第一章建筑热工学基础知识

建筑物理新疆大学建筑工程学院2010年9月第一篇建筑热工学我对于建筑的定义，一是为了宗教仪式的需要，另一方面是为了保持体温的需要。——汉斯.霍莱茵建筑热工学的形成为热工学形成奠定基础的是：发明于十八世纪初的蒸汽供暖设备。到了十九世纪末，开始研究建筑围护结构和环境相互作用的传热机理，以及房屋的保温措施。二十世纪以来，为了解决采暖房屋的热平衡问题，提出了稳定传热和非稳定传热的计算方法，还研究出了材料导热性能测定的方法。在以上研究的基础上，就逐渐形成了建筑热工学。建筑热工学的任务介绍建筑热工学原理，论述如何通过建筑规划和设计上的相应措施，有效地防护和利用室内外热湿作用，合理地解决房屋的保温、防热、防潮、节能等问题，以创造良好的室内热环境并提高围护结构的耐久性。建筑热工学的内容主要包括：工业与民用建筑的热工设计，包括建筑保温设计、防潮设计、防热设计和建筑节能设计以及建筑日照设计等。建筑热环境室外热湿作用室内热湿作用太阳辐射空气的温湿度风、雨、雪等空气温湿度生产和生活发生得热量与水分等第一章建筑热工学基础知识第一节建筑中的传热现象第二节围护结构传热基础知识第三节湿空气的物理性质第四节室内热环境第五节室外热环境第一节建筑中的传热现象由于冬夏两季热量传递特征不同，因而围护结构的热工对策也不同。围护结构的热工设计不仅仅是简单地增厚墙体或提高保温性能，而是要根据建筑物室内外的热量传递状况，传热部位以及建筑结构形式结合当地室外气候特征，采取不同的措施和处理方法。第一节建筑中的传热现象导热对流辐射建筑中传热现象的种类第一节建筑中的传热现象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。对流传热是指流体之间、流体固体之间发生相对位移时所产生的热量交换现象。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。第一节建筑中的传热现象第二节围护结构传热基础知识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。）–（1）在气体中是通过分子做无规则运动时互相碰撞而导热；–（2）在液体中是通过平衡位置间歇移动的分子振动引起的；–（3）在固体中，除金属外，都是由平衡位置不变的质点振动引起，在金属中，主要是通过自由电子的转移而导热。（纯粹的导热现象仅发生在理想的密实固体中）第二节围护结构传热基础知识1）温度场温度梯度热流密度–温度场：在某一时刻物体内各点的温度分布。–热量传递与物体内部温度的分布密切相关。温度t是空间坐标x、y、z和时间τ的函数即：t=f(x、y、z、τ）–不稳定温度场：温度分布随时间而变–稳定温度场：温度分布不随时间而变–一维温度场：温度只沿x一个坐标轴发生变化t＝f（x）第二节围护结构传热基础知识温度梯度–等温面：温度场中同一时刻有相同温度各点连成的面。–温度梯度：温度差△t与沿法线方向两等温面之间距离△n的比值的极限。ntntn0lim第二节围护结构传热基础知识热流密度（q）–导热不能沿等温面进行，但必须穿过等温面。–热流密度(q）：单位时间内，通过等温面上单位面积的热量。等温面上单位面积为dF(m2)，单位时间内通过的热量为dQ(w)–如果热流密度在面积F上均匀分布则热流量为右式。qFQqdFQqdFdQmWdFdQqF2/第二节围护结构传热基础知识2）傅立叶定律–傅立叶定律内容：匀质材料内各点的热流密度与温度梯度的大小成正比。或：一个物体在单位时间、单位面积上传递的热量于在其法线方向的温度变化率成正比。–用公式表示：–q－单位时间、单位面积上通过的热量，又称热流密度或热流强度–－等温面温度在其法线方向上的变化率叫温度梯度–λ－表示材料导热能力的系数，称导热系数–（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。