建筑物理課件1

第一講建筑與氣候

1.1室外熱環(huán)境

?室外熱環(huán)境是指作用在建筑外圍護結(jié)構(gòu)上的一切熱物理量的總稱；是

室外氣候的組成部分，是建筑設(shè)計的依據(jù)；建筑外圍護結(jié)構(gòu)的主要功能

即在于抵御或利用室外熱環(huán)境的作用。

?因此，要做好建筑熱環(huán)境設(shè)計，必須掌握室外氣候?qū)W的基本知識，熟

悉建筑與氣候的關(guān)系。

?氣候因素（U照、降水、溫度、濕度等）直接影響建筑的功能、形式、

圍護結(jié)構(gòu)。決定了建筑的形式是緊湊的還是疏松的？是封閉的還是開敞

的？是厚重的還是輕盈的？是平屋頂還是坡屋頂……所有這些構(gòu)成了

鄉(xiāng)土建筑的最基本特征。

?氣候與其它相關(guān)因素共同影響建筑。例如氣候條件決定了一個地區(qū)的

水源、植被狀況，對地質(zhì)土壤也有一定程度的影響，從而大體上限定了

該地區(qū)的建筑材料。

?氣候還會影響人、社會審美等方面的差異性，最終間接而又鮮明的影

響到建筑本身。

①.建筑本身適應(yīng)地域氣候；

②.建筑所使用的材料盡可能的就地取材；

③.利用本地廉價勞動力，采取一種手工式、勞動密集型的作業(yè)方式；

④.建筑形式多采取低層高密度的模式；

⑤.采用一種可逐漸增長的模式，便于改建和擴建；

⑥.注重地方文化和民俗習(xí)慣，體現(xiàn)人文建筑。

1.2建筑氣候分區(qū)及對建筑熱工設(shè)計的基本要求

?不同的氣候條件對房屋建筑提出不同的要求。炎熱地區(qū)需要通風、遮

陽、隔熱，以防止室內(nèi)過熱。寒冷地區(qū)需要采暖、防寒和保溫。為了明

確建筑和氣候兩者的科學(xué)聯(lián)系，使建筑可以充分地利用和適應(yīng)氣候條

件，做到因地制宜，我國和世界分別進行了氣候分區(qū)。

▲嚴寒地區(qū)

i

▲寒冷地區(qū)

▲夏熱冬冷地區(qū)

▲夏熱冬暖地區(qū)

▲溫和地區(qū)

我國《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》從建筑熱工設(shè)計的角度，對我國各地氣

候作區(qū)域劃分，具體分區(qū)及設(shè)計要求見下表

建筑熱工設(shè)計分區(qū)及設(shè)計要求（表1?1）

八b分區(qū)指標、

分區(qū)名r不小XA*設(shè)*ft計l_要rHt求-P-

主要指標輔助指標

必須充分滿足冬季保

口平均溫度05c的天

嚴寒地區(qū)最冷月平均溫度湘要求,一般可不考

效N145d

慮夏季防熱

應(yīng)滿足冬季保溫要

日平均溫度￡5.C的天

寒冷地區(qū)最冷月平均溫度0?-10℃求，部分地區(qū)兼顧夏

數(shù)90?145d

季防熱

日平均溫度W5℃的天

最冷月平均溫度0?10C必須滿足夏季防熱要

夏熱冬冷數(shù)0?90dE平均溫度

求，適當兼顧冬季保

地區(qū)N25C的天數(shù)40?

最熱月平均溫度25?30℃溫

110d

最冷月平均溫度＞10℃必須允分滿足夏季防

夏熱冬暖日平均溫度N25c的

熱要求，一般可不考

地區(qū)1天數(shù)100?200d

最熱月平均溫度25?29c慮冬季保溫

最冷月平均溫度0?13c部分地區(qū)考慮冬季保

日平均溫度45℃的天

溫和地區(qū)溫，一般可不考慮夏

數(shù)0?90d

最熱月平均溫度18?25c季防熱

?英國人斯歐克萊（Szokoay）在《建筑環(huán)境科學(xué)手冊》中根據(jù)空氣溫度、

濕度、太陽輻射等項因素，將世界各地劃分為4個氣候區(qū)：

▲濕熱氣候區(qū)

▲干熱氣候區(qū)

▲溫和氣候區(qū)

▲寒冷氣候區(qū)

2

氣候分區(qū)及建筑氣候策略（表

1-2）

?以氣溫和降水兩個氣候要素為基礎(chǔ)，并參照自然植被的分布，把全球

氣候分為五個氣候區(qū)：

▲赤道潮熱性氣候區(qū)（A）

▲干熱性氣候區(qū)（B）

▲濕潤性溫和性氣候區(qū)（C）

▲濕潤性冷溫型氣候區(qū)（D）

▲極地氣候（E）

▲山地氣候（H）

其中A、C、D、E為濕潤氣候，B為干旱氣候

1.3多姿多彩的全球氣候

全球氣候分區(qū)圖

圓頂雪屋——愛斯基摩小屋

安納沙茲人的“懸崖宮殿”

中國傳統(tǒng)民居形式——陜西窯洞

1.4、影響建筑設(shè)計的氣候因素

?我國幅員遼闊，地形復(fù)雜，各地區(qū)氣候差異懸殊，北方的大陸性氣候、

沿海的海洋性氣侯、南方的濕熱氣候、云南的高原氣候、四川的盆地氣

候、吐魯番的沙漠性氣候等?？諝鉁囟?、空氣濕度、太陽輻射、風、降

水、積雪、日照以及凍土等都是氣候的要素。

?結(jié)合氣候設(shè)計的五大要素:

