建筑材料的热工特性和建筑围护结构

第三讲：建筑材料的热工特性和建筑围护

结构的■EJ传热原理及计算3.1建筑围护结构的传热过程•房屋围护结构时刻受到室内外的热作用，不断有热量通过围护结构传进传出。在冬季室内温度高于室外，热量由室内传向室外；在夏季则正好相反，热量由室外传向室内。3.1.1建筑围护结构热转移方式•热量的传递称传热。在自然界中，只要存在着温差，就会有传热现象，而且热能是由温度较高的部位传至温度较低的部位，其方式有辐射、对流和导热三种。▲传导(Conduction)，是固体内热转移的主要方式▲对流(Convection)，是流体即液体与气体内热转移的主要方式▲辐射(Radiation)，是自由空间热转移的主要方式3.1.2围护结构的传热过程和传热量•传热有3个基本过程，即：表面感热、构件传热、表面散热，主要传热方式见过程名*主票传第方式t.-一ifCli阳MM感祺1*1对需、1|妙传热过程及传热方式表：传热过程及传热方式▲表面吸热----冬季内表面从室内吸热，夏季外表面从室外空间吸热；▲结构传热----热量由高温表面传向低温表面；▲表面放热----冬季外表面向室外空间散发热量，夏季内表面向室内散热。每一个传热过程都是三种基本传热方式的综合过程。表面吸热和表面放热的机理是相同的，称为“表面换热”

•表面换热•表面换热恒定的执作用 ▲表面总换热量是对流换热量（qc）与辐射换热量（qr）之和。即：q=%+%=.（9T）+%（，T）=就。T）式中：q--表面环热量，表面换热系数，&=%+[.,"板.目一壁面温度，C;--室内或室外气温，Co•结构传热▲在建筑热工学中，结构传热只对平壁传热作叙述，平壁不仅包括平直的墙壁、屋顶、地板，也包括曲率半径较大的墙、穹顶等结构。▲本课程的结构传热只讨论一个方向的热流传递，即一维传热或单向传热。▲依据室内外温度的特点，结构传热分为两种方式：.稳定传热（恒定的热作用）：▲结构两侧（室内和室外）有温差，且室内温度和室外温度不随时间而改变。▲冬季采暖房屋，外围护结构的保温设计，一般按稳定传热计算。.不稳定传热（周期热作用）：▲结构两侧有温差，但温差方向的温度不是恒定而是随时间在变化。▲在建筑上遇到的不稳定传热多属周期性不稳定传热，即热作用和结构内部温度呈周期性变化。▲按热作用的情况，不稳定传热分为：1）单向周期热作用（如空调房间的隔热设计）；2）双向周期热作用（如自然通风房间夏季隔热设计）。3.2导热系数及材料的热工特性/3.2导热系数及材料的热工特性/*5wk*n材料导热系数表达图示材料导热系数表达图示•导热系数是反映材料导热能力的主要指标。•导热系数(入)的物理意义：在稳定传热状态下当材料厚度为1m、两表面的温度差为1°C(1K)时，在一小时内通过1廊截面积的导热量•各种物质(气体、液体、固体)的导热系数数值范围和性质有所不同，它还与当时的压力、温度、密度、含湿量有关。▲气体的导热系数最小，如常温常压下空气的导热系数为0.029W/(m・K),静止不动的空气具有很好的保温能力。液态的导热系数大于空气，如水在常温常压下，其导热系数为0.58W/(m•K),为空气的20倍。金属的导热系数最大，如建筑钢材导热系数为58.2W/(m•K)。非金属固体材料，如大部分建筑材料，导热系数一般低于金属材料，介于0.023~3.49W/(m•K)之间。3.2.2导热系数与温度、湿度、和密度的关系•温度的影响▲温度升高时，分子运动加强，使实体部分的导热能力提高；同时，空隙中的对流、导热和辐射能力也加强，从而材料的导热系数增加。•湿度的影响▲各种材料与潮湿的空气接触后，材料总会吸收一些水分，材料受潮后，由于孔隙中有了水分，增加了水蒸气扩散的传热量，还增加了毛细孔中液态水分所传导的热量，导热系数将显著增大。水和冰的导热系数分别为0.58W/(m・K)、2.33W/(m•K)都远大于空气的导热系数(0.03W/(m•K))，因此水或冰取代孔隙中的空气必然使其导热系数加大。