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Building Physics - Heat, Air and Moisture : Fundamentals and Engineering Methods with Examples and Exercises
发布日期:2015-12-24  浏览

Building Physics - Heat, Air and Moisture : Fundamentals and Engineering Methods with Examples and Exercises

[Book Description]

Bad experiences with construction quality, the energy crises of 1973 and 1979, complaints about 'sick buildings', thermal, acoustical, visual and olfactory discomfort, the need for good air quality, the move towards more sustainability, all have accelerated the development of a field, which until some 40 years ago was hardly more than an academic exercise: building physics. Building physics combines several knowledge domains such as heat and mass transfer, building acoustics, lighting, indoor environmental quality and energy efficiency. In some countries, also fire safety is included. Through the application of existing physical knowledge and the combination with information coming from other disciplines, the field helps to understand the physical phenomena governing assembly, building envelope, whole building and built environment performance, although for the last the wording "urban physics" is used. Building physics has a true impact on performance based building design. This volume focuses on heat, air, moisture transfer and its usage in building engineering applications.

[Table of Contents]
Preface                                            vii
    0 Introduction                                 1  (12)
      0.1 Subject of the book                      1  (1)
      0.2 Building Physics                         1  (2)
        0.2.1 Definition                           1  (1)
        0.2.2 Criteria                             2  (1)
        0.2.2.1 Comfort                            2  (1)
        0.2.2.2 Health                             3  (1)
        0.2.2.3 Architecture and materials         3  (1)
        0.2.2.4 Economy                            3  (1)
        0.2.2.5 Sustainability                     3  (1)
      0.3 Importance of Building Physics           3  (2)
      0.4 History of Building Physics              5  (4)
        0.4.1 Heat, air and moisture               5  (1)
        0.4.2 Building acoustics                   5  (1)
        0.4.3 Lighting                             6  (1)
        0.4.4 Thermal comfort and indoor air       6  (1)
        quality
        0.4.5 Building physics and building        7  (1)
        services
        0.4.6 Building physics and construction    7  (1)
        0.4.7 What about the Low Countries?        8  (1)
      0.5 Units and symbols                        9  (3)
      0.6 Literature                               12 (1)
    1 Heat Transfer                                13 (110)
      1.1 Overview                                 13 (2)
      1.2 Conduction                               15 (34)
        1.2.1 Conservation of energy               15 (1)
        1.2.2 Fourier's laws                       16 (1)
        1.2.2.1 First law                          16 (1)
        1.2.2.2 Second law                         17 (1)
        1.2.3 Steady state                         18 (1)
        1.2.3.1 What is it?                        18 (1)
        1.2.3.2 One dimension: flat assemblies     18 (8)
        1.2.3.3 Two dimensions: cylinder           26 (1)
        symmetric
        1.2.3.4 Two and three dimensions:          27 (5)
        thermal bridges
        1.2.4 Transient regime                     32 (1)
        1.2.4.1 What?                              32 (1)
        1.2.4.2 Flat assemblies, periodic          33 (12)
        boundary conditions
        1.2.4.3 Flat assemblies, random            45 (3)
        boundary conditions
        1.2.4.4 Two and three dimensions           48 (1)
      1.3 Convection                               49 (12)
        1.3.1 Heat exchange at a surface           49 (1)
        1.3.2 Convective heat transfer             50 (2)
        1.3.3 Convection typology                  52 (1)
        1.3.3.1 Driving forces                     52 (1)
        1.3.3.2 Flow type                          52 (1)
        1.3.4 Calculating the convective           53 (1)
        surface film coefficient
        1.3.4.1 Analytically                       53 (1)
        1.3.4.2 Numerically                        53 (1)
        1.3.4.3 Dimensional analysis               54 (2)
        1.3.5 Values for the convective surface    56 (1)
        film coefficient
        1.3.5.1 Flat assemblies                    56 (3)
        1.3.5.2 Cavities                           59 (2)
        1.3.5.3 Pipes                              61 (1)
      1.4 Radiation                                61 (16)
        1.4.1 What is thermal radiation?           61 (1)
        1.4.2 Quantities                           62 (1)
        1.4.3 Reflection, absorption and           62 (2)
        transmission
