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第1章 居住的科学(1)

人类居住生活的地方,是指与人类生存活动密切相关的地表空间。可以说,这一空间包括了人类生活的方方面面:大到人们居住环境中的设施,比如大楼、街道、社区、公园等;小到洗漱用品、生活用水、房间清洁、物品摆放等,这些都与我们的生活息息相关。

大楼是如何调温的

大楼的外墙保温体系

由于当今世界对节能环保的需求不断提高,建筑围护结构的保温也在日益加强。对于解决建筑物的冷暖问题,人们早就认识到可以用绝热材料来减少建筑物的能耗,从而降低热能耗成本。

外墙外保温体系是世界各国大力推广的一种墙体体系。所谓外墙外保温,就是给建筑物穿上一件既保温又隔热的外套。其体系主要由界面层、保护底层、保温层、抗裂层、网络布层、饰面层等组成。其实质就是对建筑物的外围护结构进行加强,使其保温、隔热和气密性能得到提高。具有这种体系的建筑可谓冬暖夏凉,从而大大减少了二氧化碳的排放。

外墙中间保温层几乎适用于任何建筑体系,对于任何标准的节能要求,都能很容易地实现。在建筑外墙时,只需要将中间的缝隙拉大,填入厚一些的保温材料即可。由于外墙可以是高质量的景观墙体砖,也可以是普通砖块再加抹面沙浆,它完全解决了外墙外保温体系中存在的弊病。

另外,复合墙体系是世界各国普遍采用的墙体体系,复合墙体采用砌体或钢筋混凝土墙体做承重墙,与绝热材料复合。它在建筑物自重、保温隔热性能及施工性能方面均具有明显的优越性。我国具有两千年历史的空斗墙也是复合墙的一类。

新的大楼调温模式

现在,一些建筑师在设计写字楼时逐步放弃了传统的空调系统,采用自然界白蚁启示的通风系统来保持大楼的凉爽。白蚁通过控制蚁穴的气流来调节巢穴内温度的方式称之为“烟囱效应”,利用这种方式新建的大楼,一般都是3至4层成弧形朝北排列。角上有个十八米高的园柱形玻璃塔,这就相当于白蚁的蚁穴,塔的顶部可以利用液压方法升起或下降以调节上升空气的流量,并通过建筑物窗户和通风格栅带走多余的热量,吸入新鲜的空气。在建成的大厦内,有一套名为大楼能量管理系统的电脑程序来处理气流控制的过程。它能自动将屋顶关闭,并根据白天光照强度来调整人工照明。

空调调节温度的奥秘

空调调节温度的原理

家用空调器的制冷剂通常由以下几种形态存在:液态、气态和气液混合物。在这几种状态互相转化中,会造成热量的吸收和散发,从而引起外界环境温度的变化。在从气态向液态转化的过程,称为液化,会放出热量;反之,从液态向气态转化的过程,叫做汽化,这一过程是要从外界吸收热量。

低压的气态制冷剂被吸入压缩机,被压缩成高温高压的气体;然后,气态制冷剂流到室外的冷凝器,在向室外散热的过程中,逐渐冷凝成高压液体;接着,通过节流装置降压,又变成低温低压的气液混合物。

接下来,气液混合的制冷剂就可以发挥空调制冷的作用了。由于制冷剂从毛细管到达蒸发器后空间突然增大,压力减小,液态的制冷剂就会汽化,变成气态低温的制冷剂,从而吸收大量的热量,蒸发器就会变冷,室内机的风扇将室内的空气从蒸发器中吹过,所以室内机吹出来的就是冷风;通过吸收室内空气中的热量而不断汽化,这样,房间的温度降低了,它又变成了低压气体,重新进入了压缩机。如此循环往复,空调就可以连续不断的运转工作,根据人们的需要调节着室内的温度。

无污染的冷水空调

冷水空调是依靠蒸发吸收空气中的热量达到降温的目的,它是根据自然物理现象“水蒸发效率”这一原理来制冷的。当热空气经过实际换热面积100倍有水蒸发的湿帘时,其大量的热将被空气吸收,从而实现空气降温的过程。

冷水空调,无氟利昂、低噪音、不振动、不散热。降温幅度大约能达到10~15摄氏度,且降温快速,定向岗位送风,更加经济实用。

暖气为什么要用软水

软水的用途

在现代生活和工业生产中,软水主要适用于电子电力行业、冶金行业、医药行业、化工行业、食品饮料行业、宾馆饭店、热力站、锅炉房、写字楼、冷库、商场、空调用水等领域用水;其中采暖、供热、供气等各种锅炉的用水,经软化处理可以缓解锅炉结垢、阻垢问题。

软水除上述用途之外,还可以将肌肤细胞内的污物彻底清除,延缓皮肤衰老,使清洗后的皮肤无紧绷感,光泽细腻。由于软水中含有丰富的有机矿物质,具有较强的去污力,只需少量的卸妆膏,就可以达到很好的卸妆效果,因此软水是爱美人士的必需品。软水还用于经常性的沐浴,可帮您解除皮肤干燥、皮癣、皮屑苦恼,恢复正常的弹性皮肤。当皮肤有炎症,发生湿疹或手足裂纹时,常用软水清洗,就可驱除湿疹,愈合裂纹。

