建筑热环境-热工基础

建筑热环境概述：各地区建筑物的形式、风格受气候条件的影响。人类活动的发展越是高纬度地区，人类遗址的时间就越晚热带雨林：不需要建筑建筑的出现：逐渐向两极移动现代技术的发展：人类活动遍布全球人类最早的居住方式：树居和岩洞居在热带雨林、热带草原等湿热地区的人类主要栖息在树上，可避免外界的侵害，是人类祖先南方古猿生活方式的延续随着人类向温带迁移，人类住所过渡到了冬暖夏凉的岩洞居，适合年温差和日温差都较大的地区。炎热或高海拔地区的穴居方式，可获得相对稳定的室内热环境，顶部的天窗既可采光又可排烟。河南偃师汤泉沟穴居遗址巢居爱斯基摩雪屋的外观和室内布置用干雪沏成，厚度500ｍｍ的墙体可以提供较好的保温性能。当室外平均温度－30℃时可维持室内－5℃以上。寒冷地区建筑将兽皮衬在雪屋内表面，通过鲸油灯采暖，可使室内温度达到15℃年较差30.5℃月份埃及的民居：干热地区建筑巴格达地区的传统建筑墙厚340-450mm，屋面厚度460mm，利用土坯热惯性。室外日夜温差24℃，室内不到6℃。屋顶表面温度室外空气温度室内空气温度大陆气候的中国民居土窑洞借助土壤大热惯性，达到冬暖夏凉的目的。四合院建筑冬季有效地利用了太阳能采暖和抵御北风侵袭，屋顶设计避免了夏季室内过热。中国四合院：座北朝南的典范利用太阳高度角的特点，仅在北方出现窑洞建筑陕北地坑窑突尼斯窑洞稀树草原的建筑蒙古包湿热地区的中国民居云南干阑竹楼：防雨，防湿和防热。中国少数民族民居布依族石屋：以石块砌墙，以石瓦盖顶。就地取材，造价低廉，冬暖夏凉，不怕火灾，隔音性能好。不严格要求物理环境的建筑为宗教、政治服务，仅部分对采光有神秘性要求意大利狄奥多理陵墓埃及卡纳克神庙玛雅文明地球环境还可持续发展吗？遍布全球的玻璃和钢筋盒子建筑空调采暖的普及使人们不再关心建筑的性能建筑能耗现状目前美国社会能耗比例当前世界能耗比例中国的能耗结构中，建筑的建造和使用占据了大约30％，与建筑相关的工业和交通占据了16.7％，两者相加达到了46.7％。中国目前总数达430亿平方米的既有建筑中，95％以上为高能耗建筑。每年新建的房屋面积占到世界总量的50％，每年新增的20多亿平方米建筑中，仍有80％以上的建筑是非节能建筑。大型公共建筑1%农村61%城镇住宅25%一般公共建筑13%农村37%一般公共建筑18%大型公共建筑3%城镇住宅42%2004年我国各类建筑的面积（不含工业厂房）2004年我国各类建筑的能源消耗数据来源：中国建筑节能年度发展报告2008，中国工程院咨询项目清华大学建筑节能研究中心建筑行业责任重大中国能源构成：煤60％美国消耗世界能源的25％中国要步美国后尘吗？大量耗能＝污染环境全球温室效应的发展趋势“到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%－45%，在如此长时间内这样大规模降低二氧化碳排放，需要付出艰苦卓绝的努力。我们的减排目标将作为约束性指标纳入国民经济和社会发展的中长期规划，保证承诺的执行受到法律和舆论的监督。”——温家宝哥本哈根会议中国政府承诺2011年3月5日，国务院总理温家宝在“两会”上作的政府工作报告中提出，要加大既有建筑节能改造投入，积极推进新建建筑节能，大力发展循环经济。温总理还指出，“十二五”单位GDP能耗和二氧化碳排放分别降低16%和17%。两会报告1.1、室内热环境室内热环境是指影响人体冷热感觉的环境因素。这此因素主要包括室内空气温度、空气温度、气流速度以及人体与周围环境之间的辐射换热。适宜的室内热环境是指室内空气温度、湿度气流速度以及环境热辐射适当，使人体易于保持热平衡从而感到舒适的室内环境条件。第一节室内热环境一、人的生存条件由建筑塑造的室内热环境不仅为人的生存提供了保障，而且使人在此基础上可以获得更高的舒适度。