建筑熱物理基礎(chǔ)1

建筑熱物理基礎(chǔ)緒論本課程屬于建筑物理四個（聲、光、熱、氣候）分支學科之一，目的是探討外部熱環(huán)境的特性、室內(nèi)熱環(huán)境的形成原因與特性，以及人對環(huán)境的要求，是一門反映人－建筑－自然環(huán)境三者之間關(guān)系的科學。通過學習，了解建筑熱狀態(tài)和基本的熱物理模型，對具體如保溫、隔熱、空氣滲透、蒸汽滲透等技術(shù)問題加以解決的理論基礎(chǔ)。人和生產(chǎn)過程需要什么樣的室內(nèi)、外熱環(huán)境；了解室內(nèi)、外熱環(huán)境形成特征和影響因素。基本觀點和內(nèi)容：非穩(wěn)態(tài)的熱狀態(tài)描述；運用基本的傳熱學原理，描述和提供建立熱物理模型的思路和方法；多種傳熱傳質(zhì)途徑的綜合分析；

預備知識太陽與地球地球自轉(zhuǎn)：每天繞著通過它本身南極和北極的”地軸”自西向東地自轉(zhuǎn)一周。每轉(zhuǎn)一周(360°)為一晝夜,一晝夜又分為24h,所以地球每小時自轉(zhuǎn)15°。第一章建筑熱環(huán)境、第一節(jié)概述建筑熱環(huán)境:作用在房屋外因護結(jié)構(gòu)上的一切熱物理量的總稱。外圍護結(jié)構(gòu)的功能在于抵抗或利用熱作用，以便在房間產(chǎn)生易于控制的舒適的熱狀況。因此，在設(shè)計滿意的建筑圍護結(jié)構(gòu)時，必須洞悉作用在其上的各種熱，才能創(chuàng)造性地去利用已有的經(jīng)驗和創(chuàng)造新的技術(shù)。所謂滿意的建筑圍護結(jié)構(gòu)是就其適用性、經(jīng)濟性(建造與使用經(jīng)濟和節(jié)約能量)和耐久性而言的。本章的目的是要對作用在建筑外圍護結(jié)構(gòu)上的各種熱物理量的變化規(guī)律作定量的描寫。為了層次清晰想見，將建筑熱環(huán)境分為室外熱作用和室內(nèi)熱狀況兩方面加以論述。因為室外熱作用是外因，這個外因通過圍護結(jié)構(gòu)之后在室內(nèi)造成的結(jié)果是室內(nèi)熱狀況，所以，室內(nèi)熱狀況往往作為評價圍護結(jié)構(gòu)熱性質(zhì)的指標。熱環(huán)境是用熱輻射、氣溫、濕度及風速四個物理量來描的。而建筑熱環(huán)境，不論是室外熱作用，還是它內(nèi)熱狀況，也都是考察這四個熱物理量，或叫做熱氣候參量。第二節(jié)太陽輻射能太陽輻射熱是大氣過程的主要能源，也就是建筑熱環(huán)境四個參量中影響最大的一個。日照和遮陽是建筑設(shè)計首先關(guān)心的事情，這就是針對太陽輻射熱的。特別是房屋圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計，必須仔細考慮可作為能源使用的太陽輻射熱。愈來愈嚴重的能源危機迫使人們設(shè)計和建造被動控制建執(zhí)以利用自然能量，太陽輻射熱的利用是最重要的，這就對圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計提出更高的要求。太陽常數(shù)

在太陽與地球的平均距離處，垂直于入射光線的大氣上界單位面積上的熱輻射流，叫做太陽常量。從理論上計算得的常量I’o＝l395．6W／m2——天文太陽常量，實測分析決定的太陽常量I。＝1256w／m2叫做氣象太陽常量。多次衛(wèi)星測得：1367(±7)W／M2

世界氣象組織采用：1367W2／M2太陽輻射在大氣中的減弱

太陽輻射先通過大氣圈，然后到達地表，由于大氣對太陽輻射有一定的吸收、散射和反射作用，使投射到大氣上界的太陽輻射不能完全到達地面，所以在地球表面所呈現(xiàn)的太陽輻射強度比1367W/m2小。太陽光穿道地球大氣層時，各光譜成分的熱福射受到不同程度的減弱，但都滿足微分減弱定律。如圖l—l所示，對于波長為λ的光線，該定律表示為太陽輻射在大氣中的減弱太陽輻射在大氣中的減弱太陽輻射在大氣中的減弱曲線1是大氣上界太陽輻射光譜；曲線2是臭氧層下的太陽輻射光譜；曲線3是同時考慮到分子散射作用的光譜；曲線4是進一步考慮到粗粒散射作用后的光譜；曲線5是將水汽吸收作用也考慮在內(nèi)的光譜，它也可近似地看成是地面所觀測到的太陽輻射光譜。產(chǎn)生這些變化的原因有以下幾方面：

1.大氣對太陽輻射的吸收：太陽輻射穿過大氣層時，大氣中某些成分具有選擇吸收一定波長輻射能的特性。大氣中吸收太陽輻射的成分主要有水汽、氧、臭氧、二氧化碳及固體雜質(zhì)等。太陽輻射被大氣吸收后變成了熱能，因而使太陽輻射減弱。1.1水汽雖然在可見光區(qū)和紅外區(qū)都有不少吸收帶，但吸收最強的是在紅外區(qū)據(jù)估計，太陽輻射因水汽的吸收可以減弱4—15％。所以大氣因直接吸收太陽輻射而引起的增溫并不顯著。1.2

