柳孝圖《建筑物理》(第3版)筆記和課后習(xí)題詳解

1、柳孝圖建筑物理（第3版）筆記和課后習(xí)題詳解第1篇建筑熱工學(xué)建筑熱工學(xué)的任務(wù)是依照建筑熱工原理，論述通過規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)手段，防護(hù)或利用室內(nèi)外氣候因素，解決房屋的日照、保溫、隔熱、通風(fēng)、防潮等問題，創(chuàng)造良好的室內(nèi)氣候環(huán)境并提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耐久性。第1章室內(nèi)外熱環(huán)境1.1復(fù)習(xí)筆記一、室內(nèi)熱環(huán)境1室內(nèi)熱環(huán)境組成要素（1）室內(nèi)熱環(huán)境主要由室內(nèi)氣溫、濕度、氣流及壁面熱輻射等因素綜合而成。（2）各種室內(nèi)微氣候因素的不同組合，會(huì)形成不同的室內(nèi)熱環(huán)境。2人體熱平衡與熱舒適（1）熱舒適熱舒適是指人們對所處室內(nèi)氣候環(huán)境滿意程度的感受。人體對周圍環(huán)境的熱舒適程度主要反映在人的冷熱感覺上。（2）熱平衡人們在某一環(huán)境中感到

2、熱舒適的必要條件是：人體內(nèi)產(chǎn)生的熱量與向環(huán)境散發(fā)的熱量相等，即保持人體的熱平衡。人體與環(huán)境之間的熱平衡關(guān)系可用下列公式表示：q=qmqcqrqw式中qm人體產(chǎn)熱量，W/m2;qc人體與周圍空氣之間的對流換熱量,W/m2;qr人體與環(huán)境間的輻射換熱量，W/m2;qw人體蒸發(fā)散熱量,W/m2;q人體得失的熱量，W/m2。從上式看出，人體與周圍環(huán)境的換熱方式有對流、輻射和蒸發(fā)三種，換熱的余量即為人體熱負(fù)荷勺。q值與人們的體溫變化率成正比當(dāng)勺0時(shí)，體溫將升高；當(dāng)勺0時(shí)，體溫將降低。當(dāng)=0,人體新陳代謝產(chǎn)熱量正好與人體在所處環(huán)境的熱交換量處于平衡狀態(tài)。當(dāng)達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)，對流換熱約占總散熱量的25%30

3、%,輻射散熱量占45%50%,呼吸和無感覺蒸發(fā)散熱量占25%30%時(shí)，人體才能達(dá)到熱舒適狀態(tài)，能達(dá)到這種適宜比例的環(huán)境便是人體熱舒適的充分條件。3人體熱平衡的影響因素(1)人體新陳代謝產(chǎn)熱量qmqm主要決定于人體的新陳代謝率及對外作機(jī)械功的效率。單位時(shí)間內(nèi)人體新陳代謝所產(chǎn)生的能量，稱為新陳代謝率，通常用符號(hào)m表示，單位為W/m2(人體表面積)，1met=58.2W/m2。新陳代謝率的數(shù)值隨人的活動(dòng)量而異人體新陳代謝過程釋放出的能量有時(shí)部分用來對外作機(jī)械功，大部分則轉(zhuǎn)化為人體內(nèi)部的熱量，即人體新陳代謝產(chǎn)熱量。(2)對流換熱量qc是當(dāng)著衣體表面與周圍空氣間存在溫度差時(shí)的熱交換值取決于著衣體表面和空

