建筑物理教学课件

建筑物理教学课件第一章建筑物理概述建筑物理的定义与学科属性现代建筑设计中的重要性课程目标建筑物理是研究建筑环境中热、光、声等物在当今可持续发展的背景下，建筑物理在提理现象及其应用的学科，是科学与艺术的完高建筑性能、降低能耗、改善居住舒适度方美结合它运用物理学原理解决建筑环境问面发挥着关键作用，是现代建筑设计不可或题，创造舒适宜人的空间体验缺的组成部分建筑环境品质的多维影响健康与舒适需求综合维度考量双碳目标与物理环境优质的建筑物理环境能够提供适宜的温度、湿建筑物理设计需平衡社会、经济、环境三大维度、光照和声环境，直接影响使用者的身心健度康、工作效率和生活质量研究表明，良好的•社会维度创造健康、舒适、满足人性需物理环境可以减少病态建筑综合症的发生，求的空间提高人的舒适度和生产力•经济维度优化能源使用，降低运行成本•环境维度减少资源消耗，降低环境负荷第二章建筑热工学基础热传导热对流热辐射固体内部分子振动传递热能的现象，遵循傅立流体因温度差异产生密度差异引起的流动传热通过电磁波形式传递热能的方式，不需要介叶定律，是建筑围护结构传热的主要方式现象，是室内外空气与墙体表面间热量交换的质，是太阳能热量传递和建筑物表面长波辐射主要方式散热的主要方式傅立叶定律详解负号含义公式中的负号表明热流方向与温度梯度方向相反，即热量总是从高温区其中域流向低温区域，遵循热力学第二定律导热系数λ的影响因素•q表示热流量，单位为瓦特W•λ表示材料的导热系数，单位为W/m·K•材料的化学成分和物理结构•A表示热流通过的截面积，单位为m²•材料的密度和孔隙率•dT/dx表示温度梯度，单位为K/m•材料的含水率和温度多层墙体热传导模型圆筒壁热传导平面墙体热传导对于管道保温问题，需考虑截面积变化，使基本原理用对数平均面积计算在稳态条件下，多层墙体中各层的热流量相等，可视为热阻串联通过热阻网络分析，我们可以计算整体传热系数其中δ为各层厚度，λ为各层导热系数，R为各层热阻热量如何穿越建筑围护结构建筑热工学中的温度场与等温面温度场定义等温面概念温度场是指在空间各点的温度分布情况，可表示为温度T与空间坐标和时等温面是指温度场中温度相同的点所组成的面，在建筑热分析中具有重间的函数要意义•帮助识别热桥和冷桥位置•分析围护结构内部温度分布根据时间变化特性可分为•预测可能的结露风险点•稳态温度场温度分布不随时间变化温度梯度•非稳态温度场温度分布随时间变化建筑热质量与热容量123热质量定义体积热容量与比热容混凝土地板热质量计算热质量是指材料储存热能的能力，高热质量体积热容量ρc单位体积材料升高单位温以150mm厚混凝土地板为例材料能够吸收、储存并缓慢释放热量，有助度所需热量，单位为J/m³·K•混凝土密度ρ=2400kg/m³于减少室内温度波动，提高建筑的热稳定比热容c单位质量材料升高单位温度所•混凝土比热容c=840J/kg·K性需热量，单位为J/kg·K•体积热容量ρc=2400×840=二者关系体积热容量=密度×比热容2,016,000J/m³·K热质量对建筑舒适性的影响温度调节效应材料类型密度kg/m³比热容体积热容量高热质量建筑能够J/kg·K MJ/m³·K•白天吸收过剩热量，减少过热风险混凝土

