建筑物理第1講——熱工學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

1、2024/3/19,《建筑物理》,主講人: 南新軍 電 話: 13972397713,緒論,建筑物理概述 一、為什么要學(xué)習(xí)建筑物理知識(shí)？ 二、建筑物理知識(shí)包括那些范疇？ 三、如何通過建筑物理知識(shí)的應(yīng)用解決工程技術(shù)問題？,,《建筑物理》,《建筑物理》是建筑學(xué)專業(yè)的選修課，通過本課程的教學(xué)，使學(xué)生把建筑藝術(shù)與建筑技術(shù)有機(jī)的融為一體，使之掌握室內(nèi)物理環(huán)境基本設(shè)計(jì)原理與方法、處理與設(shè)計(jì)有關(guān)的

2、技能和措施。它是建筑設(shè)計(jì)理論組成部分，并且為建筑設(shè)計(jì)和建筑創(chuàng)作提供必要的基礎(chǔ)。目的在于使學(xué)生理解并掌握建筑物中的熱環(huán)境、聲環(huán)境、光環(huán)境設(shè)計(jì)的基本知識(shí)，充分利用自然能源，確保室內(nèi)環(huán)境的質(zhì)量，以滿足人們生活質(zhì)量不斷提高的要求。,一、課程性質(zhì)與目的,第一章 筑熱工學(xué)基本知識(shí) 第二章 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱原理及其計(jì)算 第三章 建筑保溫設(shè)計(jì) 第四章 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的濕狀況第五章 建筑防熱 第六章

3、 建筑日照第七章 建筑光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)第八章 天然采光第九章 建筑照明第十章 建筑聲學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)第十一章 室內(nèi)聲學(xué)原理第十二章 吸聲材料與吸聲結(jié)構(gòu)第十三章 室內(nèi)音質(zhì)設(shè)計(jì)第十四章 噪聲控制與建筑隔音,,,,32學(xué)時(shí),18學(xué)時(shí),10學(xué)時(shí),二、課程教學(xué)內(nèi)容：,三、課程教學(xué)的基本要求： 1.要求學(xué)生在理解建筑傳熱、聲音傳播等物理規(guī)律的基礎(chǔ)上，懂得客觀物理現(xiàn)象“是什么”？ “為什

4、 么” ？； 2.結(jié)合相應(yīng)的設(shè)計(jì)實(shí)踐，懂得“做什么”？ “怎么做”？能運(yùn)用理論知識(shí)解決設(shè)計(jì)中所碰到的一些技術(shù)問題，以提高今后工作中的后勁。四、教學(xué)要求 ： 教學(xué)要求：通過學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)較好的掌握熱工學(xué)、光學(xué)，了解聲學(xué) 相關(guān)的基本理論知識(shí)，并能運(yùn)用這些知 解決工程實(shí)際問題，尤其是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)問題。,五、與其它相關(guān)課程的關(guān)系： 本課程的前續(xù)課程，主要與建筑材料、建筑構(gòu)造緊密聯(lián)系，要求后續(xù)課程：住宅設(shè)計(jì)（保溫

5、、防熱），影劇院設(shè)計(jì)、陳展館（博物館）設(shè)計(jì)相配合。,第一篇 建筑熱工學(xué) （32學(xué)時(shí)）本篇主要內(nèi)容： 建筑熱工學(xué)基本知識(shí) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱原理及其計(jì)算 建筑保溫設(shè)計(jì) 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的濕狀況 建筑防熱 建筑日照,,第一章 建筑熱工學(xué)基礎(chǔ)知識(shí),§ 1-1 建

6、筑中的傳熱現(xiàn)象 熱量的傳遞稱為傳熱，只要存在溫差，就會(huì)有傳熱現(xiàn)象。 一、熱傳導(dǎo)的幾種方式： 導(dǎo)熱傳熱—分子熱運(yùn)動(dòng) 對(duì)流傳熱—相對(duì)位移 輻射傳熱—電磁波,1-2圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱基礎(chǔ)知識(shí)一、導(dǎo)熱概念：導(dǎo)熱是指物體中有溫差時(shí)由于直接接觸的物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn) 作熱運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞過程。 固體—— 平衡位置不變的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng) 氣體—— 分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)相互碰撞

7、 液體—— 平衡位置間歇移動(dòng)著的分子振動(dòng)1.溫度場(chǎng)、溫度梯度和熱流密度 溫度 t與空間坐標(biāo)x，y，z和時(shí)間τ的函數(shù)關(guān)系： t =f（ x，y，z ，τ） （1-1） 溫度場(chǎng)：在某一時(shí)刻物體內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)的溫度分布，稱為溫度場(chǎng)等溫面：溫度場(chǎng)中同一時(shí)刻由相同溫度連成的面叫“等溫面”溫度梯度：

