室内热环境

建筑物理（热工学）华南理工大学建筑学院张宇峰（讲师）第一篇建筑热工学第一章传热基本知识第二章室内热环境第三章建筑气候第四章建筑保温设计第五章建筑防热设计第一章传热基本知识§1－1传热方式§1－2平壁稳定传热§1－3平壁周期性传热传热的基本概念吸热放热导热围护结构冷空气热空气热量传递（热流）传热：各种热量传递过程的总称。温差是传热的动力。稳定传热过程：传热过程中各点温度不随时间变化。不稳定传热过程：传热过程中各点温度随时间变化。传热的基本方式围护结构冷空气热空气吸热吸热放热放热导热导热对流辐射对流辐射导热导热导热：当物体各部分之间不发生相对位移，或不同的物体直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递。导热可在固体、液体和气体中发生单纯的导热只发生在密实固体中导热的简单计算T1T2Qd单位时间通过面积为F的平壁的导热量为：FTTdQ)(21如果平壁两个表面的温度不随时间变化，并且T1T2，那么：)(21TTdFQq单位时间单位面积的平壁的导热量为（热流密度）：λ——材料的导热系数，单位为W/（m·K）。建筑材料导热能力大小的一个重要指标。影响导热系数的因素：材质干密度含湿量绝热材料：导热系数在0.3W/(m·K)以下的材料。按用途不同称作保温材料或隔热材料，比如矿棉、岩棉、泡沫塑料等。静止的空气具有很好的保温能力。水和金属的导热系数较大。物质导热系数W/(m·K)空气（常温常压下）0.029聚苯乙烯泡沫塑料板0.042胶合板0.17水（常温下）0.58灰砂砖砌体1.1钢筋混凝土1.74门窗铝合金162材料的干密度越小，内部孔隙越多，导热性能越差。？但对于一些小密度材料，比如纤维状和发泡材料，密度过低，孔隙过大，材料传热性能越强。玻璃棉多孔材料的含湿量越大，导热性能越强。？干砖砌体：0.5W/(m·K)湿砖砌体：1.04W/(m·K)建材的生产、运输、堆放、保管和施工加气混凝土对流对流：指流体各部分之间发生相对运动,互相掺混而传递热量。单纯的对流只发生在流体中对流换热：流体与壁面接触时同时发生对流和导热的热量传递过程。边界层主流区层流区紊流区对流换热机理壁面空气流态平稳，主要靠导热进行热传递流态紊乱，主要靠对流进行热传递热量传递在边界层中进行θt对流换热的简单计算)(tqcct——流体主流区温度。αc——对流换热系数，表征边界层对流换热能力的大小，αc越大，对流换热能力越强。影响因素较多，一般通过实验方法确定。注意公式选择的条件。垂直壁面a式2.0(θ－t)1/4↑b式2.5(θ－t)1/4↓c式1.3(θ－t)1/4内表面中等粗造度d式2.5(或a～c式)+4.2v外表面中等粗造度e式(2.5～6.0)(或a～c式)+4.2v空气对流情况自然对流强制对流水平壁面壁面位置表面状况热流方向αc＝自然对流换热：因温差引起的对流换热。（暖气）强制对流换热：受外力推动引起的对流换热。（手摇扇、吊扇、空调、开窗自然通风。。。）Airspeed(m/s)DescriptionRemarks0.1StillairRarelyencounteredinoccupiedroom0.2ThresholdofdetectabilitySpeedofnaturalconvectiveflowoverthehead0.25-0.5GentlemovementMovementnoticeable.Curtainsmoveslightly0.5-1.0FreshHairblows1.0-2.0LightbreezeLightpapersblowfromdesk.NormalwalkingspeedFromIndoorClimatebyMcINTYRE,1980.强制对流换热中包含自然对流换热，强制对流换热能力更强。