建筑物理总结11

传热系数
空调工程上的K值计算
对于空调工程上常采用的换热器而言，如果不考虑其他附加热阻，传热系数K值可以按照如下计算：
K=1/(1/Aw+δ/λ+1/An)W/(㎡·°C)
其中，An，Aw——内、外表面热交换系数，W/(㎡·°C)
δ——管壁厚度，m
λ——管壁导热系数，W/(m·°C)
传热系数以往称总传热系数。

国家现行标准规范统一定名为传热系数。

传热系数K值，是指在稳定传热条件下，围护结构两侧空气温差为1度（K，℃），1小时内通过1平方米面积传递的热量，单位是瓦/平方米·度（W/㎡·K，此处K可用℃代替）。

计算公式
1、围护结构热阻的计算
单层结构热阻
R=δ/λ (m2.K/w)
式中：δ—材料层厚度（m）
λ—材料导热系数[W/(m.k)]
多层结构热阻
R=R1+R2+----Rn=δ1/λ1+δ2/λ2+----+δn/λn
式中: R1、R2、---Rn—各层材料热阻（m2.k/w）
δ1、δ2、---δn—各层材料厚度（m）
λ1、λ2、---λn—各层材料导热系数[W/(m.k)]
2、围护结构的传热阻
R0=Ri+R+Re
式中: Ri —内表面换热阻（m2.k/w）（一般取0.11）
Re—外表面换热阻（m2.k/w）（一般取0.04）
R —围护结构热阻（m2.k/w）
3、围护结构传热系数计算
K=1/ R0 (w/(m2.k))
式中: R0—围护结构传热阻
外墙受周边热桥影响条件下，其平均传热系数的计算
Km=(KpFp+Kb1Fb1+Kb2Fb2+ Kb3Fb3 )/( Fp + Fb1+Fb2+Fb3)
式中:
Km—外墙的平均传热系数[W/（m2.k）]
Kp—外墙主体部位传热系数[W/（m2.k）]
Kb1、Kb2、Kb3—外墙周边热桥部位的传热系数[W/（m2.k）]
Fp—外墙主体部位的面积
Fb1、Fb2、Fb3—外墙周边热桥部位的面积
导热系数
定义
导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度（K,°C）,在1秒内，通过1平方米面积传递的热量，用λ表示，单位为瓦/米·度（W/m·K,此处的K可用℃代替）。

特点
导热系数与材料的组成结构、密度、含水率、温度等因素有关。

非晶体结构、密度较低的材料，导热系数较小。

材料的含水率、温度较低时，导热系数较小。

通常把导热系数较低的材料称为保温材料(我国国家标准规定，凡平均温度不高于350℃时导热系数不大于0.12W/(m·K)的材料称为保温材料），而把导热系数在0.05瓦/米摄氏度以下的材料称为高效保温材料。

传热系数与导热系数的定义以及区别
核心提示：
传热系数以往称总传热系数。

国家现行标准规范统一定名为传热系数。

传热系数K值，是指在稳定传热条件下，围护结构两侧空气温差为¹度（K，℃），¹小时内通过¹平方米面积传递的热量，单位是瓦/平方米·度（W/㎡·K，此处K可用℃代替）。

导热系数是指在稳定传热条件下，¹m厚的材料，两侧表面的温差为¹度（K,℃），在¹小时内，通过¹平方米面积传递的热量，单位为瓦/米•度（W/m•K，此处为K可用℃代替）。

