建筑材料与构造讲义

d
R T2 q
对流
θ
对流：流动的流体（液体或气体）因相 互掺混而传递热量。 对流换热：流动的流体与固体表面接触， 同时发生对流和导热的传热过程。
qc
c (
t)
t
Rc
t
qc
αc：对流换热系数，单位W/（m2·K）， 表征固体与流体接触面的对流换热能力。
θ
Rc
t
固体表面？流体流动？
qc
Rc：对流换热热阻， Rc＝1/ αc
qr
射换热的能力，与两物体的发射率成正比。
Rr：辐射换热热阻， Rr＝1/ αr
T2
C22
T2
发射率
表征物体发射和吸收其它物体热辐射的能力。 高度抛光的铝表面：0.04
黑色油漆：0.95，白色油漆：0.92 高度抛光的铜表面：0.03，失去光泽的铜表面：0.75
太阳辐射吸收率
表征物体吸收太阳辐射热量的能力。
人体热平衡
环境表 面温度
环境空气
皮肤蒸 发散热E
呼吸散热Res
人体 产热 M
辐射散热R 对流散热C
人体 皮肤
汗液
衣服 暴露在外的 皮肤
产热量 = 对流散热量+辐射散热量+蒸发散热量+呼吸散热量 M=C+R+E+Res
影响热感觉的6个因素——以传热视角
• 空气温度：对流 • 空气湿度：蒸发，闷热vs湿冷 • 风速：对流与蒸发，凉风席席vs热风 • 环境表面温度：辐射，屋顶，大玻璃幕墙
+10
夏热冬暖 最冷月平均温度>10C，最 日平均温度≥25 C 的天数 必须充分满足夏季防热要求，
地 区 热月平均温度25~29C
100~200 天
一般可不考虑冬季保温
最冷月平均温度0~13C， 温和地区
最热月平均温度18~25C
日平均温度≤5C 的天数 0~90 天
部分地区应考虑冬季保温，一 般可不考虑夏季防热
属于自保温墙体（不通过内、外保温技术，其自身的热工指标达到现 行国家和地方节能建筑标准要求的墙体结构）。
密度400～800kg/m3，导热系数0.1～0.3W/(m·K) 。
不适用于：承重墙，浸水、高温、酸碱、冻融。
砂浆
由水泥（或石灰）和细骨料（细砂）按适当比例配合加水拌合而成，用 于勾缝、抹面、装饰、防水和耐酸耐热处理等。
• 服装热阻：各种散热，有效的自我调节 • 新陈代谢率：产热，体育场馆vs图书馆
预测平均投票（PMV）
✓丹麦－范格尔－《热舒适》 ✓基于人体热平衡 ✓建立6个因素跟热感觉的量化关系 ✓ISO、美国和我国标准引用
标准要求
健康标准（保证住宅和办公建筑中人体健康的基本要求） 《室内空气质量标准》（GB/T 18883-2002 ）
标准要求
节能标准（综合考虑室内热环境需求和建筑节能）
《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》（JGJ 75-2003）
室内计算温度：夏季空调26℃，冬季采暖16℃
《公共建筑节能设计标准》（GB 50189－2005）
空调房间夏季：温度25℃，风速0.15～0.3m/s，相对湿度 40～65％ 空调房间冬季：温度20℃，风速0.1～0.2m/s，相对湿度 30～60％
寒冷地区 最冷月平均温度-10~0 C
0
日平均温度≤5 C的天 应满足冬季保温要求，部分地
数90~145天
区兼顾夏季防热
日平均温度≤5C的天数
夏热冬冷 最冷月平均温度0~10C，
必须满足夏季防热要求，适当
0~90天，日平均温度≥25C
地 区 最热月平均温度25~30 C
兼顾冬季保温
的天数为49~110天
混凝土
由水泥、和粗骨料（石）、细骨料（砂）按适当比例配合，加水伴合均匀， 浇筑成型，硬化而成。
抗压强度大，经久耐用，可浇筑成不同形状和大小，可做成装配式预制构件， 热膨胀系数与钢筋相近，相互粘结力强，二者结合坚固耐久，抗震性能良好。 普通钢筋混凝土导热系数1.74W/(m·K) 。
混凝土空心砌块
参考教材第1~13，21~24页
导热
静止的固体、液体或气体，因温差作 用产生的传热。
q
d
(T1
T2 )
T1
T2 R
T1 T2
q
λ：导热系数，单位W/（m·K），表示 1m长的材料在1K温差作用下通过导热传 递的热量，是衡量建筑材料导热能力的重 要指标。金属与木头 R：导热热阻R＝d/λ：表示厚度为d，导 T1 热系数为λ的材料阻挡导热的能力。
<0.03W/(m·K)。
