建筑物理复习笔记 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
建筑物理复习纲要
第一篇建筑热工学
任务：依建筑热工原理，论述通过规划和建筑设计的手段，有效地防护或利用室内外气候因素，合理地解决房屋的日照、保温、隔热、通风、防潮等问题，以创造良好的室内气候环境并提高围护结构的耐久性。
第1.1章室内外热环境
室内热环境主要是由室内气温、湿度、气流及壁面热辐射等因素综合而成的室内微气候。
人体热平衡是达到热舒适的必要条件。当达到热平衡状态时，对流换热约占总散热量的25%-30%，辐射散热量占45%-50%，呼吸和有感觉蒸发散热量占25%-30%时，人体才能达到热舒适状态，能达到这种适宜比例的环境便是人体热舒适的充分条件。
室外气候与建筑密切有关的气候要素：太阳辐射、气温、湿度、风、降水。
以太阳直射辐射照度、散射辐射照度及用两者之和的太阳总辐射照度表示。水平面上太阳直射照度与太阳高度角、大气透明度成正比关系。散射辐射照度与太阳高度角成正比，与大气透明度成反比。太阳总辐射受太阳高度角、大气透明度、云量、海拔高度和地理纬度等因素的影响。
空气温度地面与空气的热交换是空气温度升降的直接原因，大气的对流作用也以最强的方式影响气温，下垫面的状况，海拔高度、地形地貌都对气温及其变化有一定影响。
空气湿度指空气中水蒸气的含量。一年中相对湿度的大小和绝对湿度相反。
风地表增温不同是引起大气压力差的主要原因
降水
建筑热工设计分区：
严寒地区，充分满足冬季保温要求，加强建筑物的防寒措施。
寒冷地区，冬季保温，部分地区兼顾夏季放热。
夏热冬冷地区：夏季放热，适当兼顾冬季保温。
夏热冬暖地区，充分满足夏季放热要求，一般不考虑冬季保温。
温和地区，部分地区考虑冬季保温，一般不考虑夏季放热。
第1.2章
建筑的传热与传湿
传热是指物体内部或者物体与物体之间热能转移的现象。
基本方式：导热、对流和辐射。
1、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现象。
导热系数：在稳定条件下，1m厚的物体，两侧表面温差为1℃，1h内通过1㎡面积传递的热量。
导热系数的影响因素：材质的影响、材料干密度的影响、材料含湿量的影响。
2、对流是由于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。
对流换热的强弱主要取决于：层流边界层内的换热与流体运动发生的原因、流体运动状况、流体与固体壁面温度差、流体的物性、固体壁面的形状、大小及位置等因素。
自然对流换热受迫对流换热
3、辐射热射线的传播过程叫做热辐射，通过热射线传播热能就称为辐射传热。
辐射传热特点：
1）在辐射传热过程中伴随着能量形式的转化；
2）电磁波的传播不需要任何中间介质；
3）凡是温度高于绝对零度的一切物体，不论它们的温度高低都在不间断地想外辐射不同波长的电磁波，辐射传热是物体之间相互辐射的结果，不受温度高低的影响。
凡能将辐射热全部反射的物体称为绝对白体，能全部吸收的称为绝对黑体，能全部透过的则称为绝对透明体或透热体。吸收系数接近于1的物体近似地当作黑体。
单位时间内在物体单位表面积上辐射的波长从0到∞范围的总能量，称作物体的全辐射本领，通常用E表示，单位为W/㎡。单位时间内在物体单位表面积上辐射的某一波长的能量称为单色辐射本领。
灰体：辐射光谱曲线的形状与黑体辐射光谱曲线的形状相似，且单色辐射本领不仅小鱼黑体同波长的单色辐射本领，两者的比例为不大于1的常数。
选择性辐射体：只能吸收和发射某些波长的辐射能，并且其单色辐射本领总小于同温度黑体同波长的单色辐射本领。
