第2章 建筑围护结构的传热计算与应用

第2章

建筑围护结构的传热计算与应用建筑的围护结构包括：外围护结构和内围护结构。透明和不透明的两部分。研究目的：保温、隔热、节能室内外温度的计算模型（1）恒定的热作用：采暖房间冬季（2）周期热作用：分为单向周期热作用（适用于空调房间的隔热设计）和双向周期热作用（适用于自然通风房间的夏季隔热设计）。2.1稳定传热2.1.1一维稳定传热特征1、通过平壁的热流强度q处处相等；2、同一材质的平壁内部各界面温度θ分布呈直线关系。平壁的稳定传热传热过程：室内、外热环境通过围护结构而进行的热量交换过程，包含导热、对流及辐射方式的换热，是一种复杂的换热过程。稳定传热过程：温度场不随时间而变的传热过程。

2.1.2平壁内的导热过程

1。单层匀质平壁的热阻

2。经过多层平壁的导热

3.通过组合壁的导热如图，设由三层平壁组成的围护结构，平壁厚度分别为d1

、d2

、d3

，导热系数分别为1、2、3，围护结构两侧空气及其它物体表面温度分别为θi、θe（设θi>θe

），室内通过围护结构向室外传热的整个过程要经过三个阶段：2）平壁材料层的导热：1）内表面吸热：3）外表面的散热：

2.1.3平壁内稳定传热过程2）平壁材料层的导热：1）内表面吸热：内表面吸热是对流换热与辐射换热的综合过程。3）外表面的散热：外表面的散热是平壁把热量以对流及辐射的方式传给室外空气及环境。讨论的问题属于一维稳定传热过程，则有联立上面四式得若写成热阻形式得平壁的总传热阻：物理意义：表示热量从平壁一侧空间传到另一侧空间时所受到的总阻力。单位：平壁总传热系数：物理意义：当时，在单位时间内通过平壁单位表面积的传热量，单位：说明：平壁内、外表面及壁体内各层温度的计算：平壁的传热过程平壁内表面的吸热平壁本身的导热平壁外表面的放热R0：平壁的总传热阻K0：平壁的总传热系数总热阻表征围护结构(包括两侧表面空气边界层)阻抗传热能力的物理量。为传热系数的倒数总传热系数在稳态条件下，围护结构两侧空气温度为1℃，1h内通过1m2面积传递的热量平壁的稳定传热>>平壁的总传热阻的计算平壁的总传热阻和传热系数R0和K0是建筑保温、隔热性能的重要指标与建筑的能耗有着非常密切的对应关系建筑节能设计的首要考虑因素建筑节能的其他因素数值上，R0等于：K0为的R0倒数具体如何求平壁的热阻或传热系数？平壁的稳定传热>>平壁的总传热阻>>内外表面换热阻平壁总传热阻的计算由三大部分组成：内表面的换热热阻、平壁本身的热阻以及外表面的换热热阻内、外表面的换热热阻主要与室内外环境以及表面的状况有关。表面换热包括对流部分和辐射部分。工程计算中，一般合二为一，采用不同表面状况、不同季节的表面换热阻或表面换热系数。平壁的稳定传热>>平壁的总传热阻>>壁体传热阻平壁总传热阻的计算壁体本身的传热阻主要是导热热阻，也包括空气间层产生的热阻。壁体本身的导热热阻可分为单一材料层、多层匀质材料层以及组合材料层等。不同的构造方式的热阻需要不同的公式加以计算单一材料层的热阻：多层匀质材料层的热阻：