3

▲室外氣溫通常指距地面1.5m高、背陰處的空

k溫度。

]▲影響室外氣溫的主要因素有太陽輻射照度、氣

流狀況、地面覆蓋情況以及地形等等。

??A3

?—

▲空氣溫度取決于地球表面溫度

AK

“物▲溫度的年變化和日變化

::::?室外氣溫與城市熱島現(xiàn)象

AM

▲在建筑物與人口密集的大城市，由于地面覆益物

:::北吸收的輻射熱多，發(fā)熱體也多，形成市中心的溫度

高于郊區(qū),即“城市熱島”現(xiàn)象。

▲熱島現(xiàn)象的存在，使市中心溫度較高的空氣由于質(zhì)量輕而向上升，郊

區(qū)地面的較冷空氣則從四面八方流向城市。市區(qū)熱空氣攜帶的一部分煙

塵滯留在城市上空，一部分較重的在郊區(qū)沉降，污染地面，因此在城市

規(guī)劃中應(yīng)減弱或避免產(chǎn)生熱島現(xiàn)象。

▲熱島現(xiàn)象也有明顯的日變化和年變化，一般冬季強夏季弱，夜晚強白

天弱。

?避免或減弱熱島現(xiàn)象的措施：

▲在城市中增加水面設(shè)置、擴大綠化面積。由于水的熱容量大，并且可

以通過蒸發(fā)吸收熱量。綠化則除蒸發(fā)吸熱外，對日輻射還有一定的反射

作用，尤其在夏季E輻射照度很大時，可以顯著降低周圍的空氣溫度

-----綠化可以改善建筑周圍小氣候。

▲避免方形、圓形城市面積的設(shè)計，多采用帶形城市設(shè)計。

C）氣壓與風

?三個全球性的風帶：信風、西風和極風。

▲季風系，是由于海、陸加熱量的年差所造成的。

▲海陸風，發(fā)生于山谷之處；沿海一帶又有日風和夜風

▲城市高樓風和街道風

?海陸風

5

▲在白天，陸上的空氣溫度較同一緯度海上的空氣溫度為高，熱氣上升,

海上的冷氣流即吹向內(nèi)陸。在夜間，此過程相反。

?山谷風

▲在山區(qū)，局部的溫差會造成局部地風型。

?風向和風速

▲風主要是由于地球表面接受的日輻射不均勻所引起的空氣流動造成

的.同時受到地形、地勢、地表覆蓋、水陸分布等局部分布的影響，對

一個地區(qū)來說風的變化有一定規(guī)律。

▲地區(qū)的風向頻率圖（又稱風玫瑰圖）表示當?shù)氐娘L向規(guī)律。

▲表示風的強弱用風速。氣象學(xué)上將風分為十二級。（表1-3）

風級風速（m/s）風名風的目測標準風級風速（m/s）風名風的目測標準

00-0.5無風|緩煙直上，樹葉不動712.5?15.2疾風樹干搖擺，大枝彎曲迎風步艱

i綏煙一邊斜，有風的感覺j

10.6?1.7軟風815.3?18.2大風大樹搖擺，細枝折斷

21.8~3.3輕風樹葉沙沙作響，風感覺顯著918.3?21.5烈風大枝折斷，輕物移動

33.4?5.2微風樹葉及細枝微動不息1021.6?25.1狂風?拔樹■

45.3?7.4和風樹葉、細枝動搖1125.2?29.0暴風■有重大損毀■

57.5-9.8清風大枝擺動12>29,0颶風風后破壞嚴重，一片荒涼

69.9?12.4強風粗枝搖擺，電線呼呼作響

D）空氣濕度

?空氣濕度，是指大氣中的水蒸氣含量，濕度的表示可以用絕對濕度、

相對濕度以及大氣中水蒸氣分壓力來表示。

▲溫度的日變化和年變化影響空氣濕度如下圖

▲水蒸氣壓力主要隨季節(jié)而變，通常夏季高于冬季。

▲水蒸氣壓力在豎向高度上的遞減量較氣壓的遞減更快，因此，水蒸氣

的濃度隨著海拔高度而降低。水蒸氣壓力最大的年變化發(fā)生在季風影響

的區(qū)域內(nèi)；這些季風從海洋上帶來了熱的濕空氣，又從內(nèi)陸帶來了干燥

的空氣。

E）凝結(jié)與降水

6

?當含有一定量水汽的空氣冷卻時，容濕能力就降低，相對濕度漸漸增

值飽和。對應(yīng)于飽和狀態(tài)時的空氣溫度稱為露點。當空氣因受冷而溫度

低于露點時，水蒸氣含量就超過了空氣的濕容量，過剩的水蒸氣即發(fā)生

凝結(jié)。

第二講：建筑熱環(huán)境基礎(chǔ)知識

2.1建筑中的傳熱現(xiàn)象

2.1.1傳熱：熱量的傳遞

?在自然界中，只要存在溫差就會有傳熱現(xiàn)象，熱

能由高溫部位傳至低溫部位。

?有三種:輻射，對流和導(dǎo)熱。建筑物的傳熱大多

是三種方式綜合作用的結(jié)果.

