建筑物理:建筑气候·热传递·湿传递·建筑声学:基础、应用、案例

引言 1

建筑气候 3

1 室外与室内气候 3

1.1 室外气候 4

1.1.1 室外气温 5

1.1.1.1 室外气温的年变化历程 5

1.1.1.2 实际气温变化过程的模拟 7

1.1.1.3 室外气温的日变化历程 11

1.1.1.4 室外气温的累积频率 12

1.1.2 热辐射负荷 13

1.1.2.1 投射到水平表面上的短波辐射热流密度 14

1.1.2.2 投射到任意朝向和以任意倾斜角表面上的辐射热流密度 16

1.1.2.3 长波辐射 27

1.1.3 水蒸气压力和空气相对湿度 28

1.1.3.1 水蒸气的饱和压力 28

1.1.3.2 水蒸气的实际压力 31

1.1.3.3 空气相对湿度 31

1.1.4 降水和风 33

1.1.4.1 雨流密度 33

1.1.4.2 风速和风向 34

1.1.4.3 受风雨影响的区域的划分 36

1.1.5 作用在建筑物垂直表面上冲击雨的雨流密度 37

1.1.6 以北京为例的气象参考年（TRY） 44

1.1.7 局地气候 47

1.2 室内气候 48

1.2.1 室内温度 48

1.2.1.1 人体的能量转换 48

1.2.1.2 室内气温、围护结构表面温度及体感温度 50

1.2.2 室内空气湿度 51

1.2.2.1 空气相对湿度—室内气候分类 51

1.2.2.2 焓与水蒸气含量（h-x 图） 57

1.2.2.3 露点温度 59

1.2.2.4 空气湿度和流速对舒适度的影响 60

热传递 63

2 热传递基础 63

2.1 热传导 63

2.1.1 导热方程 63

2.1.2 导热方程的稳态解 70

2.2 热对流 74

2.2.1 导热与对流耦合的传热方程组 74

2.2.2 建筑构件表面的对流换热 76

2.2.3 温度场与流场的相似 77

2.3 热辐射 79

2.3.1 热辐射定律 79

2.3.2 建筑构件表面之间的辐射换热 83

2.3.2.1 两个平行表面之间的辐射换热 83

2.3.2.2 两个任意封闭表面之间的辐射换热 84

2.3.2.3 辐射角系数 85

2.4 建筑构件表面的总传热过程 89

3 建筑构件的热工特性 91

3.1 多层建筑构件的稳态传热过程 91

3.1.1 冬季条件下给定结构的热阻R 和传热系数U，以及稳态温度分布的确定 91

3.1.2 对R 值和U 值的*低要求 97

3.1.2.1 准则1：避免建筑构件表面产生冷凝水 98

3.1.2.2 准则2：避免建筑构件表面产生霉菌 100

3.1.2.3 准则3：避免建筑构件表面温度低于17℃ 103

3.1.3 并联组合构件的传热 105

3.1.4 玻璃窗的传热 106

3.1.5 通风围护结构的传热 111

3.1.5.1 通风外墙 111

3.1.5.2 通风坡屋顶 121

3.1.5.3 通风间隙的温度和流速的计算值与测量值的比较 130

3.1.6 倒置式屋顶的传热 132

3.2 热桥 134

3.2.1 过梁—简单热桥 134

3.2.2 建筑物墙角 140

3.3 建筑构件对温度波动的衰减作用 145

3.3.1 建筑构件稳态温度场的计算 145

3.3.2 周期负荷作用下的热储存 151

3.3.2.1 热流密度与存储热 151

3.3.2.2 热吸收系数和起作用的储热质量 152

3.3.2.3 非稳态热阻的向量表达 156

3.3.3 给定测试参考气象年（TRY）数据条件下的温度场 157

3.4 地板的热传导 158

3.4.1 阶跃负荷作用下的非稳态温度场 158

3.4.2 传导热量和储存热量 159

3.4.2.1 赤足情况下的热传导 159

3.4.2.2 非赤足情况下的热传导 161

