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1、绿色建筑设计相关应用理论1.绿色建筑设计相关应用理论1.1 建筑热工1.1.1 围护结构传热基础知识热量传递有三种基本方式，即导热、对流和辐射。实际的传热过程无论多么复杂，都可以看作是这三种方式的不同组合。因此，传热学总是先分别研究这三种方式的传热机理和规律，再考虑它们的一些典型组合过程。1.绿色建筑设计相关应用理论1）导热在固体、液体和气体中都存在导热现象，但是在不同的物质中导热的机理是有区别的。在气体中是通过分子作无规则运动时互相碰撞而导热，在液体中是通过平衡位置间歇移动着的分子振动引起的；在固体中，除金属外，都是由平衡位置不变的质点振动引起的，在金属中，主要是通过自由电子的转移而导热。纯
2、粹的导热现象仅发生在理想的密实固体中，但绝大多数的建筑材料或多或少总是有孔隙的，并非是密实的固体。在固体的孔隙内将会同时产生其他方式的传热，但因对流和辐射方式传递的热能，在这种情况下所占比例甚微，故在建筑热工计算中，可以认为在固体建筑材料中的热传递仅仅是导热过程1.绿色建筑设计相关应用理论（1）温度场、温度梯度和热流密度在在物体中，热量传递与物体内温度的分布情况密切相关。物体中任何一点都有一个温度值，一般情况下，温度t是空间坐标和时间的函数，即：在某一时刻物体内各点的温度分布，称为温度场，上式就是温度场的数学表达式。温度场中同一时刻由相同温度各点相连成的面叫做“等温面”。等温面示意图就是温度场
3、的形象表示。温度差t与沿法线方向两等温面之间距离n的比值的极限，叫做温度梯度，表示为：如果热流密度在面积F上均匀分布，则热流量为：等温面示意图1.绿色建筑设计相关应用理论（2）傅立叶定律由导热的机理我们知道，导热是一种微观运动现象。但在宏观上它将表现出一定的规律性来，人们把这一规律称为傅立叶定律，因为它是由法国数学物理学家傅立叶（Fourier）于1822年最先发现并提出的。物体内导热的热流密度的分布与温度分布有密切的关系。傅立叶定律指出：均质体内各点的热流密度与温度梯度的大小成正比，即1.绿色建筑设计相关应用理论（3）导热系数导热系数是在稳定条件下，1m厚的物体，两侧表面温差为1oC时，在1
4、h内通过1m2面积所传导的热量。导热系数越大，表明材料的导热能力越强。各种物质的导热系数，均由实验确定。物质的导热系数还与温度有关，实验证明，大多数材料的值与温度的关系近似直线关系，即式中是材料在0oC条件下的导热系数；b经实验测定的常数。在工程计算中，导热系数常取使用温度范围内的算术平均值，并把它作为常数看待。1.绿色建筑设计相关应用理论2）对流 对流传热只发生在流体之中，它是因温度不同的各部分流体之间发生相对运动，互相掺合而传递热能的。由流体实验得知，当流体沿壁面流动时，一般情况下在壁面附近也就是在边界层内，存在着层流区、过渡区和紊流区三种流动情况。为确定表面对流换热量，可利用牛顿公式：（
5、1）自然对流（指围护结构内表面）垂直表面水平表面（热流由上而下）水平表面（热流由下而上）1.绿色建筑设计相关应用理论（2）受迫对流内表面外表面表面对流换热1.绿色建筑设计相关应用理论1.绿色建筑设计相关应用理论1.绿色建筑设计相关应用理论不透明表面的反射和吸收1.绿色建筑设计相关应用理论（3）物体之间的辐射换热由于任何物体都具有发射辐射和对外来辐射吸收反射的能力，所以在空间任意两个相互分离的物体，彼此间就会产生辐射换热。任意相对位置的两个表面，若不计两表面之间的多次反射，仅考虑第一次吸收，则表面辐射换热量的通式为：或辐射换热系数，（）；、两辐射换热物体的表面温度，；壁面面积。在建筑中有时需要了
