建筑物理环境

房屋建筑学第2章第2章建筑物理环境基础物理学是研究客观世界运动规律的学科。建筑物理学是研究外界环境的运动过程对建筑产生的影响，进而对人体产生的影响的学科。外界环境的物理要素为热、声、光的运动过程。建筑物理学的研究对象是热、声、光等物理运动过程对建筑和人体产生的影响。建筑物理学是设计和建造符合人体生理和心理需要的建筑的基本理论。建筑物理环境：建筑室内空间与人体相关的各个物理要素的总和。建筑热环境建筑声环境建筑光环境人通过各类感官器官（眼、耳、鼻、舌、皮肤）接触外界物理环境，物理环境对人的生理和心理状态产生着影响着。建筑热环境对人的作用外界环境与建筑的热交换，建筑与室内人的热交换2.1建筑热环境建筑热环境研究的主要内容有：建筑保温、建筑防潮、建筑日照、建筑防热、建筑中的太阳能利用建筑热环境控制就是为了在满足人们的热舒适需求前提下，节约资源和能源。（一）稳定传热如果室内外空气温度都不随时间变化，通过围护结构的传热过程称为稳定传热。稳定传热计算是建筑保温设计的基础，也是我国严寒和寒冷地区采暖居住建筑节能设计的基础。按照稳态传热计算通过围护结构的传热量公式为：Q为单位时间的传热量，W；F为垂直于围护结构的计算传热面积，m2；K为围护结构的传热系数，W/(m2.K)；ti和te分别为室内、外空气温度，℃传热系数K：R0为围护结构的传热阻，m2.K/W；Ri为内表面换热阻，Ri＝0.11m2.K/W；Re为外表面换热阻，Re＝0.05m2.K/W；d为材料厚度，m；λ为材料导热系数，W/(m.K)。（二）非稳定传热夏天，室内外空气温度都随时间变化，通过围护结构的传热过程称为非稳定传热。非稳定传热计算是建筑防热设计的基础，也是夏热冬冷和夏热冬暖地区建筑节能设计的基础。热惰性指标表征围护结构对温度波动衰减快慢的程度。热惰性指标（2）热惰性指标D值越大，温度波在围护结构中衰减越快，围护结构的热稳定性越好。为了抵抗室外热作用的波动，要求外围护结构具有足够的热惰性指标值。R为材料层的热阻，S为材料层的蓄热系数二、建筑热工设计分区我国幅员辽阔，各地气候差异较大。为了使建筑设计能够较好适应气候，我国《民用建筑热工设计规范》提出了建筑热工设计分区的概念。具体分区和设计要求见下表。2.1.2建筑保温设计严寒与寒冷地区的民用建筑为了保证:(1)冬季室内的气温、湿度、气流速度和室内热辐射在一定允许范围内；(2)建筑围护结构内表面温度不低于室内露点温度，必须进行建筑保温设计。建筑保温设计包括建筑方案设计中的保温综合处理和外围护结构保温构造设计。一、建筑保温的综合处理措施（1）控制体形系数：体型系数是指一栋建筑物的外表面积F0与其所包围的体积V0之比。如果建筑外表面凹凸过多，体形系数变大，则建筑物传热耗热量增大。（2）合理布置建筑朝向：建筑应朝向正南向，建筑立面应避开当地冬季主导风向。（3）防止冷风渗透：冬季通过外围护结构缝隙的冷风渗透使建筑物热损失增大。应提高窗户密封性；建筑立面避开冬季主导风向；设置避风措施；利用地形、树木来挡风。（4）合理选择窗墙面积比：窗墙面积比（窗墙比）是指窗洞口面积与房间立面单元墙面积之比。为了利用太阳能，南向窗墙比最大，北向窗墙比最小，东、西向窗墙比介于其间。二、建筑围护结构保温设计（1）最小传热阻：为了控制围护结构内表面温度不低于室内露点温度，保证内表面不结露的要求，围护结构的传热阻不能小于某个最低限度值，这个最低限度称为“最小传热阻”。（2）围护结构主体部位保温构造围护结构保温构造分两类：单一材料结构；复合保温结构单一材料结构如空心板、空心砌块、加气混凝土等，既能承重，又能保温。复合保温结构由保温层和承重层复合而成。复合结构按保温层所处的位置可分为内保温（保温层在室内一侧），外保温（保温层在室外一侧）和中间保温（保温层夹在中间）三种。外保温的优点较多：①减小热桥处的热损失。②有利于防止保温层内部产生凝结水。③房间的热稳定性好。④降低墙或屋顶的主要部分的温度应力起伏。