建筑物理——热工学基础知识.ppt

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1、11/22/202211/22/2022建筑物理建筑物理 主讲人主讲人:南新军南新军 电 话:18627216159 建筑物理讲义绪论建筑物理概述建筑物理概述 一、为什么要学习建筑物理知识？二、建筑物理知识包括那些范畴？三、如何通过建筑物理知识的应用解决工程技术问题？建筑物理讲义建筑物理总学时理论学时其它适用专业6460 4建筑学 建筑物理建筑物理建筑物理建筑物理是建筑学专业的选修课，通过本课程的教是建筑学专业的选修课，通过本课程的教是建筑学专业的选修课，通过本课程的教是建筑学专业的选修课，通过本课程的教学，使学生把建筑艺术与建筑技术有机的融为一体，使之掌学，使学生把建筑艺术与建筑技术有机的融

2、为一体，使之掌学，使学生把建筑艺术与建筑技术有机的融为一体，使之掌学，使学生把建筑艺术与建筑技术有机的融为一体，使之掌握室内物理环境基本设计原理与方法、处理与设计有关的技握室内物理环境基本设计原理与方法、处理与设计有关的技握室内物理环境基本设计原理与方法、处理与设计有关的技握室内物理环境基本设计原理与方法、处理与设计有关的技能和措施。它是建筑设计理论组成部分，并且为建筑设计和能和措施。它是建筑设计理论组成部分，并且为建筑设计和能和措施。它是建筑设计理论组成部分，并且为建筑设计和能和措施。它是建筑设计理论组成部分，并且为建筑设计和建筑创作提供必要的基础。目的在于使学生理解并掌握建筑建筑创作提供必

3、要的基础。目的在于使学生理解并掌握建筑建筑创作提供必要的基础。目的在于使学生理解并掌握建筑建筑创作提供必要的基础。目的在于使学生理解并掌握建筑物中的热环境、声环境、光环境设计的基本知识，充分利用物中的热环境、声环境、光环境设计的基本知识，充分利用物中的热环境、声环境、光环境设计的基本知识，充分利用物中的热环境、声环境、光环境设计的基本知识，充分利用自然能源，确保室内环境的质量，以满足人们生活质量不断自然能源，确保室内环境的质量，以满足人们生活质量不断自然能源，确保室内环境的质量，以满足人们生活质量不断自然能源，确保室内环境的质量，以满足人们生活质量不断提高的要求。提高的要求。提高的要求。提高的

4、要求。一、课程性质与目的一、课程性质与目的一、课程性质与目的一、课程性质与目的建筑物理讲义 第一章第一章 筑热工学基本知识筑热工学基本知识 第二章第二章 围护结构的传热原理及其计算围护结构的传热原理及其计算 第三章第三章 建筑保温设计建筑保温设计 第四章第四章 外围护结构的湿状况外围护结构的湿状况第五章第五章 建筑防热建筑防热 第六章第六章 建筑日照建筑日照第七章第七章 建筑光学基础知识建筑光学基础知识第八章第八章 天然采光天然采光第九章第九章 建筑照明建筑照明第十章第十章 建筑声学基础知识建筑声学基础知识第十一章第十一章 室内声学原理室内声学原理第十二章第十二章 吸声材料与吸声结构吸声材料与

5、吸声结构第十三章第十三章 室内音质设计室内音质设计第十四章第十四章 噪声控制与建筑隔音噪声控制与建筑隔音建筑物理实验建筑物理实验 8 8 学时30学时12学时12学时二、课程教学内容：二、课程教学内容：二、课程教学内容：二、课程教学内容：理理论论教教学学实验教学实验教学建筑物理讲义三、课程教学的基本要求：三、课程教学的基本要求：1.1.要求学生在理解建筑传热、声音传播等物理规要求学生在理解建筑传热、声音传播等物理规要求学生在理解建筑传热、声音传播等物理规要求学生在理解建筑传热、声音传播等物理规律的基础上，懂得客观物理现象律的基础上，懂得客观物理现象律的基础上，懂得客观物理现象律的基础上，懂得客