4、封闭空气间层的传热
特点
导热：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现象。
导热系数：当材料层单位厚度的温度差为1K 时，在单位时间内通过1m2表面积的热量。
不同材料的导热系数差别很大，工程上常把导热系数小于0.3W/(m. K)的材料称为绝热材料，作保温隔热只用。
热阻：热流通过壁体时遇到的阻力，反映了壁体抵抗热流通过的能力。
λθθd
q e
i -=
对于多层复合壁体，
R = R1 + R2 + ...... Rn;
对流：由于温度不同的各部分流体之间相对运动、互相掺和而传递热能。
平壁的稳态传热
室内、外热环境通过围护结构进行的热量交换过程，包含导热、对流及辐射方式的换热，是一种复
杂的换热过程。
平壁内表面吸热
qi=αi(ti - θi)
内表面换热系数αi
平壁材料层导热
qλ=(θi -θe)/R
平壁外表面散热
qe=αe (θe -te)
平壁外表面换热系数
材料蓄热系数：物体表面热流波动的振幅与温度波动振幅的比值。物理意义在于，半无限厚物体在谐波热作用下，表面对谐波热作用的敏感程度，即在同样的热作用下，材料蓄热系数越大，其表面温度波动振幅越小；反之，材料蓄热系数越小，则其表面温度波动越大。
平壁总热阻计算
R0 = Ri + R + Re
平壁的周期性传热
蓄热系数：物体表面热流波动的振幅与温度波动振幅的比值。物理意义：半无限厚物体在谐波热作用下，表面对谐波热作用的敏感程度，即在同样热作用下，材料蓄热系数越大，其表面温度波动越小；反之，材料蓄热系数越小，则其表面温度波动越大。
材料热惰性指标：围护结构在谐波热作用下反抗温度波动的能力。
建筑传湿
绝对湿度：单位容积空气中水蒸气的重量。
相对湿度：一定的温度及大气压力下，空气的绝对湿度与同温同压下饱和蒸汽量之比。温度越高，饱和蒸汽压越大。
某一状态下的空气，在含湿量不变的情况下，冷却到它的相对湿度达到100%时所对应的湿度，称为该状态下空气的露点温度。由于温度降到露点温度以下，空气中水蒸气液化析出的现象称为冷凝。
当室内、外空气的水蒸气含量不等时，在围护结构的两侧，就存在水蒸气分压力差，水蒸气分子将从压力较高的一侧通过围护结构向较低一侧渗透扩散，这种现象称为蒸汽渗透。
第1.3章建筑保温与节能
建筑设计人员在处理建筑保温与节能问题时，应遵循综合处理的基本原则：充分利用太阳能；防止冷风不利影响；选择合理的建筑体型和布局；房间的热特性应适合使用性质；选择合理的供热系统等。
建筑保温途径：
1. 建筑体形的设计，应尽量减少外围护结构的总面积
2. 围护结构应具有足够的保温性能
3. 争取良好的朝向和适当的建筑物间距
4. 增强建筑物的密闭性，防止冷风渗透的不利影响
5. 避免潮湿，防止壁内产生冷凝。
设置集中采暖设备的建筑，其围护结构的保温性能应满足围护结构最小传热阻的要求。最小传热阻是依据室内计算温度与围护结构内表面温度的允许温差决定的。
窗的保温，热桥的保温，外墙交角的保温，地面保温
5、防止和控制冷凝的措施
1）防止和控制表面冷凝
正常湿度的采暖房间：围护结构内表面层宜采用蓄热系数较大的材料，利用它蓄存的热量起调节作用，减少出现周期性冷凝的可能。
高湿房间：围护结构内表面采用不透水材料层，在构造上采取措施将表面冷凝睡滴导流，并有组织地排除。
南方地区：地面应具有一定的热阻，减少地面对土层的传热量；地面表层材料的虚热系数要小；表面材料有一定的吸湿作用。
2）防止和控制内部冷凝
材料层次的布置应符合“难进易出”的原则；设置隔气层；设置通风间层或泄气沟道。
第1.4章建筑的隔热与通风