▲輻射：把熱量以電磁波的形式從一個物體傳向另一個物體的現(xiàn)象。凡溫度

高于絕對零度的物體，都可以發(fā)射同時也可以接受熱輻射。

▲對流：流體與流體之間、流體與固體之間發(fā)牛:相對位移時所產(chǎn)生的熱量交

換現(xiàn)象。

▲導(dǎo)熱：同一物體內(nèi)部或相互接觸的兩物體之間由于分子熱運動，熱量由高溫

處向低溫轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。

2.1.3人的熱傳遞

?為了保持體溫，人體不間斷的向周圍環(huán)境散發(fā)熱量。

?人體與室內(nèi)環(huán)境的換熱也是同時以輻射、對流、導(dǎo)熱三種方式進行。

?人體的散熱量決定于：室內(nèi)空氣溫度、風速、圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度。

2.2圍護結(jié)構(gòu)傳熱方式

2.2.1建筑中的熱平衡

?建筑的得熱和失熱主要包括十個方面

7

?得熱部分有五個方面：

1）通過墻和屋頂?shù)奶栞椛涞脽?/p>

2）通過窗的太陽輻射得熱

3）居住者的人體散熱

4）電燈和其他設(shè)備散熱

5）采暖設(shè)備散熱

?失熱部分有五個方面：

6）通過外圍護結(jié)構(gòu)的傳熱和對流輻射向室外散熱

7）空氣滲透和通風帶走熱量

8）地面?zhèn)鳠?/p>

9）室內(nèi)水分蒸發(fā)，水蒸汽排出室外所帶走的熱量

10）制冷設(shè)備吸熱

▲為取得建筑中的熱平衡，讓室內(nèi)處于穩(wěn)定的適宜溫度中，在室內(nèi)達到熱舒適環(huán)

境后應(yīng)以上各項得熱總和等于失熱總和。即：1+2+3+4+5=6+7+8+9+10

2.2.2導(dǎo)熱

?導(dǎo)熱：直接接觸的物體由于有溫度差時，質(zhì)點作熱運動而引起的熱能傳遞過

程。

?在固體、液體、氣體中都存在導(dǎo)熱現(xiàn)象。其各自的導(dǎo)熱機理不同。氣體：分

子作無規(guī)則運動時相互碰撞而導(dǎo)熱。液體：通過平衡位置間歇移動著的分子振動

引起導(dǎo)熱。固體：由平衡位置不變的質(zhì)點振動引起導(dǎo)熱。金屬：通過自由電子的

轉(zhuǎn)移而導(dǎo)熱。

?絕大多數(shù)的建筑材料（固體）中的熱傳遞為導(dǎo)熱過程

▲溫度場溫度梯度熱流密度

A）溫度場：在某一時刻物體內(nèi)各點的溫度分布。

▲熱量傳遞與物體內(nèi)部溫度的分布密切相關(guān)。溫度f是空間坐標xyz和時間T

的函數(shù)即

8

▲不穩(wěn)定溫度場：溫度分布隨時間而變

，，*

Nt▲穩(wěn)定溫度場：溫度分布不隨時間而變

F血血小危出

▲一維溫度場：溫度只沿X一個坐標軸發(fā)生變化

B)溫度梯度

▲等溫面：溫度場中同一時刻有相同溫度各點連成的面。

▲溫度梯度：溫度差A(yù)t與沿法線方向兩等溫面之間距離△口的比值的極限。

C)熱流密度(q)

▲導(dǎo)熱不能沿等溫面進行，必須穿過等溫面。

▲熱流密度(q)：單位時間內(nèi)，通過等溫面上單位面積的熱量。等溫面上面

積元dF(W),單位時間內(nèi)通過的熱量為dQ(w)

?導(dǎo)熱基本方程一一傅立葉定律：

?物體內(nèi)導(dǎo)熱的熱流密度的分布與溫度分布有密切關(guān)系。

-?傅立葉定律內(nèi)容：勻質(zhì)材料內(nèi)各點的熱流密度與溫度梯度的大小成正比。

或：描述成一個物體在單位時間、單位面積上傳遞的熱量與在其法線方向的溫度

變化率成正比。

q——2—

?用公式表?。孩?/p>

q一—單位時間、單位面枳上通過的熱量，又稱熱流密度或熱流強度

況

加一一等溫面溫度在其法線方向上的變化率叫溫度梯度

八一一表示材料導(dǎo)熱能力的系數(shù)，稱導(dǎo)熱系數(shù)

負號是因為熱流有方向性，是以從高溫向低溫方向流動為正值;溫度也

是一個向量，以從低到高為正，二者相反。

?導(dǎo)熱系數(shù)

9

?導(dǎo)熱系數(shù)：指溫度在其法線方向的變化率（溫度梯度）為1C/m時，在單位

時間內(nèi)通過單位面積的導(dǎo)熱量。導(dǎo)熱系數(shù)大，表明材料的導(dǎo)熱能力強。

?其物理意義：在穩(wěn)定傳熱狀態(tài)下當材料厚度為1m兩表面的溫差為時，在

一小時內(nèi)通過1病截面積的導(dǎo)熱量。

?各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，均由實驗確定。以金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大，非金屬和液體

次之，氣體最小。

?各種材料的人值大致范圍是：氣體為0.006~0.6；液體為0.07~0.7；建筑材料

和絕熱材料為0.025-3；金屬為2.2~420。導(dǎo)熱系數(shù)小于0.25的材料叫隔熱材

料（絕熱材料），如石棉制品，泡沫混凝土，不流動的空氣等。

?影響導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值的因素：物質(zhì)的種類（液體、氣體、固體）、結(jié)構(gòu)成分、