        1.4.4 Radiant surfaces or bodies           64 (1)
        1.4.5 Black bodies                         65 (1)
        1.4.5.1 Characteristics                    65 (2)
        1.4.5.2 Radiant exchange between two       67 (2)
        black bodies: the view factor
        1.4.5.3 Properties of view factors         69 (1)
        1.4.5.4 Calculating view factors           69 (3)
        1.4.6 Grey bodies                          72 (1)
        1.4.6.1 Characteristics                    72 (1)
        1.4.6.2 Radiant exchange between grey      73 (2)
        bodies
        1.4.7 Coloured bodies                      75 (1)
        1.4.8 Practical formulae                   75 (2)
      1.5 Applications                             77 (30)
        1.5.1 Surface film coefficients and        77 (1)
        reference temperatures
        1.5.1.1 Overview                           77 (1)
        1.5.1.2 Indoor environment                 77 (4)
        1.5.1.3 Outdoor environment                81 (3)
        1.5.2 Steady state, one dimension: flat    84 (1)
        assemblies
        1.5.2.1 Thermal transmittance and          84 (4)
        interface temperatures
        1.5.2.2 Thermal resistance of a non        88 (2)
        ventilated, infinite cavity
        1.5.2.3 Solar transmittance                90 (3)
        1.5.3 Steady state, cylindrical            93 (1)
        coordinates: pipes
        1.5.4 Steady state, two and three          94 (1)
        dimensions: thermal bridges
        1.5.4.1 Calculation by the control         94 (1)
        volume method (CVM)
        1.5.4.2 Practice                           95 (3)
        1.5.5 Steady state: windows                98 (1)
        1.5.6 Steady state: building envelopes     99 (1)
        1.5.6.1 Overview                           99 (1)
        1.5.6.2 Average thermal transmittance      99 (1)
        1.5.7 Transient, periodic: flat            100(1)
        assemblies
        1.5.8 Heat balances                        101(1)
        1.5.9 Transient, periodic: spaces          102(1)
        1.5.9.1 Assumptions                        102(1)
        1.5.9.2 Steady state heat balance          102(1)
        1.5.9.3 Harmonic heat balances             103(4)
      1.6 Problems                                 107(13)
      1.7 Literature                               120(3)
    2 Mass Transfer                                123(144)
      2.1 Generalities                             123(9)
        2.1.1 Quantities and definitions           123(2)
        2.1.2 Saturation degrees                   125(1)
        2.1.3 Air and moisture transfer            126(2)
        2.1.4 Moisture sources                     128(1)
        2.1.5 Air, moisture and durability         129(1)
        2.1.6 Link between mass and energy         130(1)
        transfer
        2.1.7 Conservation of mass                 131(1)
      2.2 Air transfer                             132(28)
        2.2.1 Overview                             132(1)
        2.2.2 Air pressure differences             133(1)
        2.2.2.1 Wind                               133(1)
        2.2.2.2 Stack effects                      134(1)
        2.2.2.3 Fans                               135(1)
        2.2.3 Air permeances                       135(4)
        2.2.4 Air transfer in open-porous          139(1)
        materials
        2.2.4.1 Conservation of mass               139(1)
        2.2.4.2 Flow equation                      139(1)
        2.2.4.3 Air pressures                      139(1)
        2.2.4.4 One dimension: flat assemblies     140(2)
        2.2.4.5 Two and three dimensions           142(1)
        2.2.5 Air flow across permeable layers,    143(1)
        apertures, joints, leaks and cavities
        2.2.5.1 Flow equations                     143(1)
        2.2.5.2 Conservation of mass:              143(1)
        equivalent hydraulic circuit
        2.2.6 Air transfer at building level       144(1)
        2.2.6.1 Definitions                        144(1)
        2.2.6.2 Thermal stack                      145(1)
        2.2.6.3 Large openings                     145(1)
        2.2.6.4 Conservation of mass               146(2)
        2.2.6.5 Applications                       148(3)
        2.2.7 Combined heat and air transfer       151(1)
        2.2.7.1 Open-porous materials              151(6)
        2.2.7.2 Air permeable layers, joints,      157(3)
        leaks and cavities
      2.3 Vapour transfer                          160(51)
        2.3.1 Water vapour in the air              160(1)
        2.3.1.1 Overview                           160(1)
        2.3.1.2 Quantities                         161(1)
        2.3.1.3 Maximum vapour pressure and        161(5)
        relative humidity
        2.3.1.4 Changes of state in humid air      166(1)
        2.3.1.5 Enthalpy of humid air              166(1)
        2.3.1.6 Measuring air humidity             167(1)