导热系数与材料的组成结构、密度、含水率、温度等因素有关。

非晶体结构、密度较低的材料，导热系数较小。

材料的含水率、温度较低时，导热系数较小。

通常把导热系数较低的材料称为保温材料，而把导热系数在0.05瓦/米•度以下的材料称为高效保温材料。

建筑保温
什么是建筑保温
动物和植物在我们这个星球上是最能适应寒冷地带的环境条件的。

它们有一个不透水的外表层（树是树皮，企鹅是它那象浸过油似的羽毛）。

在外表层下面有一层很轻的保温层（树是象软木塞子一样的内皮，冰熊是它的毛发，企鹅是它的羽毛）。

生物的外表层是一个能为自身提供保温的复杂的复合体系。

生物的身体热量来自于食物。

外保温层的任务是把身体的内部温度始终保持在最佳状态，而尽量减少能量损失，即散热。

人类身不由已地被大自然置于并不适合于生存的地球的寒冷地带，但是可以运用聪明的才智来弥补自然条件的不足。

穿一件“呼吸自如”（透气）的防风外衣作为不透水的外表层以及穿一件保温的鸭绒夹克。

建筑物的保温
人类最初的住宅是一些原始的洞穴，只是用岩石、泥块来做一些必要的保温，后来人类开始使用木头、砖和混凝土来建造房屋。

外保温体系是人类改善居住条件的又一个伟大进步。

节能与环保
长期以来，人们认为象燃木、煤、天然气和石油这些天然能源是取之不尽的。

直至1973年第一次能源危机以前，人们对建筑物需要“保温外套”这一概念还是相当模糊的。

外墙外保温体系的发展自60年代开始，那时“保温”、“节能”、“环保对人们还是个陌生的词汇。

随着能源的不断开采和利用，新的经济源泉尚未发现，能源必将越来越贵。

这时人们认识到：节能是秘须的。

当人们考虑到取暖成本占了居室整个能源成本的80%左右时，理所当然的想要节省它。

同时，取暖所造成的废气CO2在空气中不断增多，所造成的“温室效应“会使气候发生变化甚至恶化。

在德国约有30%的能源被用来取暖，如果给建筑物穿上”保温外套“，能源奖被大量节省——尤其对于老房改造。

国家政策：节能
我国法律对新建筑规定了保温节能措施。

1986年我国实施第一个建筑节能标准：《民用建筑节能设计标准》（JGJ26-85）。

1996年7月1日起，我国又实施在原有基础上再节能50%的新的《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》（JGJ26-95），对采暖居住建筑的能耗、建筑热工设计等作出了新的规定。

我国第一个节能法规《中华人民共和国节约能源法》也于1998年1月1日颁布实施，节能成为我国的基本国策。

我国建筑能耗的现状
据国家有关资料显示，我国化石能源资源中90％以上是煤炭，人均储量为世界平均水平的1/2，人均石油储量为世界平均水平的11％，天然气仅为4.5％；煤炭消耗量占世界总量的40％，石油消费仅次法国，位居世界第二，中国对海外能源的依赖程度达50％以上。

在土地资源方面，我国人均耕地只有世界人均耕地的1/3，水资源仅是世界人均占有量的1/4；而建筑用实心粘土砖每年要毁田12万亩。

目前，能源的紧张形势在我国已十分严峻，可能会威胁国家的稳定和安全。

在资源如此紧张的形势下，住宅建筑能耗却占了全国能耗的32％。

我国既有的近400亿平方米的建筑基本上是高耗能建筑，单位面积采暖能耗相当于气候条件相近发达国家的2-3倍。

目前我国每年新建建筑近20亿平方米，超过所有发达国家建设量的总和，但95％以上仍是高能耗建筑。

预测在未来的15年即到2020年，我国还将建成约200亿平方米建筑。

如果再不采取节能措施、不推行建筑节能材料，2020年建筑能耗将达到11亿吨标准煤，相当于目前建筑所消耗能源的三倍。

据专家测算，如果国家从现在起就下决心狠抓建筑节能工作，对新建建筑全面强制实施建筑节能设计和应用，并对已有建筑有步骤地推行节能性改造，到2020年，我国建筑能耗可减少3.35亿吨标准煤，空调高峰负荷可减少约8000万千瓦时（相当于4.5个三峡电站的满负荷出力，减少电力建设投资约6000亿元），能源紧张状况和污染压力必将大为缓解。

但如果继续放任自流，错过当前这段大好机遇，不采取坚决有效的措施，则将长期大大加重国家能源负担，对我国经济社会的可持续发展产生严重制约，对能源安全和大气环境造成重大威胁。

