第8 章 建筑热工学基础知识-建筑物理

　　第８章　建筑热工学基础知识

　　学习目标：了解人体舒适度与室内气候的关系，湿空气的物理性质。熟悉影响人体热舒适的因素，室外气候与热工分区。掌握四种传热方式的特点，能进行简单的计算。

８．１　人体舒适度与室内气候

８．１．１　室内气候

１．室内气候

室内气候指的是由空气温度、空气湿度、空气流动速度及围护结构内表面之间的辐射热等综合组成的一种室内环境（亦称室内热环境），它是建筑环境科学重要的研究内容之一。各种室内气候因素的不同组合，形成不同的室内气候。我们所希望的室内气候，当然应该是在热湿效果方面适合人们生活、工作和生产需要的。２．影响室内气候的因素

影响室内气候的因素有很多，如室内外的热湿作用与风速、建筑的规划与设计、建筑构造的处理方法、建筑材料的性能、设备措施等。

室外热湿作用对室内气候的影响是人所共知的，特别是在寒冷或炎热地区，其影响更为明显。一定的室外热湿作用对室内气候影响的程度和过程，主要取决于围护结构材料的热物理性质（传热、传湿、透气等）及构造方法。如果围护结构抵抗热湿作用的性能良好，室外热湿作用对室内的影响就比较小。但必须指出，房屋的朝向、间距、环境绿化以至单体建筑的平剖面形式，都对室内气候有不同程度的影响。如果这一系列问题未能很好综合处理，即使围护结构热工性能良好，也难以实现所需的室内气候。

房间内部热湿散发量的多少及其分布状况，在某些建筑中也可能成为决定室内气候的主要因素。例如冶炼、铸造、热轧等车间，由于生产中散发大量热量，因而尽管采取建筑和设备上的一系列措施，车间内的温度仍然是很高的。相反，一般民用建筑和冷加工车间，则只有人体及生活、生产设备散发的为数不多的热量和水分，其室内气候主要决定于室外热湿作用。对于内部热湿作用严重的房间，主要是如何迅速排除余热和多余的水分；对内部热湿产量不大的房间，则主要是防止室外热湿作用对室内气候的不利影响。

室外气象条件的变化直接影响室内的微气候，特别是在门窗开启、自然通风的情况下，

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影响更大。在炎热的夏天，房屋在强烈的太阳辐射和较高的气温共同作用下，通过屋面和外墙把大量的热量传到室内。开敞的门窗使室内外空气进行热交换，并使室内的空气温度接近于室外空气温度。太阳光通过开启的门窗或透过窗玻璃把辐射热传到室内。在冬季，即使门窗紧闭，但由于室外温度低于室内，致使室内的热量透过外墙、屋面传到室外。同时，往往门窗还存在一些缝隙，使得室内的暖空气渗透到室外，散失部分热量。３．对室内气候的要求

对室内气候的要求取决于房间的使用性质。以满足生产工艺和科学实验要求为主的房间，其室内气候标准在相应的规范或文献中都有具体的规定，这里不加论述。以满足人体生理卫生需要为主的房间（如居住、公共和一般生产房间），其室内气候主要是保证人的正常生活和工作，以维护人体的健康。

室内气候对人体舒适的影响主要表现为冷热感。冷热感取决于人体新陈代谢产生的热量（简称为人体产热量）和人体向周围环境散热量之问的平衡关系，这种关系可用图８‐１及式（８‐１）表示：

　　　　Δｑ＝ｑｍ－ｑｗ±ｑｒ±ｑｃ（８‐１）式中：ｑｍ———人体产热量，Ｗｈ；Ｗｈ；ｑｗ———人体蒸发散热量，Ｗｈ；ｑｒ———人体辐射散热量，Ｗｈ；ｑｃ———人体对流散热量，

