建筑物理调研报告.doc

关于建筑热工学相关问题调查研究-以湖北工业大学等相关建筑为例(张1 段2周3 郑4 周5 何6)摘要：建筑热工学是研究建筑物室内外热湿作用对建筑围护结构和室内热环境的影响，是建筑设计时重要考虑依据。建筑热工学的主要任务是研究如何创造适宜的室内热环境，以满足各种办公、生产活动、人们工作和生活的需要。建筑物既要抗御严寒、酷暑，又要把室内多余的热量和湿气散发出去。对于特殊建筑，如空调房间、冷藏库等不仅要考虑热工性能，而且还要考虑投资和节能等问题，主要有研究对象建筑保温、隔热、通风、遮阳等。关键词：建筑热工学 保温 隔热 通风 遮阳第一章 保温保温，即冬天能保暖、夏天能隔热，从原理上来说，主要就是通过一定的措施和方法，对建筑进行处理，以降低导热，对流，辐射等三种传热的效率。建筑设计人员在进行对房屋结构设计时，应该根据地区气候进行合理有效保温设计，以达到改善室内热环境目的。本次对建筑保温性能的调研活动，是围绕着以下几个方面，进行开展讨论的。1.1进行建筑体型设计时，主要在减少外围围护的结构面积 减少围护的结构面积主要指的是减少围合在建筑物四周的墙、门窗等面积。这种保温途径的原理是根据平壁在稳定的传热状态下总传热量公式Q=q*F推出的，在平壁的热流强度和传热时数不变的情况下，其总传热量影响因素主要在于其围护结构的面积，其结构的面积也小，其向外传递的热量也少。这一种保温的途径在我们生活中十分常见，也是一种最基本的保温设计措施，本小组选择了湖北工业大学宿舍为案例（如图1.1.湖北工业大学西区17栋学生寝室），进行了调研分析，我们发现所有的4人间宿舍的均为如图1.2施工图所示，其进深为4.8m，面宽为3.2m，其余与外界的接触墙面的长度为3.2m，这样可以大大的降低与室外大气接触的表面积，从而在相同的容积的情况下，可以降低建筑的体型系数。然而，降低了围护结构面积，也会产生一些不利的影响。与室外的结构面积减少后，造成在安装门窗面积问题上产生一定限制，造成了寝室室内空气混浊，光线昏暗不良后果，给采光通风等方面带来了不良影响，因此在校园内的绝大部分教学教室设计上为了避免上述的不良后果，没有采用这种保温途径，其面宽往往大于它的进深。1.2.进行建筑围护设计时，核心在采用高性能保温材料我们以建筑保温中常关注的导热为例进行分析，导热系数是物质导热性能的标志，是物质的物理性质之一。的值越小，表示其导热能力越差，其保温效果就越好，相反，的值越大，其保温的效果就差。不同的保温材料，其导热系数有很大的差别，各自的保温效果也不尽相同，例如木材的导热系数在0.140.38，而水泥混凝土结构的导热系数在1.0以上，因此木材的保温效果相对于水泥混凝土结构的效果要好一些，这就是一些建筑采用木地板（如图1.3湖工北区第六教学楼木地板），木天花板（如图1.4江汉路sanfu百货商店木制天花板）的除了美观原因外的另外一个重要原因。当然，也不是仅仅只有木材可以作为保温材料，还有其他各种各样的有机无机保温材料，只是在选择时除了考虑其保温效果外，还要考虑其经济美观，防火等因素。影响材料的自身的导热系数除了材料自身的性质影响因素外，其密度和保温材料所处的环境温度也扮演着十分重要的因素。相同的材料在密度不同的情况下，其导热系数也有很大差距。不同的密度，说明其材料中孔隙率和性质状态不同 ，当空隙率也大时,则孔隙对导热影响比率越大,造成材料整体的导热系数降低。如图1.5所示的建筑中使用的空心砖就是采用使用了上述原理来达到保温的目的。 