严峻的现实表明，国家要持续发展，必须加大建筑节能的工作研究，以有效的措施，制定相应的法规，推而广之。

建筑保温材料的发展和种类
建筑保温材料的发展和种类最近，有关专家重新定义了绿色材料———在原料采取、产品制造、使用或者再循环及废料处理等环节中对地球环境负荷为最小和有利于人类健康材料，亦称之为“环境协调材料”。

在建筑和工业中采用良好的保温技术与材料，往往能起到事半功倍的效果。

矿物棉及制品矿物棉是一种优质的保温材料，国际上矿物棉制品的产量处于比较平稳的阶段，主要原因是其它保温材料如玻璃棉、泡沫塑料发展加快，加之发达国家发展速度放慢，近年来世界矿物棉制品年产量约800万吨左右，矿物棉在建筑中应用最为广泛硅酸铝纤维硅酸铝纤维也叫耐火纤维，主要用作窑炉保温材料，1971年我国研制成功，目前生产企业200家左右，总生产能力超过4万吨／年，年产量近2万吨。

品种较多，国内主要有普通硅酸铝纤维、高纯硅酸铝纤维、高铝纤维和含铝纤维及少量制品，均为中、低档产品；多晶莫来石纤维、多晶氧化铝纤维和多晶氧化锆纤维等高档产品。

泡沫塑料是以合成树脂为基础制成的，内部具有无数小孔的塑料制品，它具有导热系数低，加工成型等优点，在建筑上刚开始使用。

主要用于包装行业（如冰箱）、地下直埋管道保温、冷库保冷。

主要产品为聚苯乙烯泡沫塑料和聚氨酯泡沫塑料，但建筑领域应用存在问题。

近年来用于钢
本课程的目的是探讨外部热环境的特性,室内热环境的形成原因与特性,以及人对环境的要求,是一门反映人-建筑-自然环境三者之间关系的科学.通过学习这门科学,我们要完成这样的任务:了解人和生产过程需要什么样的室内,外热环境;了解室内,外热环境形成特征和影响因素;掌握改变或控制这些室内,外热环境的基本原理与方法.通过本课程学习使学生了解围护结构传热基础知识,以及如何合理地解决房屋的保温,防热,防潮及节能设计等问题,理解并掌握建筑热工,建筑节能及室内热环境设计所必需的技术基础知识.
第三部分建筑热环境设计
本讲主要内容
建筑保温设计:
建筑保温综合处理原则,外墙和屋顶的保温设计,外窗,外门和地面保温设计,特殊部位保温设计,被动式太阳能利用设计初步
建筑隔热设计:
建筑防热综合途径,建筑防热控制指标,屋顶和外墙的隔热设计,自然通风,窗口遮阳建筑隔热设计,建筑日照设计,日照基本原理,棒影图的应用.
回顾第一部分基础知识
第一章绪论
建筑热环境分类
建筑热工学的任务
建筑热工学基本内容
第二章建筑热工学基础知识
建筑中的几中传热现象
建筑围护结构传热基本方式
湿空气的物理性质
室内热环境及其评价
室外热环境因素
回顾第二部分建筑传热,传湿原理
第三章建筑围护结构的传热原理及计算
稳定传热
一维稳定传热特征
平壁内的导热过程
平壁的稳定传热过程
封闭空气间层的热阻
平壁内部温度的计算
周期性不稳定传热
谐波热作用
谐波热作用下的传热特征
谐波热作用下材料和围护结构的热特性指标谐波热作用下平壁的传热计算
温度波在平壁内的衰减和延迟计算