24008402.02•夜间释放储存热量，减少供暖需求砖

18008401.51•平滑室内温度波动，提高热舒适度•减少空调系统负荷，节约能源木材

60018801.13石膏板

9008400.76聚苯乙烯

2513400.03设计中热质量的优化策略•冬季冷地区集中热质量于接受阳光直射的表面，提高被动蓄热能力•夏季热地区合理配置热质量与夜间通风策略，促进夜间散热第三章建筑光学基础光的物理属性建筑光环境需求光的传输特性光是电磁波的一种，可见光波长范围为380-良好的建筑光环境应满足建筑材料对光的作用780nm在建筑中，我们需要关注•视觉性能提供足够的照度，避免眩光•透射透明、半透明材料允许光线通过•光强度照度、亮度的测量与控制•视觉舒适均匀的亮度分布，适宜的对•反射镜面反射与漫反射的区别与应用•光谱分布色温、显色性对视觉舒适的比度•吸收材料吸收光能转化为热能影响•生物节律日光节律对人体健康的影响•光的方向性直射光与漫射光的特性与•能源效率最大限度利用自然光，减少应用人工照明能耗建筑采光设计原则日照分析与采光模拟•太阳轨迹图分析不同季节、不同时间的日照情况•采光系数描述室内某点自然采光水平的指标•采光模拟软件Radiance、VELUX DaylightVisualizer等工具应用窗户设计与遮阳系统•窗墙比影响采光量和热能传递的关键参数•窗户位置高侧窗、天窗、采光井等不同布置方式的特点•遮阳系统固定式与可调式遮阳装置的设计原则•智能玻璃低辐射玻璃、电致变色玻璃等新型材料应用视觉舒适度与节能的平衡光线如何塑造室内空间氛围第四章建筑声学基础声波传播原理吸声与隔声室内声学设计声音是机械波，通过介质传播，主要特性包建筑声学两个核心概念根据功能需求优化声环境括•吸声减少反射声能，控制混响时间•混响时间不同功能空间的最佳混响时•频率决定音调高低，单位赫兹Hz间•隔声阻断声能传递，减少噪声干扰•声强决定声音大小，单位分贝dB•声场均匀度避免声聚焦、颤动回声等•振动隔离减少固体传声，降低结构噪问题•音色由基频和谐波构成的频谱特性声•背景噪声NC曲线与室内噪声评价噪声隔离与声学处理技术建筑结构对声波的影响常用隔声材料性能参数声波通过建筑结构传播的主要途径材料厚度mm隔声量dB•空气传声声波通过空气直接传播单层砖墙24045-50•撞击声结构受到冲击产生的振动传播•侧向传声声波通过相邻构件传播混凝土墙15050-55•管道传声通过管道、风道等空腔传播双层石膏板2×

12.535-40中空玻璃6+12+630-35复合隔声墙复合结构55-65案例分析城市住宅噪声控制方案第五章建筑物理测试与分析工具热工测试设备光学测试设备声学测试设备•热流计测量建筑围护结构的热流密度•照度计测量表面照度，单位为勒克斯lux•声级计测量声压级，单位为分贝dB•红外热像仪可视化建筑表面温度分布•亮度计测量表面亮度，单位为坎德拉/平方米•频谱分析仪分析不同频率成分的声压级cd/m²•温湿度记录仪长期监测室内环境参数•混响时间测量系统评估室内声学品质•分光光度计测量光谱分布和色彩参数•风速仪测量气流速度和空气流动情况•声强探头测量声能流动方向和大小•成像亮度计记录整个视场的亮度分布建筑物理分析软件建筑热环境测试案例室内温湿度监测方案长期温湿度监测对评估建筑热环境性能至关重要在一个典型住宅测试案例中，我们布置了12个无线温湿度传感器，覆盖不同朝向和功能的房间，连续记录一年的温湿度数据监测结果显示•南向房间冬季温度波动范围