6、观物理现象“是什么是什么是什么是什么”？“为什为什为什为什 么么么么”？；？；？；？；2.2.结合相应的设计实践，懂得结合相应的设计实践，懂得结合相应的设计实践，懂得结合相应的设计实践，懂得“做什么做什么做什么做什么”？“怎么做怎么做怎么做怎么做”？能运用理论知识解决设计中所碰到的一些技术问题，？能运用理论知识解决设计中所碰到的一些技术问题，？能运用理论知识解决设计中所碰到的一些技术问题，？能运用理论知识解决设计中所碰到的一些技术问题，以提高今后工作中的后劲。以提高今后工作中的后劲。以提高今后工作中的后劲。以提高今后工作中的后劲。四、教学要求四、教学要求：教学要求：通过学习，学生应较好的掌握热

7、工学、教学要求：通过学习，学生应较好的掌握热工学、教学要求：通过学习，学生应较好的掌握热工学、教学要求：通过学习，学生应较好的掌握热工学、光学，了解声学光学，了解声学光学，了解声学光学，了解声学 相关的基本理论知识，并能运用这些相关的基本理论知识，并能运用这些相关的基本理论知识，并能运用这些相关的基本理论知识，并能运用这些知知知知 解决工程实际问题，尤其是建筑节能设计问题。解决工程实际问题，尤其是建筑节能设计问题。解决工程实际问题，尤其是建筑节能设计问题。解决工程实际问题，尤其是建筑节能设计问题。建筑物理讲义五、与其它相关课程的关系：本课程的前续课程，主要与建筑材料、建筑构造紧密联系，要求后续

8、课程：住宅设计（保温、防热），影剧院设计、陈展馆（博物馆）设计相配合。建筑物理讲义第一篇 建筑热工学 （3232学时）学时）本篇主要内容：本篇主要内容：建建筑热工学基本知识筑热工学基本知识 围护结构的传热原理及其计算围护结构的传热原理及其计算 建筑保温设计建筑保温设计 外围护结构的湿状况外围护结构的湿状况 建筑防热建筑防热 建筑日照建筑日照 建筑物理讲义第一章 建筑热工学基础知识 1-1 建筑中的传热现象 热量的传递称为传热，只要存在温差，就会有传热现象。热传导的几种方式：热传导的几种方式：导热传热分子热运动 对流传热相对位移 辐射传热电磁波 建筑物理讲义建筑物理讲义1-21-2围护结构传热基

9、础知识围护结构传热基础知识一、导热一、导热概念：导热是指物体中有温差时由于直接接触的物质的质点概念：导热是指物体中有温差时由于直接接触的物质的质点概念：导热是指物体中有温差时由于直接接触的物质的质点概念：导热是指物体中有温差时由于直接接触的物质的质点 作热运动而引起的热量传递过程。作热运动而引起的热量传递过程。作热运动而引起的热量传递过程。作热运动而引起的热量传递过程。固体固体固体固体 平衡位置不变的质点振动平衡位置不变的质点振动平衡位置不变的质点振动平衡位置不变的质点振动 气体气体气体气体 分子的无规则运动相互碰撞分子的无规则运动相互碰撞分子的无规则运动相互碰撞分子的无规则运动相互碰撞 液体

10、液体液体液体 平衡位置间歇移动着的分子振动平衡位置间歇移动着的分子振动平衡位置间歇移动着的分子振动平衡位置间歇移动着的分子振动1.1.温度场、温度梯度和热流密度温度场、温度梯度和热流密度温度场、温度梯度和热流密度温度场、温度梯度和热流密度 温度温度温度温度 t t与空间坐标与空间坐标与空间坐标与空间坐标x x，y y，z z和时间和时间和时间和时间 的函数关系：的函数关系：的函数关系：的函数关系：t=ft=f（x x，y y，z z，）（1-11-11-11-1）温度场：在某一时刻物体内各质点的温度分温度场：在某一时刻物体内各质点的温度分温度场：在某一时刻物体内各质点的温度分温度场：在某一时刻

