建筑设计课件 2.建筑物理环境基础

建筑物理环境基础
2.1建筑热环境
建筑得热： 1、通过墙和屋顶的太阳辐射得 热（热能从外表面——内表面 ——室内） 2、通过窗户的太阳直接辐射热 3、居住者人体散热 4、电灯与其它设备散热 5、采暖设备散热 建筑失热： 6、通过外围护结构的传导 和对流辐射向室外散热 7、空气渗透和通风带走热量 8、地面传热。 9、室内水分蒸发，带走的热量（潜热） 10、致冷设备吸热。
2.1建筑热环境
(2）主动式太阳能热利用
建筑物理环境基础
2.1建筑热环境
(3）光伏发电系统与建筑一体化
建筑物理环境基础
零能建筑：常规能源消耗为零。 ▲太阳能光电屋顶，太阳能光电 幕墙－未来生态建筑的复合型 材料。 ▲现在的缺点：造价高，太阳能 电池的转换率低。 ▲各国的计划：美国－1997.6提 出“百万太阳能屋顶计划”－ 2010年 欧盟－1998提出在2010建成50 万套太阳能屋顶。
露点温度:空气在含湿量和大气压不变的情况下，冷却到饱和状态（既 相对湿度φ =100%）所对应的温度，称为该状态下空气的露点温度，以符 号 td表示。气温如低于露点温度，就会发生结露或结霜现象。 例：A、冬天玻璃上的水珠。 B、墙体表面的水痕。
2.1建筑热环境
建筑物理环境基础
建筑保温设计包括建筑方案设计中的保温综合处理和外围护结构保温构造设 计。 （1）建筑保温的综合处理措施 a、控制体形系数 同样体积建筑，外围护结构传热情况相同时，外围护结构的面积愈小，则传 出去的热量愈少。 体型系数(S)：即一栋建筑的外表面积Fo与其所包容体积（Vo）之比。 在建筑节能设计标准中规定。寒冷地区，多层居住建筑的体形系数以0.3或 0.3以下为宜。大于0.3则不利于节能。需增加围护结构热阻。夏热冬冷区，条 式建筑s值不大于0.35，点式建筑s值不大于0.40。
第二章
建筑物理环境基础
建筑物理环境是指建筑室内空间与人体相关的各个物理要素 的总和，它包括建筑热环境、建筑声环境和建筑光环境三部分 内容。 建筑物理的主要思想是“以人为本”，体现建筑的功能要求 和建筑人文理念。为了达到这一目的，就不可避免地向自然环 境索取更多的能源，并向环境排放更多的废弃物和无序能量， 这就可能带来严重的环境问题，破坏人与环境的和谐关系。 1999.6.23，国际建协大会在北京召开，通过了《北京宪 章》，提出环境、可持续发展、能源危机等。 人类在满足自身需要的同时，不能剥夺后代满足他们需求的 权力，这就是“可持续发展”战略的主要思想。 为了保护环境，必须树立和增强环境意识，在城市规划和建 筑设计中，尽量利用自然条件改善建筑物理环境，采取先进的 科学技术措施，创建环保型节能建筑物和构筑物。
热环境舒适的条件：1+2+3+4+5=6+7+8+9+10
即热能平衡
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2.1建筑热环境
对流 辐射
对流 辐射
吸热
导热
放热
导热
热空气
围护结构
冷空气
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2.1建筑热环境
a、稳定传热 室内外空气温度都不随时间变化，通过维护结 构的传热过程称为稳定传热。 单层平壁导热Fra Baidu bibliotek 条件：厚度为d，且宽高尺寸比厚度大得多 （即进行一维传热），设内、外表面温度为T i ， Te 均不随时间变化（稳定传热）。 1、公式：
VII区 II区 VI区 III区
建筑气候区划图
V区 IV区
建筑热工设计分区
严寒地区
严寒地区 寒冷地区 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
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2.1建筑热环境
2、建筑保温设计
严寒与寒冷地区的民用建筑为了保证冬季室内的气温、湿度、气流速 度和室内热辐射在一定允许范围内，建筑围护结构内表面温度不低于室内 露点温度，必须进行建筑保温设计。 建筑保温就是减少由室内（高温）流向室外（低温）的热流。
建筑物理环境基础
2.1建筑热环境
建筑物理环境基础
水平式
可遮挡高度角较大、从窗户 上方投射下来的直射阳光。 北回归线以北地区，适用于 南向窗口。 北回归线以南地区，适用于 南向和北向窗口。