19.5-

24.8℃•北向房间冬季温度波动范围

18.2-

21.5℃•夏季空调房间相对湿度平均值55%•过渡季节自然通风条件下的舒适时间比例62%热成像技术应用热成像是一种非接触式测量方法，可以快速识别建筑围护结构中的热桥、保温缺陷和空气渗漏点案例中，我们使用FLIR E60热像仪对某办公建筑外墙进行检测，发现窗框周边和楼板连接处存在明显的热桥现象，导致热损失增加约15%建筑光环境测试案例12光照强度与均匀度测量色温与显色性评估案例某图书馆阅览室光环境评估案例某艺术展览馆照明系统评估测试方法使用CL-500A照度计在阅览桌面高度（

0.75m）设置5×5网格测量测试设备Konica MinoltaCL-70F分光辐射照度计点，记录工作面照度值测试结果测试结果•LED射灯色温4000K（适中）•平均照度486lux（标准要求300-500lux）•LED射灯显色指数Ra92（优秀）•最小照度210lux（靠内墙区域）•自然光区域色温5600-6200K（偏冷）•最大照度1250lux（靠窗区域）•混合光源区域色温波动3800-5500K（波动较大）•均匀度最小/平均

0.43（标准要求≥

0.6）改进建议混合光源区域增加过渡照明，减少色温跳变；展品区域根据作品特分析窗户附近区域光照过强，内侧区域光照不足，均匀度不达标，需调整灯性调整色温，提高观赏体验具布局和增加窗户遮阳措施视觉舒适度调查方法建筑声环境测试案例噪声级测量方法案例某办公楼空调系统噪声评估测试方法使用AWA5688多功能声级计在室内5个测点测量A计权声压级和1/1倍频程声压级测试结果•平均A声级

48.6dBA•低频噪声（63Hz）

62.3dB•中频噪声（500Hz）

44.7dB•高频噪声（4000Hz）

32.1dB与NC-40曲线比较，低频段超标12dB，主要噪声源为风机振动和风管气流噪声第六章建筑物理与可持续设计绿色建筑标准中的物理性能要求被动式节能设计策略建筑物理助力实现碳中和目标中国绿色建筑评价标准对建筑物理性能提出了被动式设计通过建筑自身形式和构造实现节建筑物理学在实现双碳目标中的贡献全面要求能•提高建筑能效，减少运行能耗和碳排放•围护结构热工性能优于国家节能设计标准•优化建筑朝向和体形系数，减少不必要的•延长建筑使用寿命，减少重建带来的碳排15%以上热损失放•采光系数和窗墙比符合健康舒适与节能的•强化围护结构保温隔热性能，降低传热系•优化室内环境，减少主动式系统依赖双重要求数•推广可再生能源在建筑中的应用，替代化•室内噪声级满足相应功能要求，隔声性能•合理设计窗户大小和位置，平衡采光与热石能源达到标准高要求性能•自然通风开口面积比例满足规定要求•利用自然通风策略，减少机械通风与空调能耗被动式建筑设计策略保温隔热技术遮阳设计围护结构保温隔热是被动式设计的核心根据太阳轨迹特性设计遮阳系统•外墙保温外保温、内保温、夹心保温的特•水平遮阳适用于南向窗户，阻挡夏季高角点与适用条件度阳光•屋顶保温通风屋顶、种植屋顶的隔热效果•垂直遮阳适用于东西向窗户，阻挡低角度阳光•高性能窗户低辐射镀膜、真空玻璃、断热铝合金窗框•综合遮阳格栅、百叶等复合遮阳形式•热桥处理关键节点的保温连续性设计•可调节遮阳根据季节和时间调整遮阳效果太阳能利用自然通风策略主动和被动式太阳能应用利用自然力驱动空气流动•直接得热透明围护结构直接获取太阳辐射•穿堂风利用风压差形成横向通风热•烟囱效应利用温差形成竖向通风•蓄热墙特伦贝墙、水墙等蓄热构造•中庭通风利用大空间热压通风•阳光间附加的太阳能集热空间•夜间通风利用昼夜温差散热降温现代建筑物理创新技术新型保温材料与智能玻璃热回收与能量管理系统当代建筑物理领域的材料技术创新提高能源利用效率的技术•气凝胶保温材料超低导热系数（