1.3进行朝向与间距设计时，关键在合理控制日照量我们都知道，一个建筑的保温性能再好，不如从源头开始，合理控制日照量，这个问题对于地理纬度和海拔较高严寒地区的冬天显得十分重要。对于寒冷地区，我们可以采用合理的朝向和合理的间距增加室外围护结构的受日照量，提高结构表面的温度，进而降低室内平壁与室外平壁的温度差，即温度梯度来减少传热速度，已达到保温目的。当然，对于炎热地区来说，我们应该减少外围护结构的受光照量，一是减少室内因受阳光辐射而升高的温度，二是降低室外向室内传递热量的速率。图1.6是我们在调研时拍下的湖工科技综合楼。由于设计时朝向朝西，而且建筑前面没有有效的的障碍物进行遮蔽，导致此楼室内温度特别高。1.4.进行结构设计时，重点在密闭和防潮问题处理冬季时期，室外气温低，当外界的冷空气流入室内，迅速与室内环境发生交汇作用，造成室内温度产生波动，因此我们在进行对建筑结构设计时，应该增加建筑的密封性，防止冷风渗透带来的不良影响。如图1.7所示的湖北工业大学第一教学楼走廊，为了防止冬季时期外界冷风进入，将走廊上安装了窗户。当为冬季时，关闭窗户，增加建筑密封性，当为夏季时，又可以通过打开窗户允许自然风通过来降低室内温度。增加建筑密封性，可以大大减少室内外热量进行交流，同时也可以减少建筑围护结构与室外接触面积，两者共同作用来达到达到保温目的，但是建筑密封性的提高，如果不采用有效措施，会降低室内光照强度，同时又会影响室内通风。第二章 隔热 建筑防热是指为防止室内过热和改善室内热环境所采取的综合措施。在从事建筑总体规划和单体建筑设计时要根据建筑物的使用要求采取防热措施。室内过热现象是指周围环境热辐射强，室内气温过高。一旦室内湿度大，空气流速小，使人体产生的热量和周围环境所能散发的热量失去平衡,人体散热困难,就会影响健康。为此，在从事建筑总体规划和单体建筑设计时要根据建筑物的使用要求采取防热措施。2.1 室内过热的原因 室内过热的原因有：在太阳辐射和室外气温的作用下，是的围护结构内表面和室内空气温度升高；通过窗口进入室内的太阳辐射热（包括建筑物墙面、地面吸收太阳辐射热温度升高后，又向外辐射的热量），使部分地面、家具等吸热升温，加热室内空气；自然通风过程中带进带出的热量；室内生产或活动过程产生的余热，包括人体散热。2.2 隔热措施隔热措施主要有以下几种：(1) 减弱室外热作用。正确选择建筑的朝向和布局，可以有效地减少主要结构的日照量，从而降低室内温度。我们在上面提到的科技楼大致是坐东朝西的，白天受太阳光的直射，建筑吸收了太多的热量，如若无法有效的散热，室内温度就会较高。不过它的外围护结构主要采用灰白色材料，可以反射太阳光，减少辐射吸收。而且科技楼前有一大概两百多平米的绿色花坛，其后更有许多高大的常绿乔木，通过植物的光合作用可以有效地吸收热辐射，降低环境辐射和气温，并对高温气体起冷却作用（如图2.1科技楼航拍图）。同时该栋建筑后不远是巡司河，因水的比热容大，受温度的影响小，可以明显的降低周边室外温度。 (2)外围护结构的（白天）隔热与（夜间）散热。对屋顶和外墙，尤其是西墙，必须进行隔热处理。外围护结构隔热目的是控制外围护结构的内表面温度及其波动幅度，并使内表面最高温度同室外最高综合温度之间有一定的延迟时间。在外围护结构中，隔热要求最高的是屋顶，其次是西面的墙。降低室外综合温度。在结构外表面采用浅色的涂料，并可利用光滑的饰面材料，例如瓷砖等以减少结构表面对太阳辐射的吸收。在屋顶或墙壁的外侧设置遮阳设施，例如遮阳幕墙等，以便有效地降低太阳辐射强度。在屋顶、墙边植树、种植攀缘植物或草皮，绿化环境（如图2.2湖工西区居民楼），可使作用在结构外表面的太阳辐射大为减弱;合理地选择外围护结构。