密度、濕度、壓力、溫度等。

2.2.3對流和表面對流換熱

①自然對流和受迫對流

▲自然對流：由于流體冷熱部分的密度不同而引起的流動?？諝獾淖匀粚α魇怯?/p>

于空氣溫度愈高密度愈小，當環(huán)境中存在空氣溫差時，低溫密度大的空氣與高溫

密度小的空氣之間形成壓力差（熱壓），產(chǎn)生自然對流。

▲受迫對流：由于外力作用（如風吹泵壓）而迫使流體產(chǎn)生對流。外力愈大,

對流速度愈大。

②對流傳熱和對流換熱

▲對流傳熱：只發(fā)生在流體之間，流體之間發(fā)生相對運動傳遞熱能。

▲對流換熱：包括流體之間的對流傳熱，也包括流體與固體之間的導(dǎo)熱過程。

③表面對流換熱

▲表面對流換熱：在空氣溫度與物體表面的溫度不等時，由

于空氣沿壁面流動而使表面與空氣之間所產(chǎn)生.的熱交換。

▲表面對流換熱量取決因素：溫度差、熱流方向（從上到

下或從下到上，或水平方向）、氣流速度、物體表面狀況（形

狀粗糙程度）等。

▲表面對流換熱量的表示式：一一牛頓公式%=3（2-°）

10

▲對平壁表面，當空氣溫度t與壁表面溫度e一定時，表面對流換熱量取決于“邊

界層”

▲“邊界層”一一指由壁面到氣溫恒定區(qū)之間的區(qū)域，包括層流區(qū)、過渡區(qū)、紊流

區(qū)。

▲在層流區(qū)內(nèi)以空氣導(dǎo)熱傳遞熱量。

2.2.4輻射換熱

?輻射換熱的特點:是發(fā)射體的熱能變?yōu)殡姶挪ㄝ椛淠?，被輻?/p>

的物體又將所接受的輻射能轉(zhuǎn)換成熱能，溫度越高，熱輻射愈

強烈。

▲一個物體時外來的入射輻射可以有反射、吸收、和透射3種情況，他們與入射

輻射的比值分別叫作物體對輻射的反射系數(shù)Y、吸收系數(shù)p、透射系數(shù)T。以入

射輻射為1,則有Y+P+T=1

▲不透明的物體丁=0則有Y+P=1

?為了方便研究，在理論上分為黑體、白體、灰體。

▲黑體：對外來輻射全吸收的物體，p=1

▲門體：對外來輻射全反射的物體，丫=1

▲透明體：對外來輻射全透過的物體T=1

▲灰體：自然界中介于黑體與白體之間的不透明物體。建筑材料多數(shù)為灰體。

A）斯蒂芬?波爾茲曼定律

?黑體不但能將一切波長的外來輻射完全吸收，也能向外發(fā)射一切波長的輻

射。在單位表面積、單位時間以波長入=0?g的全波段向半球空間輻射的全部能

量，稱為黑體的全輻射力。

黑體的全輻射力：

?用Eb表示黑體的全輻射力，單位W/m2；

?黑體的溫度越高，其最大輻射力的波長愈短，如太陽相當于溫度為6000K的黑

體輻射，其最大輻射力波長為0.5pm；而16c左右的常溫物體發(fā)射的最大輻射

力波長約在10|jmo

11

V

工

更C

Z

XB）灰體黑度

1

B

?灰體的輻射特性與黑體近似，但在同溫度下其全輻射力低于黑

體。工程上為了便于計算，將多數(shù)建筑材料視為灰體。

收直職a隊的發(fā)射系數(shù)T

E=C（—）4

?灰體的全輻射力計算公式：10°

°一——灰體的輻射系數(shù)，歹/（/

T……灰體的絕對溫度，

2

E……灰體全輻射力，Wlm

?黑度：黑度又稱發(fā)射率，是物體輻射系數(shù)與黑體輻射系數(shù)之比。黑體的黑度

c

E=--

為1,其他物體黑度均小于1。用公式表示：a

?輻射系數(shù)：可以表征物體向外發(fā)射輻射的能力。各種物體（灰體）的輻射系

數(shù)均小于黑體。其數(shù)值大小取決于物體表層的化學(xué)性質(zhì)、光潔度、顏色等。各種

物體的輻射系數(shù)是由實驗可確定。

?在一定溫度下，物體對輻射熱的吸收系數(shù)在數(shù)值上與其黑度相等，即物體輻射

能力越大，它對外來輻射的吸收能力也越大；反之若輻射能力越小，則吸

收能力也越小。

C）反射系數(shù)

?對于多數(shù)不透明的物體來說，對外來入射的輻射只有吸收和反射，既吸收系

數(shù)與反射系數(shù)之和等于1。吸收系數(shù)越大，則反射系數(shù)越小。如右圖：

?擦光的鋁表面對各種波長的輻射反射系數(shù)都很大，黑色表面對各種波長輻射的

反射系數(shù)都很?。话咨砻鎸ΣㄩL為2口m以下的輻射反射系數(shù)很大，波長6Pm

以上的輻射反射系數(shù)又很小，接近黑色表面。這種現(xiàn)象對建筑表面顏色和材料

的選用有一定的影響。

12

Longwavelengths

aVYXMphere

D）玻璃的溫室效應(yīng)