11、物体内各质点的温度分布，称为温度场布，称为温度场布，称为温度场布，称为温度场等温面：温度场中同一时刻由相同温度连成等温面：温度场中同一时刻由相同温度连成等温面：温度场中同一时刻由相同温度连成等温面：温度场中同一时刻由相同温度连成的面叫的面叫的面叫的面叫“等温面等温面等温面等温面”温度梯度：温度梯度：温度梯度：温度梯度：（1-21-2）建筑物理讲义热流密度热流密度:通过等温面上单位面积的热量称为热流密度。通过等温面上单位面积的热量称为热流密度。设单设单位时间内通过等温面上微元面积位时间内通过等温面上微元面积dFmdFm2 2 的热量为的热量为dQWdQW 则热则热流密度可表示为：流密度可表示为：

12、(1-3)由式（13)得：或：(1-4)如果热流密度在面积F上均匀分布，则热流量为：(1-5)w/m2建筑物理讲义2.傅立叶定律傅立叶定律 法国数学物理学家傅立叶于1822年最先发现提出的导热规律：匀质材料物体内各点的热流密度与温度梯度的大小成正比，即 （1-6）式中是个比例常数，恒为正数，叫做材料的导热系数。负号是表示热量传递只能沿温度降低的方向进行。3.导热系数导热系数 定义：当温度梯度为1C/m时，在单位时间内通过单位面积的导热量。由式（1-6）w/(m.k)(1-7)建筑物理讲义 一般来说一般来说,以金属的最大以金属的最大,非金属和液体次之非金属和液体次之,气体的最气体的最小。工程上通

13、常把导热系数小于小。工程上通常把导热系数小于0.250.25的材料，作为绝热材的材料，作为绝热材料。料。材料种类气体液体建筑材料金属0.0060.60.070.70.02532.2420导热系数导热系数还与温度有关，即：还与温度有关，即：=0 0+bt+bt 式中00C时的导热系数 b 实验测定常数二、对流二、对流对流传热只发生在流体之中。建筑物理讲义概念：概念：温度不同的各流体之间发生相对运动、互相掺合而传递热能的一种传温度不同的各流体之间发生相对运动、互相掺合而传递热能的一种传 热方式。分为两种：热方式。分为两种：自然对流自然对流本来温度相同的流体，因其中一部分受热（或冷）而产本来温度相同

14、的流体，因其中一部分受热（或冷）而产生温差，形成对流运动。生温差，形成对流运动。受迫对流受迫对流受外力作用迫使流体运动。受外力作用迫使流体运动。在建筑热工中所涉及的主要在建筑热工中所涉及的主要是空气沿围护结构表面流动时，与壁面之是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间所产生的热交换过程（表面的对流换热表面的对流换热），包括：，包括：1 1）空气流动时所引起的对流传热；）空气流动时所引起的对流传热；2 2）空气分子间和相接触的空气分子与壁面分子之间的导热）空气分子间和相接触的空气分子与壁面分子之间的导热对流换热量可用对流换热量可用牛顿公式牛顿公式：(1-8)Q Qc c对流换热

15、强度对流换热强度t t 流体的温度流体的温度a ac c 对流换热系对流换热系 固体表面温度固体表面温度w/m2w/(m2.k)建筑物理讲义1.1.1.1.自然对流自然对流自然对流自然对流（指围护结构内表面）垂直表面垂直表面 （1-9）水平表面水平表面（热流由下而上）（1-10）水平表面水平表面（热流由上而下）（1-11）上式中式中 是壁面与室内空气的温度差是壁面与室内空气的温度差 下面讨论对流换热系数下面讨论对流换热系数下面讨论对流换热系数下面讨论对流换热系数2.2.受迫对流受迫对流 内表面内表面 外表面外表面（1-12）（1-13）式中 是气流速度，m/s建筑物理讲义三、辐射三、辐射概念概

