第一篇 建筑热工学第1章 建筑热工学基础知识1.室内热环境构成要素：室内空气温度、空气湿度、气流速度和环境辐射温度构成;2.人体的热舒适①热舒适的必要条件：人体内产生的热量=向环境散发的热量;m q ——人体新陈代谢产热量e q ——人体蒸发散热量r q ——人体与环境辐射换热量 c q ——人体与环境对流换热量②充分条件：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”; 注意与“负热平衡区分” ③影响人体热舒适感觉的因素：1.温度；2.湿度；3.速度；4.平均辐射温度；5.人体新陈代谢产热率；6.人体衣着状况;3.湿空气的物理性质①湿空气组成：干空气+水蒸气=湿空气②水蒸气分压力：指一定温度下湿空气中水蒸气部分所产生的压力; ⑴未饱和湿空气的总压力：w P ——湿空气的总压力Pa d P ——干空气的分压力Pa P ——水蒸气的分压力Pa⑵饱和状态湿空气中水蒸气分压力：s P ——饱和水蒸气分压力注：标准大气压下,s P 随着温度的升高而变大见本篇附录2;表明在一定的大气压下,湿空气温度越高,其一定容积中所能容纳的水蒸气越少,因而水蒸气呈现出的压力越大;③空气湿度：表明空气的干湿程度,有绝对湿度和相对湿度两种不同的表示方法;⑴绝对湿度：单位体积空气所含水蒸气的重量,用f 表示g/m 3;饱和状态下的绝对湿度则用饱和水蒸气量max f g/m 3表示;⑵相对湿度：一定温度,一定大气压力下,湿空气的绝对湿度f,与同温同压下饱和水蒸气量max f 的百分比：⑶同一温度T 下,,因此,相对湿度又可表示为空气中水蒸气P ——空气的实际水蒸气分压力 Pa ；s P ——同温下的饱和水蒸气分压力 Pa;注：研究表明,对室内热湿环境而言,正常湿度范围大概在30%~60%;④露点温度：露点温度是在大气压力一定,空气含湿量不变的情况下,未饱和空气因冷却而达到饱和状态的温度;用d t ℃表示;4.室外热湿环境是指作用在建筑物外围护结构上的一切热湿物理量的总称;构成要素：空气温度、空气湿度、太阳辐射、风、降水等;5.建筑围护结构传热的基本知识热量传递的三种基本方式：导热、对流和辐射;①导热：指物体中温差时,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;⑴热流密度：单位时间内,通过等温面上单位面积的热量;设单位时间内通过等温面上微元面积d F 的热量为d Q ,则热流密度q 表示为：W/m 2 积分形式为：d d Q q F = 或者 d FQ q F =⎰ W如果热流密度在面积F 上均匀分布,单位时间内通过导热面积F 的热量Q 或称热流量为：Q q F =⑵傅里叶定律：1822年,法国物理学家Fourier 发现,均质物体内各点的热流密度与温度梯度的大小成正比,即W/m 2 式中的λ成为导热系数,恒为正值;;沿n 方向温度增加,tn∂∂为正,则q 为负值,表示热流沿n 的反方向; ⑶影响导热系数λ的因素：物质种类、结构成分、密度、湿度、压力、温度等; ②对流换热：空气沿围护结构表面流动时,与壁面之间所产生的热交换过程;这种过程既包括由空气流动所引起的对流传热过程,同时也包括空气分子间和空气分子与壁面分子间的导热过程;注意：对流传热只发生在流体之中,它是因温度不同各部分流体之间发生相对运动互相掺合而传递热能的;⑴表面的对流换热量可以利用其中,c q ——对流换热强度,W/m 2c α——对流换热系数,W/m 2·Kt ——流体的温度,℃θ——固体表面的温度,℃⑵影响因素：对流换热的强弱主要取决于层流边界层热量交换情况;还与流体运动的原因及运动情况、流体与固体间温差、流体的物理性质、固体壁面的形状、大小及位置等因素有关;③辐射传热：辐射传热指依靠物体表面向外发射热射线能产生显著热效应的电磁波来传递能量的现象;与导热和对流在机理上有本质区别,它是以电磁波传递热能的;⑴特点：①发射体热能变为电磁波辐射能,被辐射体将所接收的辐射能转换成热能;凡温度高于绝对零度0K 的物体,都能发射辐射热;②由于电磁波能在真空中传播,所以物体依靠辐射传热时,不需要与其他物体直接接触,也无需任何中间媒介;⑵辐射换热量计算：牛顿公式其中,r q ——对流换热强度,W/mr α——对流换热系数,W/m 2·K1θ、2θ——两辐射换热物体的表面温度℃⑶物体辐射分类：按物体辐射光谱特性,可分为黑体、灰体和选择辐射体或称非灰体三大类;6.围护结构的传热过程围护结构的传热要经过三个过程：表面吸热、结构本身传热、表面放热; 1.表面吸热：内表面从室内吸热冬季,或外表从室外空间吸热夏季; 2.结构本身传热：热量由高温表面传向低温表面;3.表面放热：外表面向室外空间散发热量冬季,或内表面向室内散热夏季;第2章 建筑围护结构的传热计算与应用根据建筑保温与隔热设计中所考虑的室内外热作用的特点,可将室内外温度计算模型归纳为如下两种： 恒定热作用：室内和室外温度在计算期间不随时间而变化;这种计算模型通常用于采暖房间冬季条件下的保温与节能;周期热作用：根据室内外温度波动的情况,又可分为单向周期热作用和双向周期热作用两类;前者通常用于空调房间的隔热与节能设计,后者则用于自然通风房间的夏季隔热设计;1.稳定传热过程定义：温度场不随时间变化的传热过程; 一维稳定传热特征：1通过平壁的热流强度q 处处相等;只有平壁内无蓄热现象,才能保证温度稳定,因此就平壁内任一截面而言,流进与流出的热量必须相等; 2同一材质的平壁内部各界面温度分布呈直线关系;由x d q dxθλ=-知,当x q =常数时,若视λ不随温度而变,则有d dxθ=常数,各点温度梯度相等,即温度随距离的变化规律为直线;2.平壁的热阻建筑热工中的“平壁”不仅是指平直的墙体,还包括地板、平屋顶及曲率半径较大的穹顶、拱顶等结构;热阻是表征围护结构本身或其中某层材料阻抗传热能力的物理量;同样的温差条件下,热阻越大,通过材料的热量越少,围护结构的保温性越好;要想增加热阻,可增加平壁厚度,或采用导热系数较小材料; ①单层匀质平壁的导热和热阻：ennnd R θθλ-==+++结论：多层平壁的总热阻等于各层热阻之和,即1R R R =+③组合壁的导热和热阻：组合壁的平均热阻应按下式计算：00,nnF F R ⎤⎥+式中,R ——平均热阻；0F ——与热流方向垂直的总传热面积；12,,n F F F ——按平行于热流方向划分的各个传热面积； 0,10,20,,,n R R R ——各个传热面部位的传热阻；i R ——内表面换热阻,取 m 2·K/W ； e R ——外表面换热阻,取 m 2·K/W ；ϕ——修正系数,见表2-1;④封闭空气间层的热阻建筑设计中常用封闭空气层作为围护结构的保温层;空气层中的传热方式有：导热、对流和辐射;其中：主要是对流换热和辐射换热; 封闭空气层的热阻取决于间层两个界面上的边界层厚度和界面之间的辐射换热强度;与间层厚度不成正比例增长关系;1结论：普通空气间层的传热量中辐射换热占很大比例,要提高空气间层的热阻须减少辐射传热量;2减少辐射换热量的方法：①将空气间层布置在围护结构的冷侧,降低间层的平均温度; ②在间层壁面涂贴辐射系数小的反射材料铝箔等 ③实际设计计算中可查表2-4得空气间层的热阻R ag3.