【正文】 2012年一級注冊建筑師學(xué)習(xí)筆記建筑物理與建筑設(shè)備第十四章 建筑熱工與節(jié)能第一節(jié)傳熱的基本知識一、傳熱的基本概念㈠溫度溫度是表征物體冷熱程度的物理量，溫度使用的單位為K或℃。 ㈡溫度場某一瞬間，物體內(nèi)所有各點的溫度分布稱為溫度場。溫度場可分為：穩(wěn)定溫度場、不穩(wěn)定溫度場。㈢等溫面溫度場中同一時刻由溫度相同的各點相連所形成的面。使用等溫面可以形象地表示溫度場內(nèi)的溫度分布。不同溫度的等溫面絕對不會相交。 ㈣溫度梯度溫度差位Δt與沿法線方向兩個等溫面之間距離 Δn的比值的極限叫做溫度梯度。㈤熱流密度(熱流強度)熱流密度是在單位時間內(nèi)，通過等溫面上單位面積的熱量，單位為W/m2。若單位時間通過等溫面上微元面積dF的熱量為dQ，則熱流密度定義式為：q=dQ/dF二、傳熱的基本方式：導(dǎo)熱、對流、輻射㈠導(dǎo)熱(熱傳導(dǎo))均質(zhì)材料物體內(nèi)各點的熱流密度與溫度梯度成正比。熱量傳遞的方向(由高溫向低溫)和溫度梯度的方向(由低溫向高溫)相反。導(dǎo)熱系數(shù)是表征材料導(dǎo)熱能力大小的物理量，單位為W/(mK)。它的物理意義是，當(dāng)材料層厚度為lm，材料層兩表面的溫差為1K時，在單位時間內(nèi)通過lm2截面積的導(dǎo)熱量。各種材料導(dǎo)熱系數(shù)的大致范圍是：建筑材料和絕熱材料～3液體～氣體～金屬～420㈡對流由于引起流體流動的動力不同，對流的類型可分為：：由溫度差形成的對流。：由外力作用形成的對流。受迫對流在傳遞熱量的強度方面要大于自由對流。㈢輻射凡是溫度高于絕對零度(0K)的物體都發(fā)射輻射能。、吸收和透射(見圖l4—2)。⑴反射系數(shù)rh:被反射的輻射能Ir與入射輻射能I0的比值。⑵吸收系數(shù)ρh：被吸收的輻射能Iα與入射輻射能I0的比值。⑶透射系數(shù)τh：被透射的輻射能Iτ與入射輻射能I0的比值。rh+ρh+τh＝黑體和完全透熱體⑴白體(絕對白體)：能將外來輻射全部反射的物體，rh＝1。⑵黑體(絕對黑體)：能將外來輻射全部吸收的物體ρh＝1。⑶完全透熱體：能將外來輻射全部透過的物體，τh＝1。 ⑴全輻射力E(輻射本領(lǐng)，全輻射本領(lǐng))：在單位時間內(nèi)、從單位表面積上以波長0～∞的全波段向半球空間輻射的總能量，單位：W/m2。⑵單色輻射力Eλ(單色輻射本領(lǐng))：在單位時間內(nèi)、從單位表面積向半球空間輻射出的某一波長的能量，單位：W/m2μm。⑶灰體：物體在每一波長下的單色輻射力與同溫度、同波長下黑體的單色輻射力的比值為一常數(shù)。一般建筑材料均可看作為灰體。⑷非灰體(選擇性輻射體)：物體的單色輻射力與黑體、灰體截然不同，有的只能發(fā)射某些波長的輻射能量。⑸黑度ε(輻射率)：灰體的輻射本領(lǐng)Eλ與同溫度下黑體的輻射本領(lǐng)Eλ，b的比值。 (斯蒂芬一波爾茲曼定律)、反射率、透射率的因素材料吸收率、反射率、透射率與外來輻射的波長、材料的顏色、材性、材料的光滑和平整程度有關(guān)。材料表面對外來輻射的反射、吸收和透射能力與外來輻射的波長有密切的關(guān)系。根據(jù)克希荷夫定律，在給定表面溫度下，表面的輻射率(黑度)與該表面對來自同溫度的投射輻射的吸收系數(shù)在數(shù)值上相等。