ntntqRttdttdtqeiei第二节围护结构传热基础知识3）导热系数–导热系数：指温度在其法线方向的变化率（温度梯度）为1℃/m时，在单位时间内通过单位面积的导热量。–导热系数大，表明材料的导热能力强。）–其物理意义：在稳定传热状态下当材料厚度为1m两表面的温差为1℃时，在一小时内通过1m2截面积的导热量。材料导热系数表达图第二节围护结构传热基础知识导热系数–各种物质的导热系数，均由试验确定。以金属的导热系数最大，非金属和液体次之，气体最小。–各种材料的λ值大致范围是：气体为0.006~0.6；液体为0.07~0.7；建筑材料和绝热材料为0.025~3；金属为2.2~420。–导热系数小于0.25的材料叫隔热材料（绝热材料），如石棉制品，泡沫混凝土，不流动的空气等。–影响导热系数数值的因素：物质的种类（液体、气体、固体）、结构成分、密度、湿度、压力、温度等。其中主要影响因素是密度和湿度。第二节围护结构传热基础知识二、对流–对流传热只发生在流体之中，它是因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的。特点：单纯的对流传热过程是不存在的，对流的同时总伴随着导热。–产生对流的原因有二个：（1）自然对流（2）受迫对流第二节围护结构传热基础知识对流传热和对流换热对流传热：只发生在流体之间，流体之间发生相对运动传递热能。对流换热：包括流体之间的对流传热，也包括流体与固体之间的导热过程。第二节围护结构传热基础知识表面对流换热–表面对流换热：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。–表面对流换热量的表示式：－牛顿公式–表面对流换热量取决因素：温度差、热流方向（从上到下或从下到上，或水平方向）、气流速度、物体表面状况（形状粗糙程度）等。ccccRtttq1对流换热系数第二节围护结构传热基础知识（1）自然对流自然对流:由于流体冷热部分的密度不同而引起的流动。空气的自然对流是由于空气温度愈高密度愈小，当环境中存在空气温差时，低温密度大的空气与高温密度小的空气之间形成压力差（热压），产生自然对流。4443.1:)(5.2:)(0.2:tttccc热流向下水平表面热流向上水平表面垂直表面第二节围护结构传热基础知识2）受迫对流受迫对流：由于外力作用（如风吹泵压）而迫使流体产生对流。外力愈大，对流速度愈大。（夏季）（冬季）外表面：内表面：vvvccc6.356.326.32第二节围护结构传热基础知识三、辐射–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。–1、物体的辐射特性–2、物体表面对外来辐射的吸收与反射特性–3、物体之间的辐射换热热能辐射能热能第二节围护结构传热基础知识1、物体的辐射特性按物体的辐射光谱特性，可分为黑体、灰体和选择性辐射体三大类。黑体：能发射全波段的热辐射能力，在相同的温度条件下，辐射能力最大灰体：其辐射光谱具有与黑体辐射光谱相似的形状，且对应每一波长的单设辐射能力与同温同波长的黑体的比值为一常数.用“发射率”或“黑度”表示。选择性辐射体：其辐射光谱与黑体光谱截不同，甚至有的只能发射某些波长的辐射线。在同温条件下黑体、灰体和非灰体单色辐射的对比bCC第二节围护结构传热基础知识斯蒂芬-波尔兹曼定律–黑体不但能将一切波长的外来辐射完全吸收，也能向外发射一切波长的辐射。在单位表面积、单位时间以波长λ=0~∞的全波段向半球空间辐射的全部能量，称为黑体的全辐射力。–用Eb表示黑体的全辐射力,单位W/m2；4100bbbTCEbbTKmWC42/68.5（黑体的辐射系数）黑体表面的绝对温度，K第二节围护结构传热基础知识普朗克定律该定律表明了黑体的单色辐射力与其绝对温度和波长之间的函数关系。