平壁内部温度的计算①平壁的稳定传热过程：内表面吸热、材料层导热、外表面放热;00()11i ei ei e iet t t t q K t t dR αλα--===-++∑②平壁内部温度计算：根据稳定传热条件：i e q q q q λ===得出： 1.内表面温度： 0()ii i i e R t t t R θ=-- 2.多层平壁内任一层的内表面温度m θ：()e i m j ji i m t t R R R t -+-=∑-=011θ3. 外表面层的温度e θ可写成：0()e e e i e R t t t R θ=+- 或 00()ee i i e R R t t t R θ-=-- 注：1稳定传热条件下,当各层材料的导热系数为定值时,每一层材料内的温度分布是一条直线;这样,多层平壁内温度的分布成一条连续的折线; 2材料的热阻越大,温度降落越大;4.建筑保温与节能计算了解建筑物耗热量计算 建筑采暖耗煤量5.周期性不稳定传热①谐波热作用下的传热特征：1室外温度、平壁表面温度、内部任一截面处的温度都是都是周期相同的谐波动； 2从室外到平壁的内部,温度波动的振幅逐渐减小,即e ef if A A A >>;建筑热工学中,把室外温度振幅e A 与由外侧温度谐波热作用引起的平壁内表面温度振幅之比称为温度波的穿透衰减度,也称为平壁的衰减倍数,用0ν3从室外空间到平壁内部,温度波动的相位逐渐向后推延,即if φ<;壁体的热惰性;衰减和滞后的程度取②谐波热作用下材料和围护结构的热特性指标 1材料的蓄热系数意义：半无限厚物体在谐波热作用下;材料蓄热系数越大,其表面温度波动越小;密度大的重型材料或结构蓄热性能好、热稳定性好;当围护结构中某层是由n nnS F F +++2材料层的热惰性指标:表征材料层受到波动热作用后,背波面上温度波动剧烈程度的一个指标,也是说明材料层抵抗温度波动能力的一个特性指标,用D 表示;其大小取决于材料层迎波面的抗波能力和波动作用传至背波面时所受到阻力;1n S D D =+空气的蓄热力系数S 为0,D 值为0; R S③D越大,说明温度波在其间的衰减越快,;③材料层表面的蓄热系数它与材料蓄热系数的物理意义是相同的,一般两者在数值上也可视为相等; 计算方法：沿着与热流相反的方向,依照围护结构的材料分层,逐层计算如图; 各层内表面蓄热系数计算式采用如下通式：注：如某层厚度较大 1.0D ≥,则该层的Y S =,内表面的蓄热可从该层算起,后面各层就可不再计算;6.建筑隔热设计控制指标计算①隔热设计标准：,应满足下式要求： 内表面最高温度maxi θ⋅直接反映围护结构的隔热性能,关系着人体辐射散热;②室外综合温度：围护结构隔热主要隔的是室外综合温度;围护结构外表面受到3种不同方式热作用： 1．太阳短波辐射；2．室外空气换热；3．围护结构外表面有效长波辐射的自然散热;可将三者对外围护的共同作用综合成一个单一的室外气象参数——“室外综合温度”sa t ：max e t ⋅max e θ⋅夏季室外计算温度s ρ——围护结构外表面对太阳辐射热的吸收系数表2-8；I ——太阳辐射强度； 1rt ——外表面有效长波辐射温度,粗略计算可取：屋面——℃,外墙——℃; 注：一般围护结构隔热设计中仅考虑前两项 式中s e Iρα值又叫做太阳辐射的“等效高温”或“当量温度”;表示围护结构外表面所吸收的太阳辐射热对室外热作用提高的程度;它对室外综合温度影响很大;第三章建筑保温与节能1. 