第二章传热原理及计算

第二章建筑围护结构的

传热原理及计算

新疆大学建筑工程学院

2010年9月第二章建筑围护结构的

传热原理及计算第一节稳定传热第二节周期性不稳定传热

根据建筑保温和隔热设计中所考虑的室内外热作用的特点可将室内外温度的计算模型归纳为两种：1、恒定的热作用2、周期性热作用第一节稳定传热一、一维稳定传热特征通过平壁的热流强度处处相等同一材质的平壁内部各个界面温度分布呈直线关系第一节稳定传热二、平壁内的导热过程热工计算中，通过围护结构材料层的传热过程，均按导热过程考虑。常见的围护结构有：单一材料层多层材料层组合材料层封闭空气间层等第一节稳定传热1、单层均指平壁的导热ＸdＱＦ第一节稳定传热2、经过多层平壁的导热λ1λ2λ3

d1d2d3θiθe——通过平壁的导热量w/m2——平壁外表面的温度℃第一节稳定传热3、通过组合壁的导热组合壁：在建筑工程中，维护结构内部个别材料层常出现两种以上材料组成的组合材料层。F----是各部分在垂直热流方向的表面积m2

Φ----修正系数θiθe第一节稳定传热

注:（1）当围护结构由两材料组成时，λ1应取较大值;

（2）当围护结构由三种材料组成，或有两种厚度不同的空气间层时，λ2取较小值，λ1取较大值;

（3）当围护结构存在圆孔时，将其折成同面积方孔计算。修正系数φ值0.860.930.960.980.10~0.190.20~0.390.40~0.690.70~0.99φ

λ2/λ1

或(λ2+λ3)/2λ1第一节稳定传热三、平壁的稳定传热过程传热过程——室内外热环境通过围护结构而进行的热量交换，包含导热、对流以及辐射换热方式温度场不随时间变化的传热过程——稳定传热过程设:ti>te传热过程经历三个阶段λ

1λ2λ3d1d2d3第一节稳定传热1、内表面吸热ti>θi,内表面以对流和辐射的方式吸热λ1λ2λ3

d1d2d3titeθi第一节稳定传热

内表面换热阻Ri

0.13

7.6有肋状突出物的顶棚（h/s>0.3）

0.11

8.7墙面、地面、表面平整或有肋状突出物的顶棚（h/s£0.3）Ri(m2•K)/W)aiW/(m2•K)表面特性第一节稳定传热2、平壁材料层的导热λ1λ2λ3

d1d2d3tite——通过平壁的导热量w/m2——平壁外表面的温度℃θiθe第一节稳定传热3、外表面换热θe>te,外表面把热量以对流和辐射的方式传给室外的空气——外表面的散热量，w/m2

——外表面的换热系数，w/（m2K)0.0519.0外墙和屋顶夏季0.176.0外墙上无窗的不采暖地下室上面的楼板0.0812.0闷顶、外墙上有窗不采暖地下室上面楼板0.0617.0与室外空气相通的不采暖地下室上面楼板0.0423.0外墙、屋顶、与室外空气直接接触的表面冬季Reae表面特征季节qeae第一节稳定传热对于一维稳定传热过程上式联立:q—通过平壁的传热量w/m2

R0—平壁的总传热阻表示热量从平壁一侧传到另一侧是所受到的总阻力（m2K/w）第一节稳定传热

K0—平壁的传热系数物理含义：当ti-te=1℃时，单位时间内通过平壁单位表面积的传热量w/（m2K)第一节稳定传热四、封闭空气间层的热阻建筑设计中常用封闭空气层作为围护结构的保温层。空气层中的传热方式：导热、对流和辐射主要是对流换热和辐射换热封闭空气层的热阻取决于间层两个

界面上的边界层厚度和界面之间的辐射换热强度。热阻的大小与间层厚度不成正比例关系第一节稳定传热在有限空间内的对流换热强度与间层的厚度、间层的设置方向和形状、间层的密闭性等因素有关。垂直空气间层中，θ1>θ2当间层厚度较薄时热气流和冷气流相互干扰，

形成局部环流，使边界层减薄。当间层厚度很薄时(d<0.5cm)气流的流动困难，气流近似为静

止，对流换热很弱当间层厚度增加(d>10cm)上升气流和下降气流干扰程度逐渐减小

当厚度达到一定程度时，就与自然对流

情况类似。第一节稳定传热当热面在上方时，间

层内可视为不存在对

流。当热面在下方时，热

气流的上升和冷气流

的下沉相互交替形成

自然对流，此时自然

对流换热最强。第一节稳定传热通过间层的辐射换热量与间

层表面材料的辐射性能和间

层的平均温度高低有关。1—纯导热换热量2—对流换热量3—总换热量4—间层内有一表面贴有铝箔5——间层内两表面都贴有铝箔可见：普通空气间层的传热

量中辐射换热占很大比例，

要提高空气间层的热阻须减

少辐射传热量。垂直间层内不同传热方式的比较第一节稳定传热增大空气层热阻的措施:减小辐射换热量（1）贴铝箔(若单面贴，应贴在高温一侧);（2）将空气层设在低温侧。空气间层热阻R（m2·K/W）