⑤有利于旧房节能改造。外保温是我国建筑节能的发展方向。（3）围护结构异常部位的保温设计①窗户的保温：可以选用木材、塑料和塑钢窗框；使用断热金属窗框。寒冷地区，可采用多层窗；使用新型节能窗户，如低辐射玻璃窗（即Low-E窗）、中空玻璃窗等。②热桥保温：热桥是热量容易通过的地方（如钢或钢筋混凝土骨架、圈梁、过梁、板材的肋部等），热桥处内表面温度低于主体。对热桥应进行内表面温度验算和保温处理。③其他异常部位保温：外墙角、外墙与内墙交角、楼地板或屋顶与外墙交角等应加强保温。靠近外墙0.5~1.0m宽的地面散热最大，因此，外墙周边地板采用局部保温措施。图(a)水蒸气饱和压力ps曲线与水蒸气分压力p线不相交，说明围护结构不会产生内部冷凝。图(b)中ps线与p线相交，则在ps小于p部位围护结构内部有冷凝产生。（a）围护结构内部无冷凝（b）围护结构内部有冷凝二、围护结构表面结露的防止和控制控制表面冷凝的主要措施有：（1）利用保温材料，增加围护结构传热阻，进而提高其内表面温度；（2）保证室内表面空气气流畅通，加强自然通风；（3）选择具有一定调湿能力的内墙材料；（4）高湿环境应考虑有组织引导表面冷凝水，比如，房间吊顶具有一定坡度。三、围护结构内部冷凝的防止和控制控制内部冷凝的主要措施有：（1）利用保温材料提高围护结构内部温度，材料层次的布置应使水蒸气渗透“进难出易”；（2）在保温层水蒸气流入的一侧设置隔气层（如沥青、卷材和隔汽涂料等）；（3）设置通风间层或泄气沟道使进入保温层的水分有出路。一、围护结构隔热设计（一）屋顶隔热建筑围护结构隔热设计的重点是屋顶。隔热屋顶的构造有绝热层隔热屋顶、通风间层隔热屋顶、吊顶隔热屋顶、阁楼隔热屋顶、蓄水隔热屋顶和植被隔热屋顶等几类。屋顶遮阳、浅色屋面可有效防热。通风屋顶长度不大于10m，间层高20cm，檐口兜风。蓄水面应有水生植物或浅色漂浮物，水深为15~20cm。有土种植屋面，土壤厚10cm左右。二、自然通风设计（一）热压和风压当较重的冷空气从进风口进入室内后，吸收了室内的热量后变成较轻的热空气上升从出风口排出室外，不断流入的冷空气在室内被加热后从建筑物的上部出风口排出就形成了室内自然通风，称为热压通风。热压作用下的自然通风根据流体力学原理，当风吹向建筑物时，在迎风面上形成正压区，在屋顶、两侧及背风面形成负压区。如果建筑物上设有开口，气流就会从正压区流入室内，再经室内流向负压区，这就形成了风压通风。风压作用下的自然通风自然通风是热压和风压的综合结果。通常，风压通风对改善室内气候条件的效果比较显著，故应首先考虑如何组织风压通风来进行建筑防热设计。（二）自然通风设计1.建筑群自由式、错列式和斜列式布局及建筑南北朝向有利于自然通风。2.穿堂风（房间进风口直对着出风口）会使气流直通，风速较大，但风场范围小。进、出风口错开，风场区域大。进、出风口相距太近，室内通风效果不佳。如果进、出风口都开在正压区或负压区墙面一侧或房间只有一个开口，室内通风较差。开口的高度低，气流才能作用到人身上。设辅助高窗可使顶部热空气散出。进出风口面积相等为宜，或进风口小一点。3.利用窗扇，水平挑檐、百页板，外遮阳板及绿化可以挡风、导风，有效地组织室内通风。建筑群的布置挑檐对室内通风的影响三、窗口遮阳设计窗口遮阳可防止直射阳光进入室内而引起室内过热。东、西向窗户是遮阳设计的重点。遮阳的效果可以用遮阳系数来评价。遮阳系数是指在直射阳光照射的时间内，透进有遮阳窗口的太阳辐射量与透进无遮阳窗口的太阳辐射量之比。遮阳系数越小，防热效果愈好。遮阳对夏季室内温度的影响（三）内遮阳窗帘、卷帘、百叶、活动百叶都可以起到内部遮阳的功效，内遮阳的效果不如外遮阳好，但内遮阳调节灵活，使用方便，内遮阳还可控制眩光，提高私密性，有保温及装饰功能。一、围护结构隔热设计（一）屋顶隔热建筑围护结构隔热设计的重点是屋顶。隔热屋顶的构造有绝热层隔热屋顶、通风间层隔热屋顶、吊顶隔热屋顶、阁楼隔热屋顶、蓄水隔热屋顶和植被隔热屋顶等几类。