建筑物理课件1

第一章建筑热工学基础知识河北工程大学建筑学院孙凤明第一章建筑热工学基础知识建筑物理学•建筑热环境•建筑声环境•建筑光环境第一章建筑热工学基础知识建筑物理学对建筑设计师的作用建筑物理学是培养高级建筑设计人才不可缺少的专业基础课程。建筑设计人员必须掌握一定的建筑物理知识，否则就不可能完满的解决有关热、光、声环境的设计问题，也就不可能保证现代建筑应有的设计质量。第一章建筑热工学基础知识序言一、什么是建筑热环境为人们创造良好的室内环境是建筑设计的任务之一，其中热环境则是评价室内环境优劣的一个重要方面。建筑热环境第一章建筑热工学基础知识室内热环境主要包括室内温度、湿度、空气流动速度和热辐射强度。创造良好的室内热环境可以用建筑（即建筑规划和设计）的手段和设备（即采暖、空调）的手段来实现。第一章建筑热工学基础知识根据国内外学者对已有建筑的热环境分析研究表明：在针对不同的室外气候条件创造良好的室内热环境方面，建筑设计起着主导作用，设备的配合对创造适宜环境虽不可忽视，但毕竟是第二位的；特别是当建筑设计考虑不周、只靠设备来解决时，不仅消耗更多能源，而且也达不到最佳效果。同时过去一些优秀的建筑实例使我们看到，如果建筑处理得好，即使在很不利的室外气候条件下，仍然能够创造出较为舒适的室内热环境。第一章建筑热工学基础知识二、建筑环境在建筑设计中的应用必须认识到，从建筑规划、设计到局部的构造设计，甚至施工管理，自始自终都涉及建筑环境的有关知识和技能。如：第一章建筑热工学基础知识1、在建筑规划设计中，如不考虑噪声的危害，而将有强烈噪声的工厂布置在居住区内，必将严重影响居民的生活和休息。房间的朝向间距不合理，则在炎热地区必将加重室内过热现象；而在寒冷地区，又会因得不到应有的日照而影响室内卫生。第一章建筑热工学基础知识2、在单体设计中，由于大多数建筑物都有对热、光、声的具体要求，且在许多情况下，这些要求对房屋的使用质量具有重大甚至是决定性意义，当然就更离不开建筑物理技术。第一章建筑热工学基础知识三、课程要求•理论课部分：1、重点掌握基本概念和设计原则2、重视材料的有关性能和构造设计技能3、了解计算公式的物理意义并能进行计算•实验部分：1、课前预习，课后写出实验报告2、遵守实验规则第一章建筑热工学基础知识本篇主要内容•建筑热工学基础知识•建筑围护结构的传热原理及计算•建筑保温设计•外围护结构的湿状况•建筑防热•建筑日照第一章建筑热工学基础知识第一章建筑热工学基础知识建筑中的传热现象围护结构传热基础知识湿空气的物理性质室内热环境室外热环境第一章建筑热工学基础知识第一节建筑中的传热现象•热量的传递称传热。在自然界中，只要存在着温差，就会有传热现象，而且热能是由温度较高的部位传至温度较低的部位，其方式有辐射、对流和导热三种。第一章建筑热工学基础知识辐射传热，是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的现象。对流传热，是指流体与流体之间、流体与固体之间发生相对位移时所产生的热量交换现象。导热是指同一物体内部或相接触的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。第一章建筑热工学基础知识建筑物的传热并非以某一种传热方式单独进行，而大多是辐射、对流、导热三种方式综合作用的结果。图1—1为当屋顶上被太阳照射时的受热情况。图1—2为室内供暖设备与室内空气的热交换情况。第一章建筑热工学基础知识第一章建筑热工学基础知识第一章建筑热工学基础知识正常情况下的人体温度约为36.5℃，为了保持体温，人体不间断地向周围环境散发热量。人体与室内环境的换热也是同时以三种方式进行，室内空气温度、风速和围护结构内表面温度共同决定着人体的散热量。这正是在相同室内空气温度下，夏季与冬季人体热感觉完全不同的原因。第一章建筑热工学基础知识第二节围护结构传热基础知识热量传递有三种基本方式，即导热、对流和辐射。