16、念：与导热和对流在机理有本：与导热和对流在机理有本质的区别，它是以电磁波的形式质的区别，它是以电磁波的形式传递热能，凡是温度高于绝对零传递热能，凡是温度高于绝对零度的物体都存在辐射。度的物体都存在辐射。1.1.物体的辐射特性物体的辐射特性 黑体黑体：能发射全波段的热：能发射全波段的热辐射，在相同的温度条件下，辐射，在相同的温度条件下，辐射能力最大。辐射能力最大。建筑物理讲义灰体灰体：其辐射光谱具有与黑体辐射光谱相似的形状，且对应每一波长的单色辐射力 与同温同波长的黑体的 的比值 为一常数 ，即比值 称为“发射率”或“黑度”非灰体非灰体:其辐射光谱具有与黑体光谱截然不同,甚至有的只能发射某些波长

17、的辐射线。一般建筑材料都可看作灰体。斯蒂芬波尔兹曼定律：黑体和灰体的全辐射能力与其表面的绝对温度的四次幂成正比。即黑体和灰体的全辐射能力与其表面的绝对温度的四次幂成正比。即：（1-14）（1-15）C物体的辐射系数 w/(m2.k4)T物体表面的绝对温度,K黑体的辐射系数Cb=5.68是由实验测得的建筑物理讲义由式（由式（1-141-14）可得灰体的辐射系数：）可得灰体的辐射系数：(1-16)2.2.物体表面对外来辐射的吸收与反射特性物体表面对外来辐射的吸收与反射特性 任何物体不仅具有向外发射热辐射的能任何物体不仅具有向外发射热辐射的能力，而且对外来的辐射具有吸收和反射的特力，而且对外来的辐射

18、具有吸收和反射的特性，某些物体还具有透射特性。性，某些物体还具有透射特性。(1-18)建筑物理讲义3.物体之间的辐射换热 换热量按下式计算：或（1-19）从上式可以看出，换热量从上式可以看出，换热量与表面温度有关。与表面温度有关。建筑物理讲义第一章第一章 建筑热工学基础知识建筑热工学基础知识 1-2围护结构传热基础知识围护结构传热基础知识四、围护结构的传热过程四、围护结构的传热过程四、围护结构的传热过程四、围护结构的传热过程 一般要经过三个过程一般要经过三个过程一般要经过三个过程一般要经过三个过程1 1 1 1）表面吸热）表面吸热）表面吸热）表面吸热2 2 2 2）结构本身传热）结构本身传热）

19、结构本身传热）结构本身传热3 3 3 3）表面放热）表面放热）表面放热）表面放热建筑物理讲义严格地讲，每一传热过程都是三种基本传严格地讲，每一传热过程都是三种基本传严格地讲，每一传热过程都是三种基本传严格地讲，每一传热过程都是三种基本传热方式的综合过程。热方式的综合过程。热方式的综合过程。热方式的综合过程。1.表面换热表面换热建筑物理讲义2.2.2.2.结构传热结构传热结构传热结构传热平壁平壁平壁平壁厚度尺寸比另外两个方向尺寸厚度尺寸比另外两个方向尺寸厚度尺寸比另外两个方向尺寸厚度尺寸比另外两个方向尺寸 小的多的构件称为平壁。单一小的多的构件称为平壁。单一小的多的构件称为平壁。单一小的多的构件

20、称为平壁。单一 材料组成的平壁叫做单层平壁。材料组成的平壁叫做单层平壁。材料组成的平壁叫做单层平壁。材料组成的平壁叫做单层平壁。在工程上仅对均匀材料进行研究在工程上仅对均匀材料进行研究在工程上仅对均匀材料进行研究在工程上仅对均匀材料进行研究由式（由式（由式（由式（1-61-6）得在单位时间内，通过单）得在单位时间内，通过单）得在单位时间内，通过单）得在单位时间内，通过单位面积的热流位面积的热流位面积的热流位面积的热流热流强度为：热流强度为：热流强度为：热流强度为：（w/m2）（1-21）建筑物理讲义当平壁两侧的温当平壁两侧的温度不随时间变化度不随时间变化时，此种传热称时，此种传热称为为:“稳定