夏季室内过热的原因
1. 室外较高的气温通过室内、外空气对流将大量的热量传入室内
2. 太阳辐射热透过窗户直接进入室内
3. 外来长波辐射透过窗户传入室内
4. 通过维护结构传入热量
5. 室内生产、生活及设备产生的余热
建筑放热的途径
1. 减弱室外热作用
2. 窗口遮阳
3. 维护结构的隔热与散热
4. 合理地组织自然通风
5. 尽量减弱室内余热
隔热设计标准：房间在自然通风情况下，建筑物的屋顶和东、西外墙的内表面最高温度，应满足围护结构的内表面温度《= 夏季室外计算温度最高值。
内表面温度的高低直接反映了围护结构的隔热性能；同时，内表面温度直接与室内平均辐射温度相联系。
屋顶隔热：
1. 采用浅色外饰面，减小当量温度
2. 提高屋顶自身的隔热性能
3. 通风隔热屋顶
4. 种植隔热屋顶
5. 水隔热屋顶
建筑日照与遮阳
阳光直接照射到物体表面的现象，称为日照。
太阳高度角、太阳方位角：
太阳方位角：指太阳直射光线在地平面上的投影线与地平面正南向所夹的角。
太阳高度角：指太阳直射光线与地平面间的夹角。
正午时的太阳高度角，
hs = 90 - |Φ-δ|
固定式外遮阳
1. 水平式遮阳有效地遮挡太阳高度角较大、从窗口前上方投射下来的直射阳光。北回归线以北地区，适合南向窗口；以南地区即可用于南向窗口，也可用于北向窗口。
2. 垂直式遮阳有效地遮挡太阳高度角较小、从窗侧向斜射过来的直射阳光，主要用于北向、东北向和西北向附近的窗口。
3. 综合式遮阳能够有效地遮挡从窗前侧向斜射下来的、中等大小太阳高度角的直射阳光，主要用于东南向或西南向附近窗口。
4. 挡板式遮阳有效地遮挡从窗正前方射来、太阳高度角较小的直射阳光，主要用于东向、西向附近窗口。
建筑光学篇
建筑光学基本知识
1、能够引起人视觉感觉的电磁辐射波长范围为380-780nm
2、光谱视效率：人眼观看同样功率的辐射，在不同波长时感觉到的明亮程度不一样，人眼的这种特性常用光谱光视效率，在特定光度条件下，获得相同视觉感觉时，该两个单色辐射通量之比。人眼对黄绿光最为敏感（555nm）。
3、视野范围（视场）水平面180°，垂直面130°，上方为60°，下方为70°
5、光通量：人眼对光的感觉量，单位lm：
8、发光强度：光源在空间的光通量分布状况，就是光通量的空间分布密度，单位cd。
9、照度：在被照面单位面积上的光通量多少，表示被照面上的光通量密度，单位lx=1lm/1m2.
10、距离平方反比定律：计算点光源产生照度的基本公式，某表面的照度E与点光源在这方向的发光强度I成正比，与它至光源距离r的平方成反比，公式：E=I/r2 cos i
11、亮度：单位投影面积的发光强度，单位cd/m2, 1sb=104 cd/m2.
12、定向反射和透射
定向反射：光线入射角等于反射角；入射光线、反射光线以及反射表面的法线处于同一平面。玻璃镜、很光滑的金属表面
定向透射：如材料的两个表面彼此平行，则透过材料的光线方向和入射方向保持一致。窗玻璃13、扩散反射和透射
均匀扩散材料：将入射光想均匀地向四面八方反射或透射，从各个角度看，其亮度完全想同，看不见光源形象。氧化镁、石膏、磨砂玻璃；完全均匀扩散透射材料：乳白玻璃、白纸、半透塑料；均匀漫反射材料：将反射光均匀分布在各个方向上，与入射方向无关，砖、混凝土、石膏
定向扩散材料：在定向反射（透射）方向，具有最大的亮度，而在其他方向上也有一定亮度。光滑的纸、较粗糙的金属表面、油漆表面、釉瓷砖。
14、可见度：看物体的清楚程度，影响因素：适当的亮度、物件尺寸、对比、识别时间、避免炫光人们能够看到的最低亮度10-5asb, 光源亮度超过16sb，产生眩光。
减轻直接眩光措施：