人是高度复杂的恒温动物，需保持37度体温人对环境有适应性的生理反应保障人类在各种环境中生存下来的三大发明：生火取暖、缝制服装及建造原始遮蔽物。羽绒内衣海豹皮衣因纽特人的服饰二、热舒适主观感觉特性热平衡舒适温度低耗能率、不出汗、不冷颤三、人体的热平衡人体热舒适感建立在人和周围环境正常的热交换上，与周围环境保持热平衡。人体产热率H蒸发散热率qw25%-30%辐射换热率qr45%-50%对流换热qc25%--30%qcqrqwHq温度+湿度+风速+平均辐射温度+活动状态+衣着状态=舒适度四、人体热平衡的影响因素1、新陈代谢产热量四、人体热平衡的影响因素2、对流换热量3、辐射换热量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”。五、影响人体热舒适的因素空气温度、空气湿度、气流速度、环境表面平均辐射温度、人体新陈代谢产热率、人体衣着状况室内气候：舒适、可忍受、不可忍受1、室内空气温度摄氏温标：符号t，单位摄氏度oC热力学温标：符号T，单位开尔文K1.2室内热环境的评价第一章建筑热工学基础知识室内气温是表征室内热环境的主要参数。对一般民用建筑，按房间的使用要求而对房间温度有相应规定：冬季室内气温一般应在16～22℃；夏季空调房间的气温多规定为24～28℃，并以此作为室内计算温度。而室内实际温度则由房间内得热和失热、围护结构内表面的温度及通风等因素构成的热平衡所决定，设计者的任务就在于使实际温度达到室内计算温度。另外，对一些有特殊要求的生产和实验房间，不但需要满足室温要求，还需使温度波动值控制在一定范围之内。1)有效温度这是一个将干球温度、湿度、空气流速对人体温暖感或冷感的影响综合成一个单一数值的任一指标。它在数值上等于产生相同感觉的静止饱和空气的温度。有效温度曾为很多官方和专业团体所采用，直到1967年，ASHRAE也一直转载这个指标，但是有效温度在低温时过分强调了湿度的影响，而在高温时对湿度的影响强调得不够。目前，已不再推荐有效温度指标，ASHRAE则推荐使用其代替形式--新的有效温度ET*。尽管如此，它仍是那些早期指标中最值得注意的指标。因为它不但得到普遍的承认，而且是具有大量的实验数据。有效温度温标的建立是一项卓越的成就，ET作为标准指标被空气调节工程师使用了近50年。新有效温度（ET*）这个指标是GAGGE在1971年提出的，所谓ET*，就是相对湿度为50%的假想封闭环境中相同作用的温度。该指标同时考虑了辐射、对流和蒸发三种因素的影响，因而受到了广泛的采用。等新有效温度曲2)PMV英文全称为PredictedMeanVote，即预测平均投票数。PMV值是丹麦的范格尔(P.O.Fanger)教授提出的表征人体热反应（冷热感）的评价指标，代表了同一环境中大多数人的冷热感觉的平均。PMV-PDD热舒适模型是人体体温调节最早的数学模型为，该模型提出的指标表示大多数人对热环境的平均投票值，其有七级感觉，即冷（-3）、凉（-2）、稍凉（-1）、中性（0）、稍暖（1）、暖（2）、热（3）。PMV=0时意味着室内热环境为最佳热舒适状态。ISO7730对PMV的推荐值为PMV值在=-0.5～+0.5之间。PMV指数可通过估算人体活动的代谢率及服装的隔热值获得，同时还需有以下的环境参数：空气温度、平均辐射温度、相对空气流速及空气湿度。PMV指数是根据人体热平衡计算的。当人体内部产生的热等于在环境中散失的热量时，人处于热平衡状态。但是PMV-PDD的局限于人在稳定状态下的评价,且对人体的体温进行整体的描述,不够准确。2、室内空气湿度绝对湿度：单位体积空气中所含水蒸气的重量相对湿度：一定温度、大气压下，湿空气的绝对湿度f，与相同温度相同压力情况下饱和蒸汽量fmax的百分比，一般用百分数%表示。最适宜的相对湿度50%-60%我国民用及公共建筑室内相对湿度推荐值为：夏季40%~60%，冬季一般大于35%在多数情况下，即气温在16～25℃时，相对湿度在30％～70％范围内变化，对人体的热感觉影响不大。