6、解某一围护结构的表面与所处环境中的其他表面，如壁面、家具表面之间的辐射换热，这些表面中往往包含了多种不同的不固定的物体表面，很难具体做详细计算，在工程实践中可采用公式进行简化计算。1.绿色建筑设计相关应用理论4）围护结构传热原理房屋围护结构时刻受到室内外的热作用，不断有热量通过围护结构传进或传出。在冬季，室内温度高于室外温度，热量由室内传向室外；在夏季则正好相反，热量主要由室外传向室内。（1）表面换热表面热转移过程中的对流与导热是很难分开研究的，一般都只能将二者的综合效果放在一起来考虑。1.绿色建筑设计相关应用理论1.绿色建筑设计相关应用理论1.绿色建筑设计相关应用理论1.1.2 建筑围护结构
7、的稳定传热计算建筑物及房间各面的围挡物总称为建筑围护结构。室内外温度的变化规律影响着建筑保温与隔热设计，根据建筑保温与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。室内温度和室外温度在计算期间不随时间而变，这种计算模型通常用于采暖房间冬季条件下的保温与节能设计。（2）周期热作用。根据室内外温度波动的情况，又分单向周期热作用和双向周期作用两类，前者通常用于空调房间的隔热与节能设计，后者用于自然通风房间的夏季隔热设计。恒定的热作用周期热作用1.绿色建筑设计相关应用理论1）一维稳定传热特征有一厚度为d的单层匀质材料，当其宽度与高度的尺寸远远大于厚度
8、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，其传热特征可归纳如下：（1）通过平壁的热流强度q 处处相等；（2）同一材质的平壁内部各界面温度分布呈直线关系。1.绿色建筑设计相关应用理论2）单层平壁的导热和热阻严格地讲，只有密实的固体中才存在单纯的导热现象。而一般的建筑材料内部或多或少地总有一些孔隙。在孔隙内除导热外，还有对流和辐射换热方式存在，但由于对流及辐射换热量所占比例很小，故在热工计算中，对通过围护结构材料层的传热过程，均按导热过程考虑。（1）单层匀质平壁的导热；（2）多层平壁的
9、导热与热阻；（3）组合壁的热阻。1.绿色建筑设计相关应用理论1.绿色建筑设计相关应用理论4）封闭空间气间层的热阻静止的空气介质导热性甚小，因此在建筑设计中常利用封闭空气间层作为围护结构的保温层。在空气间层中的传热过程，与固体材料层不同。固体材料层内是以导热方式传递热量的。而在空气间层中，导热、对流和辐射三种传热方式都明显地存在着，其传热过程实际上是在一个有限空气层的两个表面之间的热转移过程，包括对流换热和辐射换热，如图所示。1.绿色建筑设计相关应用理论4）封闭空间气间层的热阻因此，空气间层不像实体材料层那样，当材料导热系数一定后，材料层的热阻与厚度成正比关系。在空气间层中，其热阻主要取决于间层
10、两个界面上的空气边界层厚度和界面之间的辐射换热强度。所以，空气间层的热阻与厚度之间不存在成比例地增长的关系。垂直封闭空气间层内的传热过程1.绿色建筑设计相关应用理论5）平壁内部温度的计算围护结构的内部温度和表面温度都是衡量和分析围护结构热工性能的重要依据，主要用于判别围护结构内部是否会产生冷凝水，或判断表面温度是否低于室内露点温度。故需要对所设计的围护结构进行逐层温度核算。得出外表面的温度：或应指出，在稳定传热条件下，当各层材料的导热系数为定值时，每一材料层内的温度分布是一直线，在多层平壁中成一条连续的折线。材料层内的温度降落程度与各层的热阻成正比，材料层的热阻越大，在该层内的温度降落也越大。
11、材料导热系数越小，层内温度分布线的斜度越大（陡），反之，导热系数越大，层内温度分布线的斜度越小（平缓）。1.绿色建筑设计相关应用理论1.1.3 建筑保温、隔热与节能1）建筑保温与节能设计策略（1）充分利用太阳能。在建筑中利用太阳能一般包括两层含义。一是从节约能源角度考虑。二是从卫生角度考虑。（2）防止冷风的不利影响。总原则是要求房屋有足够的密闭性，但是还要有适当的透气性或者设置可开关的换气孔。（3）选择合理的建筑体形与平面形式。建筑体形与平面形式，对保温质量和采暖费用有很大的影响。（4）房间具有良好的热工特性、建筑具有整体保温和蓄热能力。（5）建筑保温系统科学、节点构造设计合理。每一个成熟的保
