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建筑物理 第三版（柳孝圖）中國建筑工業(yè)出版社 課后習(xí)題答案 1.2章 1.傳熱有哪幾種方式？各自的機(jī)理是什么？ 答：傳熱的基本方式分為導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射三種，其傳熱機(jī)理分別是： (1)導(dǎo)熱是由溫度不同的質(zhì)點(diǎn)（分子、原子、自由電子）在熱運(yùn)動(dòng)中引起的熱能傳遞現(xiàn)象。固體導(dǎo)熱是由? 于相鄰分子發(fā)生的碰撞和自由電子遷移所引起的熱能傳遞；液體導(dǎo)熱是通過平衡位置間歇著的分子振動(dòng)引起；氣 體導(dǎo)熱是通過分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)互相碰撞而導(dǎo)熱。 (2) 對(duì)流是由于溫度不同的各部分流體之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)、互相摻合而傳遞熱能。 (3) 輻射傳熱以電磁波傳遞熱能。凡是溫度髙于絕對(duì)零度的物體，由于物體原子中的電子振動(dòng)或激動(dòng)，就 會(huì)從表而向外界空間輻射出電磁波。 2. 材料導(dǎo)熱系數(shù)的物理意義是什么？其值受哪些因素的影響與制約？試列舉一些建筑材料的例子說明。 答：（1)物理意義 材料導(dǎo)熱系數(shù)是在穩(wěn)定傳熱條件下，lm厚的材料，兩側(cè)表而的溫差為1C,在1秒鐘內(nèi)通過1平方米面積 傳遞的熱量。它反映了壁體材料的導(dǎo)熱能力。 (2)影響因素 材料導(dǎo)熱系數(shù)的取值受到多種因素的制約與影響，大致包括以下幾個(gè)方而： ①材質(zhì)的影響。不同材料的組成成分或結(jié)構(gòu)的不同，導(dǎo)熱性能各不相同。礦棉、泡沫塑料等材料的導(dǎo)熱系數(shù) 值較小，磚砌體、鋼筋混凝土等材料的導(dǎo)熱系數(shù)值較大，金屬建筑材料如鋼材、鋁合金等的導(dǎo)熱系數(shù)值更大。 ②材料干密度的影響。材料干密度反映材料密實(shí)的程度，材料愈密實(shí)干密度愈大，材料內(nèi)部孔隙愈少，導(dǎo)熱 性能愈強(qiáng)。一般來說，干密度大的材料導(dǎo)熱系數(shù)也大，尤其是像泡沫混凝土、加氣混凝土等一類多孔材料，表現(xiàn) 得很明顯；但是也有某些材料例外，如玻璃棉這類材料存在一個(gè)最佳干密度，即在該干密度時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)值最 小。 ③材料含濕量的影響。材料含濕量的增大必然使導(dǎo)熱系數(shù)值增大。 3. 對(duì)流換熱系數(shù)的物理意義是什么？其值與哪些因素有關(guān)？通常在工程中如何取值？ 答：（1)物理意義 對(duì)流是指溫度不同的各部分流體之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)、互相摻合所引起的傳遞熱能。對(duì)流換熱只發(fā)生在流體之 中或固體表面和與其緊鄰的運(yùn)動(dòng)流體之間。 (2) 影響因素 對(duì)流換熱的強(qiáng)弱主要取決于層流邊界層內(nèi)的換熱與流體運(yùn)動(dòng)發(fā)生的原因、流體運(yùn)動(dòng)狀況、流體與固體壁面溫 差、流體的物性、固體壁面的形狀、大小及位置等因素。 (3) 在工程中的取值 結(jié)合建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)際情況并為簡化計(jì)算起見，通常只考慮氣流狀況是自然對(duì)流還是受迫對(duì)流；構(gòu)件是處于 垂直的、水平的或是傾斜的；壁面是有利于氣流流動(dòng)還是不利于流動(dòng)；傳熱方向是由下而上或是由上而下等主要 影響因素。 ①原本溫度相同的流體或與流體緊鄰的固體表而，因其中某一部分受熱或冷卻，溫度發(fā)生了變化，使流體各 部分之間或者流體與緊鄰的固體表面產(chǎn)生了溫度差，形成了對(duì)流運(yùn)動(dòng)而傳遞熱能。