建筑物理課后作業(yè)

第1章作業(yè)(課堂）1.溫度是怎樣定義的？溫標主要有哪三種？它們相互間存在怎樣的換算關(guān)系？80℉為多少℃和多少K？（12分）答：世間萬物(任何物體）都包含著熱能；溫度是描述物體處于某一狀態(tài)時所包含熱能這一屬性的狀態(tài)參量。在熱學中用它來判別一物體與其他物體是否處于熱平衡狀態(tài)。溫標主要有三種：攝氏溫標、開氏溫標、華氏溫標。三者的關(guān)系是：1）攝氏溫標與開氏溫標的關(guān)系為：T(開氏)=t(攝氏)+273.15(K)2）華氏溫標與攝氏溫標的關(guān)系為：t(攝氏)=[F(華氏)-32]*5/9(℃)3）開氏溫標與華氏溫標的關(guān)系為：T(開氏)=[F(華氏)-32]*5/9+273.15(K)80℉為26.667℃、為299.817K2.空氣的濕球溫度該怎樣定義？什么是空氣的絕對濕度和相對濕度？兩者間存在怎樣的關(guān)系？（9分）答：空氣的濕球溫度是指溫度計的溫包部分為液態(tài)水潤濕（裹上薄層潤濕紗布），置于空氣中穩(wěn)定后讀出的溫度?？諝獾慕^對濕度是指1m3濕空氣中含有多少質(zhì)量的水分，單位kg/m3?？諝獾南鄬穸仁侵笣窨諝獾慕^對濕度ρv與同溫同壓下飽和絕對濕度ρs之比，它表示空氣容納水分的能力大小和空氣干燥程度，即RH=ρv/ρs兩者之間的聯(lián)系：在空氣溫度不變的情況下，相對濕度與絕對濕度成正比，即RH=ρv/ρs。兩者之間的區(qū)別：絕對濕度是指1m3濕空氣中含有水分的多少，它與空氣溫度無關(guān)；相對濕度與飽和絕對濕度ρs有關(guān)，而ρs只與空氣溫度有關(guān)，隨空氣溫度的升高而升高；所以相對濕度與空氣溫度有關(guān)，在絕對濕度不變的情況下，隨溫度升高而減少.3.什么是導熱？影響導熱的因素有哪些？（10分）答：由于溫度不同引起物體微觀粒子（分子、原子、電子等）的熱運動，從而產(chǎn)生熱量轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。影響導熱的因素有：導熱面積F、材料種類（反映在導熱系數(shù)λ上）、材料厚度d，還與溫差(t1-t2)和時間長短有關(guān)。4.有一內(nèi)墻為磚砌體，其導熱系數(shù)為0.81W/（m·℃），面積為12m2，厚度為240mm，兩表面溫度分別維持為27℃和22℃，保持10小時。求此墻導熱熱阻R和通過該墻的熱量Q為多少kJ及熱流密度q為W/m2。（15分）解：墻的導熱熱阻和熱流分別為：通過該墻的熱量Q:5.什么是對流傳熱和對流換熱，兩者有什么區(qū)別？影響對流換熱的因素有哪些？（15分）答：對流傳熱是指溫度不同的流體有宏觀相對位移（即發(fā)生相對運動）時，依靠流體微團的相互滲合，把熱量從一處轉(zhuǎn)移到另一處的現(xiàn)象。對流換熱是指流體流過固體表面，與固體間進行的熱交換的現(xiàn)象。兩者的區(qū)別：對流傳熱只在流體間進行熱量傳遞和轉(zhuǎn)移，只有單一傳熱機制；而對流換熱是指固體與流體之間的換熱，包含了導熱和對流傳熱兩種機制。影響對流換熱的因素：流體流過固體表面的流速、流體種類、固體種類，固體放置方式、流體流動模式、固體與流體接觸面積、固體表面與流體間的溫差、換熱時間有關(guān)。6.對于自然對流的換熱系數(shù)，有下述3個經(jīng)驗公式可供選擇，試說明各公式的應用條件及各系數(shù)不同的原因。