为了控制外围护结构内表面温度，要合理选择结构的热阻值（见建筑保温）和衰减值及其延迟时间;采用带有通风间层的外围护结构。主要利用自然通风的风压作用，从间层内带走一部分热量，减少传入室内的热量，而且有利于白天隔热和夜间散热；采用蓄水屋顶。利用水的蒸发，消耗屋面上的太阳辐射热。有浮盖蓄水屋顶、淋水屋顶等。 (3)房间的自然通风，排除房间余热。合理组织房间的自然通风，利用室内外气流的交换,可以调节室内的热环境，保持室内空气清新、排除余热、改善人体热舒适感。引进房间的风以干爽凉风为佳。建筑设计要选择合适的开口位置和面积，有利于组织穿堂风，以扩大室内气流的流场范围。居住区的总体布局、单体建筑设计方案和门窗的设置等，都应有利于自然通风。如图2.3科技楼楼层示意图所示，大门与后门之间由走廊连接，武汉夏季主导风向是东南风，科技楼又刚好坐东朝西，自然风可以径直而过，带走室内大量余热。大门和后门均宽4m,高2.2m，通风走廊宽1.5m，高3m。（详细内容见本文第三章） (4)窗口遮阳，阻挡直射阳光进入室内。遮阳的作用在于遮挡太阳直射辐射从窗口透入，减少对人体与室内的热辐射，降低室内温度。但同时遮阳设施也会对室内采光和通风产生一定的不利影响。遮阳设计要求：阻挡夏季直射阳光进入室内，以免过热，同时要不影响冬季必需的日照和阴天室内具有足够的照度。遮阳设施应起导风入室的作用，并兼作防雨构件。在构造上要不影响人们向外眺望的视野并经久耐用，简单轻便，造型美观。因此，合理的遮阳形式、正确的朝向、合适的构件尺寸以及材料的选择等是为达到最佳遮阳效果所必须考虑的因素。 (5)尽量减少室内余热。在民用建筑中，室内余热主要是生活余热和家用电器的散热。前者往往不可避免，对于后者则应该选择发热量小的灯具与设备，并布置在通风良好的位置，以便迅速排到室外。 需要特别指出的是，室内环境过热往往是多种元素造成的，因此，必须采取综合措施才能取得较好的效果。第三章 通风 建筑通风包括机械通风和自然通风，自然通风是一种节约能源的通风方式，学校里大部分都是自然通风。在经过许多实地考察后，我们得到许多应用不同通风技术的通风实例。3.1 热压通风建筑设计 建筑中庭设计是通过热压通风原理改善自然通风效果的一种设计。由于室内外温差造成热气向上，冷气向下。随着中庭的尺寸增加，热压通风效果会越来越好。图3.1是文科楼b座的中庭。中庭的周围是走廊，然后就是教室。该楼一共十二层，中庭属于大进深空间形式。利用这一种通风方式可以有效减少能源输出，达到节能减排的目的。然而自然通风是受限于天气的，只有在有风的时候才会相对凉快一些。中庭通风设计符合烟囱效应。中庭四周的建筑的热量由中间向上流，温度较低的空气向下流。可以看出，由于文科楼进深大，开口小，采光并不好。说明这个构造专门用来通风，采光则主要通过外部墙壁上的窗户来完成。3.2风压通风建筑设计 图3.2是湖北工业大学内的实训楼，它符合风压原理。武汉夏季主导风向是东南风向。实训楼坐西朝东，法线与武汉夏季风向有一点定差，风向投射角大概在3060。夏天的时候风会吹到实训楼的正面。因此实训楼的正面就是迎风面，受到的压力大于大气压，形成正压区。风因为迎风面的阻挡，从底下的开口和建筑物两侧流过。实训楼后方的没有完全封住，有一个开口，形成对流。同时，根据伯努利流动空气原理，流动空气的压力随着风速的增加而减少。实训楼前方和后方的开口以及中间部分，形成通风通道。东风吹过时，其中会形成负压区。带动周围空气流动。实训楼实现了风压与热压共同作用。经过观察我们发现二教和文科楼也是按照这种构造来建设的。