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建筑物理环境基础
垂直式
可遮挡高度角较小、从窗户 侧向投射过来的直射阳光。 适用于北向、东北向和西北 向窗口。
2.1建筑热环境
建筑物理环境基础
建筑热环境的主要内容有建筑保温、建筑防潮、建筑防热、建筑 中的太阳能利用等。通过合理的设计，以创造可持续发展的人居环 境。 1、建筑热环境基础 1）建筑传热学基础 传热的基本方式为传导、对流和辐射三种。 导热：温度不同的物体直接接触时而发生的热运动。 对流：指依靠流体各微团分子的宏观相对位移把热量由一处传递到 另一处的现象。 辐射：依靠物体表面向外发散热射线来传递能量的现象。
2.1建筑热环境
b、合理布置建筑朝向 南向或南偏东150或南偏西150 c、合理选择窗墙面积比 北向≤0.2，南向≤0.35， 东、西向≤0.25 （2）建筑围护结构保温设计 a、最小传热阻 b、围护结构主体部位保温构造 c、围护结构异常部位的保温构造
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2.1建筑热环境
3、建筑防潮设计 (1）建筑物受潮的危害： a、外围护结构结构受潮，会降低保温能 力； b、降低结构的使用质量和耐久性； c、影响室内的卫生状况。 (2）围护结构内部冷凝受潮判断 Ps<P时，出现冷凝 3）围护结构表面结露的防止和控制 4）围护结构内部冷凝的防止和控制
寒冷地区
最冷月平均温度-10~0 C
夏热冬冷 地 区
最冷月平均温度0~10C， 最热月平均温度25~30 C 最冷月平均温度>10C，最 热月平均温度25~29C 最冷月平均温度0~13C， 最热月平均温度18~25C
夏热冬暖 地 区
温和地区
§3－5 建筑气候区划和建筑热工设计分区
I区
太阳能光电集成建筑实例：
2.2建筑光环境
建筑物理环境基础
建筑光环境包括采光设计与照明设计。 采光设计：按要求设计合理的窗口形式，恰当的面积、位置，使光线进入室内。 1、采光设计标准 1）基本光度单位 a、光通量：符号：Φ ，单位：lm;光源发光能力的基本量。
例：一只40W（耗电功率）白炽灯发出的光通量F=350 lm. 一只40W（耗电功率）荧光灯发出的光通量F=2400 lm. b、发光强度：符号I、单位：cd（坎德拉）
概
1、美观、功能合理：内部、外部 2、构成室内环境的其他因素：
述
室内环境质量
温湿度、声音、亮度、视觉环境等 3、人自身对室内环境质量的要求：
与疲劳感
被动性 ---- 久居兰室，不闻其香 主动性 ---- 将自然引入室内 4、室内环境设计的目的：舒适性（以人为本） 5、如何保障设计结果的实施：对室内各环境进行模拟测试及研究
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综合式
可遮挡中等大小高度角、从 窗户前侧向斜射过来的直射 阳光。 适用于东南向和西南向窗口。
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挡板式
可遮挡高度角较小、从窗户 正前方投射过来的直射阳光。 适用于东向和西向窗口。
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建筑物理环境基础
5、太阳能在建筑中应用 太阳能是地球上最主要的天然能源，也是永不枯竭的洁净可再生能源。 建筑能耗中，采暖、制冷、空调、热水大约占75%。 太阳能利用——是指太阳能的直接转化和利用，包括太阳能热利用和太阳能 光利用。 太阳能在建筑中应用常分为被动式和主动式。 (1）被动式太阳能建筑
建筑物理环境基础
2.1建筑热环境
（b）热惰性指标：符号D
D SR
热惰性指标取决于材料本身的热阻R和蓄热系数s，由多层材料的热惰性指 标由各层材料的热惰性指标相加而得。 热惰性指标越大，说明温度在材料层中衰减越大，围护结构的热稳定性越 好。一般建筑的D值均应大于1。 蓄热系数：符号s，单位 W/(㎡·K) 通过表面的热流波动的振幅与表面温度的波幅之比表示材料的蓄热系数。 材料的蓄热系数越大，温度波动受室外热量影响的幅度越小，材料的热稳定 性越好。 蓄热系数取决于导热系数、比热、密度 及热流波动的周期。
Q
Q

d
Ti Te F
