第一章建筑热工学
建筑热工学的主要任务是以热物理学、传热学和传质学作为理论基础，应用已揭示的传热、传质规律，通过规划和建筑设计上的手段有效地防护和利用室内、外气候因素，合理地解决建筑设计中围护结构的保温、隔热和防潮等方面的间题，以创造良好的室内气候条件，节约能源并提高围护结构的耐久性
第一节建筑热工学基本原理
一、传热方式
热量的传递称为传热。根据传热机理的不同，传热的基本方式分为导热、对流和辐射。
(一)导热(热传导)
导热是指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体直接接触而发生的传热现象
1.傅立叶定律
导热基本定律，即傅立叶定律的数学表达式为：
式中q——热流密度(热流强度)，单位时间内，通过
等温面上单位面积的热量，单位为W/m2
——温度梯度，温度差△t与沿法线方向两个等温面
之间距离△n的比值的极限，单位为K/m
λ——材料的导热系数，单位为W/(m·K)
均质材料物体内各点的热流密度与温度梯度成正比，图1-1等温面示意图
但指向温度降低的方向。式(1-1)中的负号表示热量的传递方向和温度梯度的方向相反。
2.导热系数
表征材料导热能力大小的量是导热系数，单位是W/(m·K)。其数值是物体中单位温度降度(即1m厚的材料的两侧温度相差1oC时)，单位时间内通过单位面积所传导的热量。
各种材料导热系数入的大致范围是：
气体：0.006～0.6W/(m·K)
液体：0.07～0.7W/(m·K)
金属：2.2～420W/(m·K)
建筑材料和绝热材料：0.025～3W/(m·K)
空气在常温、常压下导热系数很小，所以围护结构空气层中静止的空气具有良好的保温能力。
材料的导热系数不但因物质的种类而异，而且还和材料的温度、湿度、压力和密度等因素有关。而影响导热系数主要因素是材料的密度和湿度。
(1)密度。一般情况下，密度小的材料导热系数就小，反之就大。但是对于一些密度较小的保温材料，特别是某些纤维状材料和发泡材料，当密度低于某个值以后，导热系数反而会增大。在最佳密度下，该材料的导热系数最小。
(2)湿度。建筑材料含水后，水或冰填充了材料孔隙中空气的位置，导热系数将显著增大，在建筑保温、隔热、防潮设计时，都必须考虑到这种影响。
(3)温度。大多数材料的导热系数随温度的升高而增大，工程计算中，导热系数常取使用温度范围内的算术平均值，并把它作为常数看待。
(4)热流方向。各向异性材料(如木材、玻璃纤维)，平行于热流方向时，导热系数较大，垂直于热流方向时，导热系数较小。
(二)对流
对流传热只发生在流体(液体、气体)中，它是因温度不同的各部分流体之间发生相对运动，互相掺合而传热能的。
由于引起流体流动的动力不同，对流的类型可分为自然对流和受迫对流：
(1)自然对流：由于温度的不同引起的对流换热。
(2)受迫对流：由外力作用形成的对流。受迫对流在传递热量的强度方面要大于自然对流。
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，与壁面之间所产生的热交换过程，也包括空气分子之间和相互接触的空气分子与壁面分子之间的导热过程。这种对流与导热的综合过程称为表面的“对流换热”。它的基本计算式为牛顿冷却公式：
式中qc——对流换热强度，W/m2
αc——对流换热系数，W/(m2·K)
t——流体主体部分温度，K
θ——固体壁面温度，K
空气同屋顶和墙壁的表面之间的稳定相差越大，对流换热量越多;表面越光滑，对流越顺畅，换热量越多。
(三)辐射
由于自身温度或热运动的原因而激发产生的电磁波传播称为热辐射。
1.热辐射的本质和特点
(1)辐射换热与导热、对流换热不同，它不依靠物质的接触而进行热量传递。
(2)辐射换热过程伴随着能量形式的两次转化，即物体的部分内能转化为电磁波能发射出去，当此电磁波能射到另一物体表面而被吸收时，电磁波能有转化成内能。
(3)一切高温物体只要温度绝对零度(0K)，都会不断发射热射线，当物体有温差时，高温物体辐射给低温物体的能量多于低温物体辐射给高温物体的能量。