0.860.350.500.810.380.500.730.380.490.630.370.460.490.340.390.300.250.270.160.150.151.010.570.710.940.560.690.840.550.650.710.520.590.560.450.490.340.290.310.180.170.18热流向下（水平、倾斜）热流向上（水平、倾斜）垂直空气间层双面铝箔空气间层0.540.280.370.520.300.370.480.300.360.440.290.340.370.280.310.250.200.220.150.140.150.640.430.500.600.420.490.570.420.470.510.400.440.430.350.390.280.260.260.160.160.16热流向下（水平、倾斜）热流向上（水平、倾斜）垂直空气间层单面铝箔空气间层0.150.130.150.160.130.150.160.130.140.150.130.140.150.130.140.120.110.120.090.090.090.200.170.180.200.170.180.190.170.180.180.160.170.170.150.160.140.140.140.100.100.10热流向下（水平、倾斜）热流向上（水平、倾斜）垂直空气间层一般空气间层>6050403020105>6050403020105间层厚度（mm）间层厚度（mm）夏季状况冬季状况位置、热流状况及材料特性第一节稳定传热[例2-1]求钢筋混凝土圆孔板冬季的热阻（设热流为自下而上）[解]将圆孔折算成等面积正方孔，则：b=0.079m计算各部分的热阻值第一节稳定传热计算两种材料的导热系数比，求修正系数

钢筋混凝土：λ1=1.74W/（m·k)

空气间层的当量导热系数λ2=0.079/0.17=0.46W/（m·k)

λ2/λ1=0.46/1.74=0.267

φ=0.93第一节稳定传热五、平壁内部温度的计算第一节稳定传热[例2-2]已知室内气温为15℃，室外气温为-10℃，试计算通过下图所示的砖墙和钢筋混凝土预制板屋顶的热流量和内部温度分布。Ri=0.115m2·K/W，Re=0.043m2·K/W；1.钢筋混凝土2.水泥砂浆3.两毡三油防水层4.白灰粉刷5.砖砌体第一节稳定传热解：已知ti=15℃,te=-10℃,Ri=0.11,Re=0.04由附录1查得，砖砌体的λ=0.81，石灰粉刷的λ=0.81，钢筋混凝土的λ=1.74，水泥砂浆的λ=0.93，油毡屋面的λ=0.17由式得砖墙的总热阻:钢筋混凝土屋顶的总热阻:第一节稳定传热（1）求热流量

由公式得出通过砖墙的热流量:

通过钢筋混凝土屋顶的热流量第一节稳定传热（2）求内部温度

砖墙结构：

钢筋混凝土屋顶：第二节周期性不稳定传热一、谐波热作用第二节周期性不稳定传热二、谐波热作用下的热特征室外温度和平壁表面温度、内部任意截面处的温度都是同一周期的谐波动;

从室外空间到平壁内部，温度波动振幅逐渐减小

——温度波动的衰减度;从室外空间到平壁内部，温度波动的相位逐渐向

后推延——温度波动的相位延迟第二节周期性不稳定传热三、谐波热作用下材料和围护结构的热特征指标（1）材料的蓄热系数（S）:指均质半无限大体，在一侧受谐波热作用时，迎波面上热流振幅与温度振幅的比值：（2）材料层的热惰性指标（D）：表征材料从受到波动热作用后，背波面上温度波动剧烈程度的指标：第二节周期性不稳定传热(3)材料层表面的蓄热系数Y

在近似计算中，当材料层的热惰性指标D≥1.0时，则可认为材料层表面温度的波动主要与本身材料的热物理性能有关，这时刻近似取Y=S。当材料层的热惰性指标D＜1.0时，则材料层背波面的边界条件对迎波面温度的波动有不可忽略的影响，此时Y与S在数值上不等材料层表面的蓄热系数Y的计算方法步骤：

计算顺序逆着热流波方向：第二节周期性不稳定传热（1）当温度波由外向内时：（2）当温度波由内向外时：第二节周期性不稳定传热四、谐波热作用下平壁的传热计算 如果平壁两侧受到的谐波作用分别为：外侧:内侧:则综合过程可分解为三个过程:在室内平均温度和室外平均温度作用下的稳定传热过程在室外谐波热作用下的周期性传热过程在室内谐波热作用下的周期性传热过程第二节周期性不稳定传热五、温度波在平壁内的衰减和延迟计算1、室外温度谐波传至平壁内表面时的衰减倍数和延迟时间的计算当周期Z=24小时，则：第二节周期性不稳定传热2、室内温度谐波传至平壁内表面时衰减和延迟计算当周期Z=24小时，则：第二节周期性不稳定传热例：某建筑西墙构造如图，使求其衰减度ν0及延迟时间ξ0

（1）计算各层热阻R

和热惰性指标D

505080钢筋混凝土钢筋混凝土岩棉板0.9317.2

S1.1630.49

D=R•S1.250.0287

R=d/λ0.0641.74