柳孝圖《建築物理》（第3版）筆記和課後習題詳解
第1篇 建築熱工學
建築熱工學的任務是依照建築熱工原理，論述通過規劃和建築設計手段，防護或利用室內外氣候因素，解決房屋的日照、保溫、隔熱、通風、防潮等問題，創造良好的室內氣候環境並提高圍護結構的耐久性。
第1章 室內外熱環境
1.1 複習筆記
一、室內熱環境
1．室內熱環境組成要素
（1）室內熱環境主要由室內氣溫、溼度、氣流及壁面熱輻射等因素綜合而成。
（2）各種室內微氣候因素的不同組合，會形成不同的室內熱環境。
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氣候環境滿意程度的感受。人體對周圍環境的熱舒適程度主要反映在人的冷熱感覺上。
（2）熱平衡
人們在某一環境中感到熱舒適的必要條件是：人體內產生的熱量與向環境散發的熱量相等，即保持人體的熱平衡。
人體與環境之間的熱平衡關係可用下列公式表示：
△q=qm±qc±qr－qw
式中 qm—人體產熱量，W／m2；
qc—人體與周圍空氣之間的對流換熱量，W／m2；
qr—人體與環境間的輻射換熱量，W／m2；
qw—人體蒸發散熱量，W／m2；
△q—人體得失的熱量，W／m2。
從上式看出，人體與周圍環境的換熱方式有對流、輻射和蒸發三種，換熱的餘量即為人體熱負荷△q。
△q值與人們的體溫變化率成正比
當△q>0時，體溫將升高；
當△q<0時，體溫將降低。
當△q=0，人體新陳代謝產熱量正好與人體在所處環境的熱交換量處於平衡狀態。
當達到熱平衡狀態時，對流換熱約佔總散熱量的25％～30％，輻射散熱量佔45％～50％，呼吸和無感覺蒸發散熱量佔25％～30％時，人體才能達到熱舒適狀態，能達到這種適宜比例的環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）人體新陳代謝產熱量qm
①qm主要決定於人體的新陳代謝率及對外作機械功的效率。
②單位時間內人體新陳代謝所產生的能量，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），1met=58.2W／m2。
③新陳代謝率的數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部的熱量，即人體新陳代謝產熱量。
（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，取決於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人體皮膚的溫度並非均勻一致，也會受到環境因素的影響。
a．當人體平均皮膚溫度高於空氣溫度時，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．當空氣溫度高於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，至於人體是散熱還是得熱，則取決於空氣溫度的高低。
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境表面間進行並取決於兩者溫度、輻射係數、相對位置以及人體的有效輻射面積。
①當人體溫度高於周圍表面溫度時，人體失熱，qr為負值；
②反之，人體得熱，qr為正值。
（4）人體的蒸發散熱量qw
是由無感蒸發散熱量與有感的顯汗蒸發散熱量組成。
①無感的蒸發通過肺部呼吸和皮膚的隱汗蒸發進行，屬於無明顯感覺的生理現象。皮膚的隱汗散熱，由皮膚水分擴散引起，取決於皮膚表面和周圍空氣的水蒸氣壓力差。
②有感的顯汗蒸發散熱量是指靠皮下汗腺分泌的汗液蒸發來散熱。散熱量的大小決定於排汗率。
③人體靠有感的汗液蒸發散失的熱量，在整個皮膚表面100﹪為汗液溼透時，達最大值。它與空氣流速、從皮膚表面經衣服到周圍空氣的水蒸氣壓力分佈、衣服對蒸汽的滲透阻等因素有關。
4．室內熱環境綜合評價
（1）有效溫度（ET）
是依據半裸的人和穿夏季薄衫的人，在一定條件的環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（HSI）
即人體所需的蒸發散熱量與室內環境條件下最大可能的蒸發散熱量之比，多用於評價夏季熱環境狀況，一般用百分比表示，即：
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式中 qreq－人體所需的蒸發散熱量，其值由人體的熱平衡方程而定，即：
qreq=qm±qc±qr
qmax－最大可能的蒸發散熱量，其值決定於室內空氣溼度、氣流速度以及人體衣著等因素。
（3）預計熱感覺指數（PMV）
①房格爾的熱舒適方程式
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注：氣溫ti、相對溼度φi、環境表面平均輻射溫度
、氣流速度υi、新陳代謝率m、皮膚平均溫度
、汗液蒸發率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範圍 內為室內熱舒適指標。
圖1-1 PMV－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築中實際觀測結果和PMV預測結果不同的主要原因。室內熱中性溫度和室外月平均氣溫之間的關係是：
tic=17.8+0.31te
式中 tic—室內熱中性溫度（室內熱舒適溫度），℃。
te—室外月平均溫度，℃。
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範圍為5℃和80％的人可接受舒適溫度變化範圍為7℃來定義自然通風建築的熱舒適溫度區。
5．室內熱環境的影響因素
（1）室外氣候因素
建築物基地的氣候因素，通過建築物的圍護結構、外門窗及各類開口，直接影響室內的氣候條件。
（2）熱環境設備的影響
這裡所說的熱環境設備是指以改善室內熱環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熱量，至於對室內熱環境的影響程度，則取決於室外氣候狀況、建築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，也是建築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經大氣散射後到達地面的，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於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
①晴朗天氣時，從日出到日沒一天內陽光照射大地的時間，稱為可照時數。它決定於緯度及日期。
②實際日照時數與可照時數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0.6℃／100m。