（10分）答：前者用于垂直表面自然對流換熱；中者用于水平下表面自然對流換熱；后者用于水平上表面自然對流換熱。系數(shù)不同的原因：對流換熱與氣流流動速度有關(guān)，流動速度越大，換熱越強。由于上述各種放置和加熱方式對氣流流動的阻礙作用不同，造成了系數(shù)不同。中者對氣流流動阻礙作用最大，氣流最不易流動，故換熱系數(shù)最?。缓笳咦钣欣跉饬髁鲃?，故換熱系數(shù)最大；前者間于兩者之間，故系數(shù)也間于兩者之間。7.輻射傳熱的機理與導熱傳熱、對流傳熱有什么不同？什么是黑度？影響輻射換熱的因素有哪些？（12分）答：輻射傳熱的機理是依靠原子中電子振動和能級躍遷，將能量以電磁波形式向外輻射而傳熱；導熱的基理是靠微觀粒熱運動來傳遞，對流傳熱基理是依靠流體微團的相互滲合來傳遞。這就是它們間的不同之處。黑度是指灰體輻射系數(shù)C與黑體輻射系數(shù)Cb之比值即表示灰體的輻射光譜圖與黑體輻射光譜圖的接近程度。影響輻射換熱的因素有：物體的溫度、物體的相對位置、物體的黑度，物體的面積和換熱時間。8.假設(shè)人體表面為2m2,體表溫度為34℃，空調(diào)房間為3m×4m×2.9m，內(nèi)壁輻射溫度為26℃。試求空調(diào)房間中人與內(nèi)壁面單位時間的輻射換熱量。如果空調(diào)氣流以1m/s的速度掠過人體，再求人體單位時間的對流散熱量。（注：人體表面黑度為0.95，房間內(nèi)壁面黑度為0.92）。（17分）解答：(1)輻射換熱：人體在室內(nèi)為內(nèi)壁面所包圍，其向外輻射的熱量全部落在壁面上，故角系數(shù)ψ12=1Cb=5.68W/(m2·K4），C1=0.95Cb=0.95×5.68=5.396W/(m2·K4），C2=0.92Cb=0.92×5.68=5.2256W/(m2·K4），F(xiàn)1=2.0m2,F2=2(3×4+3×2.9+4×2.9)=64.6m2T1=34+273.15=307.15KT2=26+273.15=299.15K（2）對流換熱量：考慮到人體與空氣之間的對流換熱，包含自然對流和強制對流兩部分，故而換熱系數(shù)為：第2～4章作業(yè)（課堂）1.寫出人體熱平衡方程，并標明其中各項的物理意義。人體要感到熱舒適，必要條件和充分條件各是什么？（12分）解答：人體熱平衡方程及其中各項的物理意義為：人體要感到熱舒適，體溫既不能升高，也不能降低，因此，體內(nèi)產(chǎn)熱必須為體外對流、輻射、蒸發(fā)散熱所平衡，即必要條件是△q=0。人體感到熱舒適的充分條件是：對流、輻射、蒸發(fā)散熱的比例保持在以下范圍內(nèi)：即對流散熱：25-30%輻射散熱：45-50%蒸發(fā)散熱：25-30%2.影響人體熱冷感覺的因素有哪些？對于同一空調(diào)的影劇院（室內(nèi)氣溫ta=26℃，相對濕度RH=60%,氣流速度v=0.3m/s），為什么人們在夏季著短衫短褲看影劇感到熱舒適，而冬季則要著厚衣褲看影劇才感到熱舒適？（12分）答：影響人體室內(nèi)熱感覺的因素有室內(nèi)空氣溫度、空氣濕度、空氣流速、周圍輻射溫度、活動量與衣著狀況。在本題中，冬、夏兩季影劇院維持相同的室內(nèi)空氣溫度、相對濕度、氣流狀況，人都是坐著看戲活動量也相同。這四個因素對人體熱感覺的影響在冬夏兩季是相同的，不同之處只有壁面的輻射溫度和衣著狀況。