建筑熱物理基礎(chǔ)1

建筑熱物理基礎(chǔ)緒論本課程屬于建筑物理四個(gè)（聲、光、熱、氣候）分支學(xué)科之一，目的是探討外部熱環(huán)境的特性、室內(nèi)熱環(huán)境的形成原因與特性，以及人對(duì)環(huán)境的要求，是一門反映人－建筑－自然環(huán)境三者之間關(guān)系的科學(xué)。通過(guò)學(xué)習(xí)，了解建筑熱狀態(tài)和基本的熱物理模型，對(duì)具體如保溫、隔熱、空氣滲透、蒸汽滲透等技術(shù)問(wèn)題加以解決的理論基礎(chǔ)。人和生產(chǎn)過(guò)程需要什么樣的室內(nèi)、外熱環(huán)境；了解室內(nèi)、外熱環(huán)境形成特征和影響因素。基本觀點(diǎn)和內(nèi)容：非穩(wěn)態(tài)的熱狀態(tài)描述；運(yùn)用基本的傳熱學(xué)原理，描述和提供建立熱物理模型的思路和方法；多種傳熱傳質(zhì)途徑的綜合分析；

預(yù)備知識(shí)太陽(yáng)與地球地球自轉(zhuǎn)：每天繞著通過(guò)它本身南極和北極的”地軸”自西向東地自轉(zhuǎn)一周。每轉(zhuǎn)一周(360°)為一晝夜,一晝夜又分為24h,所以地球每小時(shí)自轉(zhuǎn)15°。第一章建筑熱環(huán)境、第一節(jié)概述建筑熱環(huán)境:作用在房屋外因護(hù)結(jié)構(gòu)上的一切熱物理量的總稱。外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的功能在于抵抗或利用熱作用，以便在房間產(chǎn)生易于控制的舒適的熱狀況。因此，在設(shè)計(jì)滿意的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，必須洞悉作用在其上的各種熱，才能創(chuàng)造性地去利用已有的經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)造新的技術(shù)。所謂滿意的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)是就其適用性、經(jīng)濟(jì)性(建造與使用經(jīng)濟(jì)和節(jié)約能量)和耐久性而言的。本章的目的是要對(duì)作用在建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的各種熱物理量的變化規(guī)律作定量的描寫。為了層次清晰想見(jiàn)，將建筑熱環(huán)境分為室外熱作用和室內(nèi)熱狀況兩方面加以論述。因?yàn)槭彝鉄嶙饔檬峭庖?，這個(gè)外因通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)之后在室內(nèi)造成的結(jié)果是室內(nèi)熱狀況，所以，室內(nèi)熱狀況往往作為評(píng)價(jià)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱性質(zhì)的指標(biāo)。熱環(huán)境是用熱輻射、氣溫、濕度及風(fēng)速四個(gè)物理量來(lái)描的。而建筑熱環(huán)境，不論是室外熱作用，還是它內(nèi)熱狀況，也都是考察這四個(gè)熱物理量，或叫做熱氣候參量。第二節(jié)太陽(yáng)輻射能太陽(yáng)輻射熱是大氣過(guò)程的主要能源，也就是建筑熱環(huán)境四個(gè)參量中影響最大的一個(gè)。日照和遮陽(yáng)是建筑設(shè)計(jì)首先關(guān)心的事情，這就是針對(duì)太陽(yáng)輻射熱的。特別是房屋圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，必須仔細(xì)考慮可作為能源使用的太陽(yáng)輻射熱。愈來(lái)愈嚴(yán)重的能源危機(jī)迫使人們?cè)O(shè)計(jì)和建造被動(dòng)控制建執(zhí)以利用自然能量，太陽(yáng)輻射熱的利用是最重要的，這就對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出更高的要求。太陽(yáng)常數(shù)

在太陽(yáng)與地球的平均距離處，垂直于入射光線的大氣上界單位面積上的熱輻射流，叫做太陽(yáng)常量。從理論上計(jì)算得的常量I’o＝l395．6W／m2——天文太陽(yáng)常量，實(shí)測(cè)分析決定的太陽(yáng)常量I。＝1256w／m2叫做氣象太陽(yáng)常量。多次衛(wèi)星測(cè)得：1367(±7)W／M2

