1、建筑物理建筑物理ArchiecturaIArchiecturaI Physics Physics 河南理工大学河南理工大学 建筑与艺术设计学院建筑与艺术设计学院1.11.1室内热湿环境室内热湿环境1.21.2室外热环境及建筑热工分区室外热环境及建筑热工分区1.31.3传热方式传热方式第一章建筑热工学基础知识1.1室内热湿环境n1.1.1人体的热平衡n1.1.2人体热平衡的影响因素n1.1.3室内热环境的评价n1.1.4湿空气的物理性质环境人环境人视觉视觉听觉听觉触觉触觉味觉味觉热感觉热感觉光环境光环境声环境声环境接触物接触物食物食物热环境热环境热感觉冷：皮肤温度降低血管收缩寒战加衣服增加活动量
2、体内温度降低体内温度升高减少活动量减衣服出汗血管扩张热：皮肤温度升高很热很热热热暖暖微暖微暖热中性（不冷不热）热中性（不冷不热）微凉微凉凉凉冷冷很冷很冷感觉感觉生理反应生理反应 健康健康空气温度空气温度1.1.1人体的热平衡 人体与室内的热交换主要以对流和辐射的方式进行。室内气候对人体的影响主要表现在冷热感。冷热感取决于人体新陈代谢产生的热量和人体向周围环境散热量之间的平衡关系，如图。crmqqqqq000qqq体温恒定；体温恒定；体温上升；体温上升；体温下降。体温下降。qr:人体与环境辐射换热率qw:人体蒸发散热率qm:人体新陈代谢产热率qc:人体与环境对流换热率（1）人体热平衡方程：建筑师
3、的任务就是为人们营造出良好的室内热环境，使人们能保持舒适状态下的人体热平衡。问题：当人体热负荷为0，也即人体达到了热平衡时，是不是人就感觉舒适了？什么是人体舒适度？人体舒适度：就是在不特意采取任何防寒保暖或防暑降温措施的前提下，人们在自然环境中是否感觉舒适及其达到怎样一种程度的具体描述。在空气温度高于32、湿度超过80%、风力小于2级的环境中，人们会普遍感到闷热难忍，甚至出现中暑现象，我们称这时的“人体舒适度”为“闷热”或“极热”。答：人体的热平衡是达到人体热舒适的答：人体的热平衡是达到人体热舒适的必必要条件要条件。而人体而人体按正常比例散热按正常比例散热，则是人，则是人体热舒适的体热舒适的充
4、分条件充分条件。所谓按正常比例散热，指的是对流换热约占总散热量的25-30，辐射散热约为45-50，呼吸和无感觉蒸发散热约占 25-30，处于舒适状况的热平衡，可称之为“正常热平衡”。影响人体热舒适的因素：主观因素：人体所处的活动状态、人体的衣着状态。客观因素：室内的气象参数室内空气湿度、空气温度、气流速度、环境辐射温度。热舒适感是在这6各因素共同影响下的一种综合效果。1.1.2人体的热平衡的影响因素1 1、空气温度：对流散热量、空气温度：对流散热量2 2、环境表面温度：辐射散热量、环境表面温度：辐射散热量3 3、水蒸汽分压力（空气湿度）：蒸发散热量、水蒸汽分压力（空气湿度）：蒸发散热量闷热闷
5、热vsvs湿冷湿冷4 4、风速：对流散热量和蒸发散热量、风速：对流散热量和蒸发散热量凉风席席凉风席席vsvs热风热风5 5、服装热阻：影响所有散热量、服装热阻：影响所有散热量6 6、新陈代谢率：影响产热量、新陈代谢率：影响产热量1.1.2人体的热平衡的影响因素 食物分解氧化热量人体的基本生理要求：维持体温基本恒定！代谢率(Metabolic Rate)：人体新陈代谢反应过程中能量释放的速率（1 1）人体新陈代谢产热量）人体新陈代谢产热量1)影响人体新陈代谢产热量的因素影响因素多：n 肌肉活动强度：绝对的影响n 环境温度：偏高、偏低都增加代谢率n 性别：男性高于女性n 年龄：少年高于老人n 神经