?常用的普通玻璃一般為透明材料，它只對波長為

0.2?2.5pm的可見光和近紅外線有很高的透過率，而對波

長為4Pm以上的遠紅外輻射的透過率卻很低。

?玻璃對太陽輻射中大部分波長的光可以透過，而對一般

常溫物體所發(fā)射的輻射（多為遠紅外線）則透過率很低。

這樣通過玻璃獲取大量的太陽輻射，使室內(nèi)構(gòu)件吸收輻射

youndHMsFbMti而溫度升高，但室內(nèi)構(gòu)件發(fā)射的遠紅外輻射則基本不能通

ggrMnhouM

過玻璃再輻射出去，從而可以提高室內(nèi)溫度。

?在利用太陽能的建筑設(shè)計中，常用這一效應(yīng)為節(jié)能服務(wù)。

2.3描述濕空氣的物理量

?濕空氣：指的是「空氣與水蒸氣的混合物，室內(nèi)外的空氣都是含有一定水分

的濕空氣。

?空氣濕度：指空氣中水蒸氣的含量。水蒸氣主要來自于水面、植物的蒸發(fā)和

其它潮濕表面，經(jīng)風的攜帶遍布于空氣中。

?描述濕空氣的物理量有五個量：

▲飽和水蒸氣分壓力（E）：在一定溫度和氣壓下空氣中所能容納的水蒸氣量

有一定的限度，水蒸氣量達到最高限度的空氣稱飽和空氣，這時的水蒸氣分壓力

稱飽和水蒸氣分壓力。用4表示，未飽和的水蒸氣分壓力用p表示。標準大氣

壓下（氣壓相同時），空氣溫度愈高它所能容納的水蒸氣量也愈多。不同

溫度時的只見《建筑物理》書后附錄。

▲空氣的實際水蒸氣分壓力：在整個大氣壓力中有水蒸氣所造成的那部分壓

力，單位為己（帕）

▲絕對濕度（f）：每立方米濕空氣中所含水蒸氣的量。單位為g/m3

▲相對濕度（p（%）：在一定的溫度和氣壓下空氣中實際水蒸氣分壓力量與飽

和水蒸氣分壓力量之比。（p=p/psx100%

13

▲露點溫度（*W）:在一定的氣壓和溫度下，空氣中所能容納的水蒸氣量有

一飽和值；超過這個儂和值（飽和水蒸氣分壓力），水蒸氣就開始凝結(jié)，變?yōu)橐?/p>

態(tài)水。飽和水蒸氣分壓力隨空氣溫度的增減而加大或減小，當空氣中實際含濕量

不變，即實際水蒸氣分壓力P不變，而空氣溫度降低時，相對濕度將逐漸增高,

當相對濕度達到100%后，如溫度繼續(xù)下降，則空氣中的水蒸氣將凝結(jié)析出。相

對濕度達到100%,即空氣達到飽和狀態(tài)時所時應(yīng)的溫度，成為露點溫度。

2.4室內(nèi)熱環(huán)境及評價方法

?室內(nèi)熱環(huán)境構(gòu)成要素是以人的熱舒服程度為評價標準。一人的熱舒服受以下

環(huán)境影響的因素：

▲室內(nèi)空氣溫度

▲空氣濕度

▲氣流速度（室內(nèi)風速）

▲環(huán)境輻射溫度（室內(nèi)熱輻射）

?下面分別對四要素作解釋：

A）室內(nèi)熱輻射：

?對一般民用建筑來說，室內(nèi)熱輻射主要是指房間周圍墻壁、頂棚、地面、

窗玻璃對人體的熱輻射作用，如果室內(nèi)有火墻、壁爐、輻射采暖板之類的采

暖裝置，還須考慮該部分的熱輻射。

?室內(nèi)熱輻射的強弱通常用“平均輻射溫度”（Tmrt）代表，即室內(nèi)對人體輻射熱

交換有影響的各表面溫度的平均值。

?平均輻射溫度也可以用黑球溫度換算出來。黑球溫度是將溫度計，放在直徑為

150mm黑色空心球中心測出的反映熱輻射影響的溫度。

?平均輻射溫度與黑球溫度間可用貝爾丁公式換算。

?平均輻射溫度對室內(nèi)熱環(huán)境有很大影響。

▲在炎熱地區(qū)，夏季室內(nèi)過熱的原因除了夏季氣溫高外，主要是外圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)

表面的熱輻射，特別是由通過窗口進入的日輻射所造成。而在寒冷地區(qū)，如外

圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的溫度過低，將對人產(chǎn)生“冷輻射”，也嚴重影響室內(nèi)熱環(huán)境。

B）室內(nèi)空氣溫度

14

?室內(nèi)溫度有相應(yīng)的規(guī)定：冬季室內(nèi)氣溫一般應(yīng)在16~22℃,夏季空調(diào)房間的

氣溫多規(guī)定為24~28℃,并以此作為室內(nèi)計算溫度。室內(nèi)實際溫度則有房間內(nèi)得

熱和失熱、圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的溫度及通風等因素構(gòu)成的熱平衡所決定，設(shè)計者的

任務(wù)就在于使實際溫度達到室內(nèi)計算溫度。

C）室內(nèi)空氣濕度

?室內(nèi)空氣濕度直接影響人體的蒸發(fā)散熱。一般認為最適宜的相對濕度應(yīng)為

50~60%。在大多數(shù)情況下，即氣溫在16?25℃時、相對濕度在30~70%范圍內(nèi)

變化，對人體得熱感覺影響不大。如濕度過低（低于30%）,則人會感到干燥、

呼吸器官不適；濕度過高則影響正常排汗，尤其在夏季高溫時，如濕度過高（高

于70%）則汗液不易蒸發(fā)，最令人不舒適。

D）室內(nèi)風速

?室內(nèi)氣流狀態(tài)影響人的對流換熱和蒸發(fā)換熱，也影響室內(nèi)空氣的更新。在一般

情況下，對人體舒適的氣流速度應(yīng)小于0.3m/s；但在夏季利用自然通風的

房間，由于室溫較高，舒適的氣流速度也應(yīng)較大。

?人頭頂上的自然對流速度是0.2m/s,是人體對風速可以覺察的閾值，往往

用來確定室內(nèi)風速的設(shè)計標準。當空氣流速W.5m/s,實驗研究表明，只要把空

氣溫度調(diào)整的合適（提高空氣溫度），就可以使空氣的流動幾乎覺察不到。

2.4.2人的熱舒服要求

?人的熱舒服感主要建立在人和周圍環(huán)境正常的熱交換上，即人由新陳代謝的產(chǎn)

