建筑物理备课本.doc

《建筑物理》备课本
绪 论
一、学科性质：建筑学学科之建筑技术科学
（综合性学科）
1）交叉学科
（建筑设计与物理学）
2）综合性学科
（包括建筑声学、建筑光学、建筑热工学）
3）技术性学科
（不同于纯艺术、纯理论等学科）
二、研究的对象和内容
1.对象：（人与环境的关系）
人——人的感觉——物理
人的感觉——心理学 生理学 工效学 行动学
物 理——物理特性 理论计量等
2.内容: ①物理环境的物理特性
②物理量与感觉量的关系
3．物理环境的评价
4．材料、结构的物理性质
5．与建筑学和建筑设计的关系
三、具体构成： （一）建筑声学
建筑物理三个方面：建筑声学、建筑光学、建筑热工学

．建筑学与声学的交叉学科
．发展较晚、比较年轻
．主要研究内容：
1.基本知识：声音与听觉及其传播、声学材料及结构
2.厅堂音质（室内声学）：原理、评价及要求、设计
3.噪声控制：危害、现状、评价、测试、防治
三、具体构成： （二）建筑热工学
1．基本知识：热及其传递、稳定传热、不稳定传热
2．湿及其传递：湿空气、冷凝及其防治、设计
3．建筑保温及隔热：原理、设计
三、具体构成： （三）建筑光学
1．光学基本知识：光觉、光度
2．天然采光：光气候、采光标准、设计原理、设计
3．人工照明：光源、灯具、设计
第一篇 建筑热工学
第一章 建筑围护结构的传热原理及计算
室外的环境热作用通过建筑物的外围护结构影响着房间的热环境，为保证冬、夏室内的热舒适要求，必须采取相应的保温和隔热措施。
根据建筑保温和隔热设计中所考虑的室内外热作用的特点，可将室内外温度的计算模型归纳为如下两种，
(1)恒定的热作用。
(2)周期热作用:
单向周期热作用
双向周期热作用

按照建筑热工设计中所取的室内外温度计算模型，本章仅限于讨论通过围护结构主体部分一维的稳定传热和周期性不稳定传热问题。
稳定传热
周期性不稳定传热
第一节 稳 定 传 热
当围护结构受到图2—1所示恒定热作用时，围护结构内部的温度分布和通过围护结构的传热量，即会处于不随时间而变的稳定传热状态。稳定传热是一种最简单和最基本的传热过程，由于其计算简便，在建筑热工计算和估算中，常常是设计者乐于采用的一种计算方法。
一、一维稳定传热特征
有一厚度为d的单层匀质材料，当宽与高的尺寸比厚度大得多时，则通过平壁的热流可视为只有沿厚度一个方向，即一维传热，当平壁的内、外表面温度保持稳定时，则通过平平壁的传热情况亦不会随时间变化，这种传热称为一维稳定传热，其传热特征可归纳为以下两点：
1、通过平壁的热流强度处处相等。只有平壁内无蓄热现象，才能保证温度稳定，因此就平壁内任一截面而言，流进与流出的热量必须相等。
2、同一材质的平壁内部各界面温度分布呈直线关系。由
可知，当qx＝常数时，若视λ不随温度而变，则有dθ/dx＝常数，各点温度梯度相等，即温度随距离的变化规律为直线。
二、平壁内的导热过程
1、单层匀质平壁的导热
t

θi

θe
q q

dx

0 d x

图2－3 一维稳定传热
如前所述，一维稳定传热仅产生于物体只在一个方向上有温差，并且温度和热流均不随时间而变的情况下。例如一个面积很大的平壁，其两表面分别维持均匀而恒定的温度θ1、θ2，且θ1＞θ2，则热流均匀地从θ1面流向θ2面。由于两表面温度均匀不变，在截面上各点温度和单位时间里的热流量也必然稳定不变，如图（2－3）。一维稳定传热的计算式可写成：