Δｑ———人体得失的热量，Ｗｈ；

Δｑ＝０时，体温恒定不变；

Δｑ＞０时，体温上升；

Δｑ＜０时，体温下降。

人体产热量ｑｍ取决于机体活动的剧烈程

度。在常温下，处于安静状态的成年人，每小时

的产热量为９５～１１５Ｗｈ，而当他从事重体力劳

动时，每小时的产热量可达５８０～７００Ｗｈ。在

人体尚未出汗时，蒸发散热量ｑｗ是通过呼吸和

无感觉的皮肤蒸发进行的。当劳动强度变大或

环境较热时，人体大量出汗，随汗液的蒸发而显

著增加。

辐射换热量ｑｒ主要是在人体表面与周围

墙壁、天花板、地面以及窗玻璃之间进行的。如

果室内有火墙、壁炉、辐射采暖板之类的装置，

图８‐１　人与环境之间的热交换ｑｒ则包括与这些装置的辐射换热。当人体表面

温度高于周围表面温度时，辐射换热的结果是

人体失热，反之，则人体得热，ｑｒ为负值；ｑｒ为正值。

对流换热量ｑｃ是当人体表面与周围空气之间存在温度差时的热交换值。当体表温度高于气温时，对流换热的结果为人体散热，这时要是在夏季人会感到凉爽，而在ｑｃ为负值，

冬季人则会感到寒冷。反之，则人体得热，ｑｃ为正值。

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当Δｑ＝０时，人体处于热平衡状态，体温维持正常不变（约为３６．５℃），在这种情况下，人的健康不会受到损害。但必须指出，Δｑ＝０并不一定表示人体处于舒适状态。因为各种热量之间许多不同的组合都可以使Δｑ＝０，也就是说，人们会遇到各种不同的热平衡，然而只有那种能使人体按正常比例散热的热平衡，才是舒适的。人体正常散热比例是指人体通过各种散热方式的散热量占人体总散热量的比例为：

对流换热占２５％～３０％；

辐射散热占４５％～５０％；

呼吸和无感觉蒸发散热占２５％～３０％。

这种处于舒适状态下的人体热平衡，称之为人体正常热平衡。

当劳动强度或室内气候发生变化时，本来是正常的热平衡就可能被破坏，但并不至于立即使体温发生变化。这是因为人体有一定的代谢率的调节功能。当环境过冷时，皮肤毛细血管收缩，血流减少，皮肤温度下降以减少散热量；当环境过热时，皮肤血管扩张，血流增多，皮肤温度升高，以增加散热量，甚至大量出汗使散热量增大，以争取新的热平衡。这时的热平衡称为人体负荷热平衡。

在人体负荷热平衡下，虽然Δｑ仍然等于零，但人体却已不在舒适状态。不过只要分泌的汗液量仍在生理允许的范围内，则负荷热平衡仍是可以忍受的。

人体的物质代谢调节能力是有一定限度的，它不可能无限制地通过减少输往体表血量的方式来抵抗过冷环境，也不可能无限制地借助于汗液蒸发来适应过热环境。当室内气候恶化到一定程度之后，终将出现Δｑ≠０的情况，于是体温开始发生升降现象。虽然当体温变化不大，持续时间不长时，在改变环境后仍然可以恢复正常体温，但从生理卫生方面来看，这已是不能允许的了。

从人体热平衡的角度来说，建筑师的任务就是为人类营造良好的室内热环境，使生活、工作在其中的人们保持舒适状态下的人体热平衡，即正常热平衡，以利于人们的身体健康。

８．１．２　室内气候的舒适性

室内气候的舒适性是指室内人的热舒适和室内人对建筑环境的要求。建筑科学中对人体的热舒适问题进行了长期的探讨和实验。研究指出，生活在全世界各地的人对热舒适有几乎同样的要求，无论是生活在亚热带地区的还是生活在寒冷地带的人，也无论是白种人还是黄种人，男性还是女性，年纪大的还是年纪轻的，对热舒适的要求也几乎相同。人体对热舒适的感受与周围的噪声、色彩没有直接关系。１．影响人体热舒适的因素