8、 （1-2）,,,,,熱流密度:通過等溫面上單位面積的熱量稱為熱流密度。設(shè)單位時(shí)間內(nèi)通過等溫面上微元面積dF[m2]的熱量為dQ[W]則熱流密度可表示為： (1-3) 由式（1－3)得： 或：

9、 (1-4) 如果熱流密度在面積F上均勻分布，則熱流量為： (1-5),w/m2,2.傅立葉定律 法國(guó)數(shù)學(xué)物理學(xué)家傅立葉于1822年最先發(fā)現(xiàn)提出的導(dǎo)熱規(guī)律：勻質(zhì)材料物體內(nèi)各點(diǎn)的熱流密度與溫度梯度的大小成正比，即

10、 （1-6） 式中λ是個(gè)比例常數(shù)，恒為正數(shù)，叫做材料的導(dǎo)熱系數(shù)。負(fù)號(hào)是表示熱量傳遞只能沿溫度降低的方向進(jìn)行。 3.導(dǎo)熱系數(shù) 定義：當(dāng)溫度梯度為1ºC/m時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的導(dǎo)熱量。 由式（1-6）

11、 w/(m .k) (1-7),一般

12、來說,λ以金屬的最大,非金屬和液體次之,氣體的最小。工程上通常把導(dǎo)熱系數(shù)小于0.25的材料，作為絕熱材料。,導(dǎo)熱系數(shù)λ還與溫度有關(guān)，即： λ= λ0+bt,式中λ0——0ºC時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù) b ——實(shí)驗(yàn)測(cè)定常數(shù),二、對(duì)流對(duì)流傳熱只發(fā)生在流體之中。,,概念：溫度不同的各流體之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)、互相摻合而傳遞熱能的一種傳 熱方式。分為兩種： 自然對(duì)流——

13、本來溫度相同的流體，因其中一部分受熱（或冷）而產(chǎn)生溫差，形成對(duì)流運(yùn)動(dòng)。 受迫對(duì)流——受外力作用迫使流體運(yùn)動(dòng)。 在建筑熱工中所涉及的主要是空氣沿圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面流動(dòng)時(shí)，與壁面之間所產(chǎn)生的熱交換過程（表面的對(duì)流換熱），包括： 1）空氣流動(dòng)時(shí)所引起的對(duì)流傳熱； 2）空氣分子間和相接觸的空氣分子與壁面分子之間的導(dǎo)熱對(duì)流換熱量可用牛頓公式：,(1-8),Qc——對(duì)流換熱強(qiáng)度t

14、 —— 流體的溫度ac—— 對(duì)流換熱系 —— 固體表面溫度,w/m2,w/(m2 .k),,1.自然對(duì)流（指圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面） 垂直表面 （1-9） 水平表面（熱流由下而上） （1-10） 水平表

15、面（熱流由上而下） （1-11） 上式中 是壁面與室內(nèi)空氣的溫度差,下面討論對(duì)流換熱系數(shù),2.受迫對(duì)流 內(nèi)表面 外表面,（1-12）,（1-13）,式中 是氣流速度，m/s,三、輻射概念：與導(dǎo)熱和對(duì)流在機(jī)理有本質(zhì)的區(qū)別，它是以電磁波的形式傳遞熱能，凡是溫度高于絕對(duì)零度的物體都存在輻射。 1.物體的輻射特性 黑體：能發(fā)射全波

16、段的熱輻射，在相同的溫度條件下，輻射能力最大。,灰體：其輻射光譜具有與黑體輻射光譜相似的形狀，且對(duì)應(yīng)每一波長(zhǎng)的單色輻射力 與同溫同波長(zhǎng)的黑體的 的比值 為一常數(shù) ，即,比值 稱為“發(fā)射率”或“黑度”,非灰體:其輻射光譜具有與黑體光譜截然不同,甚至有的只能發(fā)射某些波長(zhǎng)的輻射線。 一般建筑材料都可看作灰體。 斯蒂芬—波爾茲曼定律： 黑體和灰體的全輻射能力與其表面的絕對(duì)溫度的四次冪成正比。即