熱率和人向周圍環(huán)境的散熱率之間的平衡關(guān)系。人體得熱和失熱過程用下式表

示：Aq=qi注q注qc

?當Aq=0時，人體處于熱平衡狀態(tài)，Aq=0時并不一定表示人都處于舒服狀態(tài)，

因為各種熱量之間可能有許多不同的組合使△qw，即人們會遇到各種不同的熱

平衡，只有那種能使人體按正常比例散熱的熱平衡，才是舒服的。

?所謂按正常比例散熱是指：對流換熱占總熱量的25%~30%,輻射散熱為

45%~50%,呼吸和無感覺蒸發(fā)散熱占25%~30%。

?當勞動強度或室內(nèi)熱環(huán)境要素發(fā)生變化時，正常的熱平衡可能被破壞。當環(huán)

境過冷時，皮膚毛細血管收縮，血流減少，皮膚溫度下降以減少散熱量；當環(huán)境

過熱時，皮膚血管擴張，血流增多，皮膚溫度升高，以增加散熱量，甚至大量出

汗使蒸發(fā)散熱量qe變大，以爭取新的熱平衡。這時的熱平衡叫“負荷熱平衡”，

在負荷熱平衡下，雖然Aq=0,但人體己不在舒服狀態(tài)。

2.4.3室內(nèi)熱環(huán)境綜合評價方法

15

?室內(nèi)空氣溫度、空氣濕度、氣流速度(室內(nèi)風速)、環(huán)境輻射溫度(室內(nèi)熱輻

射)作為室內(nèi)熱環(huán)境各因素，它們是互不相同的物理量，但對人們的熱感覺

來說，他們相互之間又有著密切的關(guān)系。改變其中的一個因素往往可以補償其

他因素的不足，如室內(nèi)空氣溫度低而平均輻射溫度高，和室內(nèi)空氣溫度高而平均

輻射溫度低的房間就可以有同樣的熱感覺。所以，任何一項單項因素都不足說明

人體對熱環(huán)境的反應(yīng)。

?科學(xué)家們長期以來就一直希望用一個單一的參數(shù)來描述這種反應(yīng)，這個參數(shù)叫

做熱舒適指數(shù),它綜合了同時起作用的全部因素的效果C

?一般熱環(huán)境書中介紹有四種綜合評價方法：

(1)有效溫度(effectivetemperature)ET

▲有效溫度最早由美國采暖通風協(xié)會1923年推出，為室內(nèi)氣溫、空氣濕度、室

內(nèi)風速在一定組合下的綜合指標。在同一有效溫度作用下，雖然溫度、濕度、

風速各項因素的組合不同，但人體會有相同的熱舒服感覺。

(2)預(yù)測平均熱感覺指標(predictedmeanvote)PMV

▲PMV是80年代初得到國際標準化組織(ISO)承認的一種比較全面的熱舒指

標，丹麥房格爾(P.OFanger)綜合了近千人在不同熱環(huán)境下的熱感覺試驗結(jié)

果，并以人體熱平衡方程為基礎(chǔ)，認為人在舒服狀態(tài)下應(yīng)有的皮膚溫度和排汗

散熱率分別與產(chǎn)熱率之間存在相應(yīng)關(guān)系，即在一定的活動狀態(tài)下，只有一種皮膚

溫度和排汗散熱率是使人感到舒適的。他們之間的數(shù)值關(guān)系為：

(3)作用溫度(operativetemperature)

(4)熱應(yīng)力指標(heatstressindex)

第三講：建筑材料的熱工特性和建筑圍護

結(jié)構(gòu)的

傳熱原理及計算

3.1建筑圍護結(jié)構(gòu)的傳熱過程

?房屋圍護結(jié)構(gòu)時刻受到室內(nèi)外的熱作用，不斷有熱量通過圍護結(jié)構(gòu)傳進傳出。

在冬季室內(nèi)溫度高于室外，熱量由空內(nèi)傳向室外；在夏季則正好相反，熱量

由室外傳向室內(nèi)。

16

?熱量的傳遞稱傳熱。在自然界中，只要存在著溫差，就會有傳熱現(xiàn)象，而且熱

能是由溫度較高的部位傳至溫度較低的部位，其方式有輜射、對流和導(dǎo)熱三種。

▲傳導(dǎo)(Conduction),是固體內(nèi)熱轉(zhuǎn)移的主要方式

▲對流(Convection),是流體即液體與氣體內(nèi)熱轉(zhuǎn)移的主要方式

▲輻射(Radiation),是自由空間熱轉(zhuǎn)移的主要方式

_3.1.2圍護結(jié)構(gòu)的傳熱過程和傳熱量

?傳熱有3個基本過程，即：表面感熱、構(gòu)件傳熱、表面散熱，主

要傳熱方式見表：

▲表面吸熱冬季內(nèi)表面從室內(nèi)吸熱，夏季外表面從室外空訶吸

熱；

O恒定的熱作用

▲結(jié)構(gòu)傳熱--熱量由高溫表囪傳向低溫表面；

▲表面放熱■一冬季外表面向室外空間散發(fā)熱量，夏季內(nèi)表面向室內(nèi)散熱。

每一個傳熱過程都是三種基本傳熱方式的綜合過程。

表面吸熱和表面放熱的機理是相同的，稱為“表面換熱”