夏季，由于室外氣溫較高、太陽輻射較強，致使內(nèi)壁面溫度較高，人體向周圍壁面輻射散熱較少，當壁溫高于體表溫度時，還從周圍壁體輻射獲得熱量,穿短薄衣褲可增加人體向室內(nèi)空氣的對流換熱、蒸發(fā)散熱和向內(nèi)表面的熱輻射，提高人體的熱舒適感。冬季，由于室外溫度較低，致使內(nèi)壁面溫度較低，人體向周圍壁面輻射散熱較多；因此，在冬季著厚衣服，可以減少向壁體的輻射散熱和對流散熱，提高人體的熱舒適感。3.影響建筑的室外氣候因素有哪些？在建筑設(shè)計中可采取哪些措施控制建筑的得熱和散熱？（16分）解答：影響建筑的室外氣候因素有：太陽輻射、空氣溫度、空氣濕度、風速風向、降水等；其中太陽輻射是最主要的因素。在建筑設(shè)計中，控制建筑的得熱和散熱是維持室內(nèi)熱舒適和建筑節(jié)能的重要措施。在全年都較寒冷的地區(qū)，主要控制建筑的散熱，在全年都較炎熱的地區(qū)，主要控制建筑的得熱，而在冬季寒冷和夏季炎熱的地區(qū)，既要控制建筑的得熱，又要控制建筑的散熱?？刂平ㄖ脽幔饕獜恼陉柡屯L入手：（1）安排建筑之間相互遮蔭，避免相互阻風。（2）選擇建筑主要朝向，避免東、西向暴曬。（3）在屋頂、東、西向使用構(gòu)件遮陽或綠化遮陽。（4）門窗位置、大小安排有利于內(nèi)外自然通風和遮陽。（5）提高建筑圍護結(jié)構(gòu)的隔熱能力。（6）減少室內(nèi)散熱設(shè)備，減小設(shè)備發(fā)熱量。控制建筑散熱，主要從避風和提高圍護結(jié)構(gòu)保溫性能入手：（1）選址規(guī)劃“負陰抱陽”。（2）安排建筑之間相互避風(圍合），減小風速造成的散熱。（3）選擇建筑主要朝向，爭取日照。（4）減小建筑外表與室外空氣接觸面積，即減小建筑體型系數(shù)。（5）門窗位置、大小有利于避風，減小冷風滲漏，爭取日照。（6）提高門窗、外墻、屋面的保溫能力。4.城市氣候有哪些特點？如何減弱或消除城市氣候帶來的不利影響？（16分）答：城市氣候是指某一地區(qū)在城市化后，由于人口密集，下墊面改變，大量資源消耗等原因，形成的一種與城市周圍不同的局地氣候。城市氣候特點：（1）大氣透明度差，太陽輻射減弱。（2）氣溫較高，形成“熱島”效應。（3）風速減小，風向各地而異。（4）蒸發(fā)減弱，濕度變小，形成“城市干島”。（5）城區(qū)降水量增多，形成“城市雨島”。城市云量比郊區(qū)為多，城市中下風方向降水量多。（6）霧多、能見度差。城市氣候有利有弊。“熱島”效應在冬季有利于采暖，但不利于夏季防熱；大氣透明度差，有利于減少人體受太陽輻射，但各種污染物，不利于人體健康；蒸發(fā)減弱，不利于城市降溫；降水增多，會形成洪澇；能見度度差，對交通安全不利。因此，總體上講，城市氣候帶來的影響，不利大于有利。減弱或消除城市氣候的不利影響，可從以下幾方面入手：（1）在城市選址和規(guī)劃中，控制城市人口規(guī)模；考慮主導風大小和方向，城市街道安排有利于城市通風，并將工業(yè)區(qū)布置在主導風下風側(cè)，減輕城市污染。5.中國建筑區(qū)劃分為幾個一級區(qū)和二級區(qū)？一級區(qū)劃分的主要指標是什么？二級區(qū)劃分的指標又是什么？（12分）答：中國建筑區(qū)劃分為7個一級區(qū)和20個二級區(qū)。一級區(qū)反應大差別，其主要指標是平均氣溫（1月和7月）、相對濕度（7月）。二級區(qū)劃分進一步反映一級下的差別，其指標依據(jù)不同氣候特性而定，見下表：6.