4、氣間的溫差、氣流速度以及衣著的熱物理性質(zhì)。人體皮膚的溫度并非均勻一致，也會(huì)受到環(huán)境因素的影響。a當(dāng)人體平均皮膚溫度高于空氣溫度時(shí)，則qc為負(fù)值，人體向周圍空氣散熱，且氣流速度愈大，散熱愈多；b當(dāng)空氣溫度高于人體平均皮膚溫度時(shí)，則qc為正值，人體從空氣中得熱，成為人體對流附加熱負(fù)荷，且氣流速度愈大，得熱愈多。氣流速度對人體的對流換熱影響很大，至于人體是散熱還是得熱，則取決于空氣溫度的高低。在人體與周圍空氣的對流換熱中，人體所著服裝會(huì)有影響。衣服的熱阻越大，則對流換熱量越小。輻射換熱量qr是在著衣體表面與周圍環(huán)境表面間進(jìn)行并取決于兩者溫度、輻射系數(shù)、相對位置以及人體的有效輻射面積。當(dāng)人體溫度高于周

5、圍表面溫度時(shí)，人體失熱，qr為負(fù)值；反之，人體得熱,qr為正值。人體的蒸發(fā)散熱量qw是由無感蒸發(fā)散熱量與有感的顯汗蒸發(fā)散熱量組成。無感的蒸發(fā)通過肺部呼吸和皮膚的隱汗蒸發(fā)進(jìn)行,屬于無明顯感覺的生理現(xiàn)象。皮膚的隱汗散熱，由皮膚水分?jǐn)U散引起，取決于皮膚表面和周圍空氣的水蒸氣壓力差。有感的顯汗蒸發(fā)散熱量是指靠皮下汗腺分泌的汗液蒸發(fā)來散熱。散熱量的大小決定于排汗率。人體靠有感的汗液蒸發(fā)散失的熱量，在整個(gè)皮膚表面100%為汗液濕透時(shí)，達(dá)最大值。它與空氣流速、從皮膚表面經(jīng)衣服到周圍空氣的水蒸氣壓力分布、衣服對蒸汽的滲透阻等因素有關(guān)。4室內(nèi)熱環(huán)境綜合評價(jià)（1）有效溫度（ET）是依據(jù)半裸的人和穿夏季薄衫的人，在

6、一定條件的環(huán)境中所反映的瞬時(shí)熱感覺，是決定各項(xiàng)因素綜合作用的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。（2）熱應(yīng)力指數(shù)（HSI）即人體所需的蒸發(fā)散熱量與室內(nèi)環(huán)境條件下最大可能的蒸發(fā)散熱量之比，多用于評價(jià)夏季熱環(huán)境狀況，一般用百分比表示，即：/.S/二也*RK）式中qreq-人體所需的蒸發(fā)散熱量，其值由人體的熱平衡方程而定，即：qreq=qmqcqrqmax-最大可能的蒸發(fā)散熱量，其值決定于室內(nèi)空氣濕度、氣流速度以及人體衣著等因素。（3）預(yù)計(jì)熱感覺指數(shù)（PMV）房格爾的熱舒適方程式=/（s處Q恥叫毗）注：氣溫ti、相對濕度Q、環(huán)境表面平均輻射溫度、氣流速度ui、新陳代謝率m、皮膚平均溫度、汗液蒸發(fā)率qsw、所著衣服熱阻Rcl。

7、等級PMV值按人的熱感覺分為很熱、熱、稍熱、舒適、稍冷、冷、很冷七個(gè)等級（圖1-1）。PMV在-0.50.5范圍內(nèi)為室內(nèi)熱舒適指標(biāo)。圖1-1PMVPPD曲線圖特殊情況如果身體某一部分暖而另一部分冷，就會(huì)感覺不舒適。例如：對流冷、不對稱熱輻射、垂直溫差、暖或冷地板。（4）心理適應(yīng)性模型Brager等提出了三種適應(yīng)性模型：生理適應(yīng)性、行為適應(yīng)性以及心理適應(yīng)性。心理適應(yīng)性模型是解釋自然通風(fēng)建筑中實(shí)際觀測結(jié)果和PMV預(yù)測結(jié)果不同的主要原因。室內(nèi)熱中性溫度和室外月平均氣溫之間的關(guān)系是：tic=17.8+0.31te式中tic室內(nèi)熱中性溫度（室內(nèi)熱舒適溫度），C。te室外月平均溫度，C。適應(yīng)性模型以熱中性