6、紧张程度：紧张则代谢率高n 进食后时间的长短等：进食后代谢率增加，蛋白质代谢率高，糖和脂肪类代谢率低。代谢率单位 met：1 met=58.2 W/m2，即成年男子静坐时的代谢率。2)基础代谢率：参照基础 基础代谢率(BMR，Basal Metabolic Rate)未进早餐前，保持清醒静卧半小时，室温条件维持在1825之间测定的代谢率：46 W/m2BMR变化范围：1015%。超过20为病态。3)肌肉活动与代谢率 一般室内运动代谢率多在5 met 以下。身高1.78 m，体重65 kg，皮肤表面积1.8 m2（2）人体体温范围 肝脏：最高，38 皮肤：与外界环境有关 各部分温差不会太大 日夜
7、有1以内的波动 代表温度：核心温度我国正常成年人的体温我国正常成年人的体温()平均量平均量变动范围变动范围腋温腋温36.836.037.4口温口温37.236.737.7 温度是指物体的冷热程度。测量温度的仪表叫温度计。温度计因刻度标准不同而分为摄氏温度（或称摄氏温标）、绝对温度（或称绝对温标）和华氏温度（或称华氏温标）。A摄氏温度用符号“”（摄氏度）表示。并规定在1标准大气压下水的冰点和沸点分别为0和100。在二者之间分为100个等分，每1等分为1。B绝对温度用符号K（开氏度）表示。并规定在1标准大气压下水的冰点和沸点分别为273.15K和373.15K。二者之间仍分为100个等分，每1等分
8、为1K。C华氏温度用符号（华氏度）表示。并规定在1标准大气压下水的冰点和沸点分别为32华氏度和212华氏度。二者之间分为180个等分，每1等分为1华氏度。如果用t代表摄氏温度，T代表绝对温度，W代表华氏温度，则：T=t+273.15 W=tX9/5十32 工程中，一般都采用摄氏温度和绝对温度。华氏温度只在部分国家中使用。人体皮肤的温度 并非均匀一致 卫生学研究中：体表上不同部位几个点皮肤温度的平均值，每个测定值是按其所代表的人体表面积的比例加权计算而得的。人体皮肤温度人体皮肤温度与人体热感觉的关系人体皮肤温度与人体热感觉的关系 (3)服装热阻(4)辐射散热量人体皮肤对常温物体辐射的吸收率0.9
9、51.1.3室内热环境的评价(1)(1)环境空气温度环境空气温度：对流换热(2)(2)环境平均辐射温度（表面温度）：环境平均辐射温度（表面温度）：辐射换热(3)(3)空气湿度（水蒸汽分压力）：空气湿度（水蒸汽分压力）：对流质交换A高温环境：增加热感B低温环境：增加冷感！(4)(4)风速：风速：对流热交换和蒸发散热 吹风感：Draught，冷感和对皮肤的压力冲击(5)(5)人体新陈代谢产热率人体新陈代谢产热率(6)(6)服装热阻（人体衣着状况）服装热阻（人体衣着状况）：影响所有换热形式1.构成要素：2.热环境的综合评价（1）单一指标（2）有效温度（ET）（3）预测热感指数（PMV）（1）单一指标
10、室内空气温度 目前我国许多规范都是以室内空气温度为控制指标，这种方法简单方便，但是不完善。（2）有效温度（ET）1919开始研究，1967前的ASHRAE手册采用。空调建筑中常用此评价指标。有效温度ET定义：“这是一个将干球温度、湿度、空气流速对人体温暖感或冷感的影响综合成一个单一数值的任意指标。它在数值上等于产生相同感觉的静止饱和空气的温度。”缺点：通过人体实验来获得的，因此并不十分完善，过分高估了温度在舒适状态的影响低温条件下湿度的影响不准确。被ET（新）所取代（标准有效温度）标准有效温度（SET）基于人体生理学模型通用指标，适用范围最广通过软件计算得到（3）预测热感指数（PMV）预测热感
11、指数（Predicted Vote，简写为PMV）是丹麦学者范格尔（P.o.Fanger）综合了近千人在不同热环境下的热感觉试验结果，并以人体热平衡方程为基础得到的。该理论认为人的热感觉是热负荷（产热率与散热率之差）的函数，而且人在舒适状态下应有的皮肤温度和排汗散热率分别与产热之间存在相对应关系，即在一定的活动状态下，只有一种皮肤温度和排汗散热率是使人感到最舒适的。本评价指标是在80年代得到国际标准化组织承认的一种比较全面的热舒适指标，以人体热平衡方程和生理学主观感觉等级作为出发点。综合反映了人的活动、衣着及环境的空气湿度、相对湿度、平均辐射湿度和室内风速等因素的关系以及影响。目前是考虑人体热
