建筑熱物理基礎(chǔ)1

1、建筑熱物理基 礎(chǔ) 緒論 n本課程屬于建筑物理四個（聲、光、熱、氣候）本課程屬于建筑物理四個（聲、光、熱、氣候） 分支學(xué)科之一，目的是探討外部熱環(huán)境的特性、分支學(xué)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(xué)。關(guān)系的科學(xué)。 n通過學(xué)習(xí)，了解建筑熱狀態(tài)和基本的熱物理模型，通過學(xué)習(xí)，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)

2、過程需要術(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。形成特征和影響因素。 n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(xué)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(yù)備知識 n太陽與地球 n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)概述第一節(jié)概述 n建筑熱環(huán)境:作用在房屋外因護(hù)結(jié)構(gòu)上的一切熱物理量的總稱。 外圍護(hù)結(jié)

3、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(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)是就其適用性、經(jīng)濟(jì)性(建造與使用經(jīng)濟(jì)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(hù)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(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)熱性質(zhì)的指標(biāo)。 n熱環(huán)境是用熱輻射、氣溫、濕度及風(fēng)速四個物理

4、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。熱氣候參量。 第二節(jié)太陽輻射能 n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(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，必須仔細(xì)考慮可作為能源 使用的太陽輻射熱。愈來愈嚴(yán)重的能源危 機(jī)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(hù)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

5、算得的常量 Iol 3956Wm2 天文太陽常量， 實測分析決定的太陽常量I。1256wm2 叫做氣象太陽常量。 多次衛(wèi)星測得多次衛(wèi)星測得：1367 (7)W M2 世界氣象組織采用世界氣象組織采用： 1367 W2 M2 太陽輻射在大氣中的減弱太陽輻射在大氣中的減弱 太陽輻射先通過大 氣圈，然后到達(dá)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(dá)地面， 所以在地球表面所呈 現(xiàn)的太陽輻射強(qiáng)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ll 所示，對于波長為的 光線

6、，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(jìn)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。 n產(chǎn)生這些變化的原因有以下幾方面：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

7、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(qiáng)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415。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(qiáng)。在 0.2-0.3微米為一強(qiáng)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(dá)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(qiáng)，但因位于太陽輻射最強(qiáng)烈的輻射帶里，所 以吸收的太陽輻射量是相當(dāng)多的。 1.3 二氧化碳

8、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(qiáng)，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(dāng)大氣中塵埃等雜質(zhì)很多時， 吸收才比較顯著。 由以上分析可知由以上分析可知： n 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。 n 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

9、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(qiáng)度 天空和地面輻射的總散射輻射在任意表上的總散射強(qiáng)度 太陽運行軌道和光線入射角太陽運行軌道和光線入射角 天天 球球 特點： 1、與直觀感覺相符的科學(xué)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(jìn)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

10、 5、二分點和二至點 6、天極在天球上的位置 h北 1、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

11、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(yīng)的兩 個極點。 黃赤交角：黃道與赤道 的交角。230.5 5、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(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?等于北極星的高度 天球坐標(biāo)系 一、地平坐標(biāo) 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

12、（00 900） （天頂距 Z): Z900h 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(biāo)時角坐標(biāo) 基本點：天極 基本圈：天赤道 赤緯赤緯 ：由天赤道沿 過天體的赤經(jīng)圈向兩 極方向度量 （00 - 900） 時角時角 t 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(biāo)赤道坐標(biāo) 赤緯赤緯 ：同上 赤經(jīng)赤經(jīng) ： 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 (t) 黃道坐標(biāo)黃道坐標(biāo) 基本點：黃極

13、基本圈：黃道 黃緯： 由黃道沿過天體的 黃經(jīng)圈向兩邊度量 （00 900） 黃經(jīng)黃經(jīng) ： 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(biāo)系的變換天球坐標(biāo)系的變換 一、赤道坐標(biāo)與時角坐標(biāo)的換算赤道坐標(biāo)與時角坐標(biāo)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， = S - t，可求出 天體的時角t 。 其他天球坐標(biāo)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，利用 球面三角公式求天 體的時角t和赤緯 sin= sin cosz - cos sinz cosA （余弦公式） cos sint = sinz sinA （正弦公式） cos cost = sin sinz cosA + cosz cos （第一五元素公式） 地平坐標(biāo)與時角坐標(biāo)的換算地平坐標(biāo)與時角坐標(biāo)的換算： （2）已知天體的時 角t 赤緯和地理緯 度，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 = sin sin + cos cos cost sinz sinA = cos sint sinz cosA = - sin cos + cos sin