8、溫度為中心，以90%的人可接受舒適溫度變化范圍為5C和80%的人可接受舒適溫度變化范圍為7C來定義自然通風(fēng)建筑的熱舒適溫度區(qū)。5室內(nèi)熱環(huán)境的影響因素（1）室外氣候因素建筑物基地的氣候因素，通過建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、外門窗及各類開口，直接影響室內(nèi)的氣候條件。2）熱環(huán)境設(shè)備的影響這里所說的熱環(huán)境設(shè)備是指以改善室內(nèi)熱環(huán)境為主要功能的設(shè)備。（3）其它設(shè)備的影響家用電器在使用中都向所在空間散發(fā)熱量，至于對室內(nèi)熱環(huán)境的影響程度，則取決于室外氣候狀況、建筑空間大小以及所使用設(shè)備的種類和功率。（4）人體活動(dòng)的影響人體是“發(fā)熱器”。二、室外氣候1太陽輻射（1）重要性太陽輻射能是地球上熱量的基本來源，是決定氣候的主要

9、因素，也是建筑物外部最主要的氣候條件之一。（2）類型由太陽直接射達(dá)地面的，射線平行，稱為直接輻射。經(jīng)大氣散射后到達(dá)地面的，射線來自各個(gè)方向，稱為散射輻射。（3）大氣大氣對太陽輻射的削弱程度取決于射線在大氣中射程的長短及大氣質(zhì)量。而射程長短與太陽在天空的位置和地面海拔高度有關(guān)。水平面上太陽直接輻射照度與太陽高度角、大氣透明度成正比。散射輻射照度與太陽高度角成正比，與大氣透明度成反比。（4）波段在大氣層上界太陽輻射的能量集中在紫外線、可見光及紅外線三個(gè)波段。5）日照時(shí)數(shù)晴朗天氣時(shí)，從日出到日殳一天內(nèi)陽光照射大地的時(shí)間，稱為可照時(shí)數(shù)。它決定于緯度及日期。實(shí)際日照時(shí)數(shù)與可照時(shí)數(shù)的比值稱為日照百分率。日

10、照百分率越大倒達(dá)地面的太陽輻射能總和就越多，反之就少。2氣溫（1）定義氣溫通常是指距地面1.5m高處的空氣溫度，地面與空氣的熱量交換是氣溫升降的直接原因。氣溫的垂直遞減率平均為0.6C/100m。（2）影響因素入射到地面上的太陽輻射熱量，它起著決定性的作用。大氣的對流作用下墊面對空氣溫度的影響海拔高度、地形地貌對氣溫及其變化也有一定影響。（3）變化氣溫有明顯的日變化和年變化；一年中各月平均氣溫也有最高值和最低值。3空氣濕度（1）定義空氣濕度是指空氣中水蒸氣的含量，空氣中水蒸氣的濃度隨海拔高度增加而降低，通常以絕對濕度和相對濕度來表示。2）相對濕度（圖1-2）相對濕度的日變化受地面性質(zhì)、水陸分布

11、、季節(jié)寒暑、天氣陰晴等影響，一般是大陸大于海面，夏季大于冬季，晴天大于陰天。相對濕度日變化趨勢與氣溫日變化趨勢相反。（3）絕對濕度通常一年中絕對濕度的大小和相對濕度相反，一年中最熱月的絕對濕度最大，最冷月的絕對濕度最小。23201J1計(jì)斗832if2124蜃夜的時(shí)聞九（h】溫度4片淵度4（七k肘眾度圖1-2相對濕度的日變化4風(fēng)風(fēng)是由大氣壓力差所引起的大氣水平方向的運(yùn)動(dòng)。地表增溫不同是引起風(fēng)的主要成因。（1）類型大氣環(huán)流（造成各地氣候差異的主要原因之一）a大氣環(huán)流是指大氣從赤道到兩極和從兩極到赤道的經(jīng)常性活動(dòng)。b控制大氣環(huán)流的主要因素是地球形狀和地球的運(yùn)動(dòng)。地方風(fēng)a.地方風(fēng)是指由于地表水陸分布、