        2.3.1.7 Applications                       167(5)
        2.3.2 Water vapour in open-porous          172(1)
        materials
        2.3.2.1 Overview                           172(1)
        2.3.2.2 Sorption isotherm and specific     173(1)
        moisture ratio
        2.3.2.3 Physics involved                   174(3)
        2.3.2.4 Impact of salts                    177(1)
        2.3.2.5 Consequences                       177(1)
        2.3.3 Vapour transfer in the air           177(2)
        2.3.4 Vapour transfer in materials and     179(1)
        assemblies
        2.3.4.1 Flow equation                      179(3)
        2.3.4.2 Conservation of mass               182(1)
        2.3.4.3 Vapour transfer by `equivalent'    182(15)
        diffusion
        2.3.4.4 Vapour transfer by `equivalent'    197(7)
        diffusion and convection
        2.3.5 Surface film coefficients for        204(3)
        diffusion
        2.3.6 Applications                         207(1)
        2.3.6.1 Diffusion resistance of a cavity   207(1)
        2.3.6.2 Cavity ventilation                 207(3)
        2.3.6.3 Water vapour balance in a          210(1)
        space: surface condensation and drying
      2.4 Moisture transfer                        211(34)
        2.4.1 Overview                             211(1)
        2.4.2 Moisture transfer in a pore          211(1)
        2.4.2.1 Capillarity                        211(2)
        2.4.2.2 Water transfer                     213(9)
        2.4.2.3 Vapour transfer                    222(2)
        2.4.2.4 Moisture transfer                  224(1)
        2.4.3 Moisture transfer in materials       224(1)
        and assemblies
        2.4.3.1 Transport equations                224(3)
        2.4.3.2 Conservation of mass               227(1)
        2.4.3.3 Starting, boundary and contact     227(1)
        conditions
        2.4.3.4 Remark                             228(1)
        2.4.4 Simplifying moisture transfer        228(1)
        2.4.4.1 The model                          228(2)
        2.4.4.2 Applications                       230(15)
      2.5 Problems                                 245(18)
      2.6 Literature                               263(4)
    3 Combined heat-air-moisture transfer          267(38)
      3.1 Overview                                 267(1)
      3.2 Material and assembly level              267(10)
        3.2.1 Assumptions                          267(1)
        3.2.2 Solution                             267(1)
        3.2.3 Conservation laws                    268(1)
        3.2.3.1 Mass                               268(1)
        3.2.3.2 Energy                             269(3)
        3.2.4 Flow equations                       272(1)
        3.2.4.1 Heat                               272(1)
        3.2.4.2 Mass, air                          272(1)
        3.2.4.3 Mass, moisture                     273(1)
        3.2.5 Equations of state                   273(1)
        3.2.5.1 Enthalpy/temperature, vapour       273(1)
        saturation pressure/temperature
        3.2.5.2 Relative humidity/moisture         273(1)
        content
        3.2.5.3 Suction/moisture content           273(1)
        3.2.6 Starting, boundary and contact       274(1)
        conditions
        3.2.6.1 Starting conditions                274(1)
        3.2.6.2 Boundary conditions                274(1)
        3.2.6.3 Contact conditions                 274(1)
        3.2.7 Two examples of simplified models    275(1)
        3.2.7.1 Non hygroscopic, non capillary     275(1)
        materials
        3.2.7.2 Hygroscopic materials at low       276(1)
        moisture content
      3.3 Building level                           277(15)
        3.3.1 Overview                             277(1)
        3.3.2 Balance equations                    277(1)
        3.3.2.1 Vapour                             277(2)
        3.3.2.2 Air                                279(1)
        3.3.2.3 Heat                               279(3)
        3.3.2.4 Closing the loop                   282(1)
        3.3.3 Hygric inertia                       283(1)
        3.3.3.1 Generalities                       283(1)
        3.3.3.2 Sorption-active thickness          283(3)
        3.3.3.3 Zone with one sorption-active      286(1)
        surface
        3.3.3.4 Zone with several                  287(1)
        sorption-active surfaces
        3.3.3.5 Harmonic analysis                  288(1)
        3.3.4 Consequences                         289(1)
        3.3.4.1 Steady state                       289(1)
        3.3.4.2 Transient                          289(3)
      3.4 Problems                                 292(11)
      3.5 Literature                               303(2)
Postscript                                         305(2)
Problems and Solutions                             307
 

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