3.4.3 限定足部散热量条件下对地板构造的要求 162

4 建筑物及房间的热工性能 167

4.1 供暖期间建筑物的热工性能 167

4.1.1 供暖期间的热平衡—需求供热量 169

4.1.1.1 计算需求供热量时失热量与得热量的热平衡 169

4.1.1.2 传热热流与传热损失 172

4.1.1.3 通风热流与通风热损失 172

4.1.1.4 辐射热流与通过透明建筑构件的得热 176

4.1.1.5 辐射热流与通过不透明建筑构件的得热 177

4.1.1.6 内热源产生的热流 179

4.1.2 实际供热需求量及许用耗热量的近似关系式 179

4.1.2.1 实际比供热需求量的近似关系式 179

4.1.2.2 许用比耗热量的近似关系式 181

4.1.2.3 许用耗热量受使用面积AN 单一影响时的相关关系 183

4.1.3 建筑物的周期热负荷—供暖周期时长和供暖临界温度 184

4.1.3.1 不考虑和考虑建筑结构质量时的供暖周期时长和供暖临界温度计算 184

4.1.3.2 无空调时通过*低室温限定的供暖周期时长 189

4.1.4 一次能源消耗量QP 与设备能耗系数eP 193

4.1.5 许用一次能源比消耗量Q''P 195

4.1.5.1 许用一次能源比消耗量Q''P 与AO/V 的相关关系 195

4.1.5.2 许用一次能源比消耗量Q''P 受使用面积AN单一影响时的相关关系 197

4.1.6 某建筑使用冷凝式锅炉时一次能源的实际比消耗量与许用比消耗量的比较 198

4.1.7 案例：某混凝土预制板楼节能改造前后采暖期内的热能平衡 201

4.2 非采暖期内无空调建筑物的热工性能——夏季防热 218

4.2.1 夏季晴好天气期间的热流平衡 219

4.2.2 室内空气的加热与房屋相关参数及使用条件参数的关系 223

4.2.2.1 针对加热过程的讨论 223

4.2.2.2 针对夏季5 天加热后室内温度的讨论 229

4.2.3 夏季热防护的评价准则 235

4.2.3.1 平均室内空气温度的边界值 235

4.2.3.2 允许的夏季辐射热负荷的边界值 235

4.2.3.3 必要的遮阳系数的证明 241

4.2.4 案例：给定居住单元中某间热极端条件房间的气温计算 250

4.2.5 无空调房间结构内表面温度、室内空气温度及体感温度的日变化历程 265

4.2.5.1 热流日变化历程的模拟 265

4.2.5.2 选定测试房间中的体感温度日变化历程 270

4.2.5.3 案例：给定的居住单元中某间热极端条件房间内体感温度随时间变化关系的计算 284

4.3 室内温度日变化历程和年变化历程的一般表达 305

4.3.1 通常热负荷下的内表面温度、室内气温及体感温度 305

4.3.2 无供暖重型房屋建筑内表面的夏季水凝结 314

湿传递 319

5 建筑构件和房屋的湿传递性能 319

5.1 湿储存与湿传递基础 320

5.1.1 引言 320

5.1.2 表面张力与毛细现象 320

5.1.3 湿储存 323

5.1.3.1 孔隙半径分布概率 323

5.1.3.2 湿滞留系数和等温吸湿曲线 325

5.1.4 毛细水的传输 329

5.1.4.1 毛细水传导系数或导水率 329

5.1.4.2 湿含量的传导系数或湿扩散率 334

5.1.4.3 等温湿传导方程及毛细水的吸收 338

5.1.5 水蒸气的储存与传递 343

5.1.6 串并联布置的多孔聚类湿传递模型的细化 346

5.2 建筑构件内部水的凝结 348

5.2.1 依据GLASER 法计算建筑构件内部结露过程 348

5.2.1.1 水蒸气的稳态传递过程 348

5.2.1.2 凝结水量的计算 350

5.2.1.3 夏季干燥过程 353

5.2.1.4 建筑防潮的气候边界条件和验证准则 356