•密度的关系▲密度即单位体积的材料重量，密度小的材料内部孔隙多，由于空气导热系数很小，故密度小的材料导热系数也小，良好的保温材料多是孔隙多、密度小的轻质材料。但，当密度小到一定程度后，在加大孔隙，大的孔隙中空气对流作用增强，对流换热增加，加大了材料的导热能力。因此，轻型(如纤维)材料有一个最低导热系数的密度界限。3.2.3隔热保温材料----绝热材料•导热系数越小，说明材料越不易导热。工程上常将导热系数入V0.25W/(m•K)的材料称为隔热保温材料或绝热材料。如矿棉、泡沫塑料等。•绝热材料可以归纳为三类：①.轻型成型材绝热▲轻型成型绝热材料分为无机材料和有机材料，其的导热系数及应用见下表(表3-1)化学成分形状名称导热系•数成用无机材料矿棉〔岩棉.矿渣棉）<0.052填充用料于矿榆髓O.G4&-O.052墙、屋顼保温吟库隔焦矿棉根-^046冷库日建筑隔热玻珥棉圈护绡构...-_粒钦材料膨胀螺石0.04^-0.070填充墙壁、楼板蛭有制品O.D79-D.L襦一根、普食护膨胀珍珠岩0.025-0.048缱热填充料,珍殊岩制品0.0焚5.87展、根、管图护结构材料的寻地系敏及应用务孑L发认学形欲 名稀 导热系薮 成闱成分： .的叫琦？•.•祯「彼诙塑翘"兼萍无癌一‘‘福皿材料的寻地系敏及应用务孑L发认学形欲 名稀 导热系薮 成闱成分： .的叫琦？•.•祯「彼诙塑翘"兼萍无癌一‘‘福皿1或Q4厂■…屋曲；墙面探潟,曾… uBm- 整库、隰然、复,硬场榛盆土稀〜€!013 SA、夹层等BP，*BBB8f9|.MJ. -■WB!,.够祯「.群始物.谋源隔律蛟窝板大鸵饭、护墙板服醪软木林0.037-0.055UENOWl0^2-0.700.15-0,26硬顶橐氮酪.空气层绝热(airspaceinsulation)•在没有对流的条件下，厚边界空气膜具有高热阻性能。常见的形式：▲轻型墙面空气间层；▲窗帘与墙面空气间层；▲双层、三层、四层玻璃间空气间层。.反射绝热材料(reflectiveinsulation)•利用磨光金属表面的高反射性与低发射性减少热传递。▲铝箔做成单层卷材用作屋顶衬垫和墙布。▲用格网将多层铝箔隔开做成多层铝箔绝热层，安装后可得到附加的空气间层。3.2.4封闭空气间层的热阻•静止的空气介质导热性很小，在建筑设计中常用封闭间层作为围护结构的保温层。空气间层的传热：是有限空气层的两个表面之间的热转移过程，包括对流换热和辐射换热。

垂直间房内不同传热•空气间层的热阻主要取决于间层两个表面间的辐射和对流换热的能力；即取决于表面材料的辐射系数、间层形状、厚度、设置方向（水平或垂直）及间层所处的环境温度。垂直间房内不同传热▲“2”线~“3”线：间层空气的辐射换热量。▲“2”线~“3”线：间层空气的辐射换热量。方式的传热量的比较▲“1”线：间层空气静止态纯导热量。▲“2”线：间层空气对流换热量。▲“3”线：间层空气的总的传热量。辐射换热量占总换热量的70%。•减少空气间层传热，提高间层热阻方法：▲将空气间层布置在维护结构的冷侧，降低间层的平均温度，减少辐射换热量。▲在间层壁面上涂贴辐射系数小的反射材料，目前建筑中采用的主要是铝箔。3.3稳定传热3.3.1一维稳定传热的特征•在单位时间、单位面积上通过平壁的热量即热流强度q处处相等。就平壁内任一截面而言，流进流出的热量相等。•同一材质的平壁内部各界面温度分布呈直线关系。▲一维稳定传热的计算公式： 泌式中：勺-----低温表面温度；勺 高温表面温度q-----热流密度，w/m2即单位面积上的热流量或热流强度。