12、地勢起伏、表面覆蓋等條件不同而引起的風(fēng)。b季風(fēng)由海陸間季節(jié)氣溫的差異引起，季風(fēng)的變化以年為周期。我國的季風(fēng)大部分來自熱帶海洋，多為東南風(fēng)和南風(fēng)。2）特性風(fēng)向是指風(fēng)吹來的地平方向，陸地風(fēng)向用16個(gè)方位表示。風(fēng)速即單位時(shí)間里風(fēng)所行進(jìn)的距離，以m/s表示。標(biāo)示為了直觀地反映一個(gè)地方的風(fēng)速和風(fēng)向，通常用風(fēng)玫瑰圖（圖1-3）表示北南東南rseNWt陌北東北曲佈5-m口帖臨國“11-157：15m/s圖1-3風(fēng)玫瑰圖（a）某地7月的風(fēng)向頻率分布圖；（b）某地全年風(fēng)速、風(fēng)向分布圖5降水（1）概念降水是指從大地蒸發(fā)出來的水汽進(jìn)入大氣層，經(jīng)過凝結(jié)后降到地面上的液態(tài)或固態(tài)水份。降水性質(zhì)包括降水量、降水時(shí)間和降水強(qiáng)

13、度等。a.降水量是指降落到地面的雨、雪、雹等融化后，未經(jīng)蒸發(fā)或滲透流失而積累在水平面上的水層厚度，以毫米（mm）為單位。b降水時(shí)間是指一次降水過程從開始到結(jié)束的持續(xù)時(shí)間，用時(shí)（h）、分（min）表示。c.降水強(qiáng)度是指單位時(shí)間內(nèi)的降水量，降水量的多少用雨量筒和雨量計(jì)測定。2）影響因素氣溫a.寒冷地區(qū)水的蒸發(fā)量不大，令空氣無力包容很多水汽，當(dāng)水汽凝結(jié)不可能產(chǎn)生大量降水。b炎熱地區(qū)水的蒸發(fā)強(qiáng)烈，空氣包容水汽的能力很大，水汽凝結(jié)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量降水。其他大氣環(huán)流、地形，海陸分布的性質(zhì)、洋流等。（3）規(guī)律a.我國降水量大體由東南向西北遞減，山嶺的向風(fēng)坡常為多雨的中心。b受季風(fēng)影響，雨量都集中在夏季，變化特大

14、，強(qiáng)度可觀，年雨量變化大。（4）降雪量不同地區(qū)差別很大，北緯35以北至45范圍為降雪或多雪地區(qū)。三、我國建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)及設(shè)計(jì)要求嚴(yán)寒地區(qū)（1）定義是指累年最冷月平均溫度低于或等于-10弋的地區(qū)。主要包括內(nèi)蒙古和東北北部、新疆北部地區(qū)、西藏和青海北部地區(qū)。（2）設(shè)計(jì)要求該區(qū)建筑必須充分滿足冬季保溫要求，加強(qiáng)建筑物的防寒措施，一般可不考慮夏季防熱。寒令地區(qū)（1）定義是指累年最冷月平均溫度為0一10弋的地區(qū)。主要包括華北地區(qū)、新疆和西藏南部地區(qū)及東北南部地區(qū)。（2）設(shè)計(jì)要求該區(qū)建筑應(yīng)滿足冬季保溫要求，部分地區(qū)兼顧夏季防熱。3夏熱冬冷地區(qū)（1）定義是指累年最冷月平均溫度為010弋、最熱月平均溫度25