另外,家居使用软水还有以下好处:使用软水清洁餐具、瓷器后,会光洁如新,绝无水渍痕迹,可以大大减少洗涤用品的使用,利于环保,厨房清洁时间也可以节省很多。使用软水,马桶、水槽、浴缸不易发黄生垢、产生异味,淋浴喷头的小孔也不再有白色水垢,使水流畅通无阻。使用软水,还可以减少洗衣机等用水设备由于使用硬水而导致的维修问题,壁挂炉或热水器的维修次数也大大减少,热水器寿命延长一倍以上,家庭内墙中安装的水管不结垢、不阻塞。

硬水有哪些缺陷

首先,硬水并不会对健康造成直接危害。实际上,经过科学研究证明,硬水质的饮用水富含人体所需矿物质成分,是人们补充钙、镁等成分的一种重要渠道,溶于硬水中的钙是最易为人体吸收的矿物质。

但是硬水有许多缺点,在工业上,钙盐、镁盐的沉淀会造成锅垢,妨碍热传导,严重时还会导致锅炉爆炸。由于硬水问题,工业上每年因设备、管线的维修和更换要耗资数千万元。

硬水的饮用还会对人体健康与日常生活造成一定的影响。不经常饮硬水的人偶尔饮硬水,会造成肠胃功能紊乱,即所谓的“水土不服”;用硬水烹调鱼肉、蔬菜,会因不易煮熟而破坏或降低食物的营养价值;用硬水泡茶会改变茶的色香味而降低其饮用价值;用硬水做豆腐不仅会使产量降低、而且影响豆腐的营养成分。

离不开水来工作的暖气片

通过上述我们对工业生产和日常生活中使用软水和硬水优缺点的了解,可以看出,软水是供暖设备的首选。

供暖设备产生的暖气分为水暖和气暖,通常我们所说的暖气片指的是水暖,就是利用壁挂炉或者锅炉加热循环水,再通过管材链接到暖气片,最终通过暖气片将适宜的温度输出,形成室内温差,最后进行热循环使整个室内温度均匀上升。而气暖则是在制热设备中加热经过处理的水,使其蒸发,采用蒸发的水蒸气来通过暖气片给房间供热。

水蒸气在暖气片中以对流的形式将热量传给暖气片,暖气片通过自身的导热,将热量从内壁传到外壁,外壁以对流的方式加热空间的空气,同时以辐射的形式加热空间中包含的墙壁和空间中存放的物体,使房间的温度升高到一定的温度。

能吸热的太阳能板

太阳能板

太能能板又称太阳电池模板、光伏板、太阳能模组。是将许多太阳能电池互连并包装的一种产物,太阳能电池如此互连而达到的发电规模可提供商业大楼、住宅使用。

但单个太阳能板也只能产生一定的电力,固将许多太阳能板互相连接就成为了光伏阵列。人们使用太阳光发电通常都是使用一个光伏阵列或数个光伏模组与一个逆变器、电池组与互连线路。这样才能达到好的发电效果。

太阳能电池发电原理

我们知道了太阳能板是通过很多的太阳能电池组成的。那么,太阳能电池又是什么呢?太阳能电池是一种对光有响应并能将光能转换成电能的器件。能产生光伏效应的材料有许多种,如:单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、硒铟铜等。晶体硅是太阳能电池的主要制作材料,不管用什么样的材料制作太阳能电池板,这些材料的发电原理基本都是相同的。

现以晶体为例描述太阳光发电的过程:当光线照射太阳能电池表面时,一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子,使电子发生了迁移,成为自由电子在材料硅的两侧集聚形成了电位差;当外部接通电路时,在该电压的作用下,将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是:光子能量转换成电能的过程。

太阳能的热利用

我国太阳能资源的理论储量约等于数万个三峡工程发电量的总和。但是现在人们对于太阳能的热利用主要是平时用到的太阳能热水器,它的装置通常包括太阳能集热器、储水箱、管道及抽水泵等部件。

另外在冬天需要热交换器和膨胀槽以及发电装置以备电厂不能供电之需。太阳能集热器在太阳能热系统中,是接受太阳辐射并向传热工质传递热量的装置。按传热工质可分为液体集热器和空气集热器,按采光方式可分为聚光型集热器和吸热型集热器两种。另外还有一种真空集热器。

很多同学都不知道的一点就是,太阳能在冬天可作房间供暖使用,其实这种做法在许多寒冷地区已使用多年。太阳能暖房系统是由太阳能收集器、热储存装置、辅助能源系统、以及室内暖房风扇系统所组成。其过程是太阳辐射产生的热量经收集器将热能储存后再供热至房间。最常用的暖房系统为太阳能热水装置,它将热水通入储热装置之中,然后利用风扇将室内或室外空气驱动至储热装置中吸热,再把热空气传送至室内;或利用另一种液体流至储热装置中吸热,当热液体流至室内管道,再利用风扇吹送到要被加热的空气至室内,而达到暖房效果。