回顾第二部分建筑传热,传湿原理
第五章外围护结构的湿状况
材料的吸湿
外围护结构中的水分转移围护结构的蒸汽渗透
内部冷凝的检验
防止和控制冷凝的措施
防止和控制表面冷凝
防止和控制内部冷凝
建筑热环境在建筑学教学计划中的定位分析
参考资料
建筑保温设计
建筑保温设计综合处理的基本原则
外墙和屋顶的保温设计
外窗,外门和地面的保温设计
特殊部位保温设计
被动式利用太阳能设计初步
保温设计综合处理的基本原则
充分利用可再生能源
防止冷风的不利影响
选择合理的建筑体形与平面形式
使房间具有良好的热特性与合理的供热系统
外墙和屋顶的保温设计
外墙和屋顶是建筑外围护结构的主体部分,对其保温能力的要求,取决于房间的使用性质及技术经济条件.一般从下面几个方面来考虑:
保证内表面不结露,即内表面温度不得低于室内空气的露点温度;
对于大量的民用建筑,不仅要保证内表面不结露,还需满足一定的热舒适条件,限制内表面温度,以免产生过强的冷辐射效应;
从节能要求考虑,热损失应尽可能的小;
应具有一定的热稳定性.
最小传热阻
按我国现行设计规范,保温设计是取阴寒天气作为设计计算基准条件.以下是我国国家标准《民用建筑热工设计规范》中规定的设计方法---最小热阻法.
以上参数的确定原则和选用方法为:
冬季室内计算温度ti
ti值因房间使用性质不同而有不同的规定值.
对于一般居住建筑取18℃;对于高级居住建筑,医疗和福利建筑,托幼建筑等,取20 ℃ .
冬季室外计算温度te
te值的选取较为复杂一些,它的取值大小与所设计的外墙或屋顶的热惰性指标值大小有关.一般说来,热惰性指标值大, te取值较高,相反亦然.
我国规范对te的选取作了具体规定,见表3--1
室内空气与外墙(或屋顶)内表面之间的允许温[Δt]允许温差[Δt],根据房间性质及结构,按表3-2取值.
温差修正系数n
内表面换热阻Ri,按第二章表2-2取值.
按上述步骤,在取得各参数值后,便可求得Ro.min .
应当注意,求得这个最小传热组,并不意味着外围护结构的实有热阻一定要刚好等于最小传热阻,它只是起码的标准.
实际热阻应高于或等于它,但不得低于它.
Ro ≥ Ro.min
此外,在实际设计当中,当居住建筑,医院,幼儿园,办公楼,学校和门诊部等建筑物的外墙为轻质材料时,外墙的最小传热阻应在前述计算求得Ro.min的基础上进行附加,其附加值应按表3-4的规定采用.
绝热材料
所谓绝热材料是指那些绝热性能比较高,也就是导热系数比较小的材料.
通常把导热系数λ<0.25,并能用于绝热工程的称为绝热材料
把用于控制室内热量外流的叫保温材料.
防止热量进入室内的叫隔热材料.
影响材料导热系数λ的因素:1.密度;2.湿度;3.温度
绝热材料的选择(按热物理性能,强度,耐久性,耐火性及耐侵蚀性等,满足要求) 三,选择保温构造方案
(一)保温构造的种类
1.单设保温层(见图3-6)
2.封闭空气间层保温(一般空气间层厚4-5cm)
3.保温与承重相结合(见图3-7)
4.混合型构造(见图3-8)