1. 限制光源亮度
2. 增加眩光源的背景亮度，减少二者之间的亮度对比
3. 减小形成眩光的光源视看面积
4.尽可能增加眩光源的仰角
减轻反射眩光措施：
1. 尽量使视觉作业的表面为无光泽表面，以减弱规则反射而形成的眩光
2. 应使视觉作业避开和远离照明光源同人眼形成规则发射区域
3.使用发光面积大、亮度低的光源
4. 使引起规则反射的光源形成的照度在总照度中所占比例减少，从而减少反射眩光的影响。 天然采光
1、采用天然采光的原因：人眼在天然光条件下比在人工光下具有更高的视觉功效；在天然光下感到舒适和有益于身心健康。太阳能是一种巨大的安全的清洁光源，室内充分利用天然光，就可以起到节约能源和保护环境的作用。
2、光气候是由太阳直射光、天空扩散光和地面反射光形成的天然光平均状况。
3、地面反射光：太阳直射光和天空扩散光射到地面后，经地面反射，并在地面与天空之间产生多次反射，使地面的照度和天空的亮度都有所增加，这部分称为地面反射光。
4、全云天的地面照度取决于：太阳高度角、云状、地面反射能力、大气透明度
5、晴天的地面照度由太阳照度和天空扩散光两部分组成。
7、采光系数：室内给定水平面上某一点的由全阴天天空漫射光所产生的照度和同一时间同一地点，在室外无遮挡水平面上有全阴天天空漫射光所产生的照度的比值，公式：
%100/?=W n E E C
8、采光系数标准值
临界照度：室内完全利用天然光进行工作时的室外天然光最低照度。我国3类气候区规定为5000lx 。
9、采光质量
采光均匀度：室内照度最低值与室内照度平均值之比。
防止眩光：作业区应减少或避免直射阳光；工作人员的视觉背景不宜为窗口；可采取室内外遮挡设施来减少窗亮度或减少窗的视域；窗结构的内表面和窗周围的内墙面宜采用浅色饰面。 合适的光反射比，顶棚 0.6 - 0.9；墙面0.3-0.8；地面0.1-0.5；作业面0.2-0.6.
防止紫外线的进入
10、采光口
侧窗缺点：照度不均匀；优点：构造简单，不受建筑物层数限制，布置方便，造价低廉，光线具有明确方向性。虽可用提高窗位置方法解决室内照度不均的问题，但受建筑物层高的限制。这种窗只能保证有限进深的采光要求。一般进深不超过窗高的1.5-3倍。
天窗
矩形天窗天窗架+窗扇课避免单侧窗照度变化大的缺点，使照度均匀。窗口位置高，一般处于视野范围外，不易形成眩光和受外面物体的遮挡。
锯齿形天窗由于倾斜顶棚的反光，采光效率比纵向矩形天窗高，当采光系数相同时，锯齿形天窗的玻璃面积比纵向天窗少15%-20%。
平天窗优点：采光效率高，面积大；缺点：积尘，易产生眩光。
建筑照明
1、人工光源：
热辐射光源：当金属被加热到1000K以上时，就发出可见光，温度越高，可见光在总辐射中所占比例越大，这一原理制造的光源就称为热辐射光源。
白炽灯：优点体积小，易控光，工作环境温度范围较大，结构简单，价格便宜，使用方便；缺点发光效率低，灯丝亮度高，散热量大，寿命短。
气体放电光源：利用某些元素的原子被电子激发而发出可见光的光源。
荧光灯：由放电产生的紫外辐射激发荧光粉层而发光的放电灯。
优点：发光效率高，发光表面亮度低，不易产生眩光，光色好，接近自然光色，寿命较长，灯管表面温度较低
缺点：初期投资较大，有频闪现象，有紫外线泄露，对无线电有干扰
2、电光源主要性能指标：
光通量
发光效率：灯的光通量与消耗的电功率之比
寿命：以小时计算
平均亮度：以cd/㎡表示，普通白炽灯发光体为灯丝，乳白灯泡发光体为玻壳，荧光灯发光体为管壁
光源的相关色温不同，产生的冷暖感也不同。当光源的相关色温大于5300K时，人们会产生冷的感觉；当色温小于3300K时，人们会产生暖和的感觉。
