建筑物理复习建筑热工学

第一篇 建筑热工学

第1章 建筑热工学基础知识

1、室内热环境构成要素:

室内空气温度、空气湿度、气流速度与环境辐射温度构成。

2、人体的热舒适

①热舒适的必要条件:人体内产生的热量=向环境散发的热量。

m q ——人体新陈代谢产热量

e q ——人体蒸发散热量

r q ——人体与环境辐射换热量 c q ——人体与环境对流换热量

②充分条件:所谓按正常比例散热,指的就是对流换热约占总散热量的25-30% ,辐射散热约为45-50%,呼吸与无感觉蒸发散热约占 25-30%。处于舒适状况的热平衡,可称之为“正常热平衡”。 (注意与“负热平衡区分”)

③影响人体热舒适感觉的因素:

1、温度;

2、湿度;

3、速度;

4、平均辐射温度;

5、人体新陈代谢产热率;

6、人体衣着状况。

3、湿空气的物理性质

①湿空气组成:干空气+水蒸气=湿空气

②水蒸气分压力:指一定温度下湿空气中水蒸气部分所产生的压力。 ⑴未饱与湿空气的总压力:

w P ——湿空气的总压力(Pa) d P ——干空气的分压力(Pa) P ——水蒸气的分压力(Pa)

⑵饱与状态湿空气中水蒸气分压力:s P ——饱与水蒸气分压力

注:标准大气压下,s P 随着温度的升高而变大(见本篇附录2)。表明在一定的大气压下,湿空气温度越高,其一定容积中所能容纳的水蒸气越少,因而水蒸气呈现出的压力越大。

③空气湿度:表明空气的干湿程度,有绝对湿度与相对湿度两种不同的表示方法。

⑴绝对湿度:单位体积空气所含水蒸气的重量,用f 表示(g/m 3

)。

饱与状态下的绝对湿度则用饱与水蒸气量max f (g/m 3

)表示。

⑵相对湿度:一定温度,一定大气压力下,湿空气的绝对湿度

f ,与同温同压下饱与水蒸气量max f 的百分比:

⑶同一温度(T)下,,因此,

相对湿度又可表示为空气中水蒸

P ——空气的实际水蒸气分压力s P ——同温下的饱与水蒸气分压力 (Pa)。

(注:研究表明,对室内热湿环境而言,正常湿度范围大概在30%~60%。)

④露点温度:露点温度就是在大气压力一定,空气含湿量不变的情况下,未饱与空气因冷却而达到饱与状态的温度。用d t (℃)表示。

4、室外热湿环境

就是指作用在建筑物外围护结构上的一切热湿物理量的总称。构成要素:空气温度、空气湿度、太阳辐射、风、降水等。

5、建筑围护结构传热的基本知识

热量传递的三种基本方式:导热、对流与辐射。

①导热:指物体中温差时,由于直接接触的物质质点作热运动而引起的热能传递过程。

⑴热流密度:单位时间内,通过等温面上单位面积的热量。设单位时间内通过等温面上微元面积d F 的热量为d Q ,则热流密度q 表示为:

(W/m 2) 积分形式为:d d Q q F = 或者 d F

Q q F =⎰ (W)

如果热流密度在面积F 上均匀分布,单位时间内通过导热面积F 的热量Q (或称热流量)为:

Q q F =

⑵傅里叶定律:1822年,法国物理学家Fourier 发现,均质物体内各点的热流密度与温度梯度的大小成正比,即

(W/m 2) 式中的λ成为导热系数,n 方向温度增加,

t

n

∂∂为正,则q 为负值,表示热流沿n 的反方向。 ⑶影响导热系数λ的因素:物质种类、结构成分、密度、湿度、压力、温度等。 ②对流换热:空气沿围护结构表面流动时,与壁面之间所产生的热交换过程。这种过程既包括由空气流动所引起

的对流传热过程,同时也包括空气分子间与空气分子与壁面分子间的导热过程。

注意:对流传热只发生在流体之中,它就是因温度不同各部分流体之间发生相对运动互相掺合而传递热能的。

⑴表面的对流换热量可以利用

其中,c q ——对流换热强度,(W/m 2)

c α——对流换热系数,W/(m 2·K)

t ——流体的温度,(℃)

θ——固体表面的温度,(℃)

