柳孝圖《建筑物理》(第3版)筆

記和課后習題詳解

第1篇建筑熱工學

建筑熱工學的任務是依照建筑熱工原理，論述通過規(guī)劃和建筑設計手段,

防護或利用室內(nèi)外氣候因素，解決房屋的日照、保溫、隔熱、通風、防

潮等問題，創(chuàng)造良好的室內(nèi)氣候環(huán)境并提高圍護結構的耐久性。

第1章室內(nèi)外熱環(huán)境

i.i復習筆記

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)境之間的熱平衡關系可用下列公式表示：

△q=qm±qc±qr-qw

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荷”。

△q值與人們的體溫變化率成正比

當《＞0時，體溫將升高；

當?shù)模?時，體溫將降低。

當”=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)。

當達到熱平衡狀態(tài)時，對流換熱約占總散熱量的25%~30%,輻射散

熱量占45%~50%,呼吸和無感覺蒸發(fā)散熱量占25%~30%時，人體

才能達到熱舒適狀態(tài)，能達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qm

①qm主要決定于人體的新陳代謝率及對外作機械功的效率。

②單位時間內(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m表示，單位為W/m2(人體表面積)，lmet=58.2W/m2。

③新陳代謝率的數(shù)值隨人的活動量而異，人體新陳代謝過程釋放出的能

量有時部分用來對外作機械功，大部分則轉化為人體內(nèi)部的熱量，即人

體新陳代謝產(chǎn)熱量。

(2)對流換熱量qc

①是當著衣體表面與周圍空氣間存在溫度差時的熱交換值，取決于著衣

體表面和空氣間的溫差、氣流速度以及衣著的熱物理性質。

②人體皮膚的溫度并非均勻一致，也會受到環(huán)境因素的影響。

a.當人體平均皮膚溫度高于空氣溫度時，則qc為負值，人體向周圍空

氣散熱，且氣流速度愈大，散熱愈多；

b.當空氣溫度高于人體平均皮膚溫度時，則qc為正值，人體從空氣

中得熱，成為人體對流附加熱負荷，且氣流速度愈大，得熱愈多。

③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。

④在人體與周圍空氣的對流換熱中，人體所著服裝會有影響。衣服的熱

阻越大，則對流換熱量越小。

(3)輻射換熱量qr

是在著衣體表面與周圍環(huán)境表面間進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。

①當人體溫度高于周圍表面溫度時，人體失熱，qr為負值；

②反之，人體得熱，qr為正值。

(4)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。

①無感的蒸發(fā)通過肺部呼吸和皮膚的隱汗蒸發(fā)進行，屬于無明顯感覺的

生理現(xiàn)象。皮膚的隱汗散熱，由皮膚水分擴散引起，取決于皮膚表面和

周圍空氣的水蒸氣壓力差。

②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。

③人體靠有感的汗液蒸發(fā)散失的熱量，在整個皮膚表面100%為汗液濕

透時，達最大值。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。

4.室內(nèi)熱環(huán)境綜合評價

(1)有效溫度(ET)

是依據(jù)半裸的人和穿夏季薄衫的人，在一定條件的環(huán)境中所反映的瞬時

熱感覺，是決定各項因素綜合作用的評價標準。

(2)熱應力指數(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，多用于評價夏季熱環(huán)境狀況，一般用百分比表示，即：

/AS/=&xIOO

Ji-

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=qm±qc±qr

qmax-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）預計熱感覺指數(shù)（PMV）

①房格爾的熱舒適方程式

P梆=/■，%兀小用血.

注：氣溫ti、相對濕度儂、環(huán)境表面平均輻射溫度

瓦

、氣流速度ui、新陳代謝率m、皮膚平均溫度

（廠）

、汗液蒸發(fā)率qsw、所著衣服熱阻Rcl。

②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

個等級（圖1-1）。PMV在-0.5~0.5范圍內(nèi)為室內(nèi)熱舒適指標。

圖1-1PMV-PPD曲線圖

③特殊情況

如果身體某一部分暖而另一部分冷，就會感覺不舒適。例如：對流冷、

不對稱熱輻射、垂直溫差、暖或冷地板。

(4)心理適應性模型

①Brager等提出了三種適應性模型：生理適應性、行為適應性以及心

理適應性。

②心理適應性模型是解釋自然通風建筑中實際觀測結果和PMV預測結

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系是：

tic=17.8+031te

式中tic一室內(nèi)熱中性溫度(室內(nèi)熱舒適溫度),℃o

te一室外月平均溫度,℃o

③適應性模型以熱中性溫度為中心，以90%的人可接受舒適溫度變化

范圍為5(和80%的人可接受舒適溫度變化范圍為7＜來定義自然通風

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，通過建筑物的圍護結構、外門窗及各類開口，

直接影響室內(nèi)的氣候條件。

(2)熱環(huán)境設備的影響

這里所說的熱環(huán)境設備是指以改善室內(nèi)熱環(huán)境為主要功能的設備。

(3)其它設備的影響

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備的種類和功

率。

(4)人體活動的影響

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，是決定氣候的主要因素，也是建

筑物外部最主要的氣候條件之一。

(2)類型

①由太陽直接射達地面的，射線平行，稱為直接輻射。

②經(jīng)大氣散射后到達地面的，射線來自各個方向，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