选择保温构造方案
保温构造的种类
单设保温层(见图3-6)
(一般空气间层厚4-5cm)
D保温与承重相结合(见图3-7)
d混合型构造(见图3-8)
单设保温层复合结构的形式及持点
内保温和外保温
外保温的优点主要有:
保护墙或屋顶,降低温度应
力起伏,提高结构的耐久性;
有利于房间热稳定性;
防止内部产生水蒸汽凝结;
消除热桥;
有利于旧房节能改造;
节约使用空间.
防水层不设在保温层上边,而是倒过来设在保温层底下,这种方法,在国外叫作"Upsidedown"构造方法;简称USD构法.
外窗,外门和地面的保温设计
对一栋建筑物来说,外窗户,外门和地面在外围护结构总面积中占有相当的比例,一般在30-60%之间.从冬季失热量来看,外窗,外门及地面的失热量要大于外墙和屋顶的失热丘,表3-5是西安建筑科技大学一栋住宅楼外围护结构各部分耗热量分布.
窗户的保温设计
控制窗墙面积比(表3-6)
按我国设计规范,窗墙面积比=窗户洞口面积/外墙面积(开间*层高)
提高气密性,减少冷风渗透
我国的有关标准规定,在窗两侧空气压差为10Pa的条件.单位时间内每米缝长的空气渗透量q1的允许标准如下:
在低层和多层建筑中应不大于4.0m3/(m.h)
在中,高层建筑中应不大于2.5m3/(m.h)
窗缝的处理
提高窗户的保温能力
改善窗框保温性能
改善窗玻璃部分的保温能力
合理选择窗户类型
外门保温设计
这里的外门包括户门(不采暖楼梯间),单元门(采暖楼梯间)
阳台门下部以及与室外空气直接接触的其他各式各样的门.
门的热阻一般比窗户的热阻大,而比外墙和屋顶的热阻小,因而也是建筑外围护结构保温的薄弱环节,见表3-8
地板的保温设计
人体足部与地板直接接
触传热地板面层材料的密
度,比热容和导热系数值
的大小是决定地面的热工
指标吸热指数的重要参数.
B是与传热阻R不同的另一
个热工指标.B越大,则从人脚吸取的热量越多越快.
根据B值,我国将地面划分为三类(表3-9).
试验研究证明,地面对人体热舒适及健康影响最大的是厚度约3---4mm的面层材料.
沿底层外墙周边局部的保温处理
我国规范规定,对于严寒地区采暖建筑的底层地面,当建筑物周边无采暖管沟时,在外墙内侧0.5—1.0m范围内应铺设保温层,其热阻不应小于外墙的热阻. 特殊部位保温设计
围护结构交角处的保温设计
围护结构的交角,包括外墙转角,内外墙交角,楼板或屋顶与外墙的交角等.
第五节被动式利用太阳能设计初步
太阳能建筑
主动式运行中需要机械动力
被动式不需要机械动力
直接受益式
间接受益式
集热墙
水墙
附加日光间
第五节被动式利用太阳能设计初步
英国伦敦连排住宅原型
第五节被动式利用太阳能设计初步
第五节被动式利用太阳能设计初步
第五节被动式利用太阳能设计初步
第一讲建筑与气候（转）
1.1室外热环境
●室外热环境是指作用在建筑外围护结构上的一切热物理量的总称；是室外气候的组成部分，是建筑设计的依据；建筑外围护结构的主要功能即在于抵御或利用室外热环境的作用。