⑵影响因素:对流换热的强弱主要取决于层流边界层热量交换情况。还与流体运动的原因及运动情况、流

体与固体间温差、流体的物理性质、固体壁面的形状、大小及位置等因素有关。

③辐射传热:辐射传热指依靠物体表面向外发射热射线(能产生显著热效应的电磁波)来传递能量的现象。与导

热与对流在机理上有本质区别,它就是以电磁波传递热能的。

⑴特点:①发射体热能变为电磁波辐射能,被辐射体将所接收的辐射能转换成热能。

凡温度高于绝对零度(0K)的物体,都能发射辐射热。

②由于电磁波能在真空中传播,所以物体依靠辐射传热时,不需要与其她物体直接接触,也无需任何中间媒介。

⑵辐射换热量计算:(牛顿公式)

其中,r q ——对流换热强度,(W/m 2)

r α——对流换热系数,W/(m 2·K)

1θ、2θ——两辐射换热物体的表面温度(℃)

⑶物体辐射分类:按物体辐射光谱特性,可分为黑体、灰体与选择辐射体(或称非灰体)三大类。

6、围护结构的传热过程

围护结构的传热要经过三个过程:表面吸热、结构本身传热、表面放热。

1、表面吸热:内表面从室内吸热(冬季),或外表从室外空间吸热(夏季。)

2、结构本身传热:热量由高温表面传向低温表面。

3、表面放热:外表面向室外空间散发热量(冬季),或内表面向室内散热(夏季)。

第2章 建筑围护结构的传热计算与应用

根据建筑保温与隔热设计中所考虑的室内外热作用的特点,可将室内外温度计算模型归纳为如下两种: 恒定热作用:室内与室外温度在计算期间不随时间而变化。

这种计算模型通常用于采暖房间冬季条件下的保温与节能。

周期热作用:根据室内外温度波动的情况,又可分为单向周期热作用与双向周期热作用两类。

前者通常用于空调房间的隔热与节能设计,后者则用于自然通风房间的夏季隔热设计。

1、稳定传热过程

定义:温度场不随时间变化的传热过程。 一维稳定传热特征:

(1)通过平壁的热流强度q 处处相等。只有平壁内无蓄热现象,才能保证温度稳定,因此就平壁内任一截面而言,

流进与流出的热量必须相等。 (2)同一材质的平壁内部各界面温度分布呈直线关系。由x

d q dx

θ

λ

=-知,当x q =常数时,若视λ不随温度而变,则有

d dx

θ

=常数,各点温度梯度相等,即温度随距离的变化规律为直线。 2、平壁的热阻

建筑热工中的“平壁”不仅就是指平直的墙体,还包括地板、平屋顶及曲率半径较大的穹顶、拱顶等结构。 热阻就是表征围护结构本身或其中某层材料阻抗传热能力的物理量。同样的温差条件下,热阻越大,通过材料的热量越少,围护结构的保温性越好。要想增加热阻,可增加平壁厚度,或采用导热系数较小材料。 ①单层匀质平壁的导热与热阻: 导热方程:/i e

q d θθλ

-=

; 热阻:d R λ=

导热方程:1

1

2

121

1

2

i e

i e

i n n

n

n

j

j n

q d d d R R R R

θθθθθθλλλ+=---=

=

=

++

++

++

∑

结论:多层平壁的总热阻等于各层热阻之与,即12n R R R R =+++

＊③组合壁的导热与热阻:

组合壁的平均热阻应按下式计算:

0120,10,20,()i e n

n

F R R R F F F R R R ϕ⎡⎤⎢⎥

⎢

⎥=-+⎢⎥+++⎢⎥⎣⎦

式中,R ——平均热阻;

0F ——与热流方向垂直的总传热面积;

12,,n F F F ——按平行于热流方向划分的各个传热面积; 0,10,20,,,

n R R R ——各个传热面部位的传热阻;

i R ——内表面换热阻,取0、11 (m 2·K)/W; e R ——外表面换热阻,取0、04 (m 2·K)/W;

ϕ——修正系数,见表2-1。

④封闭空气间层的热阻

建筑设计中常用封闭空气层作为围护结构的保温层。 空气层中的传热方式有:导热、对流与辐射。其中:主要就是对流换热与辐射换热。