柳孝图《建筑物理》（第3版）笔记和课后习题详解
第1篇 建筑热工学
建筑热工学的任务是依照建筑热工原理，论述通过规划和建筑设计手段，防护或利用室内外气候因素，解决房屋的日照、保温、隔热、通风、防潮等问题，创造良好的室内气候环境并提高围护结构的耐久性。
第1章 室内外热环境
1.1 复习笔记
一、室内热环境
1．室内热环境组成要素
（1）室内热环境主要由室内气温、湿度、气流及壁面热辐射等因素综合而成。
（2）各种室内微气候因素的不同组合，会形成不同的室内热环境。
2．人体热平衡与热舒适
（1）热舒适
热舒适是指人们对所处室内气候环境满意程度的感受。人体对周围环境的热舒适程度主要反映在人的冷热感觉上。
（2）热平衡
人们在某一环境中感到热舒适的必要条件是：人体内产生的热量与向环境散发的热量相等，即保持人体的热平衡。
人体与环境之间的热平衡关系可用下列公式表示：
△q=qm±qc±qr－qw
式中 qm—人体产热量，W／m2；
qc—人体与周围空气之间的对流换热量，W／m2；
qr—人体与环境间的辐射换热量，W／m2；
qw—人体蒸发散热量，W／m2；
△q—人体得失的热量，W／m2。
从上式看出，人体与周围环境的换热方式有对流、辐射和蒸发三种，换热的余量即为人体热负荷△q。
△q值与人们的体温变化率成正比
当△q>0时，体温将升高；
当△q<0时，体温将降低。
当△q=0，人体新陈代谢产热量正好与人体在所处环境的热交换量处于平衡状态。
当达到热平衡状态时，对流换热约占总散热量的25％～30％，辐射散热量占45％～50％，呼吸和无感觉蒸发散热量占25％～30％时，人体才能达到热舒适状态，能达到这种适宜比例的环境便是人体热舒适的充分条件。
3．人体热平衡的影响因素
（1）人体新陈代谢产热量qm
①qm主要决定于人体的新陈代谢率及对外作机械功的效率。
②单位时间内人体新陈代谢所产生的能量，称为新陈代谢率，通常用符号m表示，单位为W/m2（人体表面积），1met=58.2W／m2。
③新陈代谢率的数值随人的活动量而异，人体新陈代谢过程释放出的能量有时部分用来对外作机械功，大部分则转化为人体内部的热量，即人体新陈代谢产热量。
（2）对流换热量qc
①是当着衣体表面与周围空气间存在温度差时的热交换值，取决于着衣体表面和空气间的温差、气流速度以及衣着的热物理性质。
②人体皮肤的温度并非均匀一致，也会受到环境因素的影响。
a．当人体平均皮肤温度高于空气温度时，则qc为负值，人体向周围空气散热，且气流速度愈大，散热愈多；
b．当空气温度高于人体平均皮肤温度时，则qc为正值，人体从空气中得热，成为人体对流附加热负荷，且气流速度愈大，得热愈多。
③气流速度对人体的对流换热影响很大，至于人体是散热还是得热，则取决于空气温度的高低。
④在人体与周围空气的对流换热中，人体所着服装会有影响。衣服的热阻越大，则对流换热量越小。
（3）辐射换热量qr
是在着衣体表面与周围环境表面间进行并取决于两者温度、辐射系数、相对位置以及人体的有效辐射面积。
①当人体温度高于周围表面温度时，人体失热，qr为负值；
②反之，人体得热，qr为正值。
（4）人体的蒸发散热量qw
是由无感蒸发散热量与有感的显汗蒸发散热量组成。
①无感的蒸发通过肺部呼吸和皮肤的隐汗蒸发进行，属于无明显感觉的生理现象。皮肤的隐汗散热，由皮肤水分扩散引起，取决于皮肤表面和周围空气的水蒸气压力差。
②有感的显汗蒸发散热量是指靠皮下汗腺分泌的汗液蒸发来散热。散热量的大小决定于排汗率。