量。而射程長短與太陽在天空的位置和地面海拔高度有關。

①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。

②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波段。

(5)日照時數(shù)

①晴朗天氣時，從日出到日沒一天內(nèi)陽光照射大地的時間，稱為可照時

數(shù)。它決定于緯度及日期。

②實際日照時數(shù)與可照時數(shù)的比值稱為日照百分率。日照百分率越大，

到達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L5m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℃

0.6/100mo

(2)影響因素

①入射到地面上的太陽輻射熱量，它起著決定性的作用。

②大氣的對流作用

③下墊面對空氣溫度的影響

④海拔高度、地形地貌對氣溫及其變化也有一定影響。

(3)變化

①氣溫有明顯的日變化和年變化；

②一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、水陸分布、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。

圖1-2相對濕度的日變化

4.風

風是由大氣壓力差所引起的大氣水平方向的運動。地表增溫不同是引起

風的主要成因。

(1)類型

①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。

b.控制大氣環(huán)流的主要因素是地球形狀和地球的運動。

②地方風

a.地方風是指由于地表水陸分布、地勢起伏、表面覆蓋等條件不同而

引起的風。

b.季風由海陸間季節(jié)氣溫的差異引起，季風的變化以年為周期。我國

的季風大部分來自熱帶海洋，多為東南風和南風。

(2)特性

①風向

是指風吹來的地平方向，陸地風向用16個方位表示。

②風速

即單位時間里風所行進的距離，以m/s表示。

③標示

為了直觀地反映一個地方的風速和風向，通常用風玫瑰圖(圖1-3)表

圖1-3風玫瑰圖

(a)某地7月的風向頻率分布圖；(b)某地全年風速、風向分布圖

5.降水

(1)概念

降水是指從大地蒸發(fā)出來的水汽進入大氣層,經(jīng)過凝結后降到地面上的

液態(tài)或固態(tài)水份。降水性質包括降水量、降水時間和降水強度等。

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.降水時間是指一次降水過程從開始到結束的持續(xù)時間，用時（h）、

分（min）表示。

c.降水強度是指單位時間內(nèi)的降水量，降水量的多少用雨量筒和雨量

計測定。

（2）影響因素

①氣溫

a.寒冷地區(qū)水的蒸發(fā)量不大，冷空氣無力包容很多水汽，當水汽凝結

不可能產(chǎn)生大量降水。

b.炎熱地區(qū)水的蒸發(fā)強烈，空氣包容水汽的能力很大，水汽凝結時會

產(chǎn)生大量降水。

②其他

大氣環(huán)流、地形，海陸分布的性質、洋流等。

（3）規(guī)律

a.我國降水量大體由東南向西北遞減，山嶺的向風坡常為多雨的中心。

b.受季風影響，雨量都集中在夏季，變化特大，強度可觀，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、我國建筑熱工設計分區(qū)及設計要求

1.嚴寒地區(qū)

(1)定義

是指累年最冷月平均溫度低于或等于-10V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)設計要求

該區(qū)建筑必須充分滿足冬季保溫要求，加強建筑物的防寒措施，一般可

不考慮夏季防熱。

2.寒冷地區(qū)

(1)定義

是指累年最冷月平均溫度為0~-i(rc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)設計要求

該區(qū)建筑應滿足冬季保溫要求，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0~10。匚最熱月平均溫度25~3CTC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)設計要求

該區(qū)建筑必須滿足夏季防熱要求，適當兼顧冬季保溫。

4.夏熱冬暖地區(qū)

(1)定義

是指累年最冷月平均溫度高于10℃,最熱月平均溫度25~29V的地區(qū)。

包括南嶺以南及南方沿海地區(qū)。

(2)設計要求

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0~13C、最熱月平均溫度18~25(的地

區(qū)。主要包括云南、貴州西部及四川南部地區(qū)。

(2)設計要求

部分地區(qū)的建筑應考慮冬季保溫，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，在人類活動特別是城市化影響下

形成的一種特殊氣候。

(1)成因

①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。

②城市密集人口的生活和生產(chǎn)活動，消耗大量能源，排放很多"人為熱"、

“人為水汽"和污染物。

(2)變化

①大氣透明度較小，削弱了太陽輻射。

②氣溫較高，形成"熱島效應”。

a.熱島效應

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.城市熱島強度

是指市區(qū)最高溫度與郊區(qū)溫度之間的差。

③風速減小、風向隨地而異。

市區(qū)內(nèi)風速減小，風向不定。

④蒸發(fā)減弱，濕度變小。

城區(qū)年平均相對濕度比郊區(qū)低。

⑤霧多，能見度差。

城市大氣中具有豐富的凝結核，可以產(chǎn)生大量的霧。

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

①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