屋顶遮阳、浅色屋面可有效防热。通风屋顶长度不大于10m，间层高20cm，檐口兜风。蓄水面应有水生植物或浅色漂浮物，水深为15~20cm。有土种植屋面，土壤厚10cm左右。（二）外墙隔热自然通风建筑外墙隔热设计重点是东西墙，空调建筑各个朝向外墙隔热都重要。隔热外墙有空心粘土砖墙、砌块墙、通风墙与遮阳墙等。外墙遮阳和浅色外墙可有效防热。复合墙内侧应为重质材料层，通风间层10cm宽。东西外墙用花格构件或绿化遮阳。二、自然通风设计（一）热压和风压当较重的冷空气从进风口进入室内后，吸收了室内的热量后变成较轻的热空气上升从出风口排出室外，不断流入的冷空气在室内被加热后从建筑物的上部出风口排出就形成了室内自然通风，称为热压通风。热压作用下的自然通风根据流体力学原理，当风吹向建筑物时，在迎风面上形成正压区，在屋顶、两侧及背风面形成负压区。如果建筑物上设有开口，气流就会从正压区流入室内，再经室内流向负压区，这就形成了风压通风。风压作用下的自然通风自然通风是热压和风压的综合结果。通常，风压通风对改善室内气候条件的效果比较显著，故应首先考虑如何组织风压通风来进行建筑防热设计。三、窗口遮阳设计窗口遮阳可防止直射阳光进入室内而引起室内过热。东、西向窗户是遮阳设计的重点。遮阳的效果可以用遮阳系数来评价。遮阳系数是指在直射阳光照射的时间内，透进有遮阳窗口的太阳辐射量与透进无遮阳窗口的太阳辐射量之比。遮阳系数越小，防热效果愈好。（一）绿化与构件遮阳：合理选择树种，安排适当的位置植树或在窗外种植藤蔓植物就是绿化遮阳。构件遮阳如：加宽挑檐，设外廊、阳台、旋窗等。（二）外遮阳：外遮阳比内遮阳防热效果好。固定遮阳板简单、成本低，便于维护。活动遮阳板可调节。除南向外，活动遮阳板均比固定遮阳板效率高。固定与活动、实体与绿化相结合的遮阳方式效率最高。固定外遮阳板的适用朝向及特性见下表。（三）内遮阳窗帘、卷帘、百叶、活动百叶都可以起到内部遮阳的功效，内遮阳的效果不如外遮阳好，但内遮阳调节灵活，使用方便，内遮阳还可控制眩光，提高私密性，有保温及装饰功能。2.1.5太阳能在建筑中应用太阳能是一种洁净的可再生能源。建筑中太阳能利用主要包括:太阳能热利用（包括太阳能热水器、被动式太阳能建筑等）;太阳能光利用（包括光发电和自然采光）太阳能在建筑中应用也常分为:被动式;主动式两类形式。一、被动式太阳能建筑被动式太阳能建筑（太阳房）就是不用任何其他机械动力，只依靠太阳能自然供暖的建筑。白天直接依靠太阳能供暖，多余的热量用热容大的建筑构件（如墙壁、地板等）、蓄热槽的卵石、水等吸收，夜间通过自然对流放热，使室内保持一定的温度，达到采暖的目的。根据采暖方式的不同，被动式太阳能房可分为直接得热式（a）集热墙式（b）附加阳光间式（c）被动式太阳能建筑，就地取材，技术简单，不耗费或较少其他常规能源，其缺点是冬季平均供暖温度偏低。太阳房夏季应注意防止室内过热。二、主动式太阳能热利用主动式太阳热能利用需要一定的动力进行热循环，它主要由太阳集热器、管道、储热装置、循环泵、热能交换器等组成。主动式太阳能利用能够较好地满足住户的生活要求，可以保证室内采暖和供热水，甚至制冷空调。但设备复杂，投资贵，需要消费辅助能源和电功率，而且所有的热水集热系统都需要设有防冻措施。主动式太阳热能利用系统示意三、光伏发电系统与建筑一体化通常，光伏发电系统由太阳电池、方阵（板）、储能装置、备用电源（辅助发电机或电网）以及负载组成，此外还有功率调节和控制装置。光伏发电系统与建筑一体化是指太阳能发电设备或构件在建筑上利用，并做到了与建筑设计有机地结合。光伏发电通风屋顶简单的太阳发电系统示意2.2建筑光环境建筑光环境控制包括:建筑采光设计建筑照明建筑采光设计就是设法通过采光口使光线进入室内。2.2.1采光设计标准一、基本光度单位光环境设计常用的基本光度单位有光通量、照度、发光强度和亮度。光通量Φ表示光源发出的光能的多少，单位为lm（流明）。照度E表示照射到单位面积上光通量的多少，单位为lx（勒