2.物体的辐射特性
物体按其辐射特性分为黑体、灰体和选择性辐射体(非灰体)三大类。
(1)黑体：能发射全波段的热辐射，在相同的温度条件下，辐射能力最大。
(2)灰体：如果—个物体在每一波长下的单色辐射力与同温度、同波长下黑体的单色辐射力的比值为—常数，这个物体称为灰体。一般建筑材料均可看作为灰体。
灰体的辐射本领Eλ与同温度下黑体的辐射本领Eλ，b的比值称为黑度(发射率)ε。
(3)选择性辐射体(非灰体)：此类物体的单色辐射力与黑体、灰体截然不同，有的只能发射某些波长的辐射线。
(4)全辐射力E(辐射本领，全辐射本领)：在单位时间内、从单位表面积上以波长0～∞的全波段向半球空间辐射的总能量，单位：W/㎡，
黑体的全辐射能力Eb(斯蒂芬—波尔兹曼定律)，可表示为：
式中Tb——黑体的绝对温度，K。
σb—黑体辐射常数，5.68x10—8W/(㎡·K4)，
Cb一一黑体辐射系数，5.68W/(㎡·K4)
灰体的辐射能力E
式中T——灰体的绝对温度，K;
C——灰体辐射系数，W/(㎡，K4);
ε——灰体的黑度。
物体表面向外辐射热量的多少，是物体的表面温度和辐射能力来决定的。表面温度越高，辐射的热量越多，辐射能力越强。辐射系数C表示物体表面的辐射能力，一般粗造的表面辐射力大，光滑的表面辐射力小。
(5)单色辐射力Eλ(单色辐射本领)：单位时间内从单位表面积向半球空间辐射出的某一波长的能量，单位：W/(m2·μm)。
3.物体对外来辐射的反射、吸收和透射
当辐射热落到不透明的物体表面时，例如太阳辐射到墙面或屋面，物体表面就会把一部分辐射热反射出去，吸收气其余部分，如遇到透明体，例如窗玻璃，则还有一部分辐射热透过去，见图1-2.
(1)反射系数r：被反射的辐射能Ir与入射辐射能Io的比值。
(2)吸收系数ρ：被吸收的辐射能Iρ，与入射辐射能Io的比值。
(3)透射系数：被透射的辐射能I与入射辐射能Io的比值。
显然，(1-9)
如果物体能全部吸收外来射线，即ρ=1则这种物体被定义为黑体(绝对黑体);如果物体能全部反射外来射线，即r=1，不论是镜面反射还是漫反射，均称为白体(绝对白体);如果物体能将外来辐射全部透过，即τ=1。则称透明体
4.影响材料吸收率、反射率、透射率的因素
材料的吸收系数、反射系数、透射系数是物体表面的辐射特性，与物体的性质、温度及表面状况有关，还和投射能量的波长分布有关。
对于任一特定的波长，材料表面对外来辐射的吸收系数与其自身的发射率或黑度在数值上是相等的，即ρ=ε，所以材料的辐射能力越大，它对外来辐射的吸收能力也越大。常温下，一般材料对辐射的吸收系数可取其黑度值，对来自太阳的辐射，材料的吸收系数并不等于物体表面的黑度。
物体对不同波长的外来辐射的反射能力不同，对短波辐射，颜色起主导作用;但对长波辐射，材性(导体还是非导体)起主导作用。在阳光下，黑色物体与白色物体的反射能力相差很大，白色反射能力强;而在室内，黑、白物体表面的反射能力相差极小。对于建筑物来说，外围护的外表面涂成白色或浅色，而且做的光滑，可以减少对太阳辐射热的吸收，对防热是有好处的。
玻璃作为建筑常用的材料属于选择性辐射体，其透射率与外来辐射的波长有密切的关系。易于透过短波而不易透过长波是玻璃建筑具有温室效应的原因。
5.辐射换热量
物体之间，以辐射形式进行热量交换称为辐射换热。如散发的热量多于接受的热量，物体表面温度就下降，反之得多于失，表面温度就上升。两表面间的辐射换热量主要与表面的温度、表面发射和吸收辐射的能力、表面的几何尺寸与相对位置有关。
若不计两表面之间的多次反射，仅考虑第一次吸收的前提下，任意两表面的辐射换热量的通式为
式中q1-2——辐射换热热流密度，W/㎡;
θ1——表面1的温度，K;
θ2——表面2的温度，K;
αr——辐射换热系数，W/(㎡·K)。
辐射换热系数αr取决于表面的温度、表面发射和吸收辐射的能力、表面的几何尺寸与相对位置。
上述三种基本传热方式，在建筑传热过程中，都会以二种或者三种方式同时出现。不过，在一定条件下以某种传热方式为主。