③人体靠有感的汗液蒸发散失的热量，在整个皮肤表面100﹪为汗液湿透时，达最大值。它与空气流速、从皮肤表面经衣服到周围空气的水蒸气压力分布、衣服对蒸汽的渗透阻等因素有关。
4．室内热环境综合评价
（1）有效温度（ET）
是依据半裸的人和穿夏季薄衫的人，在一定条件的环境中所反映的瞬时热感觉，是决定各项因素综合作用的评价标准。
（2）热应力指数（HSI）
即人体所需的蒸发散热量与室内环境条件下最大可能的蒸发散热量之比，多用于评价夏季热环境状况，一般用百分比表示，即：
静业学习网
式中 qreq－人体所需的蒸发散热量，其值由人体的热平衡方程而定，即：
qreq=qm±qc±qr
qmax－最大可能的蒸发散热量，其值决定于室内空气湿度、气流速度以及人体衣着等因素。
（3）预计热感觉指数（PMV）
①房格尔的热舒适方程式
静业学习网
注：气温ti、相对湿度φi、环境表面平均辐射温度
、气流速度υi、新陈代谢率m、皮肤平均温度
、汗液蒸发率qsw、所着衣服热阻Rcl。
②等级
PMV值按人的热感觉分为很热、热、稍热、舒适、稍冷、冷、很冷七个等级（图1-1）。PMV在－0.5～0.5范围 内为室内热舒适指标。
图1-1 PMV－PPD曲线图
③特殊情况
如果身体某一部分暖而另一部分冷，就会感觉不舒适。例如：对流冷、不对称热辐射、垂直温差、暖或冷地板。
（4）心理适应性模型
①Brager等提出了三种适应性模型：生理适应性、行为适应性以及心理适应性。
②心理适应性模型是解释自然通风建筑中实际观测结果和PMV预测结果不同的主要原因。室内热中性温度和室外月平均气温之间的关系是：
tic=17.8+0.31te
式中 tic—室内热中性温度（室内热舒适温度），℃。
te—室外月平均温度，℃。
③适应性模型以热中性温度为中心，以90％的人可接受舒适温度变化范围为5℃和80％的人可接受舒适温度变化范围为7℃来定义自然通风建筑的热舒适温度区。
5．室内热环境的影响因素
（1）室外气候因素
建筑物基地的气候因素，通过建筑物的围护结构、外门窗及各类开口，直接影响室内的气候条件。
（2）热环境设备的影响
这里所说的热环境设备是指以改善室内热环境为主要功能的设备。
（3）其它设备的影响
家用电器在使用中都向所在空间散发热量，至于对室内热环境的影响程度，则取决于室外气候状况、建筑空间大小以及所使用设备的种类和功率。
（4）人体活动的影响
人体是"发热器"。
二、室外气候
1．太阳辐射
（1）重要性
太阳辐射能是地球上热量的基本来源，是决定气候的主要因素，也是建筑物外部最主要的气候条件之一。
（2）类型
①由太阳直接射达地面的，射线平行，称为直接辐射。
②经大气散射后到达地面的，射线来自各个方向，称为散射辐射。
（3）大气
大气对太阳辐射的削弱程度取决于射线在大气中射程的长短及大气质量。而射程长短与太阳在天空的位置和地面海拔高度有关。
①水平面上太阳直接辐射照度与太阳高度角、大气透明度成正比。
②散射辐射照度与太阳高度角成正比，与大气透明度成反比。
（4）波段
在大气层上界太阳辐射的能量集中在紫外线、可见光及红外线三个波段。
（5）日照时数
①晴朗天气时，从日出到日没一天内阳光照射大地的时间，称为可照时数。它决定于纬度及日期。
②实际日照时数与可照时数的比值称为日照百分率。日照百分率越大，到达地面的太阳辐射能总和就越多，反之就少。
2．气温
（1）定义