平壁的稳定传热>>平壁的总传热阻>>例题1平壁总传热阻的计算例题1平壁的稳定传热>>平壁的总传热阻>>问题平壁总传热阻的计算如果将砖砌体改为粘土空心砖（=0.58），平壁的热阻为多少？本例，如果要使平壁的总传热阻达到1.0、2.0、3.0,保温层（=0.04）的厚度应分别为多厚？四、封闭空气间层的热阻封闭空气间层的传热提高围护结构热工性能的有效方法三种基本传热方式都存在主要传热为辐射，约占70%提高空气间层热阻的主要方法：表面贴强反射材料，如铝箔（高温侧）等将空气间层布置在低温一侧（防建筑结构冷凝）一个“厚”的间层不如几个“薄”的间层平壁的稳定传热>>平壁的总传热阻>>例题2平壁总传热阻的计算例题2平壁的稳定传热>>平壁的总传热阻>>壁体传热阻平壁总传热阻的计算组合材料层的热阻简单的计算方法：复杂的计算方法：试计算某屋顶结构的热阻（夏）钢筋混凝土：=1.74W/(mK)加气混凝土：=0.19W/(mK)水泥砂浆：=0.93W/(mK)油毡防水层：=0.17W/(mK)1、由附录4查各种材料的导热系数2、求各层热阻(1)钢筋混凝土空心板热阻R空：取计算单元，沿垂直热流方向分三层计算。R1=R3=0.035/1.74=0.02(m2K/W)空气间层由空气层、钢筋混凝土、填缝组成。空气间层热阻0.16(m2K/W),钢筋混凝土热阻0.13/1.74=0.075(m2K/W)砂浆部分热阻0.13/0.93=0.140(m2K/W)R空=0.02+0.13+0.02=0.17(m2K/W)

(2)加气混凝土保温层热阻

R气砼=0.08/0.19=0.421(m2K/W)（3）水泥砂浆抹平层热阻

R砂浆=0.02/0.93=0.022(m2K/W)（4）油毡防水层热阻

R油毡=0.01/0.17=0.059(m2K/W)3、屋顶结构总热阻内表面热阻

Ri=0.11(m2K/W)外表面热阻

Re=0.05(m2K/W)注：夏。总热阻

R=0.11+0.17+0.421+0.022+0.059+0.05=0.832(m2K/W)2.1.5平壁内部温度的计算及图解法1、平壁内部温度的计算

2、壁体内部温度的图解法（了解）1、平壁内部温度的计算：意义：围护结构的表面温度及内部温度也是衡量和分析围护结构热工性能的重要数据。为判断表面和内部是否会产生冷凝水，就需要对所设计的围护结构进行温度核算。以下图所示三层平壁结构为例。据稳定传热条件下，通过平壁的热流量与通过平壁各部分的热流量相等有，即解得壁体内表面温度为又据有解得由此推知，对于多层平壁内任一层的内表面温度为平壁的稳定传热>>平壁内部温度的确定平壁内部温度的确定2.2平壁的稳定传热>>平壁内部温度的确定>>例题3平壁内部温度的确定例题在稳定传热条件下，每一材料层内的温度分布是直线，在多层平壁中成一条连续的折线。材料层内的温度降落程度与各层的热阻成正比，材料层的热阻越大，在该层内的温度降落也越大。2、壁体内部温度的图解法（了解）根据：其中：、、和是常量，所以是变量的一次函数，若以热阻为横坐标画出壁体的截面图，则温度分布为一直线。2.2平壁的稳定传热>>平壁内部温度的确定>>图解法平壁内部温度的确定图解法具体方法：（如图8-7）作业：某空心混凝土砌块如图所示试求该单排孔砌块作为垂直墙体时的隔热热阻（设空气间层厚50mm，长150mm）。设室内温度25℃，室外温度-25℃，用图解法求各界面温度。如果在混凝土内有3根直径20mm的钢筋贯穿该砌块，其热阻如何变化？2.2建筑保温与节能计算指标：建筑物耗热量指标；建筑物耗煤量指标（强调单位建筑面积，节能）计算包含：1、通过围护结构的传热耗热量；2、空气渗透耗热量；3、内部得热量。建筑物耗热量指标建筑物采暖耗煤量实际上，围护结构所受到的环境热作用，不论是室内或室外，都在随时间变化，因此，围护结构内部的温度和通过围护结构的热流量也必然随时间发生变化。这种传热过程叫不稳定传热。若外界热作用随着时间呈现周期性的变化，则出现周期性不稳定传热。在建筑热工中研究的变化热作用，都带有一定的周期波动性，如室外气温和太阳辐射热的昼夜、小时变化，在一段时间内可以近似地看作每天出现重复性的周期变化；冬天当采用间歇采暖时，室内气温也会引起周期性的波动。2.3平壁的周期性传热2.3平壁的周期性传热简谐热作用2.3平壁的周期性传热半无限厚壁在简谐热作用下的传热特征2.3平壁的周期性传热半无限厚壁在简谐热作用下的传热特征2.3平壁的周期性传热半无限厚壁在简谐热作用下的传热特征介质表面壁体内部AeAfAxx•Θ(x.τ)2.3平壁的周期性传热半无限厚壁在简谐热作用下的传热特征导温系数：材料的导热系数与其比热容和密度乘积的比值（a＝λ/cρ）