太阳能的优点和缺点

地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳。即使是地球上的化石燃料,例如煤、石油和天然气等,从根本上说也是远古以来储存下来的太阳能。随着经济的发展、社会的进步,人们对能源提出的要求越来越高,寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。而太阳能既是一次性能源,又是可再生能源。它资源丰富,既可免费使用,又无需运输,对环境无任何污染。这为人类创造了一种新的生活形态,使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。

我们平时所说的太阳能,一般是指太阳光的辐射能量,在现代一般用作发电。通过讲述太阳能板大家知道太阳能发电是一种新兴的可再生能源。太阳能还具有长久性,可以说太阳的能量是用之不竭的。

但是太阳能也不是万能的,在具备以上优点的同时,还有很多的缺点。

首先它过于分散。到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大,但是单位面积产生的能量很低。因此,在利用太阳能时,往往需要面积相当大的一套收集和功率转换设备,这样造价会很高。

其次就是太阳能具有不稳定性。因为要受到昼夜、季节、纬度和海拔高度等自然条件的限制,以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响。所以,到达某一地面的太阳辐照度既是间断的,又是极不稳定的,这给太阳能的大规模应用增加了难度。

最后,就是太阳能利用的效率较低而且成本很高。目前太阳能利用的发展水平,有些方面在理论上是可行的,技术上也是成熟的。但因为太阳能利用装置成本高、效率偏低等因素,使得太阳能的利用并没有过于广泛。而且在今后相当一段时期内,太阳能利用的进一步发展,都会受到经济性的制约。

深深的地基——打造房屋必备

高楼万丈平地起,地基处理的好坏直接影响整个工程的质量,合理的、有针对性的地基处理和上部结构设计,可以有效地减轻和消除软弱地基对上部结构的不利影响,确保工程质量。

为什么要打造地基

世界著名的古迹之一——意大利的比萨塔后来如果不及时加固地基的话,这座延续了800多年的古建筑就可能倒坍。这么珍贵的古塔,上部结构还完好无损,就是因为地基的不均匀沉降,而招致将要倒坍的危险,你说遗憾不遗憾?

建筑师在开始建造房子之前,就要查明地基中土层的性质。那些粘土、泥炭、砂子等组成的土地,初看起来似乎很坚实,如果就这样直接在上面建造房屋,过不了几年就会产生显著的下沉,最终很可能导致房屋倾塌的危险。还有些土地是一种黄土层,这种土层孔洞很多,在干燥的状态下,能吃得住很大的压力,可是一旦浸水,就变得十分松软,强度一落千丈。可是建筑师又无力保证地基不受雨水浸湿。遇上这些坏土层,难道房子就不盖了吗?当然不是的。人们可以把它改造一番,来个对症下药的“治疗”。

坚实的地下柱桩

如果表面土层不好,建筑师就采取措施干脆把它挖掉,把房子盖在下面较坚实的土壤上。如果下面的土层也不好,那就打桩加强地基。桩有木桩、钢桩和钢骨水泥桩等几种。木桩容易腐烂,钢桩成本太大,钢骨水泥桩价廉物美,应用最广泛。

桩的作用,就是通过它把房子的重量传给桩底的坚硬土层,这种桩所起的作用跟柱子一样,所以叫做“柱式桩”。还有一种桩叫做“摩擦桩”,它是以桩表面与土壤的摩擦力来支承房子力量的。由于房子的重量很大,桩一般都打得很深。有些钢管桩长可达60米左右,相当于20层楼房那么高。另外,我们也可以用“打针治疗”的办法,就是通过管子把用化学药品打到地下去,从而使松软土壤胶结成坚硬的整体,作为建筑物的持力层,这种办法叫做地基化学加固法。

常用的地基处理方法

在确定地基处理方案时,应根据地质情况的不同、建筑物的承载条件需要以及各种处理方案的成本比对,选择既能达到要求,成本又较低的地基处理方法。

建筑工程中,我们常用的地基处理方法有孔内深层强夯法、换填垫层法、强夯法、砂石桩法、振冲法、水泥土搅拌法、高压喷射注浆法、预压法、夯实水泥土桩法、水泥粉煤灰碎石桩法、石灰桩法、灰土挤密桩法和土挤密桩法、柱锤冲扩桩法、单液硅化法和碱液法等。

软弱地基处理方法主要有以下四种:

1.排水固结法

排水固结法又称预压法,其包括堆载预压法、超载预压法、真空预压法、真空与堆载联合作用法、降低地下水位法和电渗法等多种方法;通过在预压使软粘土地基中的水排出,土体发生固结,土中孔隙体积减小,土体强度提高,达到减少地基施工后沉降和提高地基承载力的目的。

2.振密、挤密法

振密、挤密法有表层原位压实法、强夯法、振冲密实法、挤密密实法、爆破挤密法和土桩、灰土桩等多种方法;采用一定措施,通过振动和挤密使深层土密实,使地基土孔隙比减小,强度提高。

3.置换及拌入法

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