12、温系统，都对传热异常部位的节点构造有相应的研究设计成果，在采用某种保温系统的同时，充分利用合理的系统节点构造，以确保建筑保温与节能设计的科学性。（6）建筑物具有舒适、高效的供热系统。1.绿色建筑设计相关应用理论2）建筑隔热设计标准（1）通常情况下，屋顶和西（东）外墙内表面最高温度应满足下式要求：（2）对于夏季特别炎热地区（如南京、合肥、芜湖、九江、南昌、武汉、长沙、重庆等）应满足下式要求：（3）当外墙和屋顶采用轻型结构（如加气混凝土）时，应满足下式要求：（4）当外墙和屋顶内侧复合轻质材料（如混凝土墙内侧复合轻混凝土、岩棉、泡沫塑料、石膏板等），应满足下式：（5）对于夏季既属炎热地区，冬季又属寒
13、冷地区的区域，其建筑设计既应考虑防寒又应考虑防热，外墙和屋顶设计则应同时满足冬季保温和夏季隔热的要求。3）非透明围护结构的保温与节能（1）建筑保温与最小传热阻法在我国北方采暖地区，设置集中采暖的建筑，其外墙和屋顶的传热阻不得小于按下式确定的最小传热阻：式中冬季室内计算温度，；冬季室外计算温度，；温差修正系数；内表面热转移阻，（）；室内气温与外墙（或屋顶）内表面之间的允许温差，。1.绿色建筑设计相关应用理论（2）建筑节能与传热系数限值法居住建筑的保温与节能;公共建筑的保温与节能;非透明围护结构的传热系数计算。1.绿色建筑设计相关应用理论（3）建筑能耗控制与围护结构热工性能权衡判断法权衡判断是一种
14、性能化的设计方法，具体做法是先构想出一栋虚拟的建筑，称之为参照建筑，分别计算参照建筑和实际设计的建筑的全年采暖和空调能耗，并依照这两个能耗的比较结果做出判断。当实际设计的建筑能耗大于参照建筑的能耗时，调整部分设计参数（例如提高窗户的保温隔热性能，缩小窗户的面积等），重新计算所设计建筑的能耗，直至设计建筑的能耗不大于参照建筑的能耗为止。权衡判断的核心是对参照建筑和所设计建筑的采暖和空调能耗进行比较并做出判断。用动态方法计算建筑的采暖和空调能耗是一个非常复杂的过程，必须借助于不断开发、鉴定和广泛推广使用的建筑节能计算软件进行计算。在计算过程中，为了保证计算的准确性，必须对建筑的工况作出统一具体的规
15、定，使计算结果具有可比性。1.绿色建筑设计相关应用理论4）透明围护结构的保温与节能（1）外窗与透明幕墙的保温与节能提高气密性，减少冷风渗透提高窗框保温性能改善玻璃的保温能力（2）外门的保温与节能这里外门包括户门（不采暖楼梯间）、单元门（采暖楼梯间）、阳台门以及与室外空气直接接触的其他各式各样的门。门的热阻一般比窗户的热阻大，而比外墙和屋顶的热阻小，因而也是建筑外围护结构保温的薄弱环节，在建筑设计中，应当尽可能选择保温性能好的保温门。外门的另一个重要特征是空气渗透耗热量特别大。与窗户不同的是，门的开启频率要高得多，这使得门缝的空气渗透程度要比窗户缝的大得多，特别是容易变形的木制门和钢制门1.绿色
16、建筑设计相关应用理论1.绿色建筑设计相关应用理论1.绿色建筑设计相关应用理论1.1.4 建筑围护结构的传湿与防潮墙内出现水分的原因是多种多样的，水蒸汽扩散所形成的水分是其中一个主要原因。外围护结构的受潮主要决定于下列因素：a.用于结构中材料的原始湿度；b.施工过程（如浇筑混凝土、在砖砌体上洒水、粉刷等）中进人结构材料的水分。施工水分的多少，主要取决于围护结构的构造和施工方法，若采用装配式结构和干法施工，施工水分就可大大减少；1.绿色建筑设计相关应用理论d.由于受雨、雪的作用而渗透到围护结构中的水分；e.使用管理中的水分。例如:在漂白车间、制革车间、食品制造车间以及某些选矿车间等，在生产过程中使用很多水，使地板和墙的下部受潮；f.由于材料的吸湿作用，从空气中吸收的水分；g.空气中的水分在围护结构表面和内部发生冷凝。1）建筑围护结构的传湿（1）材料的吸湿特性把一块干的材料试件置于湿空气之中，材料试件会从空气中逐步吸收水蒸气而受潮，这种现象称为材料的吸湿。材料的吸湿特性，可用材料的等温吸湿曲线表征。1.绿色建筑设计相关应用理论材料的等温吸湿曲线1）建筑围护结构的传湿（2）围护结构中的水分转移