這種因溫差而引起的對(duì)流換熱 稱為自然對(duì)流換熱。其對(duì)流換熱量仍可按式計(jì)算，其對(duì)流換熱系數(shù)為： a. 當(dāng)平壁處于垂直狀態(tài)時(shí)： av =2.0 \/(0 -t) b. 當(dāng)平壁處于水平狀態(tài)時(shí)： 若熱流由下而上 ac =2. 5 s/(d - 0 若熱流由上而下 ac = 1. 3 7(0 -t) ②當(dāng)流體各部分之間或者流體與緊鄰的固體表而之間存在著溫度差，但同時(shí)流體又受到外部因素如氣流、泵 等的擾動(dòng)而產(chǎn)生傳熱的現(xiàn)象，稱為受迫對(duì)流換熱。絕大多數(shù)建筑物是處于大氣層內(nèi)，建筑物與空氣緊鄰，風(fēng)成為 主要的擾動(dòng)因素。受迫對(duì)流換熱主要取決于溫差的大小、風(fēng)速的大小與固體表而的粗糙度。對(duì)于中等粗糙度的固 體表面，受迫對(duì)流換熱時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)可按下列近似公式計(jì)算： 圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面:ac= (2. 5?6.0) +4.2u 圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面：ac=2. 5+4. 2u 上兩式中，1)表示風(fēng)速（m/s),常數(shù)項(xiàng)反映了自然對(duì)流換熱的影響，其值取決于溫度差的大小。 4. 輻射換熱系數(shù)的意義是什么？平均角系數(shù)的物理意義又是什么？它們各自受哪些因素的影響？ 答：（1)輻射換熱系數(shù)的含義 輻射換熱系數(shù)是指互相可見的兩物體表面在單位溫差，單位而積互相輻射從而交換熱量的能力。 (2) 平均角系數(shù)的物理意義 表示單位時(shí)間內(nèi)，物體1投射到物體2的輻射換熱量與物體1或物體2向外界輻射的總熱量的比值。 (3) 因素影響 ①物體表面間的輻射換熱量主要取決于各個(gè)表面的溫度與相對(duì)位置、發(fā)射和吸收輻射熱的能力。 ②平均角系數(shù)的取值取決于兩表面的相對(duì)位置、大小及形狀等幾何因素。 5. 何謂穩(wěn)定傳熱狀態(tài)？穩(wěn)定傳熱狀態(tài)有些什么特征？ 答：“穩(wěn)定傳熱狀態(tài)”即在兩個(gè)穩(wěn)定溫度場之間發(fā)生傳熱過程的狀態(tài)，它的特征是溫度場即空間中各點(diǎn)的溫 度分布不隨時(shí)間變化而變化。 6. 試分析封閉空氣間層的傳熱特性，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中如何應(yīng)用封閉空氣間層？ 答：（1)封閉空氣間層的傳熱特性 封閉空氣間層的傳熱過程是在有限封閉空間內(nèi)兩個(gè)表面之間進(jìn)行的熱轉(zhuǎn)移過程，是導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射三種傳 熱方式綜合作用的結(jié)果。 (2)在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 ①在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中采用封閉空氣間層可以增加熱阻，并且材料省、重量輕，是一項(xiàng)有效而經(jīng)濟(jì)的技術(shù)措施。 ②如果構(gòu)造技術(shù)可行，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中用一個(gè)“厚”的空氣間層不如用幾個(gè)“薄”的空氣間層。 ③為了有效地減少空氣間層的輻射傳熱量，可以在間層表而涂貼反射材料，一般在一個(gè)表面涂貼，并且是在 溫度較高一側(cè)的表面，以防止間層內(nèi)結(jié)露。 7. 試求出用同一材料構(gòu)成的5層厚度為20mm封閉空氣間層的熱阻值與1層厚度為100_的封閉空氣間 層的熱阻值各為多少？ 答：根據(jù)表2-3可列出下表（單位：m2*K/W) 位置、熱流狀況 及材料特性 冬季狀況 夏季狀況 5層20mm厚 封閉空氣間層 的熱阻值 1層100mm厚 封閉空氣間層 的熱阻值 5層20mm厚 封閉空氣間層 的熱阻值 1層100mm厚 封閉空氣間層 的熱阻值 般 熱流向下 0.17X5=0. 