5.2.1.5 伴随内部结露的水蒸气扩散过程举例及扩散图 358

5.2.2 毛细水传输对于内部结露过程的影响 368

5.2.2.1 多层围护结构中水蒸气和毛细水的耦合传输过程 368

5.2.2.2 湿流密度和湿平衡的计算 369

5.2.2.3 稳态条件下超吸湿阶段湿含量、冷凝区域的范围、凝结水量的计算 373

5.2.2.4 冬季突变气候条件下的调整适应过程 374

5.2.2.5 夏季的干燥过程 376

5.2.2.6 案例：6 层外墙结构，带有强毛细作用内保温层墙体的节能改造 378

5.2.2.7 应用程序COND 2002 介绍 386

5.3 建筑材料及构件中的热湿耦合传递 392

5.3.1 守恒方程组 392

5.3.1.1 能量守恒方程 392

5.3.1.2 湿含量守恒方程 393

5.3.2 结构改造案例 395

5.3.2.1 使用强毛细力内保温材料对德累斯顿一座德国经济繁荣期旧建筑的热改造 395

5.3.2.2 对东萨克森地区一座上卢萨蒂亚建筑的保温隔热改造 402

5.3.2.3 包含绿植的木质平屋顶结构 409

5.4 考虑围护结构表面吸湿功能的非稳态湿负荷作用下室内空气湿度波动 414

5.4.1 考虑围护结构表面储湿能力的周期负荷作用下室内湿流的模拟 414

5.4.2 周期负荷作用下室内空气相对湿度随时间的变化 418

5.4.2.1 室内空气湿度的年变化历程 418

5.4.2.2 室内空气湿度的日变化历程 423

5.4.3 围护结构表面吸湿的评判准则 429

5.4.4 室内空气湿度日变化历程和年变化历程的一般表达 435

建筑声学 441

6 建筑声学基础 441

6.1 自由空间中声音的传播 442

6.1.1 一维声波方程 442

6.1.2 声场参数 446

6.1.2.1 频率、倍频程和1/3 倍频程 446

6.1.2.2 声速或粒子的振动速度 447

6.1.2.3 声压 448

6.1.2.4 声能、声能密度、声功率和声强 449

6.1.2.5 声级 450

6.1.3 室外空间的声级 454

6.1.3.1 声源的特征 454

6.1.3.2 点声源 455

6.1.3.3 线声源 458

6.1.3.4 面声源 460

6.1.3.5 通过隔声墙降低声级 462

6.1.3.6 交通噪声级 466

6.2 内部空间声的传播——室内声学 468

6.2.1 扩散和直达声场 468

6.2.1.1 扩散声强和等效吸声面 468

6.2.1.2 室内空间的总声强和总声级 470

6.2.2 吸声 473

6.2.2.1 多孔吸声材料 473

6.2.2.2 薄板共振吸声结构 479

6.2.2.3 亥姆霍兹共振腔结构 486

6.2.3 室内空间的音质 491

6.2.3.1 回声 491

6.2.3.2 吸声与反射结构的布置 494

6.3 建筑声学 497

6.3.1 建筑构件的隔声 497

6.3.1.1 单层构件的隔声—Berger 定律 497

6.3.1.2 建筑构件的弯曲振动对隔声量的降低 499

6.3.1.3 双层构件的隔声 505

6.3.1.4 不同隔声特性构件组合使用时的隔声效果 514

6.3.1.5 单层墙体的建筑隔声量及边缘传输效应 515

6.3.1.6 双层墙体的边缘传输效应及建筑隔声量 521

6.3.1.7 评估参考建筑隔声量 525

6.3.1.8 接收房间内的声级和声级差 528

6.3.1.9 隔声效果的验证条件 530

6.3.2 屋顶走动噪声的隔离 531

6.3.2.1 单层屋顶走动噪声声级 532

6.3.2.2 双层屋顶走动噪声声级 534

6.3.2.3 标准走动噪声声级和评价参考标准走动噪声声级 537

公式符号、单位和角标 541

参考文献 549