世界氣象組織采用：1367W2／M2太陽(yáng)輻射在大氣中的減弱

太陽(yáng)輻射先通過(guò)大氣圈，然后到達(dá)地表，由于大氣對(duì)太陽(yáng)輻射有一定的吸收、散射和反射作用，使投射到大氣上界的太陽(yáng)輻射不能完全到達(dá)地面，所以在地球表面所呈現(xiàn)的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度比1367W/m2小。太陽(yáng)光穿道地球大氣層時(shí)，各光譜成分的熱福射受到不同程度的減弱，但都滿足微分減弱定律。如圖l—l所示，對(duì)于波長(zhǎng)為λ的光線，該定律表示為太陽(yáng)輻射在大氣中的減弱太陽(yáng)輻射在大氣中的減弱太陽(yáng)輻射在大氣中的減弱曲線1是大氣上界太陽(yáng)輻射光譜；曲線2是臭氧層下的太陽(yáng)輻射光譜；曲線3是同時(shí)考慮到分子散射作用的光譜；曲線4是進(jìn)一步考慮到粗粒散射作用后的光譜；曲線5是將水汽吸收作用也考慮在內(nèi)的光譜，它也可近似地看成是地面所觀測(cè)到的太陽(yáng)輻射光譜。產(chǎn)生這些變化的原因有以下幾方面：

1.大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收：太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣層時(shí)，大氣中某些成分具有選擇吸收一定波長(zhǎng)輻射能的特性。大氣中吸收太陽(yáng)輻射的成分主要有水汽、氧、臭氧、二氧化碳及固體雜質(zhì)等。太陽(yáng)輻射被大氣吸收后變成了熱能，因而使太陽(yáng)輻射減弱。1.1水汽雖然在可見(jiàn)光區(qū)和紅外區(qū)都有不少吸收帶，但吸收最強(qiáng)的是在紅外區(qū)據(jù)估計(jì)，太陽(yáng)輻射因水汽的吸收可以減弱4—15％。所以大氣因直接吸收太陽(yáng)輻射而引起的增溫并不顯著。1.2

臭氧在大氣中含量雖少，但是對(duì)太陽(yáng)輻射能量的吸收很強(qiáng)。在0.2-0.3微米為一強(qiáng)的吸收帶，使得小于0.29微米的輻射由于臭氧的吸收而不能到達(dá)地面。在0.6微米附近又有一寬的吸收帶，吸收能力雖然不強(qiáng)，但因位于太陽(yáng)輻射最強(qiáng)烈的輻射帶里，所以吸收的太陽(yáng)輻射量是相當(dāng)多的。

1.3二氧化碳對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收總的說(shuō)來(lái)是比較弱的，僅對(duì)紅外區(qū)4.3微米附近的輻射吸收較強(qiáng)，但這一區(qū)域的太陽(yáng)輻射很微弱，被吸收后對(duì)整個(gè)太陽(yáng)輻射的影響不大。此外，懸浮在大氣中的水滴、塵埃等雜質(zhì)，也能吸收一部分太陽(yáng)輻射，但其量甚微。只有當(dāng)大氣中塵埃等雜質(zhì)很多時(shí)，吸收才比較顯著。由以上分析可知：大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收具有選擇性，因而使穿過(guò)大氣后的太陽(yáng)輻射光譜變得極不規(guī)則。由于大氣中主要吸收物質(zhì)(臭氧和水汽)對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收帶都位于太陽(yáng)輻射光譜兩端能量較小的區(qū)域，因而吸收對(duì)太陽(yáng)輻射的減弱作用不大。也就是說(shuō)，大氣直接吸收的太陽(yáng)輻射并不多，特別是對(duì)于對(duì)流層大氣來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)輻射不是主要的直接熱源。

3．太陽(yáng)輻射對(duì)各種表面的照射及總輻射強(qiáng)度

天空和地面輻射的總散射輻射在任意表上的總散射強(qiáng)度太陽(yáng)運(yùn)行軌道和光線入射角天球特點(diǎn)：1、與直觀感覺(jué)相符的科學(xué)抽象2、天體在天球上的位置只反映天體視方向的投影3、天球上任意兩天體的距離用其角距表示4、地面上兩平行方向指向天球同一點(diǎn)5、任意點(diǎn)為球心

以任意點(diǎn)為球心，任意長(zhǎng)為半徑，為研究天體的位置和運(yùn)動(dòng)而引進(jìn)的一個(gè)與人們直觀感覺(jué)相符的假想圓球。天球上的基本點(diǎn)圈1、天極(p、p,)和天赤道(Q、Q,)2、天頂(Z)天底(Z,)和真地平3、天子午圈、四方點(diǎn)、和卯酉圈4、黃道和黃極5、二分點(diǎn)和二至點(diǎn)6、天極在天球上的位置h北＝φ1、天極和天赤道：天極：P過(guò)天球中心做一與地球自轉(zhuǎn)軸平行的直線（天軸），它與天球相交的兩點(diǎn)為天極。天赤道：QQ’