85 0.20 0.15X5=0. 75 0.15 空 n 熱流向上 0.15X5=0. 75 0.17 0-13X5=0. 65 0.13 IHj 層 垂直空氣間層 0.16X5=0. 80 0.18 0.14X5=0. 70 0.15 單 面 毛呂 箔 間 層 熱流向下 0.43X5=2. 15 0.64 0.37X5=1. 85 0.54 熱流向上 0.35X5=1.75 0.43 0.28X5=1. 45 0.28 垂直2氣間層 0.39X5=1.95 0.50 0.31X5=1. 55 0.37 雙 面 專呂 箔 n 間 層 熱流向下 0.56X5=2.80 1.01 0.49X5=2. 45 0.86 熱流向上 0.45X5=2.25 0.57 0.34X5=1. 70 0.35 垂直堃氣間層 0.49X5=2.45 0.71 0.39X5=1.95 0.50 8. 在穩(wěn)定傳熱狀態(tài)下，為減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱損失，可采取哪些建筑措施？各自的機(jī)理是什么？ 答：在穩(wěn)定傳熱狀態(tài)下，為減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱損失，可采取的措施及其機(jī)理是： (1) 采用熱阻大的建筑材料，例如隔熱或夾膠或反射或雙層玻璃，在相同的室內(nèi)、外溫差條件下，平壁總 熱阻愈大，通過平壁所傳出的熱量就愈少。 (2) 減少金屬門窗的使用；金厲建筑材料如鋼材、鋁合金等的導(dǎo)熱系數(shù)比較大，導(dǎo)熱能力也因此大。 (3) 使用保溫墻體；利用保溫強(qiáng)體可以使墻體兩側(cè)的溫度差減小，以此減少熱損失。 (4) 增加墻體保溫隔熱層；通過增大熱阻來起到減少熱損失的作用。 (5) 減少采光而積。 (6) 屋面增加保溫隔熱層。 9. 在簡諧熱作用下，半無限厚物體的傳熱有哪些特征？ 答：在簡諧熱作用下，半無限厚物體的傳熱主要有三個(gè)方面的特征： (1) 平壁表而及內(nèi)部任一點(diǎn)x處的溫度，都會(huì)出現(xiàn)和介質(zhì)溫度周期Z相同的簡諧波動(dòng)。 (2) 從介質(zhì)到壁體表面及內(nèi)部，溫度波動(dòng)的振幅逐漸減少，稱為溫度波的衰減。 (3) 從介質(zhì)到壁體表面及內(nèi)部，溫度波動(dòng)的相位逐漸向后推延，稱為溫度波動(dòng)的相位延遲。 10. 圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料層表而蓄熱系數(shù)y與材料蓄熱系數(shù)S之間有何異同之處？各適用什么情況？ 答：（1)異同點(diǎn) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料層表而蓄熱系數(shù)y與材料蓄熱系數(shù)s的物理意義是相同，其定義式都是材料層表面的熱流波動(dòng) 振幅與表面溫度波動(dòng)振幅的比值，差異僅在于計(jì)算式的不同。當(dāng)邊界條件的影響可以忽略不計(jì)時(shí)，兩者在數(shù)值上 也可視為相等。 (2)適用情況 在建筑熱工學(xué)中，材料蓄熱系數(shù)適用于物體在諧波熱作用下，半無限厚物體表面熱流波動(dòng)的振幅Aqo與溫 度波動(dòng)振幅Af的比值計(jì)算。材料層表而蓄熱系數(shù)適用于工程實(shí)踐中，有限厚度的材料層，其表面的熱流波動(dòng)振 幅Aq與表面溫度波動(dòng)振幅Af的比值計(jì)算。 11. 試選擇當(dāng)?shù)匾环N常用節(jié)能墻體材料，計(jì)算其總熱阻和總熱惰性指標(biāo)。 答：略 12. 試計(jì)算【例1.2-3】中圖1.2-21所示的屋頂構(gòu)造在室外單向溫度諧波作用下的總衰減度和延遲時(shí)間。 答：略 13. 相對(duì)濕度和絕對(duì)濕度的相互關(guān)系是什么？為什么說相對(duì)濕度能夠反映空氣的干濕程度，而絕對(duì)濕度就不 能？ 