0.013-

0.020W/m·K）•全热交换器回收排风热量和湿度•真空绝热板厚度仅为传统材料1/5-1/10•废水热回收系统回收生活废水热能•相变材料PCM利用相变潜热调节温度•相变蓄能系统平衡能源供需时间差•电致变色玻璃可调节透光率和太阳得热系数•建筑集成光伏热BIPVT同时产生电能和热能•热反射涂料高反射率屋面材料降低热岛效应•需求响应控制根据实际需求优化能源使用物联网与建筑环境智能监控数字技术在建筑物理领域的应用分布式传感网络人工智能优化控制数字孪生技术在建筑内部署温度、湿度、CO

2、光照、噪基于机器学习算法的建筑环境控制系统，能声等多种传感器，形成覆盖全面的环境监测够学习使用者行为模式和偏好，预测环境需网络，实时采集建筑环境数据系统可自动求，自适应调整设备运行参数，在保证舒适识别异常状况，提前预警潜在问题度的同时最大限度节约能源科技驱动的建筑环境革新现代科技正在深刻改变建筑环境的创造与体验方式智能外墙系统能够根据环境条件自动调节透光率和隔热性能；分布式能源系统整合可再生能源与储能技术，提高能源自给率；人工智能优化控制系统预测使用需求，精确调控设备运行这些创新技术共同构建更节能、更舒适、更可持续的建筑环境第七章建筑物理教学实践建议理论与实验结合的教学模式案例驱动的项目式学习跨学科合作与创新思维培养建筑物理是一门实践性强的学科，教学过程应将通过真实建筑案例激发学生学习兴趣，培养综合建筑物理是连接多学科的桥梁，教学应鼓励跨领理论讲解与实验操作紧密结合分析能力域合作•围护结构传热实验使用热箱法测量墙体传•建筑环境问题诊断分析既有建筑的物理环•与建筑设计课程协同将物理性能分析融入热系数境问题设计过程•室内光环境测量使用照度计测量自然光与•性能优化设计针对特定气候条件设计最优•与设备工程专业合作探讨被动与主动系统人工光分布方案的整合•建筑声学实验混响时间测量与隔声性能评•创新技术应用探索新材料、新技术在建筑•与材料科学交流研究新型材料的建筑应用估中的应用潜力•热工性能现场测试建筑外墙热桥检测与分•模拟与验证使用专业软件进行性能预测与•与计算机专业协作开发建筑环境模拟与优析优化化工具建筑物理教学应突破传统的知识灌输模式，创造开放、互动、探究的学习环境，培养学生的实践能力、创新精神和跨学科协作意识，为他们未来解决复杂建筑环境问题奠定坚实基础课程资源与参考书目核心教材推荐软件与在线课程•《建筑物理》（傅秀章、柳孝图主编，中国建筑工业出版社）软件工具•《建筑环境学》（柳孝图、张国强主编，中国建筑工业出版社）•THERM热桥分析软件（美国劳伦斯伯克利国家实验室）•《绿色建筑——节能与舒适性的协调》（朱颖心主编，同济大学出版社）•WUFI湿热耦合传输模拟软件（德国弗劳恩霍夫建筑物理研究所）•《建筑声学设计原理》（聂筱琳主编，中国建筑工业出版社）•Ecotect/Insight综合环境分析软件（Autodesk）•《建筑光环境》（张悦文主编，中国建筑工业出版社）•DIALux光环境模拟软件（DIAL