中國建筑熱工設(shè)計分區(qū)分為哪五個區(qū)，各區(qū)對建筑的得失熱量設(shè)計方面提出了什么要求？（15分）答：中國建筑熱工設(shè)計分區(qū)，以累年最冷月（1月）和最熱月（7月）平均溫度作為主要指標；用累年日平均溫度≤5℃和≥25℃的天數(shù)為輔助指標，將我國分為嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、溫和地區(qū)，主要用于建筑的熱環(huán)境和保溫隔熱設(shè)計。方位角和時角區(qū)別：時角是基于赤道面而定義的，用來表示太陽離中午的時間，只在1天中變化，Ω=15(t-12);同一時刻同一經(jīng)度線上太陽時角相同，與緯度無關(guān)。方位角是基于地平面而定義的，用來表示太陽的方位。同一時刻同一經(jīng)度線上，太陽方位角隨緯度變化。太陽方位角隨時刻和季節(jié)而變化。方位角和時角聯(lián)系：子午圈平面是定義時角和方位角的共同平面；在子午圈上，太陽時角等于方位角為0°；都是向西為正，向東為負。如果知道太陽在某一時刻的赤緯角，某地緯度，則方位角和時角可相互換算：可以通過上述式子計算日出日落的太陽方位和時角，從而計算某地在某天的日出日落太陽時。9.廈門（φ＝23°）有一組住宅建筑，室外地平的高度相同，設(shè)其朝向南偏東15°，后棟建筑一層窗臺高1.5m，前棟建筑總高15m（從室外地平至檐口，則其計算高度H0為13.5m），要求后棟建筑在大寒日正午12點前后各1.5小時日照(共3小時)，求其必需的建筑間距。如果朝向改為正南向,必需的建筑間距又為多少?解答：緯度φ=23°，大寒日δ=-20°，正午12點前后各1.5小時，時角Ω=±15°×1.5=22.5正南向，a=0°10.根據(jù)自己出生地所在城市(或鄰近城市)類型和氣候區(qū)要求,用計算法作相應日期的棒影圖(表明城市名,緯度,日期,棒高比例)11.用上述棒影圖,求兩同高建筑物正南朝向排列時，保證從11:00到13:00兩小時日照，間距D與建筑物高度H之比。以泉州為例(1)查找相應日期：氣候區(qū)與日照間距標準要求第5～6章作業(yè)（課堂）1.北京某住宅一外墻直接與室外空氣接觸,擬采用右圖所示構(gòu)造：從內(nèi)到外分別是10mm水泥砂漿,加氣混凝土（500kg/m3)保溫,120mm碎石混凝土,10mm水泥砂漿。(1)如果室內(nèi)采暖溫度維持在18℃,室外計算溫度取-14℃,要使該墻內(nèi)表面不結(jié)露,最小總熱阻應是多少?為了滿足最小總熱阻要求,加氣混凝土應設(shè)計成多厚才符合要求?解答：根據(jù)題意條件知，室內(nèi)氣溫ti=18℃，室外氣溫te=-14℃查找相應參數(shù)得：n=1.00,[△t]=6.0℃,Ri=0.11(m2·℃)/WRe=0.043(m2·℃)/W最小總熱阻為：Rmin=(ti-te)nRi/[△t]=(18+14)×1×0.11/6=0.586(m2·℃)/W各層熱阻：內(nèi)水泥砂漿R1=d1/λ1=0.01/0.93=0.01075(m2·℃)/W碎石混凝土R3=d3/λ3=0.12/1.51=0.07947(m2·℃)/W外水泥砂漿R4=d4/λ4=0.01/0.93=0.01075(m2·℃)/W所需加氣混凝土熱阻：R2=Rmin-Ri-R1-R3-R4-Re=0.586