15、-30C的地區(qū)。主要包括長江中下游地區(qū)，即南嶺以北、黃河以南的地區(qū)。（2）設(shè)計(jì)要求該區(qū)建筑必須滿足夏季防熱要求，適當(dāng)兼顧冬季保溫。4夏熱冬暖地區(qū)（1）定義是指累年最冷月平均溫度高于10C、最熱月平均溫度2529C的地區(qū)。包括南嶺以南及南方沿海地區(qū)。（2）設(shè)計(jì)要求該區(qū)建筑必須滿足夏季防熱要求，一般可不考慮冬季保溫。5溫和地區(qū)（1）定義是指累年最冷月平均溫度為013C、最熱月平均溫度18-25C的地區(qū)。主要包括云南、貴州西部及四川南部地區(qū)。（2）設(shè)計(jì)要求部分地區(qū)的建筑應(yīng)考慮冬季保溫，一般可不考慮夏季防熱。四、城市氣候和微氣候1城市氣候城市氣候是指在不同區(qū)域氣候條件下，在人類活動(dòng)特別是城市化影響下形

16、成的一種特殊氣候。（1）成因城市中由于街道縱橫，建筑物鱗次櫛比，高低不一，形成特殊的下墊面。城市密集人口的生活和生產(chǎn)活動(dòng)，消耗大量能源，排放很多人為熱”、人為水汽和污染物。（2）變化大氣透明度較小，削弱了太陽輻射。氣溫較高，形成熱島效應(yīng)”。a.熱島效應(yīng)是指由于城市的“人為熱”及下墊面向地面近處大氣層散發(fā)熱量比郊區(qū)多，氣溫比郊區(qū)高，而且由市區(qū)中心地帶向郊區(qū)方向逐漸降低的氣溫分布的特殊現(xiàn)象。b城市熱島強(qiáng)度是指市區(qū)最高溫度與郊區(qū)溫度之間的差。風(fēng)速減小、風(fēng)向隨地而異。市區(qū)內(nèi)風(fēng)速減小，風(fēng)向不定。蒸發(fā)減弱，濕度變小。城區(qū)年平均相對濕度比郊區(qū)低。霧多，能見度差。城市大氣中具有豐富的凝結(jié)核，可以產(chǎn)生大量的霧。

17、2.微氣候微氣候（熱微環(huán)境）是更小范圍的氣候變化，主要表現(xiàn)在日照狀況、氣溫、濕度、氣流分布等方面，主要受到地段下墊面、建筑群布局、選用的建筑材料等因素的影響。（1）下墊面的影響天然下墊面a天然下墊面以土壤、植被或水體為主要覆蓋物。b白天吸收的太陽輻射用于加熱空氣、土壤和植物，以及蒸發(fā)水體。c通過樹木和其它植被的蒸騰作用和光合作用吸收大部分熱量，反射部分熱量，土壤中貯存的剩余熱量會(huì)使土壤溫度上升，通過對流的方式加熱空氣。人工構(gòu)筑的下墊面a在城市居住區(qū)中，人工構(gòu)筑的下墊面多為硬性下墊面。b下墊面接收到的太陽輻射大部分用于加熱下墊面，進(jìn)而加熱表面附近的空氣。c被下墊面反射的太陽輻射為其它建筑物吸收，表面溫度升高，進(jìn)一步加熱空氣。（2）建筑物的影響建筑表面稱為立體下墊面，使進(jìn)入該區(qū)域的太陽輻射對該區(qū)域的空氣升溫作用更加明顯和快速。過程a.建筑表面遮擋部分原應(yīng)照射在地面上的太陽輻射，這些太陽輻射被建筑吸收而使表面溫度升高。b被地面反射的太陽輻射被建筑表面吸收或再反射到地面，增加居住區(qū)內(nèi)的能量累積。c原本地面與天空之間的輻射換熱被建筑遮擋，這些能量無法散發(fā)出去，留在居住區(qū)內(nèi)。材料（圖1-4）建筑物對居住區(qū)內(nèi)熱微環(huán)境的影響取決于多方面的因素