式中：θ2------低温表面温度，℃；
θ1------高温表面温度，℃；
q------热流密度，即单位面积上的热流量
或热流强度，W/m2 ；
d------单一实体材料厚度，m。
为消除公式中的负号，可将t1和t2的位置互换，即以高温减低温，则上式可写成：

或

作一类比，我们知道电流强度 I 等于电位差U1－U2除以电阻R，即I=(U1－U2)/R，此处为热流强度，等于温差除以某一值，我们可将此值定义为热阻，仍用R表示，即：

其中，R=d/λ称为热流通过材料层的热阻，单位为(m2k)/W。它表示材料层对热流的阻挡能力，热阻（R）愈大则通过的热流密度（q）愈小。
冬季采暖房屋外围护结构的保温设计，一般按一维稳定传热计算，从公式中可以看出：平壁所用材料的导热系数愈大，则通过的热流密度愈大；平壁所用材料厚度愈大，则通过的热流密度愈小。
2、经过多层平壁的导热
• 按照稳定传热计算式，平壁围护结构内各材料层（如图2－4中的1、2、3层）在单位时间、单位面积上的传热量为：

式中：q1，q2，qn——单位时间，单位面积、通过各材料层的传热量，即材料层的热流密度，W／m2；
θi，θ1，θ2，θ3，θe——各材料层表面温度，℃；
λ1，λ2 ，λ3——各材料层的导热系数，其值可查附录，W/(m·K)；
d1，d2，d3——各材料层厚度，m。
其中λ／d1，λ2／d2，λ3／d3，分别代表围护结构各材料层的传热能力，又称为该材料层的“热导”，以符号G表示。它代表这一构件层在其两侧表面温差1℃（1K）时，单位时间单位面积的传热量。热导的倒数称为“构件热阻”，以符号R表示。
构件热阻（R）表示围护结构中各材料层对热流的阻挡能力，热阻愈大则通过的热流密度（q）愈小。
多层构造的围护结构，例如有内、外抹灰的砖墙，或具有多层构造的屋顶，则构件热阻应为各层材料热阻之和，即

R1,R2…Rn为各材料层热阻，（m2·K)／W。
根据稳定传热的特征
q＝q1＝q2＝······＝qn
可解得：

3、通过组合材料层的导热
在建筑工程中，常有在围护结构内部个别层次由二种以上材料组合而成的情况。如各种形式的空心砌块、填充保温材料的墙体等。这种构造层在垂直于热流方向已非匀质材料，内部也不是单向传热。在计算热阻时，在平行于热流方向沿着组合材料层中不同材料的界面，将其分成若干部分，如图2－5所示。平均热阻按下式计算：

图2－5 组合材料层

: 式中: ――平均热阻(m2·K／W)；
F0——与热流方向垂直的总传热面积(m2)；
F1、F2、…Fn――按平行于热流方向划分的各个传热面积(m2)；
R01、R02、…R03、——各个传热部位的总传热阻(m2·K／W)；
Ri——内表面换热阻，取0．11(m2·K／W)；
Re——外表面换热阻，取0．04(m2·K／W)；
φ——修正系数，按表４－4取值。
表2－1 修正系数φ值

在按表2－1选取修正系数φ值时，应注意以下规定：
(A)当围护结构中存在圆孔时，应先将圆孔折算成同面积的方孔，再按上述方法进行计算；
(B)当围护结构由两种材料组成时，λ2应取较小值，λ1应取较大值，然后求两者的比值；
(C)当围护结构由3种材料组成时，φ值则按比值求取。
三、围护结构的传热过程
围护结构包括外门窗、外墙和屋顶等构件，其传热的3个基本过程及每个过程的主要传热方式如下图：