21、传稳定传热热”。建筑物理讲义1-3湿空气的物理性质湿空气的物理性质一、水蒸气分压力一、水蒸气分压力一、水蒸气分压力一、水蒸气分压力 湿空气湿空气湿空气湿空气干空气和水蒸干空气和水蒸干空气和水蒸干空气和水蒸气的混合物在温度、压力一气的混合物在温度、压力一气的混合物在温度、压力一气的混合物在温度、压力一定的条件下，一定容积的干定的条件下，一定容积的干定的条件下，一定容积的干定的条件下，一定容积的干空气所能容纳的水蒸气量是空气所能容纳的水蒸气量是空气所能容纳的水蒸气量是空气所能容纳的水蒸气量是有限的，当水蒸气含量达到有限的，当水蒸气含量达到有限的，当水蒸气含量达到有限的，当水蒸气含量达到这一限度时，

22、该湿空气叫做这一限度时，该湿空气叫做这一限度时，该湿空气叫做这一限度时，该湿空气叫做“饱和饱和饱和饱和”的。的。的。的。建筑物理讲义 根据道尔顿分压定律，湿空气的压力根据道尔顿分压定律，湿空气的压力根据道尔顿分压定律，湿空气的压力根据道尔顿分压定律，湿空气的压力等于干空气的分压力和水蒸气分压力之和，等于干空气的分压力和水蒸气分压力之和，等于干空气的分压力和水蒸气分压力之和，等于干空气的分压力和水蒸气分压力之和，即即即即 处于饱和状态的湿空气中水蒸气所呈处于饱和状态的湿空气中水蒸气所呈处于饱和状态的湿空气中水蒸气所呈处于饱和状态的湿空气中水蒸气所呈现的压力叫做现的压力叫做现的压力叫做现的压力叫做

23、“饱和水蒸气压饱和水蒸气压饱和水蒸气压饱和水蒸气压”或最大水或最大水或最大水或最大水蒸气分压力，用蒸气分压力，用蒸气分压力，用蒸气分压力，用PSPS表示表示表示表示P PS S与温度的关系与温度的关系与温度的关系与温度的关系:建筑物理讲义二、空气湿度二、空气湿度二、空气湿度二、空气湿度 概念：表示空气的干湿程度。概念：表示空气的干湿程度。概念：表示空气的干湿程度。概念：表示空气的干湿程度。水蒸气的实际分压力可近似按下式表示水蒸气的实际分压力可近似按下式表示水蒸气的实际分压力可近似按下式表示水蒸气的实际分压力可近似按下式表示:（1-23）（1-24）相对湿度：相对湿度：相对湿度：相对湿度：在一定

24、温度、一定大气压力下，在一定温度、一定大气压力下，在一定温度、一定大气压力下，在一定温度、一定大气压力下，湿空气的绝对湿度湿空气的绝对湿度湿空气的绝对湿度湿空气的绝对湿度f f f f与同温同压下饱和水蒸与同温同压下饱和水蒸与同温同压下饱和水蒸与同温同压下饱和水蒸 气量气量气量气量f f f fmaxmaxmaxmax的百分比。的百分比。的百分比。的百分比。建筑物理讲义相对湿度也可用公式：相对湿度也可用公式：（1-251-251-251-25）三、露点温度三、露点温度三、露点温度三、露点温度t t t td d d d 概念概念概念概念:本来不饱和的空气，因温度降低而达本来不饱和的空气，因温度

25、降低而达本来不饱和的空气，因温度降低而达本来不饱和的空气，因温度降低而达到饱和状态，这一特定的温度称为露点温度。到饱和状态，这一特定的温度称为露点温度。到饱和状态，这一特定的温度称为露点温度。到饱和状态，这一特定的温度称为露点温度。建筑物理讲义【例题】已知室内空气的温度已知室内空气的温度已知室内空气的温度已知室内空气的温度t=20t=20t=20t=20C,C,C,C,相对湿度相对湿度相对湿度相对湿度=60.5%,=60.5%,=60.5%,=60.5%,试求该室空气的露点温度试求该室空气的露点温度试求该室空气的露点温度试求该室空气的露点温度tdtdtdtd。解解解解 首先应求出该居室的实际水

