建筑物理第1講——熱工學基礎知識

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、為什么要學習建筑物理知識？ 二、建筑物理知識包括那些范疇？ 三、如何通過建筑物理知識的應用解決工程技術(shù)問題？,,《建筑物理》,《建筑物理》是建筑學專業(yè)的選修課，通過本課程的教學，使學生把建筑藝術(shù)與建筑技術(shù)有機的融為一體，使之掌握室內(nèi)物理環(huán)境基本設計原理與方法、處理與設計有關的

2、技能和措施。它是建筑設計理論組成部分，并且為建筑設計和建筑創(chuàng)作提供必要的基礎。目的在于使學生理解并掌握建筑物中的熱環(huán)境、聲環(huán)境、光環(huán)境設計的基本知識，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 筑熱工學基本知識 第二章 圍護結(jié)構(gòu)的傳熱原理及其計算 第三章 建筑保溫設計 第四章 外圍護結(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 建筑光學基礎知識第八章 天然采光第九章 建筑照明第十章 建筑聲學基礎知識第十一章 室內(nèi)聲學原理第十二章 吸聲材料與吸聲結(jié)構(gòu)第十三章 室內(nèi)音質(zhì)設計第十四章 噪聲控制與建筑隔音,,,,32學時,18學時,10學時,二、課程教學內(nèi)容：,三、課程教學的基本要求： 1.要求學生在理解建筑傳熱、聲音傳播等物理規(guī)律的基礎上，懂得客觀物理現(xiàn)象“是什么”？ “為什

4、 么” ？； 2.結(jié)合相應的設計實踐，懂得“做什么”？ “怎么做”？能運用理論知識解決設計中所碰到的一些技術(shù)問題，以提高今后工作中的后勁。四、教學要求 ： 教學要求：通過學習，學生應較好的掌握熱工學、光學，了解聲學 相關的基本理論知識，并能運用這些知 解決工程實際問題，尤其是建筑節(jié)能設計問題。,五、與其它相關課程的關系： 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：住宅設計（保溫

5、、防熱），影劇院設計、陳展館（博物館）設計相配合。,第一篇 建筑熱工學 （32學時）本篇主要內(nèi)容： 建筑熱工學基本知識 圍護結(jié)構(gòu)的傳熱原理及其計算 建筑保溫設計 外圍護結(jié)構(gòu)的濕狀況 建筑防熱 建筑日照,,第一章 建筑熱工學基礎知識,§ 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，就會有傳熱現(xiàn)象。 一、熱傳導的幾種方式： 導熱傳熱—分子熱運動 對流傳熱—相對位移 輻射傳熱—電磁波,1-2圍護結(jié)構(gòu)傳熱基礎知識一、導熱概念：導熱是指物體中有溫差時由于直接接觸的物質(zhì)的質(zhì)點 作熱運動而引起的熱量傳遞過程。 固體—— 平衡位置不變的質(zhì)點振動 氣體—— 分子的無規(guī)則運動相互碰撞

7、 液體—— 平衡位置間歇移動著的分子振動1.溫度場、溫度梯度和熱流密度 溫度 t與空間坐標x，y，z和時間τ的函數(shù)關系： t =f（ x，y，z ，τ） （1-1） 溫度場：在某一時刻物體內(nèi)各質(zhì)點的溫度分布，稱為溫度場等溫面：溫度場中同一時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。設單位時間內(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 法國數(shù)學物理學家傅立葉于1822年最先發(fā)現(xiàn)提出的導熱規(guī)律：勻質(zhì)材料物體內(nèi)各點的熱流密度與溫度梯度的大小成正比，即

10、 （1-6） 式中λ是個比例常數(shù)，恒為正數(shù)，叫做材料的導熱系數(shù)。負號是表示熱量傳遞只能沿溫度降低的方向進行。 3.導熱系數(shù) 定義：當溫度梯度為1ºC/m時，在單位時間內(nèi)通過單位面積的導熱量。 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。工程上通常把導熱系數(shù)小于0.25的材料，作為絕熱材料。,導熱系數(shù)λ還與溫度有關，即： λ= λ0+bt,式中λ0——0ºC時的導熱系數(shù) b ——實驗測定常數(shù),二、對流對流傳熱只發(fā)生在流體之中。,,概念：溫度不同的各流體之間發(fā)生相對運動、互相摻合而傳遞熱能的一種傳 熱方式。分為兩種： 自然對流——

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，形成對流運動。 受迫對流——受外力作用迫使流體運動。 在建筑熱工中所涉及的主要是空氣沿圍護結(jié)構(gòu)表面流動時，與壁面之間所產(chǎn)生的熱交換過程（表面的對流換熱），包括： 1）空氣流動時所引起的對流傳熱； 2）空氣分子間和相接觸的空氣分子與壁面分子之間的導熱對流換熱量可用牛頓公式：,(1-8),Qc——對流換熱強度t

14、 —— 流體的溫度ac—— 對流換熱系 —— 固體表面溫度,w/m2,w/(m2 .k),,1.自然對流（指圍護結(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,下面討論對流換熱系數(shù),2.受迫對流 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：與導熱和對流在機理有本質(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，且對應每一波長的單色輻射力 與同溫同波長的黑體的 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—物體表面的絕對溫度,K,黑體的輻射系數(shù)Cb=5.68是由實驗測得的,由式（1-14）可得灰體的輻射系數(shù)：,(1-16),2.物體表面對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,換熱量按下式計算：,或,（1-19）,從上式可以看出，換

18、熱量與表面溫度有關。,四、圍護結(jié)構(gòu)的傳熱過程 一般要經(jīng)過三個過程,1）表面吸熱2）結(jié)構(gòu)本身傳熱3）表面放熱,,,,,,,嚴格地講，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。 在工程上僅對均勻材料進行研究 設圖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,傳熱僅以導熱方式傳熱。,由式（1-6）得在單位時間內(nèi)，通過單位面積的熱流——熱流強度為：,（1-21）,——材料的導熱系數(shù) w/(m.k),——溫度梯度 k/m,當平壁兩側(cè)的溫度 不隨時間變化時，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，當水蒸氣含量達到這一限度時，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與溫度的關系,二、空氣濕度 概念：表示空氣的干濕程度。,（1-23）,相對濕度：在一定溫度、一定大氣壓力下，濕空氣的絕對濕度f與同溫同壓下飽和水蒸氣量fmax的百分比。

21、相對濕度也可用公式：,（1-25）,水蒸氣的實際分壓力可近似按下式表示:,（1-24）,,三、露點溫度td 概念:本來不飽和的空氣，因溫度降低而達到飽和狀態(tài)，這一特定的溫度稱為露點溫度。,,衛(wèi)生標準:正常濕度:30%~60%,例題已知室內(nèi)空氣的溫度t=20°C,相對濕度φ=60.5%,試求該室空氣的露點溫度td。 [解]首先應求出該居室的實際水蒸氣分壓力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對應的溫度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—人體對流換熱量，w,—人體得失的熱量

23、，w,(1-26),=0時，體溫恒定不變；>0時，體溫上升；<0時，體溫下降。,二、室內(nèi)熱環(huán)境的評價方法和標準 有效溫度 ET作為衡量一個房間熱環(huán)境的指標,評價標準,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將整個地區(qū)劃分為五個氣候區(qū)：