（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．空氣溼度
（1）定義
空氣溼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，通常以絕對溼度和相對溼度來表示。
（2）相對溼度（圖1-2）
相對溼度的日變化受地面性質、水陸分佈、季節寒暑、天氣陰晴等影響，一般是大陸大於海面，夏季大於冬季，晴天大於陰天。相對溼度日變化趨勢與氣溫日變化趨勢相反。
（3）絕對溼度
通常一年中絕對溼度的大小和相對溼度相反，一年中最熱月的絕對溼度最大，最冷月的絕對溼度最小。
圖1-2 相對溼度的日變化
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大氣環流（造成各地氣候差異的主要原因之一）
a．大氣環流是指大氣從赤道到兩極和從兩極到赤道的經常性活動。
b．控制大氣環流的主要因素是地球形狀和地球的運動。
②地方風
a．地方風是指由於地表水陸分佈、地勢起伏、表面覆蓋等條件不同而引起的風。
b．季風由海陸間季節氣溫的差異引起，季風的變化以年為週期。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
即單位時間裡風所行進的距離，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）表示。
圖1-3 風玫瑰圖
（a）某地7月的風向頻率分佈圖；（b）某地全年風速、風向分佈圖
5．降水
（1）概念
降水是指從大地蒸發出來的水汽進入大氣層，經過凝結後降到地面上的液態或固態水份。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、雹等融化後，未經蒸發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時間，用時（h）、分（min）表示。
c．降水強度是指單位時間內的降水量，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．寒冷地區水的蒸發量不大，冷空氣無力包容很多水汽，當水汽凝結不可能產生大量降水。
b．炎熱地區水的蒸發強烈，空氣包容水汽的能力很大，水汽凝結時會產生大量降水。
②其他
大氣環流、地形，海陸分佈的性質、洋流等。
（3）規律
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
不同地區差別很大，北緯35°以北至45°範圍為降雪或多雪地區。
三、我國建築熱工設計分區及設計要求
1．嚴寒地區
（1）定義
是指累年最冷月平均溫度低於或等於－10℃的地區。主要包括內蒙古和東北北部、新疆北部地區、西藏和青海北部地區。
（2）設計要求
該區建築必須充分滿足冬季保溫要求，加強建築物的防寒措施，一般可不考慮夏季防熱。
2．寒冷地區
（1）定義
是指累年最冷月平均溫度為0～－10℃的地區。主要包括華北地區、新疆和西藏南部地區及東北南部地區。
（2）設計要求
該區建築應滿足冬季保溫要求，部分地區兼顧夏季防熱。
3．夏熱冬冷地區
（1）定義
是指累年最冷月平均溫度為0～10℃、最熱月平均溫度25～30℃的地區。主要包括長江中下游地區，即南嶺以北、黃河以南的地區。
（2）設計要求
該區建築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
（1）定義
是指累年最冷月平均溫度高於10℃、最熱月平均溫度25～29℃的地區。包括南嶺以南及南方沿海地區。
（2）設計要求
該區建築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
（1）定義
是指累年最冷月平均溫度為0～13℃、最熱月平均溫度18～25℃的地區。主要包括雲南、貴州西部及四川南部地區。
（2）設計要求
部分地區的建築應考慮冬季保溫，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城市中由於街道縱橫，建築物鱗次櫛比，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活動，消耗大量能源，排放很多"人為熱"、"人為水汽"和汙染物。
（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
是指由於城市的"人為熱"及下墊面向地面近處大氣層散發熱量比郊區多，氣溫比郊區高，而且由市區中心地帶向郊區方向逐漸降低的氣溫分佈的特殊現象。
b．城市熱島強度
是指市區最高溫度與郊區溫度之間的差。
③風速減小、風向隨地而異。
市區內風速減小，風向不定。
④蒸發減弱，溼度變小。
城區年平均相對溼度比郊區低。
⑤霧多，能見度差。
城市大氣中具有豐富的凝結核，可以產生大量的霧。
2．微氣候
微氣候（熱微環境）是更小範圍的氣候變化，主要表現在日照狀況、氣溫、溼度、氣流分佈等方面，主要受到地段下墊面、建築群佈局、選用的建築材料等因素的影響。
（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。
b．白天吸收的太陽輻射用於加熱空氣、土壤和植物，以及蒸發水體。
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，土壤中貯存的剩餘熱量會使土壤溫度上升，通過對流的方式加熱空氣。
②人工構築的下墊面
a．在城市居住區中，人工構築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於加熱下墊面，進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築物吸收，表面溫度升高，進一步加熱空氣。
（2）建築物的影響
建築表面稱為立體下墊面，使進入該區域的太陽輻射對該區域的空氣升溫作用更加明顯和快速。
①過程
a．建築表面遮擋部分原應照射在地面上的太陽輻射，這些太陽輻射被建築吸收而使表面溫度升高。
b．被地面反射的太陽輻射被建築表面吸收或再反射到地面，增加居住區內的能量累積。
c．原本地面與天空之間的輻射換熱被建築遮擋，這些能量無法散發出去，留在居住區內。
②材料（圖1-4）
建築物對居住區內熱微環境的影響取決於多方面的因素，建築物外表面的顏色、綠化、建築密度以及建築朝向、佈局方式等均會影響到區內的溫度、溼度以及氣流。
圖1-4 各種地表材料夏季表面溫度變化
（3）氣流的影響
①氣流對空氣溫度及溼度的影響取決於氣流的強弱。氣流越強，區內環境與區外環境的交流越充分，越接近區外的環境。
②氣流的強弱主要取決於外界的風資源狀況，也與建築組團的佈局、朝向以及建築的疏密程度等有關。
③由於不同高度的溫差而引起的垂直方向的氣流有時會對區內的環境起到一定的改善作用。
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