26、蒸气分压力首先应求出该居室的实际水蒸气分压力首先应求出该居室的实际水蒸气分压力首先应求出该居室的实际水蒸气分压力P,P,P,P,从附录从附录从附录从附录2 2 2 2中查得中查得中查得中查得Ps=2337.1PaPs=2337.1PaPs=2337.1PaPs=2337.1Pa；由式（由式（由式（由式（1-251-251-251-25）得）得）得）得 P=P=P=P=P P P PS S S S=2337.1x60.5%=2337.1x60.5%=2337.1x60.5%=2337.1x60.5%=1413.9Pa =1413.9Pa =1413.9Pa =1413.9Pa 从附录从附录从附录

27、从附录2 2中查得中查得中查得中查得Ps=1413.9PaPs=1413.9Pa对应的对应的对应的对应的 温度温度温度温度td=12.15 C td=12.15 C 建筑物理讲义1-4室内热环境室内热环境室内环境包括：室内环境包括：室内环境包括：室内环境包括：一、室内热环境构成要素及对人体热舒适的影响一、室内热环境构成要素及对人体热舒适的影响构成要素：构成要素：空气温度、空气湿度、空气温度、空气湿度、气流速度、环境辐射温度气流速度、环境辐射温度 建筑物理讲义 热平衡公式：热平衡公式：=0=0时，体温恒定不变；时，体温恒定不变；00时，体温上升；时，体温上升；00时，体温下降。时，体温下降。qm

28、人体产热量，wqe人体蒸发散热量，wqr人体辐射换热量，wqc人体对流换热量，w建筑物理讲义二、室内热环境的评价方法和标准二、室内热环境的评价方法和标准有效温度有效温度有效温度有效温度 ETETETET作为衡量一个房间热环境的指标作为衡量一个房间热环境的指标作为衡量一个房间热环境的指标作为衡量一个房间热环境的指标时主观热感觉相同，则时主观热感觉相同，则时主观热感觉相同，则时主观热感觉相同，则B B B B房间的有效温房间的有效温房间的有效温房间的有效温度度度度ET=20ET=20ET=20ET=20C C C C建筑物理讲义评价标准评价标准有效温度有效温度有效温度有效温度ETETETET434

29、343434040404035353535303030302525252520202020 1515151510101010主观热感觉主观热感觉主观热感觉主观热感觉允许上限允许上限允许上限允许上限酷热酷热酷热酷热炎热炎热炎热炎热热热热热稍热稍热稍热稍热适中适中适中适中稍冷稍冷稍冷稍冷冷冷冷冷寒冷寒冷寒冷寒冷酷冷酷冷酷冷酷冷建筑物理讲义1-5室外热环境室外热环境一、地区性气候及其特征一、地区性气候及其特征一、地区性气候及其特征一、地区性气候及其特征我国将整个地区划分为五个气候区：我国将整个地区划分为五个气候区：严寒地区严寒地区严寒地区严寒地区 寒冷地区寒冷地区寒冷地区寒冷地区 夏热冬冷地区夏热冬

30、冷地区夏热冬冷地区夏热冬冷地区 夏热冬暖地区夏热冬暖地区夏热冬暖地区夏热冬暖地区 温和地区温和地区温和地区温和地区 建筑物理讲义1.室外气温：室外气温：一般按下式计算：一般按下式计算：一般按下式计算：一般按下式计算：（1-321-321-321-32）式中式中式中式中2.太阳辐射太阳辐射建筑物理讲义建筑物理讲义3.3.空气湿度空气湿度4.4.风风 气象学上把水平方向的气流叫做风，分为左、右风。气象学上把水平方向的气流叫做风，分为左、右风。在建筑总体布局和单体设计中，要充分考虑。在建筑总体布局和单体设计中，要充分考虑。建筑物理讲义 建筑物理讲义作业作业P23:1、2题题3、试计算某房间的露点温度。已知该房间的室内空气温度为t=22 ,相对湿度为 。建筑物理讲义