物體對不同波長的外來輻射的反射能力不同，對短波輻射，顏色起主導(dǎo)作用；對長波輻射，材性(導(dǎo)體還是非導(dǎo)體)起主導(dǎo)作用。例如，在陽光下，黑色物體與白色物體的反射能力相差很大，白色反射能力強；而在室內(nèi)，黑、白物體表面的反射能力相差極小。常溫下，一般材料對輻射的吸收系數(shù)可取其黑度值，而對來自太陽的輻射，材料的吸收系數(shù)并不等于物體表面的黑度。玻璃作為建筑常用的材料屬于選擇性輻射體，其透射率與外來輻射的波長有密切的關(guān)系。易于透過短波而不易透過長波的玻璃建筑具有溫室效應(yīng)。兩表面間的輻射換熱量主要與表面的溫度、表面發(fā)射和吸收輻射的能力、表面的幾何尺寸與相對位置有關(guān)。輻射換熱系數(shù)αr取決于表面的溫度、表面發(fā)射和吸收輻射的能力、表面的幾何尺寸與相對位置。三、圍護結(jié)構(gòu)的傳熱過程 ㈠圍護結(jié)構(gòu)的傳熱過程通過圍護結(jié)構(gòu)的傳熱要經(jīng)過三個過程(見圖14—3)：⑴表面吸熱：內(nèi)表面從室內(nèi)吸熱(冬季)或外表面從室外空間吸熱(夏季)。⑵結(jié)構(gòu)本身傳熱：熱量由結(jié)構(gòu)的高溫表面?zhèn)飨虻蜏乇砻?。⑶表面放熱：外表面向室外空間放熱(冬季)或內(nèi)表面向室內(nèi)空間放熱(夏季)。㈡表面換熱熱量在圍護結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面和室內(nèi)空間或在外表面和室外空間進行傳遞的現(xiàn)象稱為表面換熱。表面換熱由對流換熱、輻射換熱兩部分組成。對流換熱是指流體與固體壁面在有溫差時產(chǎn)生的熱傳遞現(xiàn)象。它是對流和導(dǎo)熱綜合作用的結(jié)果。如墻體表面與空氣間的熱交換。在建筑熱工中，對流換熱系數(shù)主要與氣流的狀況、結(jié)構(gòu)所處的部位、壁面狀況、熱流方向有關(guān)。 ⑴表面換熱系數(shù)α內(nèi)表面的換熱系數(shù)使用αi表示，w/(m2K)；外表面的熱轉(zhuǎn)移系數(shù)使用αe表示，w/(m2K)。⑵表面換熱阻R＝1/α內(nèi)表面的換熱阻使用Ri表示，(m2K)/W；外表面的換熱阻使用Re表示，(m2K)/W。 四、濕空氣㈠濕空氣、未飽和濕空氣與飽和濕空氣濕空氣是干空氣和水蒸氣的混合物。在溫度和壓力一定的條件下，一定容積的干空氣所能容納的水蒸氣量是有限度的，濕空氣中水蒸氣含量未達到這一限度時叫未飽和濕空氣，達到限度時叫飽和濕空氣。㈡空氣濕度空氣濕度是表示空氣干濕程度的物理量。在表示空氣的濕度時，可使用以下方式。絕對濕度是每立方米空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量，單位為g/m3。未飽和濕空氣的絕對濕度用符號f表示，飽和濕空氣的絕對濕度用fmax眥表示。濕空氣中含有的水蒸氣所呈現(xiàn)的壓力稱為水蒸氣分壓力，單位為Pa。未飽和濕空氣的水蒸氣分壓力用符號P表示，飽和蒸汽壓用Ps表示。溫度越高，飽和蒸汽壓值越大。一定溫度、一定大氣壓力下，濕空氣的絕對濕度f與同溫、同壓下的飽和空氣絕對濕度fmax的百分比稱為濕空氣的相對濕度。相對濕度的計算公式：　　?、缏饵c溫度在不改變水蒸氣含量的前提下，未飽和濕空氣冷卻至飽和狀態(tài)時所對應(yīng)的溫度叫露點溫度。