围护结构的保温构造类型保温构造分类：单设保温层、封闭空气间层、保温与承重合二为一、混合型构造;①单设保温层用导热系数很小的材料做保温层而起保温作用;由于不要求保温承重,选择的灵活性较大;②封闭空气间层围护结构中的空气层厚度,一般以4~5厘米为宜;间层表面最好采用强反射材料如铝箔;为了提高反射材料的耐久性,还应采取涂塑处理等保护措施;③保温与承重相结合材料的导热系数小,机械强度满足承重要求;保温与承重相结合：空心板、空心砌块、轻质实心砌块等,既能载重又能保温;④混合型构造当单独用某一种方式不能满足保温要求,或为达到保温要求而造成技术经济上不合理时,采用复合构造;例如,既有实体保温层,又有空气层和承重层的外墙或屋顶结构;第四章 建筑围护结构的传湿与防潮1.建筑围护结构的传湿①等温吸湿曲线：呈“S ”型,低湿度时为单分子吸湿；中湿度时为多分子吸湿；高湿度时为毛细吸湿; 可见,材料中的水分主要以液态形式存在;材料的吸湿湿度在相对湿度相同的条件下,随温度的降低而增加 ②围护结构中的水分转移： 1水分转移的动力：当材料内部存在压力差分压力或总压力、湿度材料含湿量差和温度差时,均能引发材料内部所含水分的迁移;2材料中包含的水分可以三种状态存在：气态水蒸气、液态液态水和固态冰; 3材料内部可迁移的水的两种状态：1.以气态的扩散方式迁移；2.以液态水分的毛细渗透方式迁移; 4稳态下水蒸气渗透过程的计算与稳定传热的计算方法完全相似： 如图：在稳态条件下通过围护结构的水蒸气渗透量渗透强度,与室内外1 ω——0H ——围护结构的总水蒸气渗透阻,/g ；i P ——室内空气的水蒸气分压力,Pa ；e P ——室外空气的水蒸气分压力,Pa;2式中,m d ——任一分层的厚度；m μ——任一分层材料的水蒸气渗透系数g/;水蒸气的渗透系数是1m 厚的物体,两侧水蒸气分压力差为1Pa,1h 内通过1m 2面积渗透的水蒸气量;意义：水蒸气的渗透系数μ表明了材料的透气能力,与材料的密实程度有关,材料的孔隙率越大,透气性就越强;水蒸气的渗透阻H 是围护结构或某一材料层,两侧水蒸气分压力差为1Pa,通过1m2面积渗透1g 水蒸气所需要的时间;注：由于围护结构内外表面的湿转移阻i H e H ,与结构材料层的蒸汽渗透阻本身相比是很微小的,所以在计算总的蒸汽渗透阻时可以忽略不计;这样围护结构内外表面的水蒸气分压力可以近似取为i P 和e P ;围护结构内任一层内界面的水蒸气分压力可由下式计算：其中m=2,3,4……n 3式中,1jj H=∑——从室内一侧算起,由第一层至第m-1层的水蒸气渗透阻之和;③围护结构内部冷凝的检验:冷凝危害：①当水蒸气接触结构表面时,若表面温度低于露点温度,水汽会在表面冷凝成水;表面冷凝水将有碍室内卫生,某些情况下还将直接影响生产和房间的使用;②水蒸气通过围护结构时,在结构内部材料的孔隙中冷凝成水珠或冻结成冰,这种内部冷凝现象危害更大,是一种看不见的隐患;③内部出现冷凝水,会使保温材料受潮,材料受潮后,导热系数增大,保温能力降低；此外,由于内部冷凝水的冻融交替作用,抗冻性差的保温材料便遭到破坏,从而降低结构的使用质量和耐久性; 辨别围护结构内部是否会出现冷凝现象,可按以下步骤进行：1根据室内外空气的温湿度t 和ϕ,确定水蒸气分压力i P 和e P ,然后按照上节3式计算围护结构各层的水蒸气分压力,并作出“P ”分布线;对于采暖房屋,设计中取当地采暖期的室外空气平均温度和平均相对湿度作为室外计算参数;2根据室内外空气温度i t 和e t ,确定各层温度,并按照附录2作出相应的饱和水蒸气分压力“s P ”的分布线; 