?表面換熱

▲表面總換熱量是對流換熱量(qc)與輻射換熱量(qr)之和。即：

?結(jié)構(gòu)傳熱

▲在建筑熱工學(xué)中，結(jié)構(gòu)傳熱只對平壁傳熱作敘述，平壁不僅包括平直

的墻壁、屋頂、地板，也包括曲率半徑較大的墻、穹頂?shù)冉Y(jié)構(gòu)。

▲本課程的結(jié)構(gòu)傳熱只討論一個方向的熱流傳遞,即一維傳熱或單向傳熱。

▲依據(jù)室內(nèi)外溫度的特點，結(jié)構(gòu)傳熱分為兩種方式：

①.穩(wěn)定傳熱(恒定的熱作用)：

▲結(jié)構(gòu)兩側(cè)(室內(nèi)和室外)有溫差，且室內(nèi)溫度和室外溫度不隨時間而改變。

▲冬季采暖房屋，外圍護結(jié)構(gòu)的保溫設(shè)計，一般按穩(wěn)定傳熱計算。

②.不穩(wěn)定傳熱(周期熱作用)：

17

▲結(jié)構(gòu)兩側(cè)有溫差，但溫差方向的溫度不是恒定而是隨時間在變化。

▲在建筑上遇到的不穩(wěn)定傳熱多屬周期性不穩(wěn)定傳熱，即熱作用和結(jié)構(gòu)內(nèi)部

溫度呈周期性變化。

▲按熱作用的情況，不穩(wěn)定傳熱分為：1)單向周期熱作用(如空調(diào)房間的隔熱設(shè)

計)；2)雙向周期熱作用(如自然通風房間夏季隔熱設(shè)計)。

3.2導(dǎo)熱系數(shù)及材<?>…L<>>1

料的熱工特性

3.2.1導(dǎo)熱系數(shù)

?導(dǎo)熱系數(shù)是反映材料導(dǎo)熱能力的主要指標。

?導(dǎo)熱系數(shù)(入)的物理意義：在穩(wěn)定傳熱狀態(tài)下當材料厚度

為1m、兩表面的溫度差為1C(1K)時，在一小時內(nèi)通過

材料導(dǎo)熱系數(shù)表達圖示2

1加截面積的導(dǎo)熱量

?各種物質(zhì)(氣體、液體、固體)的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值范圍和性質(zhì)有所不同，

它還與當時的壓力、溫度、密度、含濕量有關(guān)。

▲氣體的導(dǎo)熱系數(shù)最小，如常溫常壓下空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.029VW(m,K),

靜止不動的空氣具有很好的保溫能力。液態(tài)的導(dǎo)熱系數(shù)大于空氣，如水在

常溫常壓下，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.58W/(m?K),為空氣的20倍。金屬的導(dǎo)熱系

數(shù)最大，如建筑鋼材導(dǎo)熱系數(shù)為58.2W/(m-K)o非金屬固體材料，如大部分

建筑材料，導(dǎo)熱系數(shù)一般低于金屬材料，介于0.023?3.49W/(m-K)之間。

3.2.2導(dǎo)熱系數(shù)與溫度、濕度、和密度的關(guān)系

?溫度的影響

▲溫度升高時，分子運動加強，使實體部分的導(dǎo)熱能力提高；同時，空隙中的

對流、導(dǎo)熱和輻射能力也加強，從而材料的導(dǎo)熱系數(shù)增加。

?濕度的影響

▲各種材料與潮濕的空氣接觸后，材料總會吸收一些水分，材料受潮后，由于孔

隙中有了水分，增加了水蒸氣擴散的傳熱量，還增加了毛細孔中液態(tài)水分所傳導(dǎo)

的熱量，導(dǎo)熱系數(shù)將顯著增大。水和冰的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.58W/(m?K)、2.33W/

18

(m-K)都遠大于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)(0.03W/(m-K)),因此水或冰取代孔隙

中的空氣必然使其導(dǎo)熱系數(shù)加大。

?密度的關(guān)系

▲密度即單位體積的材料重量，密度小的材料內(nèi)部孔隙多，由于空氣導(dǎo)熱系

數(shù)很小，故密度小的材料導(dǎo)熱系數(shù)也小，良好的保溫材料多是孔隙多、

密度小的輕質(zhì)材料。但，當密度小到一定程度后，在加大孔隙，大的孔隙中

空氣對流作用增強，對流換熱增加，加大了材料的導(dǎo)熱能力。因此，輕型(如纖

維)材料有一個最低導(dǎo)熱系數(shù)的密度界限。

3.2.3隔熱保溫材料?一絕熱材料

?導(dǎo)熱系數(shù)越小，說明材料越不易導(dǎo)熱。工程上常將導(dǎo)熱系數(shù)入V0.25W/

(m-K)的材料稱為隔熱保溫材料或絕熱材料。如礦棉、泡沫塑料等。

?絕熱材料可以歸納為三類：

①.輕型成型材絕熱

▲輕型成型絕熱材料分為無機材料和有機材料，其的導(dǎo)熱系數(shù)及應(yīng)用見下表(表

3-1)

②.空氣層絕熱(airspaceinsulation)

?在沒有對流的條件下，厚邊界空氣膜具有高熱阻性能。常見的形式：

▲輕型墻面空氣間層；

▲窗簾與墻面空氣間層；

▲雙層、三層、四層玻璃間空氣間層。

③.反射絕熱材料(reflectiveinsulation)