過(guò)天球中心做一與天軸垂直的平面（天赤道面），它與天球相交的大圓為天赤道。2、天頂、天底和真地平天頂：Z過(guò)天球中心做一直線與觀測(cè)點(diǎn)的鉛垂線平行，交天球于兩點(diǎn)，位于觀測(cè)者頭頂?shù)囊稽c(diǎn)稱天頂。天底：Z’

與天頂相對(duì)的另一交點(diǎn)為天底。真地平：過(guò)天球中心做一與鉛垂線垂直的平面，與天球相交的大圓為真地平。3、天子午圈、四方點(diǎn)、卯酉圈天子午圈：過(guò)天極和天頂?shù)拇髨A。四方點(diǎn)：天子午圈與真地平相交的兩點(diǎn)為南北點(diǎn)，（靠近北天極的為北點(diǎn)）天赤道與真地平相交的兩點(diǎn)為東西點(diǎn)。卯酉圈：過(guò)天頂和東西點(diǎn)所做的大圓弧。4、黃道與黃極黃道：過(guò)天球中心做一與地球公轉(zhuǎn)軌道平面平行的平面為黃道面，與天球相交的大圓為黃道。黃極：黃道所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)極點(diǎn)。黃赤交角：黃道與赤道的交角。ε＝230.55、二分點(diǎn)、二至點(diǎn)二分點(diǎn)：黃道與天赤道的兩個(gè)交點(diǎn)。春分點(diǎn)；秋分點(diǎn)二至點(diǎn)：黃道上與二分點(diǎn)相距900的另兩個(gè)點(diǎn)。夏至點(diǎn)；冬至點(diǎn)

當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥鹊扔诒睒O星的高度天球坐標(biāo)系一、地平坐標(biāo)基本點(diǎn)：天頂天底基本圈：真地平地平高度h:

由真地平沿過(guò)天體的地平經(jīng)圈向天頂、天底量度（00

—±900）（天頂距Z):Z＝900－h(huán)

方位角A:

起始點(diǎn)：南點(diǎn)北點(diǎn)由南點(diǎn)或北點(diǎn)沿真地平順時(shí)針度量到過(guò)天體的地平經(jīng)圈（00

–3600）時(shí)角坐標(biāo)

基本點(diǎn)：天極基本圈：天赤道赤緯δ：由天赤道沿過(guò)天體的赤經(jīng)圈向兩極方向度量（00-±900）時(shí)角t：起始點(diǎn)：子午圈與天赤道南邊的交點(diǎn)。由起始點(diǎn)沿天赤道順時(shí)針量至天體所在赤經(jīng)圈（0h

–24h）

赤道坐標(biāo)

赤緯δ：同上赤經(jīng)α：起始點(diǎn)：春分點(diǎn)由春分點(diǎn)沿天赤道逆時(shí)針?lè)较蛄恐撂祗w所在赤經(jīng)圈（0h

–24h)

春分點(diǎn)的時(shí)角：

tr

＝(α＋t)黃道坐標(biāo)基本點(diǎn)：黃極基本圈：黃道黃緯β：由黃道沿過(guò)天體的黃經(jīng)圈向兩邊度量（00

—±900）黃經(jīng)λ：起始點(diǎn)：春分點(diǎn)

由春分點(diǎn)沿黃道逆時(shí)針量至天體所在黃經(jīng)圈與黃道的交點(diǎn)（00

–3600)天球坐標(biāo)系的變換一、赤道坐標(biāo)與時(shí)角坐標(biāo)的換算：

已知地方區(qū)時(shí)（如北京時(shí)）可以計(jì)算出地方恒星時(shí)，由地方恒星時(shí)S與時(shí)角t的關(guān)系式，α=S-t，可求出天體的時(shí)角t。

其他天球坐標(biāo)系之間的換算可由球面三角基本公式得出換算公式。

（1）已知天體方位角A、天頂距z及地理緯度φ，利用球面三角公式求天體的時(shí)角t和赤緯δsinδ=sinφcosz-cosφsinzcosA（余弦公式）

cosδsint=sinzsinA（正弦公式）

cosδcost=sinφsinzcosA+coszcosφ（第一五元素公式）

地平坐標(biāo)與時(shí)角坐標(biāo)的換算：（2）已知天體的時(shí)角t赤緯δ和地理緯度φ，求天體的方位角A和天頂距z（或地平高度）

利用如下球面三角公式即可

cosz=sinφsinδ+cosφcosδcostsinzsinA=cosδsintsinzcosA=-sinδcosφ+cosδsinφcos赤道坐標(biāo)與黃道坐標(biāo)的換算公式

（1）由天體的赤經(jīng)α、赤緯δ；黃道與赤道的夾角