黑体单色辐射力的最大值随着黑体温度升高而向波长较短一边移动。黑体辐射的光谱曲线第二节围护结构传热基础知识对应于这一辐射力为最大值的波长与黑体绝对温度的关系用公式表示：黑体的温度越高，其最大辐射力的波长愈短，如太阳相当于温度为6000K的黑体辐射，其最大辐射力波长为0.5μm；而16℃左右的常温物体发射的最大辐射力波长约在10μm。维恩位移定律长单色辐射力为最大的波maxmax7.6289T第二节围护结构传热基础知识2.物体表面对外来辐射的吸收与反射特性一个物体对外来的入射辐射可以有反射、吸收、和透射3种情况，他们与入射辐射的比值分别叫作物体对辐射的反射系数γ、吸收系数ρ、透射系数τ。以入射辐射为一，则有γ＋ρ＋τ＝１黑体：对外来辐射全吸收的物体，ρ＝１白体：对外来辐射全反射的物体，γ＝１透明体：对外来辐射全透过的物体τ＝１对于任一特定的波长，材料表面对外来辐射的吸收系数ρ与其自身的发射率或黑度ε在数值上是相等的。ρ=ε辐射热的反射吸收与透射第二节围护结构传热基础知识物体表面对外来辐射的吸收与反射特性第二节围护结构传热基础知识温室效应：如CO2、玻璃、塑料薄膜等材料具有“透短阻长”的特征从而使室内温度不断提高的现象。玻璃只对波长为0.2~2.5μm的可见光和近红外线有很高的透过率，而对波长为4μm以上的远红外辐射的透过率却很低。建筑中通过玻璃获取大量的太阳辐射，是室内构件吸收辐射而温度升高，但室内构件发射的远红外辐射则基本不能通过玻璃在辐射出去，从而可提高室内温度。可为节能服务第二节围护结构传热基础知识3.物体之间的辐射换热任何物体都具有发射辐射和对外来辐射吸收反射的能力，所以在空间任意两个相互分离的物体，彼此间就会产生辐射换热。影响因素：表面温度表面发射和吸收辐射的能力(1)黑体表面间的辐射换热；(2)二灰体表面间的辐射换热；相互位置(1)二无限大平行平面间的辐射换热；rrrRq2121212,11)(第二节围护结构传热基础知识(2)一物体被另一物体完全包围时的辐射换热；(3)有遮热板时的辐射换热;遮热板---在现代建筑中，采用铝箔或其它热辐射系数小的薄板，在围护结构内分隔空气层，能有效的提高绝热效果，用于这种构造的薄板叫遮热板011QnQ第二节围护结构传热基础知识四、围护结构的传热过程围护结构的传热过程包括：表面吸热、结构本身传热、表面放热的三个过程。围护结构的传热过程：1、表面吸热2、结构本身传热3、表面放热第二节围护结构传热基础知识两个概念–导热系数（λ）：物理意义是，当材料层厚度为1m，两表面温差为1K时，在1小时内通过1平方米截面积的导热量。单位W/(m·k)–导温系数（a）：也叫扩散系数，表示物体在不稳定传热过程中温度向壁体内传播的快慢程度的指标。ca第三节湿空气的物理性质一、水蒸气分压力二、空气湿度三、露点温度四、湿球温度第三节湿空气的物理性质一、水蒸气分压力在一定温度和压力的条件下，一定容积的干空气所能容纳的水蒸气，是有一定限度的。处于饱和状态的湿空气中的水蒸气所呈现的压力，叫饱和蒸气压。单位Pa第三节湿空气的物理性质知识二、空气湿度1、绝对湿度（f）：每立方米空气中所含水蒸气的重量，叫空气的绝对湿度（g/m3）。2、相对湿度（φ）：一定温度，一定大气压力下，湿空气的绝对湿度与同温同压下的饱和蒸气量的百分比，可近似地认为是空气的水蒸气分压力与同温同压下饱和蒸气压的百分比。即%100maxffTfP46.0%100SPP第三节湿空气的物理性质三、露点温度露点温度(td)：在大气压力一定、含湿量不变的情况下，未饱和的空气因冷却而达到饱和状态时的温度。第三节湿空气的物理性质[例1-2]用温度计测得某采暖居室气温ti=18℃，相对湿度φ=61.1%，试求该居室空气的露点温度td。[解]：首先要求出该居室的实际水蒸汽分压力P。查附录2，知当t=18℃时，饱和蒸汽压Ps=2062.5Pa，从公式可反