自然界中的传热过程无论多么复杂和多种多样，都是这三种方式的不同组合。因此为了有的放矢地解决建筑中的热工问题，必须首先分别研究这三种方式各自的传热机理和规律，再考虑它们的一些典型组合过程。第一章建筑热工学基础知识一、导热导热是指物体中有温差时由于直接接触的物质质点作热运动而引起的热能传递过程。在固体、液体和气体中都存在导热现象，但在不同的物质中导热的机理是有区别的。在热工计算中，可以认为在固体建筑材料中的热传递仅仅是导热过程。第一章建筑热工学基础知识1．温度场、温度梯度和热流密度在物体中，热量传递与物体内温度的分布情况密切相关。物体中任何一点都有一个温度值，一般情况下，温度t是空间坐标x，y，z和时间τ的函数，t=f(x，y，z，τ)这种物体内各点的温度分布，称为温度场。第一章建筑热工学基础知识若温度场随时间而变，则称为不稳定温度场。如果温度场不随时间而变化，就称为稳定温度场即t=f(x，y，z，)若温度只沿一个方向变化（如x轴），则此温度场称为一维稳定温度场即t=f(x)。第一章建筑热工学基础知识温度场中同一时刻由相同温度各点相连成的面叫做“等温面”。等温面图就是温度场的形象表示。因为同一点上不可能同时具有多于一个的温度值，所以不同温度的等温面绝不会相交，参见图1—3。沿与等温面相交的任何方向上温度都有变化，但只有在等温面的法线方向上变化最显著。温度差Δt与沿法线方向两等温面之间距离Δn的比值的极限，叫做温度梯度，表示为：ntntn0lim第一章建筑热工学基础知识显然，导热不能沿等温面进行，而必须穿过等温面。在单位时间内，通过等温面上单位面积的热量称为热流密度或热流强度。设单位时间内通过等温面上微元面积dF[m2]的热量为dQ[W]则热流密度可表示为:2/mwdFdQq第一章建筑热工学基础知识2．傅立叶定律在各向同性的物体中，任何地点的热流都是向着温度较低的方向传递的。法国数学家傅立叶Fourier)在研究固体导热现象时提出：一个物体在单位时间、单位面积上传递的热量与在其法线方向的温度变化率成正比。用公式表示为：ntq式中：λ-----表示材料导热能力的系数，称导热系数，Ｗ／（ｍ·Ｋ）；负号是因为热流有方向性，是以从高温向低温方向流动为正值；温度也是一个向量，以从低到高为正，二者相反，如图1－3。第一章建筑热工学基础知识t＋Δttnt－Δtq图1－3温度梯度与热流方向第一章建筑热工学基础知识3．导热系数导热系数（λ）的物理意义是，在稳定传热状态下当材料层厚度为1m、两表面的温差为1℃时，在1小时内通过1m2截面积的导热量。它是反映材料导热能力的主要指标。第一章建筑热工学基础知识气体导热系数最小，例如空气在常温、常压下的导热系数为0.029Ｗ／(ｍ·Ｋ)，静止不流动的空气具有很好的保温能力；液体的导热系数则一般大于气体，如水在常温常压下，其导热系数为0.58Ｗ／(ｍ·Ｋ)，为空气的２０倍；金属的导热系数最大，如建筑钢材的导热系数为58.2Ｗ／(ｍ·Ｋ)；非金属固体材料，如大部分建筑用材料，其导热系数一般均低于金属材料。工程上常将λ0.25的材料称为隔热保温材料，如矿棉、泡沫塑料、膨胀珍珠岩等等。第一章建筑热工学基础知识各种建筑材料的“λ”值相差很大，就是同一材料的“λ”值，还要受温度、湿度和密度等因素的影响，现分述如下：（１）温度的影响经验证明，对于大多数建筑材料在一定温度范围内，导热系数与温度间呈线性关系。即：λ＝λ0(1＋bt)第一章建筑热工学基础知识式中：λ0——0℃时的导热系数；t——材料所处的温度，℃；ｂ——由实验确定的常数。在一般工程中，导热系数常取材料实际所处的温度范围内的算术平均值，并把它当作常数。图1－4材料导热系数表达图示第一章建筑热工学基础知识（２）湿度的影响各种材料与潮湿的空气接触后，材料表面总会吸收一些水分，在一定的大气压力和湿度条件下，材料的吸湿量为一常数。称为自然环境下的平衡含湿率。材料的含湿率可以用重量湿度或体积湿度表示。平衡含湿率的大小则取决于材料的物质特性和孔隙比。各种材料的平衡含湿率可以有很大不同。