多层平壁导热组合构件热组计算 •单层匀质平壁的导热：多层平壁导热▲热阻定义：稳定传热计算公式中，d/入定义为热阻，用R表示。▲单层匀质平壁的稳定导热方程:▲单层匀质平壁的稳定导热方程:其中热组:•多层平壁的导热多层平壁由几层不同材料组成的平壁，见右图。如双面抹灰的砖砌墙体。▲多层平壁导热计算公式：Z一E十珞十包五i+为+良&乾分别为第一第二第三层的热阻对n层多层平壁的导热计算公式为：▲多层平壁的总热阻等于各层热组的总和•多种材料组合成的平壁导热在实际应用中围护结构有时是两种或两种以上的材料组合而成的复合结构，如空心楼板、带肋的填充墙等。如图▲求组合壁的导热量q，关键是求组合壁的平均热阻，其R的计算公式如下:式中：R--平均热组,（期"• 研乩--与热流方向垂直的总传热面积，状％F1,F2-Fn--按平行于热流方向划分的各个待热面积，妒;彘.萨关…电个传热面部位的传热组，（妒•尺）泌-内表面换热组,取0.13侦）泌Re--外表面换热组•KVW修正系数，可查表。3.3.3平壁的稳定传热过程•内表面吸热"有M一第*&-圳件+冬+冬'•平壁材料层的导热幻： 5为幻k= -顼•外表面的散热^：•一维稳定传热过程应该有：心=K。通过平壁的传热量q为:^0=—+2-+—陶孔叫叫作平壁的传热系数，其物理意义：当温差为1°C时，在单位时间内通过平壁单位面积的传热量，单位是附血'"）。假如把该式写成热阻形式，则有:比较两式，可得或假如把该式写成热阻形式，则有:比较两式，可得或其中内外表面的换热组、内外表面的换热系数分别见表:内表面换热系数叫和换热阻坊（表3-2）表面特性耳血K)/W]墙面、地面、表面平整或有肋状突出物的顶棚印吕京.3）8.70.1l有肋状突出物的顶棚。岳＞°・3）7.60.13外表面换热系数弓及外表面换热阻乩值（表3-3）适用季节表面特征电阳（m、助］氏[(m3.K)JW]冬季外墙、屋顶、与室外空气直接接触的表面23.00.04与室外空气相通的不米暖地下室上面的楼板17.00.06闷顶、外墙上有窗的不米暖地下室上面的楼板12.00.08外墙上无窗的不米暖地下室上面的楼板6.00.17夏季外墙和屋顶19.00.05▲求壁体内表面温度。多层平壁导热3.3.4平壁内部温度的计算•平壁内部温度的计算包括三方面:▲计算多层平壁内任一层的内表面温度。▲▲求壁体内表面温度。多层平壁导热3.3.4平壁内部温度的计算•平壁内部温度的计算包括三方面:▲计算多层平壁内任一层的内表面温度。▲求壁体外表面温度。•计算公式如下式:壁体内表面温度耳:对于多层平壁内任一层的内表面温度&，可写成根据q=%=%得出外表面的温度"3.4周期性不稳定传热•在建筑实践中真正的稳定传热是不存在的，围护结构所受到的环境热作用是随时间变化的，尤其是室外环境因不能进行人工调节，所以每时每刻都在变化。

•外界热环境随时间发生变化时，围护结构内部的温度和通过围护结构的热流量也将发生变化。若外界热作用随时间出现周期性变化，这种传热过程叫周期性不稳定传热。3.4.1谐波热作用谐波热作用<deg>•在周期性波动的热作用中，最简单最基本的是谐波热作用；即温度随时间的正弦或余弦函数作规则变化（见图）。一般用m余弦函数表示，如下式：谐波热作用<deg>36Qt其中：史---在丁时刻的介质温度，°C；」在一周期内的平均温度，c；----温度波的振幅，即最高温度与平均温度之差，C；----温度波的周期，h。对室外温度波，一般以24h为一周期;----以某一指定时刻（如从午夜零点）起算的计算时间，h.；°-----温度波的初相角，度，即从起算时刻（一般为午夜零点）到温度波达到最高点的时间差，以角度计（如以24小时为一周期即360C，则1小时相当于15C）。若起算时刻区在温度出现最大值处则^=03.4.2谐波热作用的传热特征•平壁在谐波热作用下具有以下几个基本传热特性：▲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，都可用余弦函数表示。▲从室外空间到平壁内部，温度波动振幅逐渐减小，艮"室外温度波的振幅（月日）＞平壁外表面温度波的振幅（^）＞平壁内表面温度波的振幅（攻『），这种现象叫做温度波的衰减。