17、：,（1-14）,（1-15）,C—物體的輻射系數(shù) w/(m2.k4)T—物體表面的絕對(duì)溫度,K,黑體的輻射系數(shù)Cb=5.68是由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的,由式（1-14）可得灰體的輻射系數(shù)：,(1-16),2.物體表面對(duì)外來輻射的吸收與反射特性 任何物體不僅具有向外發(fā)射熱輻射的能力，而且對(duì)外來的輻射具有吸收和反射的特性，某些物體還具有透射特性。,(1-18),3.物體之間的輻射換熱,換熱量按下式計(jì)算：,或,（1-19）,從上式可以看出，換

18、熱量與表面溫度有關(guān)。,四、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱過程 一般要經(jīng)過三個(gè)過程,1）表面吸熱2）結(jié)構(gòu)本身傳熱3）表面放熱,,,,,,,嚴(yán)格地講，每一傳熱過程都是三種基本傳熱方式的綜合過程。 1.表面換熱,（1-20）,式中,2.結(jié)構(gòu)傳熱 平壁——厚度尺寸比另外兩個(gè)方向尺寸小的多的構(gòu)件稱為平壁。單一材料組成的平壁叫做單層平壁。 在工程上僅對(duì)均勻材料進(jìn)行研究 設(shè)圖1-11所示為單層勻質(zhì)平壁,

19、僅在X方向有熱量傳遞,既一維傳熱,傳熱僅以導(dǎo)熱方式傳熱。,由式（1-6）得在單位時(shí)間內(nèi)，通過單位面積的熱流——熱流強(qiáng)度為：,（1-21）,——材料的導(dǎo)熱系數(shù) w/(m.k),——溫度梯度 k/m,當(dāng)平壁兩側(cè)的溫度 不隨時(shí)間變化時(shí)，此種傳熱稱為“穩(wěn)定傳熱”。,§1-3濕空氣的物理性質(zhì),一、水蒸氣分壓力濕空氣—干空氣和水蒸氣的混合物 在溫度、壓力一定的條件下，一定容積的干空氣所能容納的水蒸氣量

20、是有限的，當(dāng)水蒸氣含量達(dá)到這一限度時(shí)，該濕空氣叫做“飽和”的。,根據(jù)道爾頓分壓定律，濕空氣的壓力等于干空氣的分壓力和水蒸氣分壓力之和，即,處于飽和狀態(tài)的濕空氣中水蒸氣所呈現(xiàn)的壓力叫做“飽和水蒸氣壓”或最大水蒸氣分壓力，用PS表示 PS參見附錄2,PS與溫度的關(guān)系,二、空氣濕度 概念：表示空氣的干濕程度。,（1-23）,相對(duì)濕度：在一定溫度、一定大氣壓力下，濕空氣的絕對(duì)濕度f與同溫同壓下飽和水蒸氣量fmax的百分比。

21、相對(duì)濕度也可用公式：,（1-25）,水蒸氣的實(shí)際分壓力可近似按下式表示:,（1-24）,,三、露點(diǎn)溫度td 概念:本來不飽和的空氣，因溫度降低而達(dá)到飽和狀態(tài)，這一特定的溫度稱為露點(diǎn)溫度。,,衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn):正常濕度:30%~60%,例題已知室內(nèi)空氣的溫度t=20°C,相對(duì)濕度φ=60.5%,試求該室空氣的露點(diǎn)溫度td。 [解]首先應(yīng)求出該居室的實(shí)際水蒸氣分壓力P, 從附錄2中查得Ps=2337.1Pa；由式（1-25）

22、得P=PSφ=2337.1x60.5%=1413.9Pa,從附錄2中查得Ps=1413.9Pa對(duì)應(yīng)的溫度td=12.15 °C,§1-4室內(nèi)熱環(huán)境,室內(nèi)環(huán)境包括：,一、室內(nèi)熱環(huán)境構(gòu)成要素及對(duì)人體熱舒適的影響 構(gòu)成要素： 空氣溫度、空氣濕度、氣流速度、環(huán)境輻射溫度 熱平衡按下式：,qm—人體產(chǎn)熱量，wqe—人體蒸發(fā)散熱量，wqr—人體輻射換熱量，wqc—人體對(duì)流換熱量，w,—人體得失的熱量

23、，w,(1-26),=0時(shí)，體溫恒定不變；>0時(shí)，體溫上升；<0時(shí)，體溫下降。,二、室內(nèi)熱環(huán)境的評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn) 有效溫度 ET作為衡量一個(gè)房間熱環(huán)境的指標(biāo),評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),有效溫度ET434035302520 1510,主觀熱感覺允許上限酷熱炎熱熱稍熱適中稍冷冷寒冷酷冷,,,§1-5室外熱環(huán)境,一、地區(qū)性氣候及其特征我國(guó)將整個(gè)地區(qū)劃分為五個(gè)氣候區(qū)：