苯板（模塑聚苯 乙烯泡沫塑料， EPS），导热系 数<0.04W/(m·K)
聚氨酯泡沫塑料 （PUF），导热系 数<0.03W/(m·K)
绝热材料~无机
玻 璃 棉
膨 胀 蛭 石
膨
矿
胀
棉
珍
珠
岩
常见墙体材料图解
水泥 （钙质材料）
+
砂石 （硅质材料）
石灰 （钙质材料）
+
砂石 （硅质材料）
分为水泥砂浆，石灰砂浆和混合砂浆。
水泥砂浆强度高，防潮性能好，常用于外抹灰，1800kg/m3，导热系数 0.93W/(m·K) 。
石灰砂浆强度和防潮性差，常用于内抹灰，1600kg/m3，导热系数 0.81W/(m·K) 。
绝热材料~有机
导热系数<0.3 W/(m·K) 保温材料，隔热材料
挤塑板（挤塑聚苯乙烯泡沫 塑料，XPS），导热系数
辐射
热辐射：温度高于绝对零度（-273℃）
的物体不断将热量以辐射的方式发出。
辐射换热：两个温度不同的物体间相互
辐射产生传热的过程。
qr
r (T1
T2 )
T1 T2 Rr
T1
C11
qr
C：发射率，表征单个物体发射和吸收热 T1 Rr
辐射的能力。黑与白、亮与暗 αr：辐射换热系数，表征两个物体之间辐
参考教材第138~141，96~99，16~21页，附录1
粘土砖（红砖）
以粘土为主要原料，经采土、调制、制坯、焙烧、冷却而成。 春秋战国时期陆续创制了方形和长形砖，秦汉时期制砖的技术和生产规模、 质量和花式品种都有显著发展，世称“秦砖汉瓦”。 具有较高的强度和热工、防火、抗冻性能，砌体导热系数0.76W/(m·K) 。 普通砖尺寸：240mm×115mm×53mm 毁田取土、烧制耗能高，禁实限粘——节地、节材、节能、环保
室外气候与室内环境
➢室外气候跟传热有关的有些什么要素？ ➢室内环境跟传热有关的有些什么要素？ ➢气候如何形成，不同地区有什么气候特 点？ ➢人对室内环境有什么要求？
参考教材第50~64，72~76，42~49页，附录5、6
室外气候
气候：
大气多年（几十或几百年）的平均状态（气温、 气压、日照、湿度、风、降水） 形成因素：太阳辐射、大气环流、地形地貌等
建筑气候：
太阳辐射 气候→建筑 气温
风、降水与湿度
2 4
3
4 3
5 6
4
气温
温度（℃）
➢距地面1.5m高背阴处的空气温度。
➢年变化：最高温7月，最低温1月；日变化：午后2点 出现最大值，日出前后出现最小值。
35 30 25 20 15 10 5 0
1-1
广州市日平均气温
2-1 3-1
4-1
天空大气辐射：
20
15
温度（℃）
10
5
➢夜间地面向天空大气层 0
辐射热量，冷却降温；
-5 0
温度（℃）
➢天空有效温度：表征天 空大气层辐射换热的温度， 40 白天高，夜间低，且低于
30
空气温度； 20
➢天空大气辐射是夏季夜 10 晚屋面散热的重要途径。 0
0
广州冬季典型日温度（1月20日） 空气温度 天空有效温度
伴
混凝土
合
水泥砂浆
蒸 养
加气混凝土
伴
合
石灰砂浆
蒸 养
灰砂砖
常见材料和物质的导热系数
物质 静止的空气 聚氨酯硬泡沫塑料 聚苯乙烯泡沫塑料（EPS） 玻化微珠保温砂浆
松、木 加气混凝土 水（常温下）
玻璃 水泥砂浆 灰砂砖砌体 钢筋混凝土 门窗铝合金
导热系数W/(m ·K) 0.029 0.033 0.042 0.074 0.14 0.2 0.58 0.76 0.93 1.1 1.74 162
q1 q2 q3 (e i ) R
内表面放热
包括内表面与室内空气对流换热和 内表面与室内环境表面间辐射换热； 假定室内环境表面平均温度与室内 空气温度相等，那么：
1 1 1 如何增大放 Ric Rir Ri 热热阻？
qi
(ti
i )
Ri
放热
θi θi
ti
Ric ti
Rir
建筑围护结构传热
11 Rec Rer
1 Re
如何增大吸 热热阻？
te
吸热
te
θe
Rec θe
qe
(te
e )
Re
Rer
导热
T1
θθei
θ2
T2
θ3 θθie
q
q1 q2 q3
d
d1 d2 d3
T1
R
T2
q
θθei R1 R2 R3 θθei
q1 q2 q3
建筑构造的导热热阻 R R1 R2 R3 如何增大导热热阻？
V区 IV区
建筑热工设计分区图
严寒地区 寒冷地区
严寒地区
严寒地区
寒冷地区
寒冷地区