Q ——— 总导热量，J或（w·h） F ——— 垂直于热流方向的平壁的表面积,㎡ τ ——— 导热时间,h λ ——— 材料的导热系数，W/(m·K)
建筑物理环境基础
2.1建筑热环境
导热系数λ：说明稳定导热条件下材料导热性能的重要指标。 物理意义：在稳定传热状态下当材料厚度为1m，而表面的温差为1℃时，在 一小时内通过1㎡截面积的热量。 a、气体导热系数最小：0.006～0.6 W/(m·K) 常温常压下空气为： 0.029 W/(m·K) b、液体的导热系数次之：0.07～0.7 W/(M·K) 水在常温常压下为：0.58 W/(m·K) c、金属导热性能最大：2.2～420 W/(M·K) 例：建筑钢材：58.2 W/(m·K) 绝大部分建筑材料λ 值均小于金属，介于0.03 ～ 3.5 W/(m·K)工程把 λ ≤0.3 W/(m·K) 的材料为保温材料。(如矿棉、泡沫塑料、珍珠岩、蛭石等) 各种材料或物质的导热系数大小与材质、材料干密度、材料含湿量有关，还 与当时环境的压力、温度有关。 传热阻：热量通过平壁时遇到的阻力，是平壁抵抗热量通过的能力。符号为 R,单位㎡·K/W , d
2c S T
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2.1建筑热环境
2）建筑热工设计分区
分 分区名称 主 要 指 标 严寒地区 最冷月平均温度≤-10 C 辅 助 指 标 日平均温度≤5 C的天数 ≥145天 日平均温度≤5 C的天 数90~145天 日平均温度≤5C的天数 0~90天，日平均温度≥25C 的天数为49~110天 日平均温度≥25 C 的天数 100~200 天 日平均温度≤5C 的天数 0~90 天 必须充分满足冬季保温要求， 一 般可不考虑夏季防热 应满足冬季保温要求， 部分地 区兼顾夏季防热 必须满足夏季防热要求， 适当 兼顾冬季保温 必须充分满足夏季防热要求， 一般可不考虑冬季保温 部分地区应考虑冬季保温， 一 般可不考虑夏季防热 区 指 标 设 计 要 求
R

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2.1建筑热环境
物质 空气（常温常压下） 聚苯乙烯泡沫塑料板 胶合板 水（常温下） 灰砂砖砌体 钢筋混凝土 门窗铝合金
导热系数W/(m · K) 0.029 0.042 0.17 0.58 1.1 1.74 162
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2.1建筑热环境
b、非稳定传热 无论是室外或室内，围护结构受到的环境作用都在随时间变化，围护结构 内部的温度和通过围护结构的面积热流量也随之发生变化，这种传热过程叫 不稳定传热。 通常，室内外空气温度是呈现周期性变化的，如日气温以24X3600s为周期 的变化、年气温以12个月为周期的变化等，而它所引起的围护结构传热过程 也是呈现周期性的变化，这就是周期性不稳定传热。 建筑热工的设计研究实践中所涉及到的不稳定传热大都是周期性的不稳定 传热。 （a）室外综合温度 夏季建筑物各个朝向室外综合温度由大到小次序为：水平面》东西向》南向》 北向。这表明，夏季建筑防热设计应优先考虑屋顶防热和防东、防西。
发光强度是指光源所发出的光通量在空间的分布密度，及分布状况。 c、照度：符号： E，单位：lx(勒克斯)，表示被照面上的光通量密度。 d、亮度：符号：L，单位：cd/㎡,是发光体在视看方向上单位面积发出的发 光强度。
2.2建筑光环境
2）采光标准
建筑物理环境基础
天然光是人们习惯的光源，太阳能辐射最强烈的区段正是人眼感觉最灵敏的那部分波 长范围，而且人眼在天然光下有更高的灵敏度，所以天然采光的设计很重要。 《建筑采光设计标准》（GB/T50033－2001）规定，采光系数C是室内某一点直接或 间接接受天空慢射光所形成的照度与同一时间不受遮挡的该天空半球在室外水平面上产 生的天空慢射光照度之比。
建筑物理环境基础
2.1建筑热环境
4、建筑防热设计 任务：尽量减少热量传入室内， 并使室内热量尽快散发出去。 措施：围护结构隔热、自然通风 、窗户遮阳、绿化等。 ( 1）围护结构隔热设计 a、屋顶隔热 b、外墙隔热 (2）自然通风设计 a、热压和风压 b、自然通风设计 (3）窗口遮阳设计 a、绿化与构件遮阳 b、外遮阳 c、内遮阳