●因此，要做好建筑热环境设计，必须掌握室外气候学的基本知识，熟悉建筑与气候的关系。

1.1.1地区性气候及其特征对建筑的影响
●气候因素（日照、降水、温度、湿度等）直接影响建筑的功能、形式、围护结构。

决定了建筑的形式是紧凑的还是疏松的？是封闭的还是开敞的？是厚重的还是轻盈的？是平屋顶还是坡屋顶……所有这些构成了乡土建筑的最基本特征。

●气候与其它相关因素共同影响建筑。

例如气候条件决定了一个地区的水源、植被状况，对地质土壤也有一定程度的影响，从而大体上限定了该地区的建筑材料。

●气候还会影响人、社会审美等方面的差异性，最终间接而又鲜明的影响到建筑本身。

1.1.2气候与地方特征的技术策略：
①.建筑本身适应地域气候；
②.建筑所使用的材料尽可能的就地取材；
③.利用本地廉价劳动力，采取一种手工式、劳动密集型的作业方式；
④.建筑形式多采取低层高密度的模式；
⑤.采用一种可逐渐增长的模式，便于改建和扩建；
⑥.注重地方文化和民俗习惯，体现人文建筑。

1.2 建筑气候分区及对建筑热工设计的基本要求
●不同的气候条件对房屋建筑提出不同的要求。

炎热地区需要通风、遮阳、隔热，以防止室内过热。

寒冷地区需要采暖、防寒和保温。

为了明确建筑和气候两者的科学联系，使建筑可以充分地利用和适应气候条件，做到因地制宜，我国和世界分别进行了气候分区。

1.2.1我国的气候分为五大区：
▲严寒地区
▲寒冷地区
▲夏热冬冷地区
▲夏热冬暖地区
▲温和地区
我国《民用建筑热工设计规范》从建筑热工设计的角度，对我国各地气候作区域划分，具体分区及设计要求见下表
建筑热工设计分区及设计要求（表1-1）
1.2.2世界气候分区：
●英国人斯欧克莱（Szokoay)在《建筑环境科学手册》中根据空气温度、湿度、太阳辐射等项因素，将世界各地划分为4个气候区：▲湿热气候区
▲干热气候区
▲温和气候区
▲寒冷气候区
气候分区及建筑气候策略（表1-2）
●以气温和降水两个气候要素为基础，并参照自然植被的分布，把全球气候分为五个气候区：
▲赤道潮热性气候区（A）
▲干热性气候区（B）
▲湿润性温和性气候区（C）
▲湿润性冷温型气候区（D）
▲极地气候（E）
▲山地气候（H）
其中A、C、D、E为湿润气候，B为干旱气候
1.3 多姿多彩的全球气候
全球气候分区图
圆顶雪屋——爱斯基摩小屋
安纳沙兹人的“悬崖宫殿”
中国传统民居形式——陕西窑洞
1.4 、影响建筑设计的气候因素
●我国幅员辽阔，地形复杂，各地区气候差异悬殊，北方的大陆性气候、沿海的海洋性气侯、南方的湿热气候、云南的高原气候、四川的盆地气候、吐鲁番的沙漠性气候等。

空气温度、空气湿度、太阳辐射、风、降水、积雪、日照以及冻土等都是气候的要素。

●结合气候设计的五大要素：
①.太阳辐射②.空气温度③.气压与风④.大气湿度
⑤.凝结与降水
A）太阳辐射
●太阳辐射是来自太阳的电磁波辐射
▲在地球表面上，太阳光谱的波长范围约在0.28~3.0微米之间。

太阳光谱可大致划分为三个区段：紫外线、可见光（可见光的波长：0.38至 0.76微米）、红外线。

①太阳常数
▲在地球大气层外，太阳与地球的平均距离处，与太阳光线相垂直的表面上、单位面积、单位时间里所接收到的太阳辐射能称为太阳常数。

▲太阳常数值约为1367W/
②长波辐射与短波辐射
▲凡是起源于太阳的辐射，包括地球上水面、玻璃和混凝土对太阳辐射的反射以及天空和云层的散射均属短波辐射。

▲建筑物这一部分和另一部分之间通常传递的辐射能以及最后辐射输出的能都是长波辐射。

③直射辐射与散射辐射
▲太阳辐射在透过大气层到地面的过程中又受到大气层中臭氧、水蒸气、二氧化碳等的吸收和反射而减弱。

其中一部分穿过大气层直接辐射到地面的称为直射辐射；被大气层吸收后，再辐射到地面的称为散射辐射。

B）室外温度
●室外空气温度取决于地球表面温度
▲室外气温通常指距地面1.5m高、背阴处的空气温度。

▲影响室外气温的主要因素有太阳辐射照度、气流状况、地面覆盖情况以及地形
等等。

▲空气温度取决于地球表面温度
▲温度的年变化和日变化
●室外气温与城市热岛现象
▲在建筑物与人口密集的大城市，由于地面覆盖物吸收的辐射热多，发热体也多，形成市中心的温度高于郊区，即“城市热岛”现象。

▲热岛现象的存在，使市中心温度较高的空气由于质量轻而向上升，郊区地面的较冷空气则从四面八方流向城市。

市区热空气携带的一部分烟尘滞留在城市上空，一部分较重的在郊区沉降，污染地面，因此在城市规划中应减弱或避免产生热岛现象。

▲热岛现象也有明显的日变化和年变化，一般冬季强夏季弱，夜晚强白天弱。

●避免或减弱热岛现象的措施：
▲在城市中增加水面设置、扩大绿化面积。

由于水的热容量大，并且可以通过蒸发吸收热量。

绿化则除蒸发吸热外，对日辐射还有一定的反射作用，尤其在夏季日辐射照度很大时，可以显著降低周围的空气温度-------绿化可以改善建筑周围小气候。

▲避免方形、圆形城市面积的设计，多采用带形城市设计。

C）气压与风
●三个全球性的风带：信风、西风和极风。

▲季风系，是由于海、陆加热量的年差所造成的。

▲海陆风，发生于山谷之处；沿海一带又有日风和夜风。