。表征物体在加热或冷却时各部分温度趋于一致的能力。其值越大，温度变化的速度越快。

2.3平壁的周期性传热>>材料蓄热系数简谐热作用下，材料和围护结构的热特性指标材料蓄热系数当某一足够厚度单一材料层一侧受到谐波热作用时，表面温度将按同一周期波动，通过表面的热流波幅与表面温度波幅的比值。其值越大，材料的热稳定性越好2.3平壁的周期性传热>>材料层的热惰性指标简谐热作用下，材料和围护结构的热特性指标热惰性指标(D值)

表征围护结构对温度波衰减快慢程度的无量纲指标。单一材料围护结构，D=RS；多层材料围护结构，D=ΣRS式中R为围护结构材料层的热阻，S为相应材料层的蓄热系数。D值越大，温度波在其中衰减越快，围护结构的热稳定性越好

围护结构的热稳定性在周期性热作用下，围护结构本身抵抗温度波动的能力。围护结构的热惰性是影响其热稳定性的主要因素房间的热稳定性在室内外周期性热作用下，整个房间抵抗温度波动的能力。房间的热稳定性主要取决于内外围护结构的热稳定性2.4建筑防热设计控制指标一、室外综合温度二、隔热设计标准（周期性传热计算的目的）室外综合温度的计算（1）太阳辐射热的作用当太阳辐射热作用到围护结构外表面时，一部分被围护结构外表面所吸收；（2）室外空气的传热由于室外空气温度与外表面温度存在着温度差，将以对流换热为主要形式与围护结构的外表面进行换热；（3）在围护结构受到上述两种热作用后，外表面温度升高，辐射本领增大，向外界发射长波辐射热，失去一部分热能。室外综合温度的计算:

室外综合温度值应按下式计算：式中：

tsa---室外综合温度(℃)；

te---室外空气温度(℃)；

I---水平或垂直面上的太阳辐射照度(W/m2)；

ρs---太阳辐射吸收系数；

αe---外表面换热系数，取19.0W/(m2٠K)。

降低室外综合温度措施：

1、选择建筑的合理朝向及采取遮阳措施，减弱太阳对建筑围护结构的辐射。

2、使用浅色处理的围护结构外表面，降低围护结构外表面对太阳辐射的吸收。

tsa

=te+I﹒s

/e-tlr室外综合温度的特点：（1）在夏季，同一地点、同一天中，各朝向的太阳辐射照度不同。（图）（2）在室外综合温度中，太阳辐射热当量温度表示围护结构外表面所吸收的太阳辐射热对室外热作用提高的程度。其关键在于吸收。（3）室外综合温度代表了室外热作用的大小。平屋顶、西墙、东墙、西南向墙和东南向墙所受室外热作用较大。因此，在设计时对它们进行隔热处理非常必要。

由于室外综合温度呈周期性波动变化，在围护结构隔热设计的计算中，必须确定其最大值、平均值及振幅。

tsa

=te+I﹒s

/e

-tlr

围护结构隔热设计隔热设计：