夏热冬冷地区
温和地区 夏热冬暖地区
建筑热工设计分区及设计要求
分区名称
分区指 标
主要指标
辅助指标
设计要求
严寒地区 最冷月平均温度≤-10 C
-10
日平均温度≤5 C的天数 必须充分满足冬季保温要求，
≥145天
一 般可不考虑夏季防热
建筑材料与构造
认知框架
➢传热基本知识 ➢室外气候与室内环境 ➢墙体材料 ➢墙体构造 ➢屋面外窗材料与构造 ➢小结
认知框架
➢传热基本知识 ➢室外气候与室内环境 ➢墙体材料 ➢墙体构造 ➢屋面外窗材料与构造 ➢小结
传热基本知识
➢身边熟悉的传热现象有哪些？ ➢传热分几种基本的方式？ ➢发生传热的动力何在？ ➢传热量的多寡跟什么有关？ ➢建筑呢？
学与用：墙体构造设计
te
θe θ2
室 外
θ3 θi
室 内
气
ti
环
候
qi q1 q2 q3 qe
境
Re
R
Ri
te
ti
传热阻：R0 =Re +R +Ri，所有阻力之和； 传热系数：K=1/R0，衡量建筑围护结构（墙体、屋面、
门窗）传热能力的重要指标。大与小？
认知框架
➢传热基本知识 ➢室外气候与室内环境 ➢墙体材料 ➢墙体构造 ➢屋面外窗材料与构造 ➢小结
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 时刻
广州冬季典型日温度（7月30日） 空气温度 天空有效温度
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 时刻
外表面吸热
包括外表面与室外空气对流换热和 外表面与室外环境表面间辐射换热； 假定室外环境表面平均温度与室外 空气温度相等，那么：
高度抛光的铝表面：0.15 黑色油漆：0.96，白色油漆：0.12
高度抛光的铜表面：0.18 失去光泽的铜表面：0.65
善吸收太阳辐射≠善吸收物体辐射
玻璃~温室、太阳房：
➢对太阳辐射的吸收率很低（0.05）， 对物体辐射的吸收率（发射率）很 高（0.90~0.95） ➢既透明（对太阳辐射）又不透明 （对物体辐射）
温度（℃）
45 40 35 30 25 20
024
5-1
6-1 7-1
8-1
9-1 10-1 11-1
广州夏季典型日温度（7月15日）
空气温度
6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 时刻
12-1
建筑气候区划图
§3－5 建筑气候区划和建筑热工设计分区
I区
VII区 VI区
II区 III区
室内环境
37 oC 34 oC
人的冷热感觉
很热——头晕、呼吸困难
热 ——持续出汗
暖 ——开始细微出汗
微暖——有热感，但未出汗
Hot
中性——不热也不冷
微凉——有冷感，但无明显不适
凉 ——有加衣服的愿望
冷 ——偶发性打哆嗦，冷战
很冷——肢体末梢感觉过冷，甚至产生痛觉
Cold
舒适 稍有不适 不舒适 很不舒适
建筑围护结构传热
Biblioteka Baidute
θe θ2
室 外
θ3 θi
室 内
气
ti
环
候
qi q1 q2 q3 qe
境
Re
R
Ri
te
ti
外墙
认知框架
➢传热基本知识 ➢室外气候与室内环境 ➢墙体材料 ➢墙体构造 ➢屋面外窗材料与构造 ➢小结
墙体材料
➢常见的墙体材料有哪些？ ➢新型墙材有哪些？有什么特点？ ➢不同墙材的传热性能有什么区别？跟生活 中常见的其它物质相比呢？ ➢如何从传热角度理解墙材的性能与选择？
空心率>25％，单排孔，双排孔，多排孔。 轻质，砌筑速度快，高强度，保温隔热性能好，抗震性能好。 规格390×190×190mm，砌体导热系数0. 4～0.5W/(m·K) 。
加气混凝土
由硅质材料（砂、粉煤灰、高炉煤渣等）、钙质材料（水泥、石灰） 和发气剂（常用铝粉，与料浆中的碱性成分发生化学反应产生氢气， 致使料浆发气膨胀形成均匀细小气孔）等原料，加水拌匀，经蒸压养 护而成。
工业与建筑废弃物再利用
灰砂砖
以适当比例的石灰和砂，经磨细、加水拌和、半干法压制切割成型并经 蒸压养护而成。 抗冻性、耐蚀性、抗压强度等多项性能都优于粘土砖，作为粘土砖的代 替品，是国家大力发展、应用的新型墙体材料。砌体导热系数 1.1W/(m·K) 。 不能用于长期受热（200℃以上），流水冲刷、急冷、急热和酸碱侵蚀部 位。