现代科学已经证明，影响室内人体热舒适的因素有六个，其中两个是主观因素，四个是客观因素。主观因素之一是人体所处的活动状态，如站、跑、运动或静坐。这与人的新陈代谢有关，可以用人的新陈代谢率来代表人体的活动状态。主观因素之二是人体的衣着状态。夏天人们穿得薄，冬天穿得厚，衣着状态可以用服装的热阻来描述。影响人体热舒适的四个客观影响因素都是室内的气象参数。它们分别是室内空气温度、空气湿度、室内风速和室内的平均辐射温度。室内平均辐射温度是表示室内辐射的一个综合指标，计算比较复杂，这里将不作详细介绍。人的热舒适感是在上述六个因素的共同影响下的一种综合效果。

室内气候参数对人体热舒适的影响的各要素之间在很大程度上是可以互换的。一个参

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数的变化所造成的影响常常可以为另一个因素的变化所补偿。例如，室内温度升高了，人感到热了，但增加空气流动，如开电风扇，人的感觉就没有那么热了。

在影响人体热舒适感的四个客观参数之中，气温对人体的热舒适感起主要的作用。当气温升高时，人体的皮肤温度升高，从而使人体对周围环境的辐射和对流散热增加。气温继续增加时，蒸发散热逐渐成为主要散热方式。当气温在３２℃以上时，人体出汗开始增加。当气温达到３３℃以上时，出汗几乎成为惟一的散热方式。反之，气温很低时，人体对周围的传热增多。这时，人要添加衣服，减少传热。因此，进行建筑设计时，要对建筑物的各项防热保温措施给予充分考虑，减少室外过热或过冷气温对室内环境的影响，把室内气温维持在舒适温度的附近。

空气湿度对人体热舒适有重大的影响。特别是高温高湿对人体的热平衡有不利的影响。因为高温时，人体主要依靠蒸发散热来维持热平衡，此时如果湿度增高，将妨碍出汗的蒸发，影响人体的散热。

空气加速流动使得人体热舒适有明显的改变。在炎热的夏天，电风扇使用非常普遍，这是因为此时气温和湿度都很高，人要保持热平衡，只好借助电风扇加速与环境的对流换热。应当指出，温度和湿度都高时，室内空气流速的微量增加对人体的热舒适有明显的改善。但空气温度高于皮肤温度时，增加室内空气流动速度对人体热舒适的改善不大。由于通风有降温作用，对于炎热地区的建筑设计，要组织好室内的自然通风。

人体与其周围环境也通过辐射进行热交换，处于室内的人就和室内四周墙壁（包括门窗）、地板及天花板进行热交换。当壁面温度高于人体皮肤温度时，四周墙壁及地板天花板就向人体辐射热量，使人受热。反之，当壁面温度低于人体皮肤温度时，热流从人体向四周辐射，这时人体在散热。如果壁面温度高于人体温度５℃以上时，人受热辐射的感觉比较明显。２．达到室内热环境舒适性的热环境的设计

人的生活能力很强，可以在－２０℃到＋４０℃的范围内生活。然而，人体感到舒适的范围却在２２℃到２８℃的范围之间。人体最舒适的温度范围是２４～２６℃之间。为了达到满意的舒适温度范围，我们应该从几个层次上进行热环境设计。

第一个层次为小区热环境的设计。小区规划中建筑群的布局合理，间距适当，有利于寒冷地区争取日照或炎热地区组织自然通风；小区环境优美，良好的绿化可以使小区的热环境和微气候有较大的改善。

第二个层次是合理设计建筑物。如从围护结构上确保达到保温隔热的要求，正确选择朝向以争取日照或主导风向的来风，合理组织室内自然通风，处理好窗户保温、热桥保温、遮阳等与室内热环境密切相关的构造问题，进一步创造较好的室内热环境。

若建筑手段仍未能使室内达到舒适温度范围，则第三个层次就是要采用空气调节或采暖等设备方法满足人体热舒适的要求。３．室内环境与室内空气质量

在我国北方，冬季漫长，人们在紧闭门窗的房子中依靠取暖来维持人体的舒适性。由于不少家庭（特别在农村）仍然使用煤炉取暖，造成室内空气污染严重，空气质量很差。近年来，随着空调技术的发展和我国人民生活水平的提高，很多办公楼、宾馆、医院等民用建筑广泛使用空调、采暖、通风设备。同时，空调设备已逐步进入了居民家庭。空调设备的使用消