1．表面感热
围护结构的内表面主要通过对流和辐射方式从室内得到热量，内表面单位面积上在单位时间从室内得到的热量，即到达围护结构内表面的热流密度可用下式计算：
qi=αi(ti－θi) (2－1)
式中： qi－－内表面的热流密度，W／m2；
ti，θi－－分别为室内空气及围护结构内表面温度，℃；
αi－－内表面换热系数，W/（m2·K）。
内表面换热系数的定义为：当内表面与室内空气之间的温差为1K（1℃）时，单位时间内通过单位表面积的传热量。内表面换热系数应为内表面辐射换热系数（αri）与内表面对流换热系数（αci）之和。
即： αi= αri+ αci
在建筑热工计算中，围护结构内表面换热系数可根据其表面状况直接查表求得（见表2－2)。
内表面换热系数的倒数称为内表面换热阻（Ri)。即Ri＝1/αi。这样，公式（2－1)又可写成：
qi=(ti－θi) / Ri (2－2）
内表面换热阻的单位为（m2·K）／W。其值也可在表2－2中查出。
表2－2 内表面换热系数αi及内表面换热阻Ri值

2、平壁材料层的导热
根据多层平壁导热的计算公式可直接写出：

3．表面散热
表面散热和表面感热在传热机理上相同，都是表面与周围环境和空气之间通过辐射和对流进行热交换。它们的计算式也相近似，即：
qe=αe(θe－te) (2－5)
式中：qe——外表面的热流密度，即单位时间、单位面积向室外散发的热量，W／m2；
αe——外表面换热系数，W／（m2·K）；
θe，te——外表面及室外空气的温度，℃。
外表面换热系数（αe）的倒数称为外表面换热阻(Re)，即Re＝1/αe或αe＝1/Re
式2－5也可写为：
（2－6〕

一般围护结构的外表面换热系数和外表面换热阻均可查表2－3求得。
表2－3 外表面换热系数αe及外表面换热阻Re值

对于一维稳定传热过程，则应满足：
q＝qi＝qλ＝qe
联立方程，可解得：

令：Ro＝Ri＋∑Rj＋Re 及K0＝ 代入
上式可写成：
(2-7)
或 q=K0(ti－te) (2-8)
式中“K0”称为围护结构的传热系数，它的意义是当围护结构两侧温度差1℃（1K）时，在单位时间里通过平壁单位面积的传热量［W／(m2·K)］。显然，在同样室内外温差条件下，K值愈小,则在单位时间内通过围护结构的传热量愈少。所以传热系数K可以说明围护结构在稳定传热条件下的保温性能。

物理量Ro为围护结构的传热阻（或称为总热阻），是传热系数K的倒数，表示热量从围护结构的一侧空间传至另一侧空间所受到的总阻力。传热阻Ro愈大，则通过围护结构的热量愈少。所以，传热阻同样是说明围护结构保温性能的重要指标，建筑设计者常需应用这一指标。
【例2－1】求图2－6所示外墙的传热阻（Ro）和传热系数，及当其面积为5m2，室内外温度各为18℃及一12℃时，在单位时间内的传热量。
1、抹面层；
2、加气混凝土（500kg/m2)；
3、钢筋混凝土