、外围护结构的传热过程和特点
图1-3围护结构传热过程
1吸热阶段
2导热阶段
3放热阶段
室内空气
墙体
室外空气
(一)外围护结构的传热过程
室内空气通过围护结构与室外空气进行热量传递的过程，称为围护结构的传热过程，整个过程分成三个阶段(图1-3)
(1)表面吸热阶段：内表面从室内吸热(冬季)或外表面从室外空间吸热(夏季)。
(2)结构本身传热阶段：热量由结构的高温表面传向低温表面。
(3)表面放热阶段;外表面向室外空间放热(冬季)或内表面向室内空间放热(夏季)。
(二)表面换热
热量在围护结构的内表面和室内空间或在外表面和室外空间进行传递的现象称为表面换热。
表面换热由对流换热和辐射换热两部分组成。
式中q——表面换热量，W/m2
θ——室内或室外壁面温度，K;
t——室内或室外气温，K。
α——表面换热系数
αc——对流换热系数，W/(㎡·K);
αr——辐射换热系数，W/(㎡·K)。
三、湿空气的物理性质
地球上的空气(大气)，是由干空气和水蒸气组合而成的混合物，称之为湿空气。
湿空气中水蒸气含量很少，却对湿空气的状态变化有着很大的影响。湿空气状态的变化过程，会直接影响建筑物围护结构的潮湿状况，更会明显地影响人们对建筑环境的潮湿感觉。
(一)水蒸气分压力与饱和水蒸气分压力
在一定的温度下，湿空气中水蒸气部分所产生的压力称为水蒸气分压力，用P表示，湿空气的总压力Pw是干空气压力Pd和水蒸气分压力P之和。
在温度和压力一定的条件下，一定容积的干空气所能容纳的水蒸气量是有限度的，湿空气中水蒸气含量未达到这一限度时叫未饱和湿空气，达到限度时叫饱和湿空气，对应的水蒸气分压力称为饱和水蒸气分压力，用Ps表示，标准大气压下，Ps只与温度有关，且随温度升高而增大。
(二)空气湿度
空气湿度是用来表示空气干、湿程度的热物理量，空气湿度有不同的表示方法
(1)绝对湿度：绝对湿度：单位容积湿空气中所含水燕气的质量称为绝对湿度，用f表示，单位：g/m3。饱和湿空气的绝对湿度用fmax表示，单位：g/m3。
(2)含湿量：单位质量的干空气虽含水蒸气的质量，用d表示。
(3)相对湿度：一定温度、一定大气压力下，温度一定时，湿空气的绝对湿度f与同一温度下饱和湿空气的绝对湿度fmax的百分比称为湿空气的相对湿度，用表示。
相对湿度也可以用湿空气中的水蒸气的分压力与同温度下饱和水蒸气分压力之比表示，即
(三)露点温度
在湿空气的压力和含湿量保持不变的情况下冷却空气，这时湿空气的相对湿度会随着温度的下降而提高，当相对湿度达到100%时湿空气就成了饱和湿空气，此时的温度就是湿空气的露点温度，用td表示。
露点温度是一个用来判断湿空气结露与否的重要参数，当围护结构内表面温度低于室内空气的露点温度时，内表面将产生结露.
四、建筑室内热环境
室内热环境是指室内空气温度、空气湿度、气流速度及环境辐射温度等因素综合组成的一种热物理环境。
(一)室内热环境要素及其对人体热舒适的影响
1.影响室内热环境的因素
影响室内人体热舒适的因素有六个，其中两个主观因素，四个客观因素。主观因素之一是人体所处的活动状态，如站、跑、大量运动或静坐。这与人体的新陈代谢解关，可以用人的新陈代谢率来代表人体的活动状态。主观因素之二是人体的衣着状态。衣着状态可以用服装的热阻(单位：clo)来描述。影响人体热舒适的四个客观影响因素都是室内的气象参数，分别是室内空气温度、空气湿度、气流速度和环境辐射温度。人的热舒适感是在上述六个因素共同影响下的一种综合效果。
影响人体热舒适的各室内气候参数之间在很大程度上是可以互换的。一个参数的变化所造成的影响常可以由另一个因素的变化所补偿。例如，室内温度升高了，人感到热了，但增加空气流动，如开电风扇，人的感觉就没有那么热了.
2.对室内热环境的要求
房间的使用性质不同，对其内部的热环境要求也不相同。以满足人类生理卫生需要为主的房间(如居住建筑、公共建筑和一般生产房间)，对室内热环境的要求是保证人的正常生活和工作，以维护人体的健康.