12、舒适诸多因素最全面的的一个指标。PMV值适合于适度热环境，对于极端热环境还要采用其他标准。PMVPMV指标的指标的7 7级分度级分度热感觉热暖微暖适中微凉凉冷PMV值+3+2+10-1-2-3室内热环境的计算参数夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准夏季空调室内设计计算温度夏季空调室内设计计算温度2626C C。冬季采暖室内设计计算温度冬季采暖室内设计计算温度1616C C。公共建筑节能设计标准公共建筑节能设计标准空调系统夏季室内计算参数：空调系统夏季室内计算参数：温度温度2525C C，风速，风速0.150.150.30.3，相对湿度，相对湿度404060601.1
13、.4湿空气的物理性质n1 水蒸气分压力n2 空气湿度n3 露点温度n 地球上的空气由干空气和水蒸气组合而成的地球上的空气由干空气和水蒸气组合而成的混合物称为混合物称为湿空气湿空气，湿空气中水蒸气的含量是，湿空气中水蒸气的含量是非常少的。应该对湿空气的状态变化有了解。非常少的。应该对湿空气的状态变化有了解。n n 湿空气状态变化过程直接影响建筑物围护结湿空气状态变化过程直接影响建筑物围护结构的潮湿状况，明显影响人们对建筑环境的潮构的潮湿状况，明显影响人们对建筑环境的潮湿感觉，因此有必要对湿空气的物理性质有所湿感觉，因此有必要对湿空气的物理性质有所了解。了解。湿空气湿空气湿空气水蒸气水蒸气干空气干
14、空气 湿空气中水蒸气的含量很少，但其含量的变化对湿空气的热物理性质有重要影响。温度一定，湿空气中水蒸气的含量有一个最大限度，超过此限度，水蒸气就会凝结成水从空气中析出（雾气、雾滴），此时的湿空气称为饱和湿空气。1.水蒸气分压力：PPPdwn道尔顿分压定律：n一定的温度和压力条件下，一定容积的空气所能容纳的水蒸汽量有一定的限度。极限值的大小随空气的温度和压力而变。n饱和空气，饱和蒸汽压n不饱和空气，不饱和蒸汽压n饱和水蒸汽分压用Ps表示；未饱和水蒸气分压力用P表示。压强n饱和蒸气压：饱和蒸气压：处于饱和状态的湿空气中的水蒸处于饱和状态的湿空气中的水蒸气所呈现的压力叫做气所呈现的压力叫做“饱和蒸气
15、压饱和蒸气压”或最大水或最大水蒸气分压力。蒸气分压力。n饱和空气：饱和空气：当水蒸气的含量达到极限时叫做饱当水蒸气的含量达到极限时叫做饱和空气。和空气。n标准大气压下，饱和蒸汽压随温度的升高而增大只与温度有关n 这是因为在一定的大气压下，湿空气的这是因为在一定的大气压下，湿空气的温度越高，其一定容积中所能容纳的水蒸温度越高，其一定容积中所能容纳的水蒸气越多，因而水蒸气所呈现的压力越大。气越多，因而水蒸气所呈现的压力越大。2.空气湿度n湿度表示空气的干湿程度。n（1）绝对湿度：指1m3空气中含有水蒸气的重量，常用常用f(g/m3)f(g/m3)表示，饱和状态下的绝对湿度用饱和蒸汽量表示，饱和状态
16、下的绝对湿度用饱和蒸汽量fmaxfmax表表示。示。n（2）相对湿度：指一定温度及大气压力下，空气的绝对湿：指一定温度及大气压力下，空气的绝对湿度度f f与同温同压下饱和蒸汽量与同温同压下饱和蒸汽量fmaxfmax的比值。一般用的比值。一般用（）（）表示。表示。也可用空气中的水蒸汽分压力也可用空气中的水蒸汽分压力P P与同温度下的水蒸汽与同温度下的水蒸汽饱和蒸汽压饱和蒸汽压PsPs之比的百分数来表示之比的百分数来表示 。n 含湿量：单位质量的干空气所含水蒸气的质量叫做含含湿量：单位质量的干空气所含水蒸气的质量叫做含湿量（湿量（d d）。）。绝对湿度为绝对湿度为153g/m3153g/m3的空气