气温通常是指距地面1.5m高处的空气温度，地面与空气的热量交换是气温升降的直接原因。气温的垂直递减率平均为0.6℃／100m。
（2）影响因素
①入射到地面上的太阳辐射热量，它起着决定性的作用。
②大气的对流作用
③下垫面对空气温度的影响
④海拔高度、地形地貌对气温及其变化也有一定影响。
（3）变化
①气温有明显的日变化和年变化；
②一年中各月平均气温也有最高值和最低值。
3．空气湿度
（1）定义
空气湿度是指空气中水蒸气的含量，空气中水蒸气的浓度随海拔高度增加而降低，通常以绝对湿度和相对湿度来表示。
（2）相对湿度（图1-2）
相对湿度的日变化受地面性质、水陆分布、季节寒暑、天气阴晴等影响，一般是大陆大于海面，夏季大于冬季，晴天大于阴天。相对湿度日变化趋势与气温日变化趋势相反。
（3）绝对湿度
通常一年中绝对湿度的大小和相对湿度相反，一年中最热月的绝对湿度最大，最冷月的绝对湿度最小。
图1-2 相对湿度的日变化
4．风
风是由大气压力差所引起的大气水平方向的运动。地表增温不同是引起风的主要成因。
（1）类型
①大气环流（造成各地气候差异的主要原因之一）
a．大气环流是指大气从赤道到两极和从两极到赤道的经常性活动。
b．控制大气环流的主要因素是地球形状和地球的运动。
②地方风
a．地方风是指由于地表水陆分布、地势起伏、表面覆盖等条件不同而引起的风。
b．季风由海陆间季节气温的差异引起，季风的变化以年为周期。我国的季风大部分来自热带海洋，多为东南风和南风。
（2）特性
①风向
是指风吹来的地平方向，陆地风向用16个方位表示。
②风速
即单位时间里风所行进的距离，以m／s表示。
③标示
为了直观地反映一个地方的风速和风向，通常用风玫瑰图（图1-3）表示。
图1-3 风玫瑰图
（a）某地7月的风向频率分布图；（b）某地全年风速、风向分布图
5．降水
（1）概念
降水是指从大地蒸发出来的水汽进入大气层，经过凝结后降到地面上的液态或固态水份。降水性质包括降水量、降水时间和降水强度等。
a．降水量是指降落到地面的雨、雪、雹等融化后，未经蒸发或渗透流失而积累在水平面上的水层厚度，以毫米（mm）为单位。
b．降水时间是指一次降水过程从开始到结束的持续时间，用时（h）、分（min）表示。
c．降水强度是指单位时间内的降水量，降水量的多少用雨量筒和雨量计测定。
（2）影响因素
①气温
a．寒冷地区水的蒸发量不大，冷空气无力包容很多水汽，当水汽凝结不可能产生大量降水。
b．炎热地区水的蒸发强烈，空气包容水汽的能力很大，水汽凝结时会产生大量降水。
②其他
大气环流、地形，海陆分布的性质、洋流等。
（3）规律
a．我国降水量大体由东南向西北递减，山岭的向风坡常为多雨的中心。
b．受季风影响，雨量都集中在夏季，变化特大，强度可观，年雨量变化大。
（4）降雪量
不同地区差别很大，北纬35°以北至45°范围为降雪或多雪地区。
三、我国建筑热工设计分区及设计要求
1．严寒地区
（1）定义
是指累年最冷月平均温度低于或等于－10℃的地区。主要包括内蒙古和东北北部、新疆北部地区、西藏和青海北部地区。
（2）设计要求
该区建筑必须充分满足冬季保温要求，加强建筑物的防寒措施，一般可不考虑夏季防热。
2．寒冷地区
（1）定义
是指累年最冷月平均温度为0～－10℃的地区。主要包括华北地区、新疆和西藏南部地区及东北南部地区。
（2）设计要求
该区建筑应满足冬季保温要求，部分地区兼顾夏季防热。
3．夏热冬冷地区
（1）定义