(1)人体的热感觉
人体作为室内的一部分参与室内的热交换。人体与室内的热交换主要以对流和辐射的方式进行.室内气候对人体舒适的影响主要表现为冷热感。冷热感取决于人体新陈代谢产生的热量(以下简称为人体产热量)和人体向周围环境散热量之间的平衡关系。这种关系可用式(l-15)表示
从人体热平衡的角度来说，建筑师的任务就是为人类营造良好的室内热环境，使生活、工作在其中的人们保持舒适状态下的人体热平衡，即正常热平衡.这种热平衡有利于人们的身体健康
(2)热舒适
热舒适是指人对环境的冷热程度感觉满意，不因冷或热感到不舒适。人的生存能力很强，可以在-20℃到+40℃的范围内生活。然而，人体感到舒适的范围却在22℃到28℃的范围之间。人体最满意的温度范围是24~26℃之间。满足舒适的条件是：满足舒适的条件是：
必要条件：充分条件：皮肤温度处于舒适的温度范围内，汗液蒸发率处于舒适的蒸发范围内。
室内热环境可分为舒适、可以忍受和不能忍受三种情况，只有采用充分空调设备的房间才能实现完全舒适的要求，对大多数建筑而言，应以保证人体健康不受损害为准则，确定对室内热环境的要求。
(二)室内环境的评价方法和标准
1.单一指标
使用室内空气温度作为热环境评价指标。目前，我国许多设计规范和标准均以室内温度为控制指标。例如，对冬季采暖设计温度，规范规定居住建筑取18℃，托幼建筑为20℃。这种方法简单、方便，但不很完善。
2.有效温度
有效温度ET(EftectiveTemperature)的定义是：“这是一个将干球温度、湿度、空气流速对人体温暖感或冷感的影响综合成一个单一数值的任意指标.它在数值上等于产生相同感觉的静止饱和空气的温度”。它意味着在实际环境和饱和空气环境中衣着和活动强度相同，且平均辐射温度等于空气温度。有效温度通过人体试验获得
有效温度的缺陷是过高地估计了湿度在低温凉爽和舒适状态的影响。因此已经被新有效温度ET*所替代，以提供一个适用于穿标准服装和坐着工作的人的舒适指标。通过对身着0.6clo服装，静坐在流速为0.15m/s的空气中的人的热舒适实验，采用相对湿度50%时的空气温度来作为与其冷热感相同环境的有效温度，即同样服装和活动的人在某环境中的冷热感与在相对湿度50%的空气环境中的冷热感相同，则后者所处环境的空气干球温度就是前者的ET*。该指标只适用于着装轻薄、活动量小、风速低的环境。
通用的指标——标准有效温度(SET*)是对新有效温度的内容有所扩展，综合考虑了不同活动水平和衣服热阻形成的。
(3)预测平均评价PMV
预测平均评价PMV(PredictedMeanVote)指标方法包括PMv指标与预测不满意百分率PPD两方面的内容，是由丹麦范格尔教授提出来的。该指标以人体热平衡方程式以及生理学主观感觉的等级作为出发点，综合反映了人的活动、衣着及环境的空气温度、相对湿度、平均辐射温度和室内风速等因素的关系以及影响，是迄今为止考虑人体热舒适诸多有关因素最全面的评价指标，被国际标准化组织ISO确定为评价室内热环境指标的国际标准(ISO-DIS7730)。PMV值所对应的冷热感如表1-1。
PMV指标是一个适用于适度热环境的标准。对于极端的热环境，应使用其他标准。
(三)室内环境控制
为达到满意的舒适温度范围，应该从几个层次上进行热环境设计。
(1)小区热环境设计
小区规划中建筑群的布局合理，间距适当，有利于寒冷地区争取日照或炎热地区组织自然通风书小区环境设计优美，良好的绿化可以使小区的热环境和微气候有较大的改善。
(2)合理设计建筑物
确保围护结构达到保温隔热的要求，正确选择朝向以争取日照或合理组织室内自然通风，处理好窗户保温、热桥保温、遮阳等与室内热环境密切相关的构造问题，进一步创造较好的室内热环境。
(3)采用空气调节或采暖设备，以满足人体舒适的要求。
五、建筑室外热环境
室外热环境是指作用在外围护结构上的由太阳辐射、室外气温、空气湿度、风、降水等因素综合构成的一种热环境。
(一)太阳辐射
1.太阳辐射的基本过程
太阳辐射是地球上所有气候能源的根本来源，是决定气候的主要因素。地球上的所有气象现象如空气温度变化、风的形成、地温的变化、海水的温差的形成等都直接或间接地受其影响。