露點溫度用td表示。露點溫度可用來判斷圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面是否結(jié)露。當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的溫度低于露點溫度時，內(nèi)表面將產(chǎn)生結(jié)露。㈣濕球溫度濕球溫度是指在于濕球溫度計中由水銀球用潮濕紗布包裹的濕球溫度計所測量的溫度。它與干球溫度配合可以測量空氣的相對濕度。第二節(jié)　熱環(huán)境一、室外熱環(huán)境(室外氣候)室外熱環(huán)境由太陽輻射、大氣溫度、空氣濕度、風(fēng)、降水等因素綜合組成的一種熱環(huán)境。㈠太陽輻射，是決定室外熱環(huán)境的主要因素。到達地球表面的太陽輻射分為兩個部分，一部分是太陽直接射達地面的部分，稱為直射輻射；另一部分是經(jīng)過大氣層散射后到達地面的部分，稱為散射輻射。在太陽與地球的平均距離處，垂直于人射光線的大氣界面單位面積上的輻射熱流密度。天文太陽常數(shù)(理論計算值)：I0＝；氣象太陽常數(shù)(實測分析值)：I0＝1256W/m2。大氣中射程的長短，太陽高度角，海拔高度，大氣質(zhì)量。太陽輻射能量主要分布在紫外線、可見光和紅外線區(qū)域，％是短波輻射，所以太陽輻射屬于短波輻射。㈡室外氣溫：。⑴年變化規(guī)律：由地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)引起，形成一年四季氣溫變化，北半球最高氣溫出現(xiàn)在7月(大陸)或8月(沿海、島嶼)，最低氣溫出現(xiàn)在1月或2月。⑵日變化規(guī)律：由地球自轉(zhuǎn)引起。日最低氣溫出現(xiàn)在6:00～7:00左右。日最高氣溫出現(xiàn)在14:00左右。㈢空氣濕度：空氣中水蒸氣的含量?？捎媒^對濕度或相對濕度表示，通常使用相對濕度表示空氣的濕度。一般來說，某一地區(qū)在一定時間內(nèi)，空氣的絕對濕度變化不大，但由于空氣溫度的變化，使得空氣中飽和水蒸氣壓隨之變化，從而導(dǎo)致相對濕度變化強烈。⑴年變化規(guī)律：最熱月相對濕度最小，最冷月相對濕度最大，季風(fēng)區(qū)例外。⑵日變化規(guī)律：晴天時，日相對濕度最大值出現(xiàn)在4:00～5:00，日相對濕度最小值出現(xiàn)在13:00～15:00。㈣風(fēng)：指由大氣壓力差所引起的大氣水平方向的運動。⑴大氣環(huán)流：由于太陽輻射熱在地球上照射不均勻，使得赤道和兩極之間出現(xiàn)溫差，從而引起大氣在赤道和兩極之間產(chǎn)生活動，即為大氣環(huán)流。⑵地方風(fēng)：局部地區(qū)受熱不均引起的小范圍內(nèi)的大氣流動。如海陸風(fēng)、山谷風(fēng)、林原風(fēng)等。⑴風(fēng)向：風(fēng)吹來的地平方向為風(fēng)向。可使用四方位東(E)、南(S)、西(W)、北(N)表示，細分則使用八方位，即在上述四方位中增加?xùn)|南(SE)、東北(NE)、西南(SW)、西北(NW)，甚至使用十六方位表示。風(fēng)向頻率圖(風(fēng)向玫瑰圖)是一定時間內(nèi)在各方位刮風(fēng)頻率的統(tǒng)計圖，可由此了解當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)向，尤其是不同季節(jié)的主導(dǎo)風(fēng)向。