0123456780510152025温差℃对流换热系数W/(m2K)自然对流强制对流（0.5m/s）通风隔热屋顶通风隔热屋顶效果通风隔热屋顶阁楼隔热屋顶通风隔热屋顶通风隔热屋顶传热过程示意图层内风速层内风速是影响通风屋顶隔热效果的重要因素；层内风速应至少达到0.2m/s，通风屋面才有较好的隔热效果；风速越大，隔热效果越好，当风速大于0.8m/s时再增加风速无明显改善；平屋顶：风压驱动为主，室外风速，兜风檐口；坡屋顶：风压、热压共同驱动，温差与高差；降低间层空气阻力：清理层内杂物，增加空气进出口面积与间层横截面积，加大间层高度（200～240mm）。层内气流组织方式通风隔热屋顶设计原则a.屋面外表面应刷白或浅色；b.通风空气间层的高度在200－240mm之间为宜；c.应在通风屋面的进出口间造成一个压差，以增加间层内的空气流动速度；d.太长的通风间层要避免；e.通风间层内空气流动方向应与该建筑物所在地的夏季主导风向一致，以获得较大的通风量；f.当通风屋面带有保温材料时，应该将保温材料布置在下层屋面；g.通风屋面这重结构不适用于冬季时间长，夏季时间短的地区。crwmqqqqq△q—人体蓄热量qm——人体产热量qw——人体蒸发散热量qr——人体辐射散热量qc——人体对流散热量人体热平衡人体对流散热量qc人体与周围环境空气的对流换热量。与皮肤（衣服）表面温度Ts、环境空气温度Ta和对流换热系数αc有关。对流换热系数－空气流速vTaTs：qc0,v↑－∣qc∣↑TaTs：qc0,v↑－∣qc∣↑导热散热量～附加热阻→对流散热量)(tqcc人体蒸发散热量qw途径：皮肤出汗的汗液蒸发呼吸过程中吸入空气湿度的变化原理：皮肤或呼吸道表面水分蒸发吸热影响因素：空气流速↑－qw↑空气湿度↑－qw↓流速小，湿度大－闷热自然通风的作用呼吸新鲜空气；排除房间内余热、湿气，降低室内空气温度和湿度；排除烟尘和气味，提高空气品质；增加人体蒸发和对流散热量，维持热舒适。自然通风方式1－热压通风温差驱动，室内空气自下而上流动；取决于密度差和进出口高差；低温、重空气高温、轻空气)(81.9ieHP山谷风海陆风自然通风的原理－风压通风建筑物的迎风面空气受阻，风速减小，动能变成静压，形成正压区；建筑物的背风面、屋顶和两侧因气流曲绕（涡流），形成负压区；自然通风的原理－风压通风风压取决于室外风速：gKPe22自然通风的原理－风压通风工厂的热加工车间有稳定热源，热压通风较为稳定和普遍；沿海地带的建筑物风压较大，风压通风较为普遍；一般民用建筑中，室内外温差不大，进排气口高度相近，难以形成有效的热压通风，主要依靠风压组织自然通风。gKPe22)(ieHP自然通风的设计建筑物朝向建筑群布局房间开口位置和面积与通风有关的构造措施利用环境组织通风建筑物平面布置与剖面处理的基本原则建筑物朝向风玫瑰图是自然通风设计的基本依据。建筑物迎风面出现的最大压力在与风向垂直的面上，所以建筑物朝向应尽量靠近夏季主导风向。南向和南偏东向。建筑群布局－涡流背风涡流区风力弱、风向不稳定，处于涡流区的建筑物很难形成有效自然通风。Wind–identifybreezeways,coldexposure,stagnationsummerwinter冬季北风C06小区规划方案室外风环境（1.5m高处）建筑群布局－涡流背风涡流区长度与建筑物的长宽高有关。建筑群布局－平面布局实例一(a)(b)(c)北京某住宅小区规划方案：（a）最初方案（方案I）；（b）第一次改进后的方案（方案II）；（c）最终方案（方案III）实例一介绍利用数值模拟方法对北京某住宅小区的规划方案设计进行优化的过程实例一结果简介(a)原方案（方案I），北风模拟结果以下都为地面以上1.5米高度处建筑群外气流分布情况实例一结果简介(b)方案II,北风模拟结果实例一结果简介(c)方案III,北风模拟结果房间开口位置和面积开口位置的影响（平面图）房间开口位置和面积开口位置的影响（剖面图）房间开口位置和面积开口面积的影响最佳通风效果：开口宽度为开间宽度的1/3～2/3开口面积为地板面积的15％～25％与通风有关的构造措施开口面积的影响利用环境组织通风绿化具有一定的降温作用利用环境组织通风海陆风山谷风建筑物平面布置与剖面处理的基本原则1.