但如湿度过低（低于30％）则人会感到干燥、呼吸器官不适；湿度过高则影响正常排汗，尤其在夏季高温时，如湿度过高（高于70％）则汗液不易蒸发，最令人不舒适。3、露点温度：露点温度：（设不人为地增加或减少空气含湿量，而只用干法加热或降温空气）某一状态的空气，在含湿量不变的情况下，冷却到它的相对湿度时所对应的温度，称为该状态下空气的露点温度，用表示。若从往下继续降温，则空气中容纳不了原有水蒸气，迫使部分水蒸气凝结成水珠（露水）析出。00100ctct空调冷凝水电冰箱内的霜降雨过程第一章建筑热工学基础知识4.室内风速室内气流状态影响人体的对流换热和蒸发换热，也影响室内空气的更新。在一般情况下，对人体舒适的气流速度应小于0.3ｍ/ｓ；但在夏季利用自然通风的房间，由于室温较高，舒适的气流速度也应较大。如广州、上海等市对一般居室在夏季使用情况的调查测试结果为：室内风速在0.3～1m/s以内，多数人感到愉快；当室内风速大于1.5m/s时，多数人认为风速太大不舒适。夏季0.2~0.5m/s，冬季0.15~0.3m/s第二节建筑外环境43为什么要考虑建筑外环境?建筑物所在地的气候条件，会通过围护结构，直接影响室内的环境，为得到良好的室内气候条件以满足人们生活和生产的需要，必须了解当地各主要气候要素的变化规律及其特征。一个地区的气候是在许多因素综合作用下形成的。对建筑密切有关的气候要素有：太阳辐射、气温、湿度、风、降水等等。44建筑与自然环境资源的关系45天地水20－28℃－5～35℃－5～35℃0～30℃10～15℃－10～0℃5700℃太阳辐射46可见光紫外线近红外线长波红外线太阳总辐射能量比例太阳常数1353W/m2：大气层外的辐射强度进入大气层后被反射和吸收，光谱成分有所改变，辐射强度有所改变。太阳高度角是重要影响因素。47可见光45.6%紫外线7.0%近红外线45.2%长波红外线2.2%大气层对太阳辐射的吸收超短波X射线和其它一些超短波射线在通过电离层时，被O2、N2及其它大气成分强烈吸收短波受到天空中的各种气体分子、尘埃、微小水珠等质点的散射，使得天空呈现蓝色紫外线被大气中的臭氧所吸收长波被CO2和水蒸气等温室气体所吸收剩下的可见光＋近红外线48落到地球上的太阳辐射能量由三部分组成直射辐射：为可见光和近红外线散射辐射：被大气中的水蒸汽和云层散射，为可见光和近红外线大气长波辐射：大气（水蒸汽和CO2）吸收后再向地面辐射，为长波辐射。在日间比例很小，可以忽略。所谓太阳总辐射照度一般仅包括前两部分49太阳辐射能的去向505150％到达地面日照强度太阳的位置与日照的关系赤纬：太阳光线与地球赤道平面之间的夹角5200+2327-2327赤纬d北回归线南回归线南北回归线53北极圈6633北回归线232754太阳高度角太阳方位角sin=coscoshcos+sinsinsinA=cossinh/cos关于太阳高度角太阳高度角与太阳通过的路径长度密切相关，从而影响日射强度太阳高度角低则日射强度小55太阳高度角低太阳高度角高冬季夏季清晨和傍晚中午高纬度地区低纬度地区太阳高度角冬夏不同56大气透明度我国将大气透明度作了6个等级的分区，1级最透明57东京晴天的大气透明度逐月值我国的大气透明度分区586544332室外气候自然的微气候大气压力风空气温度有效天空温度地层温度空气湿度降水59大气压力大气压力随海拔高度而变在同一位置，冬季大气压力比夏季大气压力高，变化范围5％以内海平面大气压力称作标准大气压，为101325Pa或760mmHg60大气压力对人体的影响机理：人体内脏和血液系统维持一个与外部大气压力抗衡的压力以保护人体的安全。一旦平衡被打破，可能影响人体的生理机能甚至导致死亡。人体可以忍受的极限范围：0.303~15atm低压缺氧环境：胸闷、呼吸急促、恶心呕吐，神经系统发生障