-0.11-0.01075-0.07947-0.01075-0.043=0.3315(m2·℃)/Wd2=R2×λ2=0.3315×0.19=0.063m查對應的飽和水蒸氣壓力為：Psi=2062.5pa；Pswi=1401.2pa；Ps1=1347.9paPs2=346.6pa；Ps3=237.3pa；Ps4=Pswe=225.3paPse=181.3pa（3）如果室內(nèi)相對濕度維持60%，室外相對濕度為80%，試求各層界面實際水蒸氣壓力，并將其分布表示在圖上。解答：水蒸氣實際分壓力計算Pi=Psi×0.6=2062.5×0.6=1237.5PaPwi=Pi=1237.5PaPe=Pse×0.8=181.3×0.8=145.04PaPwe=Pe=145.04Pad1=0.01m,μ1=0.0000210g/(m·h·Pa)H1=476.19(m2·h·Pa)/g,d2=0.063m,μ2=0.0000998g/(m·h·Pa)H2=631.26(m2·h·Pa)/gd3=0.12m,μ3=0.0000173g/(m·h·Pa)H3=6936.41(m2·h·Pa)/gd4=0.01m,μ4=0.0000210g/(m·h·Pa)H4=476.19(m2·h·Pa)/g2.室外綜合溫度是怎樣定義的？它有什么用處？受那些因素影響？如果1題中墻為西墻，青灰色，其在夏季所受太陽輻射見下表，求綜合溫度的平均值tsa和最高值tsmax,以及最高值出現(xiàn)的時間。tea℃temax℃ImaxW/m2IaW/m2aeW/(m2·K)30.236.3(15h)697(16h)15519解答：室外綜合溫度tsa是一個假想的溫度，其對建筑物外表的熱作用與室外空氣和太陽輻射共同對建筑物外表的熱作用相當。數(shù)學定義為：其用處就是要將復雜的室外熱作用簡化，用單一因素熱作用代替。影響因素有：空氣溫度、太陽輻射、表面吸收系數(shù)，以及與外表面熱轉(zhuǎn)移系數(shù)相關(guān)的各種因素。查找西墻表面對太陽輻射的吸收系數(shù)，p89頁為0.7，其綜合溫度平均值為：Ate=（temax-tea)=36.3-30.2=6.1℃Ats=0.7×（Imax-Ia）/19=0.7×（697-155）/19=19.97℃Ats/Ate=19.97/6.1=3.273Imax與temax出現(xiàn)的時差為1h,查表得修正系數(shù)為β=0.99Asa=（Ate+Ats）×β=（6.1+19.97）×0.99=25.8093℃tsamax=35.91+25.8093=61.7193℃3.一房間平面尺寸為7m×15m，凈空高5m，在天棚正中布置一亮度為500cd/m2的均勻擴散光源，其尺寸為5m×13m，求房間正中和四角處的照度。（不考慮光反射）解答：知道面光源亮度，求其在某處形成的照度的公式為E=LΩcosθ對房間地面中心點有：Ω1=5×13×cosα1/r12=5×13×cos0°/（5×5）=2.6SrCosθ1=cos0°=1中心點照度E1為：E1=LΩ1cosθ1=500×2.6×1=1300lx又Ｌ（cd/m2)=E(lx)×ρ/π16×104=E２(lx)×0.8/3.1415E2=6.283×105lx第5題解答1)根據(jù)采光系數(shù)定義得C=Ei/E0由書中例得水平窗洞在桌面形成的照度為：Ei=2500lx,由題有E0=10000lxC=2500/10000=0.