⑵風(fēng)速：單位時間內(nèi)風(fēng)前進的距離，單位為m/s。氣象學(xué)上根據(jù)風(fēng)速將風(fēng)分為十二級。㈤降水：從大地蒸發(fā)出來的水蒸氣進入大氣層，經(jīng)過凝結(jié)后又降到地面上的液態(tài)或固態(tài)的水分。如雨、雪、雹都屬降水現(xiàn)象。⑴降水量：降落到地面的雨以及雪、雹等融化后，未經(jīng)蒸發(fā)或滲透流失而累積在水平面上的水層厚度。單位：mm。⑵降水強度：單位時間(24h)內(nèi)的降水量，單位：mm/d。 根據(jù)降水強度，可將降水劃分如下：小雨＜10mm 中雨 10～25mm 大雨25～50mm 暴雨50～100mm 二、中國建筑熱工設(shè)計分區(qū)中國建筑熱工設(shè)計分區(qū) 　　　　　　　　　　　表141氣候分區(qū)主要指標(biāo)輔助指標(biāo)熱工設(shè)計要求最冷月平均溫度(℃)最熱月平均溫度(℃)日平均氣溫≤5℃的天數(shù)日平均氣溫≥25℃的天數(shù)嚴寒地區(qū)≤lO≥145必須充分滿足冬季保溫要求，一般可不考慮夏季防熱寒冷地區(qū)0～lO90～145應(yīng)滿足冬季保溫要求，部分地區(qū)兼顧夏季防熱夏熱冬冷地區(qū)0～1025～300～9040～110必須充分滿足夏季防熱要求，適當(dāng)兼顧冬季保溫夏熱冬暖地區(qū)＞1025～29100～200必須滿足夏季防熱要求，一般可不考慮冬季保溫溫和地區(qū)0～1318～250～90部分地區(qū)應(yīng)注意冬季保溫，一般可不考慮夏季防熱三、室內(nèi)熱環(huán)境(室內(nèi)氣候)室內(nèi)熱環(huán)境是指由室內(nèi)空氣溫度、空氣濕度、室內(nèi)風(fēng)速、平均輻射溫度(室內(nèi)各壁面溫度的當(dāng)量溫度)等因素綜合組成的一種熱物理環(huán)境。㈠決定室內(nèi)熱環(huán)境的物理客觀因素室內(nèi)熱環(huán)境的好壞通常受到室外熱環(huán)境、室內(nèi)熱環(huán)境設(shè)備(如空調(diào)器、加熱器等)、室內(nèi)其他設(shè)備(如燈具、家用電器)的影響。㈡對室內(nèi)熱環(huán)境的要求室內(nèi)熱環(huán)境是要保證人的正常生活和工作，以維護人體的健康。室內(nèi)熱環(huán)境對人體的影響主要表現(xiàn)在人的冷熱感。人體的冷熱感取決于人體新陳代謝產(chǎn)生的熱量和人體向周圍環(huán)境散熱量之間的平衡關(guān)系。當(dāng)△q＝0，體溫恒定不變；△q＞0，體溫上升；△q＜0，體溫下降。熱舒適是指人對環(huán)境的冷熱程度感覺滿意，不因冷或熱感到不舒適。滿足熱舒適的條件是：⑴必要條件：△q＝0；⑵充分條件：皮膚溫度處于舒適的溫度范圍內(nèi)，汗液蒸發(fā)率處于舒適的蒸發(fā)范圍內(nèi)。室內(nèi)熱環(huán)境可分為舒適、可以忍受和不能忍受三種情況，只有采用充分空調(diào)設(shè)備的房間才能實現(xiàn)舒適的要求。㈢室內(nèi)熱環(huán)境的評價方法使用室內(nèi)空氣溫度作為熱環(huán)境評價指標(biāo)。