主要的使用房间布置在夏季迎风面，辅助用房可布置在背风面。2.当房间的进风口不能正对夏季主导风向时，可采用台阶式的平面组合或设置挡风板加强自然通风。3.利用楼梯间、小厅和天井等增加建筑物内部的开口面积，充分利用开口面积组织自然通风。4.开口位置的布置应尽量使得室内气流分布均匀，并力求风吹过房间主要使用部位。5.门窗有关构造有利于导风、排风和调节风向、风速。建筑物平面布置与剖面处理的基本原则节能建筑-BREEnergyEfficientOffice四、节能建筑节能建筑-BREEnergyEfficientOffice无风夏季：热压通风吊顶内的风洞四、节能建筑节能建筑-BREEnergyEfficientOffice有风：风压贯流通风自动控制窗四、节能建筑《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》1.当室外热环境参数优于室内热环境时，居住建筑通风宜采用自然通风使室内满足热舒适及空气质量要求。2.居住建筑外窗的可开启面积不应小于外窗所在房间地面面积的8％或外窗面积的45％。一、CFD基本介绍CFD(ComputationalFluidDynamics)的发展1933年首次出现－－英国1974年首次应用于建筑环境领域－丹麦，P.V.Nilsen流体动力学，数值计算，计算机图形学技术的综合CFD的主要分支（流体特性）不可压湍流流动数值模拟可压缩高速流动数值模拟多相流体流动的数值模拟CFD的主要分支（物理模型）•湍流模式理论，大涡模拟，直接模拟一、CFD基本介绍为何采用CFD模拟模型实验：可靠，直观周期长，价格昂贵CFD模拟：周期短，成本低，资料完备技术性强，不确定二、CFD软件介绍商用CFD软件FLUENTPHOENICSCFXSTAR-CD二、CFD软件介绍PHOENICS的界面VREDITOR中建立模型VREDITOR中定义边界条件二、CFD软件介绍PHOENICS的界面EARTH计算界面二、CFD软件介绍PHOENICS的网格划分二、CFD软件介绍PHOENICS的网格划分二、CFD软件介绍PHOENICS的模拟结果显示VR-VIEWER中的速度场二、CFD软件介绍PHOENICS的结果VR-VIEWER中的温度等高图VR-VIEWER中的流线图VR-VIEWER中的温度等值面图二、CFD软件介绍PHOENICS的特点1、与CAD接口复杂的图形可以通过CAD轻松完成300MW压水堆核电站反应堆下腔室流场数值模拟珠江俊园夏季风场夏季主导风向的风吹过建筑群，不同高度的风场分布箭头代表风向颜色代表风速大小高低舒适偏高偏低夏季主导风向的风吹过建筑群，不同位置的风场分布热辐射辐射：物体通过电磁波来传递能量的方式。不同波长的电磁波可产生不同的效应（手机、收音机。。。）。宇宙射线γ射线χ射线紫外线可见光红外线无线电波波长热辐射：因温度原因发出辐射能的现象。可见光：0.39～0.76微米。太阳辐射（短波辐射）常温物体辐射（长波辐射）太阳辐射：0.2～3微米，包括部分紫外线，全部可见光和近红外线区域，称为短波辐射。常温物体辐射：3～100微米，集中在远红外线区域，称为长波辐射。热辐射：因温度原因发出辐射能的现象。辐射换热的特点（1）伴随能量形式的转换：内能电磁波能内能（2）可在真空传播，不需任何中间介质，不需冷热物体直接接触。（3）凡是温度高于绝对零度（0K，－273℃）的一切物体都在不停地对外发射辐射热。（4）辐射换热是两物体间互相辐射的结果。高温低温发射接收发射接收接收本领透射吸收反射总辐射热QQρQτQαQQQQ1QQQQQQ1吸收率反射率透射率物体对不同波长辐射热的吸