传热衰减的程度，即为平壁的总衰减度，用此表示 为▲从室外空间到平壁内部，温度波的相位逐渐向后推延，艮即室外温度波的初相位（戒）V平壁外表面温度波的初相位（心）V平壁内表面温度波的初相位（郊）。3.4.3谐波热作用下材料和围护结构的热特性指标在周期性传热过程中，传热量的多少与材料、材料层的蓄热系数及材料层的热惰性有关。材料的蓄热系数（S）:一匀质半无限大壁体，在其一侧受到周期性波动热作用，迎波面（即直接受到外界热作用的一侧表面）上接受的热流振巾幅寸与材料表面温度波动的振幅凡之比，叫材料的蓄热系数，用，表示，。£=*=阮伽.副、材料的导热系数，比热，密度。▲材料的蓄热系数（，）反映了材料对波动热作用反应的敏感程度，在同样波动热作用下，蓄热系数大的材料，表面温度波动较小，即热稳定性好。▲当波动周期为24小时，得以24小时为周期的材料蓄热系数&4,并可按下式计算。即："顽序股侦5围护结构内表面蓄热系数▲当房间内供暖不稳定、具有周期性变化时，通过围护结构的热流量也必不稳定，围护结果内表面的温度必将随之而产生周期性变化，通过围护结构内表面热流波动的振幅可与内表面温度波动振幅孔之比，称为围护结构内表面蓄热系数匕，以公式表示如下：材料房表面蓄热系数的计算▲内表面蓄热系数尊表示在周期性热作用下，直接受到热作用一侧的表面对周期性热作用反应敏感程度特性的指标。越大，表明在同样的周期性热作用下，内表面温度波动越小，即温度越稳定。围护结构内表面蓄热系数区i值反映了围护结构内表面的热稳定性。▲内表面蓄热系数的数值和围护结构各层材料的性质及厚度有关，大致可分为两种情况加以考虑：当围护结构内表面有较厚的一种材料组成时，内表面蓄热系数可用这层材料的材料蓄热系数（时值来表示。当围护结构内表面材料层不很厚时，如由多层材料构成的屋顶或外墙，其内表面温度的波动振幅不仅与面层材料的物理性质有关，而且与其后面材料的性能有关，即在顺着热流波动前进的方向与该材料相接触的介质（另一种材料或空气）的热物理性能和散热条件对内表面的波动也有影响。TOC\o"1-5"\h\z•围护结构内表面蓄热系数的计算： W+&对各层编号是从波动热作用方向的反向编起的； '41+艮吊构造层中某一层为厚层时，该层的F=£，内表面蓄热3 1+¥系数可从该层算起，后面各层就不再计算 y_眼+莽▲计算方法为：依照围护结构的材料分层，逐层计算。 二"B1+5 1+秘围护结构的热惰性指标•当围护结构的表面受到周期性热作用后，温度波将向结构内部传递，同时不断衰减，直到背波面（如波动热作用在外侧，则指内表画。热惰性指标是表明背波面上温度波衰减程度的一个主要数值，它表明围护结构抵抗周期性温度波动的能力。▲对单一材料围护结构，热惰性指标为材料热阻与材料蓄热系数的乘积。表示为：▲对多层材料的围护结构，热惰性指标为各材料层热惰性指标之和：反、&分别为各材料层的热阻和蓄热系数。▲围护结构中空气层的蓄热系数（£）为0，该层热惰性指标口为0。•温度波的衰减与热惰性指标的关系。材料层的热惰性指标愈大，说明温度波在期间的衰减愈大。温度波的衰减与材料层的热惰性指标是呈指数函数关系。式中:J-温度波在x层处的衰减度（衰减倍数）；凡----波动热作用表面的温度波动振幅，°C；丹----x层的温度波动振幅，C。舀----自然对书的底，召=2.71828。•温度振幅衰减倍数达到2时，称这层材料为“厚”层，或“剧烈波动层”，如衰减倍数为2,则D值需等于1，由此得出以热惰性指标D是否大于1作为材料层是否为“厚”层的判断。如200mm厚加气混凝土D值为3.263,370mm厚的砖墙D值为4.856，在同样条件下，后者的内表面温度波动小，温度较稳定。3.4.4谐波热作用下平壁的传热计算•计算要解决的问题：•当围护结构一侧或两侧同时受到周期波动的热作用情况下，计算要解决的问题是：求围护结构内表面的温度。内表面的温度是热工设计主要关心的问题。▲如果平壁两侧（室内、外）分别受到谐波热作用，其热作用分别用下式表示：TOC\o"1-5"\h\z-- （360t=八+孔•