3、照明均匀度：企业工业室内作业区域采用一般照明是，给定平面上最小照度与平均照度之比，即为照度均匀度不宜小于0.70
4、减弱光幕反射的措施：
1）尽可能使用无光纸和不闪光墨水，使视觉作业和作业房间内的表面为无光泽的表面
2）减少来自干扰区的光，增加干扰区外的光，以减少光幕反射，增加有效照度
3）尽量使光线从侧面来，以减少光幕反射。
6、学校教室光环境设计
要求：1）整个教室应保持足够照度，且分布均匀，黑板上有足够照度；
2）合理安排教室环境的亮度分布，消除眩光，保持正常视力，减少视疲劳
3）较少投资、维护费用
建筑声学篇
声音的物理性质及人对声音的感受
正常人耳可听的频率范围相当大（20-20kHz），不可能处理其中的某一个频率，只能将可听声音的频率范围划分为许多频带。对于一既定中心频率fc的上限频率fu和下限频率fl，可由下述关系求得
f u =1.414*f
c
; f
l
=0.707f
c
波阵面：某一时刻，波动所到达形成的包迹面。
声功率：声源在单位时间内向外辐射的声音能量W,单位瓦
声强：在声波传播过程中，每单位面积波阵面上通过的声功率，I
声压：空气质点由于声波作用而产生振动时所引起的大气压力起伏。
各种声源的声功率差别很大，正常人耳对声音的响应范围也很大。另外，人耳对声音的反应不是线性的，而是接近于对数关系。通常取一个物理量的两个数值之比的对数称为该物理量的级，其中被比的数值称为基准量或者参考量。
声强级
0lg 10I I
L I = I0=10-12W/m 2.
声压级
0lg 20p p
L p = p0=2*10-5N/m 2.
声压级相加的简单方法：
P309，表3.1-1
材料的吸声量等于按平方米计算的表面积乘上吸声系数。
混响是声源停止发声后，声音由于多次反射或散射延续的现象；或者说声源停止发声后，由于多次反射或散射延续的声音。
混响时间：声源停止发声后，室内的声能立刻开始衰减，声音自稳态声压级衰减60dB 所经历的时间。
T60=P320-321, 3.1-10, 3.1-11
第3.2章 建筑吸声 扩散反射 建筑隔声
声波在煤质传播过程中能产生衰减的现象称为吸声。任何材料和物体特别是建筑室内表面装饰材料，由于它的多孔性或薄膜、薄板的共振作用，对入射的声波一般都有吸声作用。根据建筑声学用途，要求具有较好吸声作用而生产、制作、安装的构造，称为吸声材料和吸声构造。
吸声材料和吸声构造根据吸声原理的不同，可分为三类，
（1）多孔吸声材料，包括纤维材料、颗粒材料及泡沫材料；
（2）共振吸声结构，包括单个共振器、床孔板吸声结构、薄膜共振吸声结构和薄板吸声结构；
（3）特殊吸声结构，包括空间洗身体、吸声尖劈
多孔吸声材料：内部有许多和外部相通的微孔和通道，对气体和液体给予阻尼作用的材料
特点：1、通气性2、吸收中高频（与空气层结合，吸收低频）3、取材方便
影响吸声系数的因素：空气流阻、孔隙率、厚度、密度、材料背后的条件、饰面的影响
共振吸声结构
不透气的软质膜状材料或薄板，与其背后的封闭空气层形成一个质量-弹簧共振系统。当受到声波作用时，在该系统共振频率附近有最大的声吸收。
（1）薄膜吸声结构
（2）薄板吸声结构
（3）穿孔板吸声结构
（4）金属微床孔板吸声结构
其他吸声结构
（1）空间吸声体
（2）吸声尖劈
墙体受到声波的激发所引起的振动与其惯性质量有关，墙体单位面积重量越大，投射的声能越少，这就是所谓的质量定律。
如果不考虑边界条件，同时还假设墙体的各个部分的作用是相互独立的，墙体的隔声量取决于其单位面积的重量和入射声波的频率，
R = 20lg(fm) + k
墙面的单位面积质量越大，隔声效果越好，增加一倍，隔声量增加6dB。