3根据“P ”和“s P ”线是否相交来判断围护结构内部是否出现冷凝现象,如图;注：实践和理论表明,在水蒸气渗透的途径中,如材料的水蒸气渗透系数出现由大变小的界面,因水蒸气至此遇到较大的阻力,最易发生冷凝现象,习惯上把这个最易出现冷凝,而且凝结最严重的界面,称为围护结构内部的“冷凝界面”;冷凝强度：当出现内部冷凝时,冷凝界面处的水蒸气分压力已经达到该界面温度下的饱和水蒸气分压力,s c P ;设由水蒸气分压力较高一侧空气进到冷凝界面的水蒸气渗透强度为1ω,从界面渗透分压力较低一侧空气的水蒸气渗透强度为ω,两者之差即是界面处的冷凝强度c ω,如图;2.建筑围护结构的防潮①防止和控制表面冷凝一、正常湿度的采暖房间尽可能使围护结构内表面附近的气流畅通,家具,壁柜等不宜紧靠外墙；供热设备放热不均,引起围护结构内表面温度波动,出现周期性冷凝时,应该在围护结构内表面采用蓄热特性系数较大材料;二、高湿房间一般指冬季相对湿度高于75%的房间间歇性高湿条件的房屋,内表面设防水层SWA 高吸水树脂；连续性高湿条件房屋,设置吊顶将水引走；加强屋顶内表面附近通风;三、防止地面泛潮②防止和控制内部冷凝一、合理布置材料层的相对位置原则：材料层次的布局应尽量在水蒸气渗透的通路上做到“进难出易”;如中图;前面提到的USD屋面,也是进难出易的原则设计的,如图;二、设置隔汽层针对具体构造方案中,材料层的布置往往很难完全符合“进难出易”原则的要求;可在保温层蒸汽流进入一侧设置隔汽层如图;三、设置通风间层或泄气沟道针对设置隔汽层虽然能改善围护结构内部的湿状况,但其质量在施工和使用过程中不易保证,且会影响房屋建成后结构的干燥程度;对高湿度房间可采用设置通风间层和泄气沟道的方法如图;四、冷侧设置密封空气层在冷侧设一空气层,可使处于较高温度侧的保温层经常干燥,此空气层也叫做引湿空气层,其作用称为收汗效应;第五章建筑防热与节能★在防热设计中,隔热和通风是主要的、同时也必须将窗口遮阳、环境绿化一起加以综合考虑;1.屋顶与外墙的隔热设计一、屋顶隔热——南方炎热地区,日晒时数和太阳辐射强度以水平面为最大,基本上分为实体材料层和带有封闭空气层的隔热屋顶、通风间层隔热屋顶、阁楼屋顶三类;此外还有植被隔热屋顶、蓄水屋顶、加气混凝土蒸发屋面、淋水玻璃屋顶、成品隔热板屋顶等;1.实体材料层和带有封闭空气层的隔热屋顶如图,实体材料层屋顶a-c, 空气间层隔热屋顶d-f为提高材料的隔热能力,最好选用λ和α的值都比较小的材料,同时还要注意材料的层次排列排列次序不同也影响结构衰减的大小实体材料层屋顶a-c;为了减轻屋顶自重,可采用空心大板屋面,利用封闭空气间层隔热;为减少屋顶外表面太阳辐射热的吸收,还应选择浅色屋顶外饰面f涂了层无水石膏;2.通风屋顶优点：有利于隔热和散热下图为其几种构造方式;3.阁楼屋顶这种屋顶通常在檐口、屋脊或山墙等处开通气孔,有助于透气、排湿和散热;提高阁楼屋顶隔热能力措施：加强阁楼空间的通风是一种经济而有效的方法如加大通风口面积,合理布置通风口位置等;通风阁楼的通风形式常有如图：a山墙上开口通风；b檐口下进气屋脊排气；c屋顶设置老虎窗户通风等;4.植被隔热屋顶特别适合于夏热冬冷地区的城镇建筑;原因：植物的光合作用将热能转化为生化能；蒸腾作用增加蒸发散热；培植基质材料的热阻与热惰性;无土种植,有土种植;无土种植是采用膨胀蛭石作培植基质,它是一种密度小、保水性强、不腐烂、无异味的矿物材料;宜于选用浅根植物；种植草被要简单得多;无土种植草被屋顶的内表面最高温度低；内表面温度波幅小,热稳定性较好；内表面大部分时间低于人体表面温度,是良好的散热面；屋顶外表面辐射吸收率低,外表面温度低,对环境的长波辐射热少;5.