热特性上近似人类。如此，1212型扰提供“预期平均感觉”(PredictcdMeanVote，PMV)(ISO7730)。从此值可推算“预期不满意者百分率”(PredictedPercentageofDissatisfiedPPD),使一个指定环境中直可能感觉太冷或太热的人数百分率得到估计。测定PMV及PPD指数需要用到六项参数：空气温度、平均辐射温度、气流速壁、水汽压力、身体活跃度及衣服热阻等。后三项参救可用1212上的调盘输入。热舒适度测量对职业健康研究及调查居室、工厂、交通工具等等里的供暖、通风及空调系统都很有用。1212能指示PMV及PPD指数、操作温度、舒适温度、等效温度以及后二者之差值。1）3个直流输出，供计录舒适温度及PMV2）配合2317型电平记录仪用的记录纸QP0270可供选购3）6米长延接电缆AQ0358可供选购4）已包括插入式电池组{6×IECLR20)。镍镉电池QB0008及充／供电器ZG0199可供选购5）高×宽×深：l33×209×2001213型户内气候分析仪(IndoorClimateAnalyzer).便携的电池式仪器。能接用五只换能器(需单独订购)以测量：—空气温度MM0034—表面温度MM0035—辐射温度MM0036，三个显示方式：二个相反方向平面辐射温度；辐射温度不对称；或入射功率—湿度MM0037，三个显示方式：相对湿度；露点；或水汽压力—空气速速MM0038，以5抄及3分时间常数的平均值显示。各值的标准偏差亦有显示1213的设计用途是详细分析热环境。测量所有影响局部热不舒适的因素如穿堂凤或辐射温度不对称等。1219型WBGT—热应力监测器(HeatstressMonitor)，便携，电池式仪器。用于估计酷热环境里的职业性热应力)。1219依据ISO7243建议中的湿球及球体温度（WetBulb-及Globe-Temperature)测定WBCT-指数.WBCT换能器MM0030(已包括)三R传感器：一只乌黑色球体温度传感器，一只湿球温度传感器及一只气温传感器。可同时连接三只WBGT换能器。气温测量只在直接阳光下才需要。第二节传热的基础知识一.传热的基本方式传热指的是包括各种形式热能转移现象的总称。根据传热机理的不同，传热的基本方式分为导热、对流和辐射三种。导热是由温度不同的质点(分子、原子、自由电子)，在热运动中引起的热能传递过程。在固体，液体和气体中均能产生导热现象，但在不同物质中导热的机理是有区别的。在气体中是通过分子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歇移动着的分子振动引起的，在固体中一般是由平衡位置不变的质点振动引起的。金属则有其特点，它主要是由自由电子作热运动时而导热。在建筑热工学中，大量的课题是涉及非金属固体材料的导热，当然有时也涉及空气．水分或金属的导热问题。对流传热只发生在流体之中，它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。产生对流的原因有二：一是本来温度相同的流体，因其中某一部分受热(或冷却)而产生沮度差，形成对流运动，这种对流叫“自然对流”；二是因受外力作用(如风吹，泵压等)，迫使流体产生对流，这叫作“受迫对流”。自然对流的程度主要决定子流体各部分之间的温度差，温差愈大则对流越强。受迫对流取决干外力的大小，外力愈大则对流愈强。辐射传热与导热和对流有本质的区别，它是以电磁波传递热能的。凡温度高于绝对零度（0K）的物体，都能发射辐射热。辐射传热的特点是发射体的热能变为电磁波辐射能，被辐射体又将所接受的辐射能转换成热能。)。对流换热机理第三节湿空气的物理性质一水蒸汽分压力湿空气指的是干空气与水蒸汽的混合物，室内外空气都是含有一定水分的湿空气。如图1-15所示，一个容积为V立方米的封闭房间，开始时只有干空气，后来掺入了水蒸汽，混合成为湿空气。二空气湿度湿空气的另一重要物理量是“湿度”。湿度表示空气的干湿程度，它有不同的表示方法，各有各的用途。绝对湿度——每立方米空气中所含水蒸汽的重量，叫空气的绝对温度。绝对温度一般用f(g／m3)表示，饱和状态下的绝对温度则用饱和蒸汽量fmax(g／m3)表示。绝对温度的不足:虽然能具体指明单位体积空气中所含水蒸汽的真实数