如重混凝土长期在相对湿度为90％的空气中，则其平衡含湿率以重量湿度表示约为2％，而红砖在同样情况下重量湿度只是在0.3％～0.7％之间。图1－5及1－6为几种材料以重量湿度表示的平衡含湿率。第一章建筑热工学基础知识图1－5矿棉、红砖在不同湿度环境中平衡含湿率曲线1、红砖2、矿棉第一章建筑热工学基础知识图1－6泡沫混凝土（ρ＝800kg/m3）中的平衡含湿率曲线第一章建筑热工学基础知识重量湿度ωw是指材料中所含水分的重量与绝干状态下材料重量的百分比，即：％100221GGGw%10021VVv式中：Ｇ1——湿材料的重量，kg；Ｇ2——绝干状态时材料的重量，kg。体积湿度ωv是以材料中水分所占的体积与整个材料体积的百分比，即：第一章建筑热工学基础知识式中：V1一－材料中水分所占体积，ｍ3；V2－－整个材料的体积，ｍ3。重量湿度可以直接测定得出，体积湿度则需由重量湿度换算得出，换算公式为：wv1000式中：ρ一－材料的干密度，kg／ｍ3；1000－－水的密度，kg／ｍ3。第一章建筑热工学基础知识材料受潮后，其导热系数将显著增大，这是由于孔隙中有了水分以后，不但增加了水蒸汽扩散的传热量，还增加了毛细孔中液态水分所传导的热量，一般情况下水的导热系数约为0.58Ｗ／(ｍ·Ｋ)，冰的导热系数约为2.33Ｗ／(ｍ·Ｋ)，都远大于空气的导热系数（约为0.03Ｗ／(ｍ·Ｋ)，因此水或冰取代孔隙中的空气必然使其导热系数加大。图1－7和1－8分别表示砖砌体和加气混凝土的导热系数与湿度的关系。第一章建筑热工学基础知识图1－7砖砌体重量湿度与导热系数关系第一章建筑热工学基础知识图1－8加气混凝土(ρ＝800kg/m3)重量湿度与导热系数关系第一章建筑热工学基础知识另外，通常干燥材料的导热系数是随温度降低而减小。但当材料湿度较大时，当温度在0℃以下，材料中的水分会随着温度下降而变成冰，这时材料的导热系数也会加大。总之，对于建筑围护结构所用材料,尤其是保温材料，应特别注意其内部湿度状况，控制材料内的含湿量。第一章建筑热工学基础知识（3）密度的影响密度即单位体积的材料重量，密度小的材料内部孔隙多，由于空气导热系数很小，故密度小的材料一般导热系数也小，良好的保温材料多数都是孔隙多、密度小的轻质材料。但轻质材料，尤其是纤维材料，存在着一个最低导热系数的密度界限。第一章建筑热工学基础知识图1－9纤维材料导热系数与密度关系1、沥青矿棉；2、树脂玻璃棉板；3、沥青玻璃棉毡第一章建筑热工学基础知识二、对流和表面对流换热•自然对流和受迫对流•表面对流换热第一章建筑热工学基础知识1、自然对流和受迫对流对流换热是指流体各微团分子作相对位移而传递热量的方式。按促成流体产生对流的原因，可分为“自然对流”和“受迫对流”。自然对流是由于流体冷热部分的密度不同而引起的流动。空气的自然对流即由于空气温度愈高其密度愈小，如0℃时的干空气密度为1.342kg／ｍ3，20℃时的干空气密度为1.205kg／ｍ3。当环境中存在空气温度差时，低温、密度大的空气与高温、密度小的空气之间形成压力差，称为“热压”，使空气产生自然流动。第一章建筑热工学基础知识例如当室内气温高于室外时，室外密度大的冷空气将从房间下部开口处流入室内，室内密度较小的热空气则从上部开口处排出，形成空气的自然对流。热压愈大，空气流动的速度愈快。受迫对流是由于外力作用（如风吹、泵压等）而迫使流体产生对流。对流速度取决于外力的大小。外力愈大，对流愈强。空气的对流换热对建筑热环境有很大影响，将在后面“建筑的自然通风”中专门叙述。第一章建筑热工学基础知识表面对流换热是指在空气温度与物体表面的温度不等时，由于空气沿壁面流动而使表面与空气之间所产生的热交换。其换热量的多少除与温度差成正比外，还与热流方向（从上到下或从下到上，或水平方向）、气流速度及物体表面状况（形状，粗糙程度）等因素有关。对平壁表面，当空气与表面温度一定时，表面对流换热量主要取决于其“边界层”的空气状况。2、表面对流换热第一章建筑热工学基础知