【解】①由附录查出各种材料的导热系数：
钢筋混凝土 λ＝1.74W/(m·K)
加气混凝土（ρ＝500kg/m2） λ＝0.19W/(m·K)
抹面层（石灰、水泥复合砂浆） λ＝0.87W/(m·K) ②求各层热阻：
抹面层 R1＝0.04/0.87＝0.046
加气混凝土 R2＝0.15/0.19＝0.79
钢筋混凝土 R3＝0.18/1.74＝0.103
内表面感热阻 Ri＝0.11(查表3－1)
外表面散热阻 Re＝0.04(查表3－2)
③墙体传热阻Ro：
Ro＝0.11+0.046+0.79+0.103+0.04
=1.089(m2 · K)/W
④传热系数K：
K＝1/Ro＝1/1.089＝0.918W/(m2 · K)
⑤计算单位时间传热量Q：
Q＝0.918×(18＋12)×5＝137.74W
四、封闭空气间层的热阻
空气间层中的传热和在固体材料中不同，它不是以导热为主，而是有辐射、对流、导热3种方式，其中辐射传热约占总传热量的60％～70％而导热只占10％左右。
因此，空气间层的热阻主要取决于间层两个表面间的辐射和对流换热的能力；即取决于表面材料的辐射系数、间层形状、厚度、设置方向（水平、或垂直向），以及间层所处的环境温度等。
图2－7为几种不同表面的垂直空气间层热阻。其中，曲线1为未加反射材料，曲线2为在一个表面加反射材料，曲线3为在间层两表面都加反射材料。同时由于辐射和对流换热量都随环境温度的不同而有较大变化，在低温环境中辐射换热量比高温环境少，热阻较大。图2－7所示为冬季（低温）状况下的热阻。
在工程计算中，空气间层热阻可直接查表得出。书上表2－4（P28）为空气层间热阻的计算值。
图2－7 垂直空气间层的热阻（适用于冬季状况）

例2－2 求钢筋混凝土圆孔板冬季的热阻（设热流自上而下）
例2－2图 钢筋混凝土圆孔板各部分尺寸

【解】（1）将圆孔折算成等面积正方孔（如图示），设正方形边长为b，则：

b＝0.079m
其各部分尺寸如图示。
（2）分别计算各部分的传热阻：
第1部分R0,1（有空气间层部分）；

（其中0.17为空气间层热阻，由表2－4查出）
第2部分R0,2（没有空气间层部分）。

（3）计算两种不同材料的导热系数比，求修正系数φ：
钢筋混凝土的导热系数λ1＝1.74w/(m·K)
空气间层的当量导热系数

λ1 / λ2＝0.46/1.74＝0.267
查表2－1得修正系数φ＝0.93。
（4）计算圆孔板的平均热阻
用公式
代入

得：平均热阻为0.139(m2·K)/W。
五、围护结构内表面及内部温度计算
当围护结构构造确定后，可以进一步根据室内外的温度条件计算出其内表面和内部各层的温度，从而分析其保温效果；如要检查围护结构的内表面及内部在冬季是否产生凝结水，就需要对所设计的围护结构进行温度计算。
以图2－8所示3层平壁结构为例，内表面及内部温度计算式可由稳定传热基本方程导出。
根据各层传热量相等的原则，即qi—q，得
移位，得出壁体内表面温度：

第二篇 建筑光学
第2.1章 建筑光学基本知识

第2.2章 天然采光

第2.3章 建筑照明

第三篇 建筑声学
引言
l 一、建筑声学与建筑师： 建筑声学是建筑学与声学领域交界的边缘学科。建筑师对它研究较少，声学家更少过问，以致这门学科发展较晚，它的足迹稀疏。建筑声学可以说是一门年青的学科。
l 建筑声学虽然年青，但由于建筑发展的需要，日益受到建筑师的重视，发展很快，它已经系统化，形成了一门独立的学科。建筑声学主要研究两方面的问题：①厅堂音质②噪声控制

二、建筑师如何研究建筑声学
一）弄清概念
二）声音的三特点
1．波长大：

最小（1.7cm）——最大17m）

语音中心 f=800hz λ=0.5m
2 速度慢
导弹
6．6Km/s
卫星
7．8 Km/s
航天飞机
8．3 Km/s
地球
30Km/s
声音
0．34Km/s
3 能量小：

最小
最大
声强值
10-12W/m2
1 W/m2

讲话：10-6W 30万人同时讲话
→ 15瓦电灯的电功率
教室V=150 m3 1000人大厅 5000 m3
大33倍感到能量不足
三、研究建筑声学的三种方法
一）物理声学方法
二）统计方法
三）几何声学方法

本教材以统计声学方法为主、几何声学为辅注意吸取物理声学的有用结论。