17、，当温度为的空气，当温度为1818，水蒸汽含，水蒸汽含量已达最大值，即已经处于饱和状态。量已达最大值，即已经处于饱和状态。如果空气的温度为如果空气的温度为30,30,此时空气的饱和水蒸汽量则为此时空气的饱和水蒸汽量则为301g/m3301g/m3，水蒸汽的含量几乎可以增加，水蒸汽的含量几乎可以增加1 1倍。倍。建筑热工中广泛应用相对湿度，因为更能说明湿空气对建筑热工中广泛应用相对湿度，因为更能说明湿空气对人体的热舒适感、房间以及围护结构湿状况的影响。人体的热舒适感、房间以及围护结构湿状况的影响。n 对于室内热环境而言，正常的湿度范围大致是对于室内热环境而言，正常的湿度范围大致是30306060
18、。3.露点温度n（1）定义n（设不人为地增加或减少空气含湿量，而只用干法加热或降温空气）某一状态的空气，在含湿量不变的情况下，冷却到它的相对湿度达到100%时所对应的温度，称为该状态下空气的露点温度，用td表示。其物理意义就是空气中的水蒸气开始出现结露的温度。n 若从 td 往下继续降温，则空气中容纳不了原有水蒸气，迫使部分水蒸气凝结成水珠（露水）析出。n 这种由于温度降到露点温度以下，空气中水蒸汽液化析出的现象称为冷凝。（2）例题A设某房间的温度为22，相对湿度为46.5%，求(1)房间的蒸汽压；(2)房间的露点温度。解答(1)(1)欲求水蒸气的分压力，宜先求相应温度下的饱和蒸汽压欲求水蒸气
19、的分压力，宜先求相应温度下的饱和蒸汽压 由附录由附录2 2查知查知PsPs2642.4Pa2642.4Pa将之与相对湿度将之与相对湿度值一道代值一道代入式得其蒸汽压为入式得其蒸汽压为 P PPsPs2642.4x 0.4652642.4x 0.4651228.7(Pa)1228.7(Pa)(2)(2)由露点温度的概念可知，将温度降低，使上述蒸汽压成由露点温度的概念可知，将温度降低，使上述蒸汽压成为饱和蒸汽压时，相应的温度即为露点利用附录为饱和蒸汽压时，相应的温度即为露点利用附录2 2可以可以查出相应于饱和蒸汽压为查出相应于饱和蒸汽压为1228.7Pa1228.7Pa的温度为的温度为1010，即
20、露点，即露点温度为温度为1010。例题：例题：B某房间的室内空气温度为26C，相对湿度为70，房间自来水供水管表面温度为15C，问水管表面是否结露？解答：解答：26C饱和水蒸气分压力为3361.0Pa。26C，70湿空气的水蒸气分压力为2352.7Pa，对应露点温度约为20.1C。水管表面温度15C露点温度，结露。大气压力p：空气层对单位地球表面形成的压力。不是一个定值，海拔越高，大气压越低。水蒸气分压力p：湿空气中的水蒸气所产生的压力。pw p+pd饱和水蒸气分压力ps：饱和湿空气的水蒸气分压力。ps值只与温度有关。一个大气压下，温度越高，饱和水蒸气分压力越大。绝对湿度f：单位体积湿空气中所
21、含水蒸气的质量，kg/m3。Vmfq含湿量d：单位质量干空气中所含水蒸气的质量，kg/kg干空气。gqmmd 相对湿度：一定大气压下，湿空气的绝对湿度（水蒸气分压力）与同温度下饱和湿空气的绝对湿度（水蒸气分压力）之比。建筑热工设计中常用来评价环境潮湿程度。%100%100qbqbppff露点温度td：在湿空气的压力和含湿量保持不变的情况下，冷却空气达到饱和湿空气状态时的温度。是判断湿空气结露与否的重要参数。湿空气的状态参数气气 压压湿湿 度度温温 度度大气压力大气压力p p水蒸气分压力水蒸气分压力p p饱和水蒸气分压力饱和水蒸气分压力p ps s绝对湿度绝对湿度f f含湿量含湿量d d相对湿度相对湿度露点温度露点温度t td d思考：最佳的气流速度值可能是多少？潮湿为什么不舒服？为什么说，即使人们富裕了，也不应该把房子搞成完全的“人工空间”？1.1.4小结1.人体的热平衡方程2.影响人体热感觉的因素有哪些？3.绝对湿度、相对湿度、露点温度、冷凝下节内容预告室外热环境及建筑热工分区室外热环境及建筑热工分区本节结束谢谢