臭氧在大氣中含量雖少，但是對太陽輻射能量的吸收很強。在0.2-0.3微米為一強的吸收帶，使得小于0.29微米的輻射由于臭氧的吸收而不能到達地面。在0.6微米附近又有一寬的吸收帶，吸收能力雖然不強，但因位于太陽輻射最強烈的輻射帶里，所以吸收的太陽輻射量是相當多的。

1.3二氧化碳對太陽輻射的吸收總的說來是比較弱的，僅對紅外區(qū)4.3微米附近的輻射吸收較強，但這一區(qū)域的太陽輻射很微弱，被吸收后對整個太陽輻射的影響不大。此外，懸浮在大氣中的水滴、塵埃等雜質(zhì)，也能吸收一部分太陽輻射，但其量甚微。只有當大氣中塵埃等雜質(zhì)很多時，吸收才比較顯著。由以上分析可知：大氣對太陽輻射的吸收具有選擇性，因而使穿過大氣后的太陽輻射光譜變得極不規(guī)則。由于大氣中主要吸收物質(zhì)(臭氧和水汽)對太陽輻射的吸收帶都位于太陽輻射光譜兩端能量較小的區(qū)域，因而吸收對太陽輻射的減弱作用不大。也就是說，大氣直接吸收的太陽輻射并不多，特別是對于對流層大氣來說，太陽輻射不是主要的直接熱源。

3．太陽輻射對各種表面的照射及總輻射強度

天空和地面輻射的總散射輻射在任意表上的總散射強度太陽運行軌道和光線入射角天球特點：1、與直觀感覺相符的科學抽象2、天體在天球上的位置只反映天體視方向的投影3、天球上任意兩天體的距離用其角距表示4、地面上兩平行方向指向天球同一點5、任意點為球心

以任意點為球心，任意長為半徑，為研究天體的位置和運動而引進的一個與人們直觀感覺相符的假想圓球。天球上的基本點圈1、天極(p、p,)和天赤道(Q、Q,)2、天頂(Z)天底(Z,)和真地平3、天子午圈、四方點、和卯酉圈4、黃道和黃極5、二分點和二至點6、天極在天球上的位置h北＝φ1、天極和天赤道：天極：P過天球中心做一與地球自轉(zhuǎn)軸平行的直線（天軸），它與天球相交的兩點為天極。天赤道：QQ’

過天球中心做一與天軸垂直的平面（天赤道面），它與天球相交的大圓為天赤道。2、天頂、天底和真地平天頂：Z過天球中心做一直線與觀測點的鉛垂線平行，交天球于兩點，位于觀測者頭頂?shù)囊稽c稱天頂。天底：Z’

與天頂相對的另一交點為天底。真地平：過天球中心做一與鉛垂線垂直的平面，與天球相交的大圓為真地平。3、天子午圈、四方點、卯酉圈天子午圈：過天極和天頂?shù)拇髨A。四方點：天子午圈與真地平相交的兩點為南北點，（靠近北天極的為北點）天赤道與真地平相交的兩點為東西點。卯酉圈：過天頂和東西點所做的大圓弧。4、黃道與黃極黃道：過天球中心做一與地球公轉(zhuǎn)軌道平面平行的平面為黃道面，與天球相交的大圓為黃道。黃極：黃道所對應的兩個極點。黃赤交角：黃道與赤道的交角。ε＝230.55、二分點、二至點二分點：黃道與天赤道的兩個交點。春分點；秋分點二至點：黃道上與二分點相距900的另兩個點。夏至點；冬至點

當?shù)氐牡乩砭暥鹊扔诒睒O星的高度天球坐標系一、地平坐標基本點：天頂天底基本圈：真地平地平高度h:

由真地平沿過天體的地平經(jīng)圈向天頂、天底量度（00

—±900）（天頂距Z):Z＝900－h(huán)

方位角A:

起始點：南點北點由南點或北點沿真地平順時針度量到過天體的地平經(jīng)圈（00

–3600）時角坐標

基本點：天極基本圈：天赤道赤緯δ：由天赤道沿過天體的赤經(jīng)圈向兩極方向度量（00-±900）時角t：起始點：子午圈與天赤道南邊的交點。由起始點沿天赤道順時針量至天體所在赤經(jīng)圈（0h

–24h）

赤道坐標

赤緯δ：同上赤經(jīng)α：起始點：春分點由春分點沿天赤道逆時針方向量至天體所在赤經(jīng)圈（0h

–24h)

春分點的時角：

tr

＝(α＋t)黃道坐標基本點：黃極基本圈：黃道黃緯β：由黃道沿過天體的黃經(jīng)圈向兩邊度量（00

—±900）黃經(jīng)λ：起始點：春分點

由春分點沿黃道逆時針量至天體所在黃經(jīng)圈與黃道的交點（00

–3600)天球坐標系的變換一、赤道坐標與時角坐標的換算：

已知地方區(qū)時（如北京時）可以計算出地方恒星時，由地方恒星時S與時角t的關(guān)系式，α=S-t，可求出天體的時角t。

其他天球坐標系之間的換算可由球面三角基本公式得出換算公式。

（1）已知天體方位角A、天頂距z及地理緯度φ，利用球面三角公式求天體的時角t和赤緯δsinδ=sinφcosz-cosφsinzcosA（余弦公式）

cosδsint=sinzsinA（正弦公式）

cosδcost=sinφsinzcosA+coszcosφ（第一五元素公式）

地平坐標與時角坐標的換算：（2）已知天體的時角t赤緯δ和地理緯度φ，求天體的方位角A和天頂距z（或地平高度）

利用如下球面三角公式即可

cosz=sinφsinδ+cosφcosδcostsinzsinA=cosδsintsinzcosA=-sinδcosφ+cosδsinφcos赤道坐標與黃道坐標的換算公式

（1）由天體的赤經(jīng)α、赤緯δ；黃道與赤道的夾角