答：（1)絕對(duì)濕度 單位容積空氣所含水蒸氣的重量稱為空氣的絕對(duì)濕度，它說明空氣在某一溫度狀態(tài)下實(shí)際所含水蒸氣的重 干燥，容納水蒸氣的能力較強(qiáng)；相對(duì)濕度q>值大，則空氣比較潮濕，能容納水蒸氣的能力較弱。當(dāng)相對(duì)濕度cp 為零時(shí)，表示空氣中全是干空氣，即絕對(duì)干燥；當(dāng)cp為100%時(shí)，則表示空氣己經(jīng)達(dá)到飽和。依(p值的大小就可 直接判斷空氣的干、濕程度。 14.露點(diǎn)溫度的物理意義是什么？試舉例說明生活中的結(jié)露現(xiàn)象，并解釋。 答：（1)露點(diǎn)溫度的物理意義 某一狀態(tài)的空氣，在含濕量不變的情況下，冷卻到它的相對(duì)濕度達(dá)到100%時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度，成為該狀態(tài)下 空氣的露點(diǎn)溫度。 (2)結(jié)露現(xiàn)象及其原因 冬天在寒冷地區(qū)的建筑物中，常?？吹酱安Ａ?nèi)表而上有很多露水，有的甚至結(jié)了厚厚的霜。由于玻璃的保 溫性能低，其內(nèi)表面溫度遠(yuǎn)低于室內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度。當(dāng)室內(nèi)較熱的空氣接觸到玻璃表面時(shí)，就在表而上結(jié)成露 水或冰霜。 15. 己知：tF20C； q>i=50%。問：若采用如【例1.2-2】中圖1.2-20所示墻體，在保證內(nèi)表而不結(jié)露的情 況下，室外氣溫不得低于多少？若增加保溫層使其傳熱系數(shù)不超過1.0W/ (m2-K),此時(shí)的室外氣溫又不得低 于多少？ [注：【例1.2-2】試計(jì)算圖1.2-20所示墻體的總熱阻和總傳熱系數(shù)。如果要求墻體的總傳熱系數(shù)不超過1.0W / (m2- K),則還應(yīng)增加厚度為多少的保溫層（假定擬采用的保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.035W/ (m-K)) ?] 解：（1) te ①求露點(diǎn)溫度：當(dāng)ti=20 C, (Pi=50%時(shí)，査表可得P=Ps*(Pi=1175Pa對(duì)照表可知露點(diǎn)溫度為9.5 C,此溫 度相當(dāng)于Oi值。如圖所示 ti (2) (3) ②由表査出內(nèi)表面的換熱阻Ri=0.11 m^KAV 外表面的換熱阻Re=0.04 m^KAV ③由表查出各材料層導(dǎo)熱系數(shù)值 石灰砂漿內(nèi)粉刷：入l=n. m 鋼筋混凝土： A 2=1. 74 W/O^K) 水泥砂漿外粉刷：入3=0.93 W/(th2^K) ④計(jì)算壁體的傳熱阻 R=R1+R2+R3=dl/A l+d2/A 2+d3/A 3 =0. 02/0. 81+0. 2/1. 74+0. 02/0. 93 =0. 025+0. 115+0. 022 =0. 162 ni2^K/W ⑤計(jì)算平壁總熱阻 平壁的總熱阻 R0=Ri+R+Re=0.11+0.162+0.04=0.312 m2.K/W ⑥求外表面溫度值 0 i=t i-Ri/RO (t i-te) 解之 te=-9.8 C 即在保證內(nèi)表面不結(jié)露的情況下，室外氣溫不得低于9.8 Co (2) 若增加保溫層使其傳熱系數(shù)不超過1.0W/(m2，K)，即總熱阻不低于1.0m2，K/W，同理有 平壁的總熱阻 R0=Ri+R+Re=0. 11+1+0. 04=1. 15 ni2，K/W 求外表面溫度值 0 i=t i-Ri/RO (ti~te) 解之 te=-89. 7。C 16. 為什么在施工現(xiàn)場裝配保溫材料之前，應(yīng)使保溫材料先放置在現(xiàn)場一段時(shí)間？ 答：在施工現(xiàn)場裝配保溫材料之前，應(yīng)使保溫材料先放置在現(xiàn)場一段時(shí)間的原因是為了使其達(dá)到熱濕平衡。 把一塊干的材料放置在濕空氣中，材料試件會(huì)從空氣中吸收水分，出現(xiàn)吸濕現(xiàn)象。經(jīng)過放置一段時(shí)間后，材 料試件可與所處的空氣（一定的氣溫和相對(duì)濕度條件下）之間形成熱濕平衡，即材料的溫度與周圍空氣溫度一致 (熱平衡)，試件的重量將不再發(fā)生變化（濕平衡)。