GmbH）•ODEON室内声学模拟软件（丹麦技术大学）在线课程•中国大学MOOC《建筑物理》课程•学堂在线《绿色建筑技术》课程国内外经典建筑物理研究与应用案例国际案例国内案例BedZED零能耗社区（英国）综合被动式设计与可再生能源系统珠海横琴低碳馆结合岭南气候特点的绿色建筑示范工程苏黎世ETH大学科技与建筑系大楼自适应外墙系统与智能控制青岛中德生态园被动房严寒地区超低能耗建筑实践课堂互动与学生作业设计热传导计算题与模拟练习光环境设计方案分析声学环境测评报告撰写设计多层墙体传热计算作业，要求学生针对特定功能空间的光环境设计作业要求学生组成小组完成声环境评估项目•计算复合墙体等效传热系数•自然采光方案设计与采光系数计算•选择校园内典型空间进行声学测量•分析不同保温材料的经济性与环境影响•遮阳系统设计与性能分析•分析空间的混响特性与背景噪声•使用THERM软件进行热桥分析并提出改进方•使用DIALux软件模拟人工照明方案•评估声学性能是否满足功能需求案•评估视觉舒适度与能源效率的平衡•提出针对性的声学改善建议•计算室内表面结露风险并设计防结露措施互动教学方法课堂讨论与辩论实地考察与测评•组织高保温vs高热质量建筑优劣辩论•组织参观绿色建筑示范工程•讨论不同气候区建筑物理设计策略的差异•在不同建筑中进行简单的物理环境测量•分析经典建筑案例的物理环境设计特点•记录并分析使用者对环境的主观评价未来建筑物理发展趋势1智能建筑与环境自适应技术建筑将从静态结构转变为动态、响应性系统•智能外墙系统根据环境条件自动调节性能参数2可持续城市与建筑群体物理环境优化•自适应照明结合自然光与人工光的智能控制•个性化微环境满足不同使用者的个体化需求从单体建筑扩展到城市尺度的物理环境优化•生物启发设计模仿自然生物的环境适应机制•城市微气候调控通过建筑布局优化风环境与热环境•建筑群能量互联实现多建筑间的能量共享与平衡3融合大数据与人工智能的建筑物理研究•城市声环境优化减少交通噪声影响的综合策略数字技术将深刻改变建筑物理研究方法•光污染控制平衡夜间照明与生态影响•大数据分析基于海量实测数据的建筑性能评估•AI辅助设计人工智能辅助的建筑物理性能优化•虚拟现实技术沉浸式体验与评估建筑环境品质•实时监测与预测建筑全生命周期的性能管理建筑物理学正经历从经验型学科向数据驱动型学科的转变，未来将更加注重跨学科融合、人机协同和可持续发展，为创造更高品质的建筑环境提供科学支撑建筑物理引领未来生活方式未来的建筑将成为适应性强、智能化、低碳化的生态系统，通过先进的物理环境技术创造健康、舒适、可持续的人居环境建筑不再是简单的庇护场所，而是能够感知、思考、学习、适应的有机体，与自然环境和使用者形成和谐共生的关系，引领人类迈向更加绿色智慧的生活方式结语建筑物理的使命与展望连接科学与艺术的桥梁建筑物理学站在科学与艺术的交汇点，将物理学原理转化为空间体验，是理性分析与感性创造的完美结合它帮助设计师理解环境与人的互动关系，创造既符合物理规律又满足审美需求的建筑空间培养具备环境责任感的建筑人才建筑物理教育不仅传授专业知识和技能，更重要的是培养学生的环境责任感和可持续发展意识未来的建筑师和工程师应当理解建筑对环境的影响，主动承担创造健康、节能、低碳建筑环境的责任共同推动绿色、健康、舒适的建筑未来面对气候变化和能源危机的全球挑战，建筑物理学将发挥越来越重要的作用通过不断创新和跨学科合作，建筑物理学将为创造更加绿色、健康、舒适的建筑未来贡献力量，实现人与自然的和谐共生建筑环境的品质直接影响人类的健康、幸福和生产力作为建筑环境品质的科学基础，建筑物理学肩负着重要使命让我们共同努力，将建筑物理学的知识转化为实践，创造更美好的建筑环境，为人类可持续发展做出贡献谢谢！。