蓄水屋顶在南方地区使用较多,有蓄水屋顶、淋水屋顶和喷水屋顶等不同形式;原理：利用水在太阳光的照射下蒸发时需要大量的汽化热,从而大量消耗到达屋面的太阳辐射热,有效地减弱了经屋顶传入室内的热量,相应地降低了屋顶内表面的温度;隔热性能与蓄水深度密切相关;蓄水屋顶的水层深度,从白天隔热和夜间散热的作用综合考虑,宜3-5cm;水面上敷设铝箔或浅色漂浮物,或种植漂浮植物水浮莲、水葫芦等;优点：a屋顶外表面温度、内表面温度、传热量大幅度下降；b随蓄水深度增加,内表面温度最大值愈低,15cm水深为宜；c在夏热冬暖地区,不增加环境辐射反射;缺点：a夜间不能利用屋顶散热；b增大了屋顶静荷载；c一年四季都不能没有水;6.加气混凝土蒸发屋面原理：在建筑屋面上铺设一层多孔材料;运用自然降温原理,通过积蓄雨水并使雨水逐渐蒸发,达到降低建筑物面环境温度、缓解环境热岛效应的目的;7.淋水玻璃屋顶8.成品隔热板屋顶二、外墙隔热1．空心砌块墙可做成单排孔和双排孔如图a;2．钢筋混凝土空心大板墙如图b;3．轻骨料混凝土砌块墙如图：加气和陶粒混凝土砌块墙;4．复合墙体如图;2.窗口遮阳①遮阳的形式1．水平式遮阳：能有效遮挡高度角较大的、从窗口上方投射下来的阳光,适用于接近南向的窗口,或北回归线以南低纬地区的北向附近的窗口;2．垂直式遮阳：能有效遮挡高度角较小的、从窗侧斜射的阳光,但对于高度角较大的、从窗口上方投射的阳光,或接近日出、日没时平射窗口的阳光不起遮挡作用；主要适用于东北、北和西北向附近的窗口;3．综合式遮阳：能有效遮挡高度角中等的、从窗前斜射下来的阳光,遮阳效果比较均匀；主要适用于东南或西南向附近的窗口;4．挡板式遮阳：能有效遮挡高度角较小、正射窗口的阳光；主要适用于东、西向附近的窗口;②遮阳构件尺寸的计算3.房间的自然通风自然通风：是由于建筑物的开口处门、窗、过道等存在着空气压力差而产生的空气流动;特点:不需动力, 经济; 但进风不能预处理, 排风不能净化, 污染周围环境;通风效果不稳定;造成空气压力差的原因：1.热压作用；2.风压作用热压作用取决于室内外空气温差所导致的空气密度差和进出气口的高度差烟囱效应;风压作用是风作用在建筑物上产生的风压差;建筑群布局：一般而言,建筑群的平面布场有行列式、错列式、斜列式、周边式等如图;从通风的角度来看,以错列、斜列较行列、周边为好;第六章 建筑日照1.太阳高度角和方位角的确定目的：为了进行日照时数、日照面积、房屋朝向和间距以及 周围阴影区范围等问题的设计; 影响太阳高度角s h 和方位角s A 的因素有三： ① 赤纬角δ——表明季节即日期的变化； ② 时角Ω——表明时间的变化；③ 地理纬度ϕ——表明观察点所在地方的差异; 太阳高度角和方位角的计算公式： 1．求太阳高度角s h ：s sin sin sin cos cos cos h ϕδϕδ=+Ω 12．求太阳方位角s A ：s s s sin sin sin cos cos cos h A h ϕδϕ-=2举例：6-1, 6-2, 6-3.3．求日出、日落的时刻和方位角：日出或日落时,太阳高度角s 0h =,带入式1和2得：cos tan tan ϕδΩ=- 3s sin cos cos A δϕ-=4 4．中午的太阳高度角：以0Ω=带入式1得： s sin sin sin cos cos sin(90||)h ϕδϕδϕδ︒=+=--故 s 90()h ϕδ=-- 当ϕδ>时 5s 90()h δϕ=-- 当ϕδ<时 6。