對冬季采暖的室內(nèi)設(shè)計溫度，規(guī)范規(guī)定居住建筑為18℃，托幼建筑為20℃。有效溫度ET(Effective Temperature)是依據(jù)半裸的人與穿夏季薄衫的人在一定條件的環(huán)境中所反應(yīng)的瞬時熱感覺作為決定各項因素綜合作用的評價標(biāo)準，是室內(nèi)氣溫、相對濕度和空氣速度在一定組合下的綜合指標(biāo)。缺陷是沒有考慮熱輻射變化的影響，在評價環(huán)境時有時難免出現(xiàn)一定的偏差。PMV(Predicted Mean Vote)指標(biāo)是全面反映室內(nèi)各氣候要素（室內(nèi)空氣溫度、濕度、速度、壁面平均輻射溫度、人體活動強度、衣服熱阻）對人體熱感覺影響的綜合評價方法。PMV指標(biāo)系統(tǒng)，將人體的熱感覺劃分為7個等級如下：+3+2+10123熱暖稍暖舒適稍涼 涼冷第三節(jié)　建筑圍護結(jié)構(gòu)的傳熱原理及計算一、穩(wěn)定傳熱在穩(wěn)定溫度場中所進行的傳熱過程稱為穩(wěn)定傳熱。㈠一維穩(wěn)定傳熱的特點；。㈡通過平壁的穩(wěn)定導(dǎo)熱㈢通過平壁的穩(wěn)定傳熱 ⑴傳熱阻R0傳熱阻是熱量從平壁一側(cè)空間傳至另一側(cè)空間時所受到的總阻力，在穩(wěn)定傳熱條件下的一個重要的熱工性能指標(biāo)，單位：(m2K)/W。⑵傳熱系數(shù)K0傳熱系數(shù)為當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)兩側(cè)溫差為1K(1℃)時，在單位時間內(nèi)、通過單位面積的傳熱量。用傳熱系數(shù)也能說明圍護結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定傳熱條件下的熱工性能，單位：W/(m2K)。K0＝1/R0㈣封閉空氣間層的熱阻封閉空氣間層的傳熱過程與固體材料層內(nèi)的不同，它實際上是在一個有限空間內(nèi)的兩個表面之間的熱轉(zhuǎn)移過程，包括對流換熱、輻射換熱，而非純導(dǎo)熱過程，所以封閉空氣間層的熱阻與間層厚度之間不存在成比例的增長關(guān)系。①間層表面溫度、②間層厚度、③間層放置位置(水平、垂直或傾斜)、④熱流方向、⑤間層表面材料的輻射系數(shù)。㈤平壁內(nèi)的溫度分布在穩(wěn)定導(dǎo)熱中，溫度隨距離的變化為一次函數(shù)，所以同一材料層內(nèi)的溫度分布為直線，直線的斜率與材料層的導(dǎo)熱系數(shù)成反比。在由多層材料構(gòu)成的平壁內(nèi)，溫度的分布是由多條直線組成的一條折線。 二、周期性不穩(wěn)定傳熱㈠周期性不穩(wěn)定傳熱當(dāng)外界熱作用(氣溫和太陽輻射)隨時間呈現(xiàn)周期性變化時，圍護結(jié)構(gòu)進行的傳熱過程為周期性不穩(wěn)定傳熱。㈡簡諧熱作用(見圖l4—8)簡諧熱作用指當(dāng)溫度隨時問的正弦(或余弦)函數(shù)作規(guī)則變化時圍護結(jié)構(gòu)所受到的熱作用。一般用余弦函數(shù)表示。㈢相對溫度：相對于某一基準溫度的溫度，單位為K或℃。㈣平壁在簡諧熱作用下的傳熱特征平壁在簡諧熱作用下的三個基本傳熱特征：、平壁表面溫度和內(nèi)部任一截面處的溫度都是同一