即在南北方向封闭，在东西方向部分开敞，形成有东至西的通风方向。3.3建筑窗户通风图3.3是文科楼b座教室，可以看出窗户是推拉窗。只能半开，不能全开。教室两侧都设有窗户，形成对流通风。夏天的时候风从东南方向吹入，迎风那面的窗户作为迎风面的进风口，风吹入教室，从背风面的出风口流出，形成穿堂风。风压差越大，风阻越小，通风越流畅。应用全开形窗户会始通风效果达到最好。然而因为全开型的窗户危险系数较大，维修上所使用的费用也相对较高，因此学校里面的全开型窗户很少。室内通风分为单面通风，对流通风以及多样通风等。结构比较规律的建筑适合用单面通风和双面通风，结构灵活的建筑可以利用多样通风。单侧通风原理是风的浮力和絮流，通过窗户高差引起通风。纵观学校教室，绝大部分都是双面通风的结构。单面通风应该是在特殊情况下的一种选择。 3.4 机械排风自然补风 在某些情况下，不能通过自然通风来控制室内环境。这时就要用到机械通风。食堂内部炒菜做饭所释放的热量需要通过排风机来排出室内热量来处理。在民用建筑中，厨房内部需要安装排风扇来排除油烟，室内污浊气体被风机排出，室外干净气体从门窗进入。如图3.4中区食堂，图3.5襄阳二汽基地新区居民房。第四章 遮阳 在夏热地区，遮阳对降低建筑能耗，提高室内居住舒适性有显著的效果。其种类有：窗口、屋面、墙面、绿化遮阳等形式，在这几组措施中，窗口是无疑是最重要的。以下将对这几种形式分别进行说明。 窗口主要分为：固定窗口、活动窗口。固定外遮阳有水平、垂直、挡板遮阳三种基本形式。水平遮阳：能够遮挡从窗口上方射来的阳光。适用于南向外窗（如图4.1左华工分校行政中心）；垂直遮阳：能够遮挡从窗口两侧射来的阳光。适用于北向外窗；挡板遮阳。能够遮挡平射到窗口的阳光。适用于接近于东西向外窗。 实际中可以单独选用或者进行组合，常见的还有综合（如图4.2右铁路司机学校教学楼）、固定百叶、花格遮阳等。固定遮阳不可避免的会带来与采光、自然通风、冬季采暖、视野等方面的矛盾。而活动遮阳可以根据使用者个人爱好及其他需求，自由的控制遮阳系统的工作状况。形式主要以遮阳卷帘，活动百页遮阳等等。 屋面遮阳：通过屋顶构件进行屋面遮阳，能有效遮挡太阳对屋面的直接辐射，同时也能结合立面造型，创造有性格的建筑形象。 墙面遮阳：主要是利用建筑遮阳板、电手动百叶，直臂滑轨窗蓬，遮阳蓬等机构进行，当然也可以通过绿化进行，绿化进行不适宜都市大面积墙面。 绿化遮阳：可以通过在窗外一定距离种树，也可以通过在窗外或阳台上种植攀援植物实现对墙面的遮阳，还有屋顶花园等形式。落叶树木可以在夏季提供遮阳，常青树可以整年提供遮阳。植物还能通过蒸发周围的空气降低地面的反射。常青的灌木和草坪对于降低地面反射和建筑反射很有用。例：建筑周围植树 在建筑周边一定距离种树，可以对低层的户型提供有效的窗口与墙面遮阳。 绿化墙面遮阳，一般选择爬腾植物如爬山虎、牵牛花、爆竹花等爬墙生长。必要的时候可以搭架拉绳，以辅助其生长。图4.3为铁路司机学校实训楼，既有植物用来遮阳，又有类似百叶窗的混凝土结构用来遮阳。玻璃遮阳：玻璃自遮阳利用窗户玻璃自身的遮阳性能，阻断部分阳光进入室内。玻璃自身的遮阳性能对节能的影响很大.此外，利用玻璃进行遮阳时，必须是关闭窗户的，会给房间的自然通风造成一定的影响，使滞留在室内的部分热量无法散发出去。所以，尽管玻璃自身的性能是值得肯定的，但是还必须配合百叶等产品，才能取长补短。参考文献：华南工学院亚热带建筑研究室编：建筑防热设计，中国建筑工业出版社。东南大学 柳孝图编：建筑物理，中国建筑工业出版社。