到达地面的太阳辐射由两部分组成，一是太阳直接射达地面的部分，称为直接辐射，它的射线是平行的;另一部分是经大气散射后到达地面的，它的射线来自各个方向，称为散射辐射。直接辐射与散射辐射之和就是到达地面的太阳辐射总量，称为总辐射量。
2.太阳常数
在太阳与地球的平均距离处，垂直于人射光线的大气界面单位面积上的热辐射流，称为太阳常数，从理论上计算的太阳常数I0=1395.6W/m2，为天文太阳常数，用实测分析决定的太阳常数I0=1256W/m2，称气象太阳常数。
太阳辐射透过大气层时，由于受到云层的反射和大气层中气体分子及各种微粒的散射和吸收的作用，使得到达地球表面的辐射强度大大减弱。地理位置不同，到达地表的太阳辐射强度差异较大。
3.影响太阳辐射照度的因素
太阳辐射强度大小是用单位面积和单位时间内接收到的太阳辐射能量表示，分别为太阳直射辐射照度、太阳散射辐射照度和太阳总辐射照度或简称太阳辐射照度。太阳总辐射照度是直射辐射照度和散射辐射照度之和。影响辐射照度的因素有大气中射程的长短、太阳高度角、海拔高度以及大气质量。
4.太阳光谱
太阳辐射的热射线部分，也称作太阳光谱，主要分布在紫外、可见光和红外，其中97.8%是短波辐射，而地面及常温下物体的辐射为长波辐射。
(二)室外气温
1.变化规律
气温有着明显的日变化和年变化特征。地球围绕太阳公转形成一年四季的气温变化，北半球最高气温大约出现在7月下旬至8月上旬，最低气温大约出现在1月下旬至2月上旬。地球自转形成一天的气温变化，日气温最高值出现在午后2时前后，日气温的最低值出现在日出前后。
2.室外温度计算
由于建筑热工计算的室外计算温度是通过各地历年的气温观测数据按照一定的规则统计计算所得出的数值。
(三)空气湿度
1.湿度
空气中水蒸气含量的多少，可以用相对湿度或绝对湿度来表示，通常使用先对湿度表示空气湿度。
2.变化规律
一般来说，某一地区在一定时间内，空气的绝对湿度变化不大，空气中的水蒸气含量冬季几乎没有变化，夏季在午后气温达到最高时因地表蒸发旺盛导致绝对湿度稍有增加。相对湿度的日变化情形则是以日为周期波动的，它与气温的日变化波动方向相反，一般气温升高则相对湿度减小.气温降低则相对湿度增大，最低值出现的时刻对应于气温最高值出现的时刻，一般在13-15时左右;而最高值出现的时刻则对应于气温最低值出现的时刻，一般在日出前后。
(四)风
风是指由大气压力差所引起的大气水平方向的运动。
1.风的类型
(1)大气环流：由于太阳辐射热在地球上照射不均匀，使得赤道和两极之间出现温差，从而引起大气在赤道和两极之间产生活动，即为大气环流。
(2)地方风：局部地区受热不均引起的小范围内的大气流动，如悔陆风、山谷风、林原风等。
2.风向、风频和风玫瑰图
风是矢量，风向和风速是描述风的特性的两个要素。
(1)风向
风吹来的地平方向为风向，可使用四方位东(E)、南(s)、西(W)、北(N)表示，细分则使用八方位，即在上述四方位中增加东南(SE)、东北(NE)、西南(SW)、西北(NW),甚至使用十六个方位表示。
风频，各风向的频率。风频是了解某地各风向出现频率的特征量，它是用个风向出现的次数占风向总观测次数的百分率来表示。
风向玫瑰图，即风向分布图。是一定时间内在各方位刮风次数的统计图，可由此了解当地的风向，尤其是不同季节的主导风向。
(2)风速
单位时间内风通过的距离，m/s。气象学上根据风速将风分为十二级。
(五)降水
从大地蒸发出来的水蒸气进人大气层，经过凝结后又降到地面上的液态或固态水分称为降水，雨、雪、冰雹等都是降水现象.降水性质由降水量、降水时间和降水强度等内容来描述。
1.降水量
降水量是指一定时间段内液态或固态(经融化后)降水，未经蒸发、渗透或流失而在水平面积累的水层厚度，单位：mm
2.降水时间
指一次降水过程从开始到结束的持续时间，单位：h或min
3.降水强度
指单位时间内的降水量。降水强度的等级，是以24h的总量来划分：小雨<10mm;中雨10～25mm;大雨25～50mm;暴雨50～100mm。
(六)建筑热工设计分区
我国幅员辽阔，地形复杂，各地的气候差异悬殊，为了适应不同的气候条件，在建筑和城市规划上必然要反映出不同的特点和要求。从建筑热工设计角度出发把我国各地气候划分为五个气候分区，分区指标和建筑设计要求如表1-2。