是指累年最冷月平均温度为0～10℃、最热月平均温度25～30℃的地区。主要包括长江中下游地区，即南岭以北、黄河以南的地区。
（2）设计要求
该区建筑必须满足夏季防热要求，适当兼顾冬季保温。
4．夏热冬暖地区
（1）定义
是指累年最冷月平均温度高于10℃、最热月平均温度25～29℃的地区。包括南岭以南及南方沿海地区。
（2）设计要求
该区建筑必须满足夏季防热要求，一般可不考虑冬季保温。
5．温和地区
（1）定义
是指累年最冷月平均温度为0～13℃、最热月平均温度18～25℃的地区。主要包括云南、贵州西部及四川南部地区。
（2）设计要求
部分地区的建筑应考虑冬季保温，一般可不考虑夏季防热。
四、城市气候和微气候
1．城市气候
城市气候是指在不同区域气候条件下，在人类活动特别是城市化影响下形成的一种特殊气候。
（1）成因
①城市中由于街道纵横，建筑物鳞次栉比，高低不一，形成特殊的下垫面。
②城市密集人口的生活和生产活动，消耗大量能源，排放很多"人为热"、"人为水汽"和污染物。
（2）变化
①大气透明度较小，削弱了太阳辐射。
②气温较高，形成"热岛效应"。
a．热岛效应
是指由于城市的"人为热"及下垫面向地面近处大气层散发热量比郊区多，气温比郊区高，而且由市区中心地带向郊区方向逐渐降低的气温分布的特殊现象。
b．城市热岛强度
是指市区最高温度与郊区温度之间的差。
③风速减小、风向随地而异。
市区内风速减小，风向不定。
④蒸发减弱，湿度变小。
城区年平均相对湿度比郊区低。
⑤雾多，能见度差。
城市大气中具有丰富的凝结核，可以产生大量的雾。
2．微气候
微气候（热微环境）是更小范围的气候变化，主要表现在日照状况、气温、湿度、气流分布等方面，主要受到地段下垫面、建筑群布局、选用的建筑材料等因素的影响。
（1）下垫面的影响
①天然下垫面
a．天然下垫面以土壤、植被或水体为主要覆盖物。
b．白天吸收的太阳辐射用于加热空气、土壤和植物，以及蒸发水体。
c．通过树木和其它植被的蒸腾作用和光合作用吸收大部分热量，反射部分热量，土壤中贮存的剩余热量会使土壤温度上升，通过对流的方式加热空气。
②人工构筑的下垫面
a．在城市居住区中，人工构筑的下垫面多为硬性下垫面。
b．下垫面接收到的太阳辐射大部分用于加热下垫面，进而加热表面附近的空气。
c．被下垫面反射的太阳辐射为其它建筑物吸收，表面温度升高，进一步加热空气。
（2）建筑物的影响
建筑表面称为立体下垫面，使进入该区域的太阳辐射对该区域的空气升温作用更加明显和快速。
①过程
a．建筑表面遮挡部分原应照射在地面上的太阳辐射，这些太阳辐射被建筑吸收而使表面温度升高。
b．被地面反射的太阳辐射被建筑表面吸收或再反射到地面，增加居住区内的能量累积。
c．原本地面与天空之间的辐射换热被建筑遮挡，这些能量无法散发出去，留在居住区内。
②材料（图1-4）
建筑物对居住区内热微环境的影响取决于多方面的因素，建筑物外表面的颜色、绿化、建筑密度以及建筑朝向、布局方式等均会影响到区内的温度、湿度以及气流。
图1-4 各种地表材料夏季表面温度变化
（3）气流的影响
①气流对空气温度及湿度的影响取决于气流的强弱。气流越强，区内环境与区外环境的交流越充分，越接近区外的环境。
②气流的强弱主要取决于外界的风资源状况，也与建筑组团的布局、朝向以及建筑的疏密程度等有关。
③由于不同高度的温差而引起的垂直方向的气流有时会对区内的环境起到一定的改善作用。
閱讀更多 靜業學習網 的文章