?利用磨光金屬表面的高反射性與低發(fā)射性減少熱傳遞」

▲鋁箔做成單層卷材用作屋頂襯墊和墻布。

▲用格網(wǎng)將多層鋁箔隔開做成多層鋁箔絕熱層，安裝后可得到附加的空氣間層。

3.2.4封閉空氣間層的熱阻

19

?靜止的空氣介質(zhì)導(dǎo)熱性很小，在建

筑設(shè)計中常用封閉間層作為圍護

結(jié)構(gòu)的保溫層?？諝忾g層的傳熱：

是有限空氣層的兩個表面之間的熱

轉(zhuǎn)移過程，包括對流換熱和輻射換

熱。

?空氣間層的熱阻主要取決于間層兩

個表面間的輻射和對流換熱的能力：

即取決于表面材料的輻射系數(shù)、閭層

傳熱過程形狀、厚度、設(shè)置方向（水平或垂直）

及間層所處的環(huán)境溫度。

?垂直封閉空氣間層輻射與對流傳熱量的比較如圖:

垂直間層內(nèi)不同傳熱

▲?，，線?，線：間層空氣的輻射換熱量。

方式的傳熱量的比較3,

▲“1”線：間層空氣靜止態(tài)純導(dǎo)熱量。

▲“2”線：間層空氣對流換熱量。

▲“3”線：間層空氣的總的傳熱量。輻射換熱量占總換熱量的70%。

?減少空氣間層傳熱，提高間層熱阻方法：

▲將空氣間層布置在維護結(jié)構(gòu)的冷側(cè)，降低間層的平均溫度，減少輻射換熱量。

▲在間層壁面上涂貼輻射系數(shù)小的反射材料，目前建筑中采用的主要是鋁箔。

3.3穩(wěn)定傳熱

3.3.1一維穩(wěn)定傳熱的特征

?在單位時間、單位面積上通過平壁的熱量即熱流強度q處處相等。就平壁內(nèi)

任一截面而言，流進流出的熱量相等。

?同一材質(zhì)的平壁內(nèi)部各界面溫度分布呈直線關(guān)系。

=/izll

▲一維穩(wěn)定傳熱的計算公式：*

式中:低溫表面溫度;

20

4.......高溫表面溫度

4...熱流密度，w/m2即

單位面積上的熱流量或熱

流強度。

多層平壁導(dǎo)熱&——單?實體材料的厚

度。

?單層勻質(zhì)平壁的導(dǎo)熱:

▲熱阻定義：穩(wěn)定傳熱計算公式中，d/人定義為熱阻，用R表示。是熱量由平壁

內(nèi)表面?zhèn)髦镣獗砻孢^程中的阻力，表示平壁抵抗熱流通過的能力。熱阻越大，通

過材料的熱量越小，圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能越好。

園］，(m2?K/W)

d

▲單層勻質(zhì)平壁的穩(wěn)定導(dǎo)熱方程:I

R=一

其中熱組：4

?多層平壁的導(dǎo)熱

多層平壁由幾層不同材料組成的平壁，見右圖。如雙面抹灰的磚砌墻體。

▲多層平壁導(dǎo)熱計算公式：

▲多層半壁的總熱阻等于各層熱組的總和

?多種材料組合成的平壁導(dǎo)熱

在實際應(yīng)用中圍護結(jié)構(gòu)有時是兩種或兩種以上的材料組合而成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，如空

心樓板、帶肋的填充墻等。如圖

▲求組合壁的導(dǎo)熱量c,關(guān)鍵是求組合壁的平均熱阻，其R的計算公式如下：

21

一（瑪+&）5

式中:

3.3.3平壁的穩(wěn)定傳熱過程

?內(nèi)表而吸熱%：%=-4）

+血+血

電=（月-a"v

?平壁材料層的導(dǎo)熱心：&0

?外表面的散熱表：％-照-“

?一維穩(wěn)定傳熱過程應(yīng)該有：心二心=心。通過平壁的傳熱量q為:

在單位時間內(nèi)通過平壁單位面積的傳熱量，單位是印?太）。

1—t.

q=-----

假如把該式寫成熱阻形式，則有：耳

1汨.=.+21+t［、尾=尼+系+凡

比較兩式，可得％44或魂

其中內(nèi)外表面的換熱組、內(nèi)外表面的換熱系數(shù)分別見表：

內(nèi)表面換熱系數(shù)％和換熱阻舄（表3-2）

表面特性

墻面、地面、表面平整或有肋狀突出物的頂棚

22

s<0.3)

有肋狀突出物的頂棚g/s>03）7.60.13

外表面換熱系數(shù)%及外表面換熱阻兄值（表3-3）

適用季節(jié)表面特征

外墻、屋頂、與室外空氣直接接觸的表面23.00.04

與室外空氣相通的不采暖地下室上面的

17.00.06

樓板

冬季

悶頂、外墻上有窗的不采暖地下室上面的

12.00.08

樓板

外墻上無窗的不采暖地下室上面的樓板6.00.17

夏季外墻和屋頂19.00.05

?平壁內(nèi)部溫度的計算包括三方面：

▲求壁體內(nèi)表面溫度。

▲計算多層平壁內(nèi)任一層的內(nèi)表面溫度。

▲求壁體外表面溫度。

?計算公式如下式：

壁體內(nèi)表面溫度4：

對于多層平壁內(nèi)任一層的內(nèi)表面溫度％,可寫成

根據(jù)？=%=以得出外表面的溫度用

2=4-三(D

(…)

或及

3.4周期性不穩(wěn)定傳熱

23

?在建筑實踐中真正的穩(wěn)定傳熱是不存在的，I制護結(jié)構(gòu)所受到的環(huán)境熱作