建筑物理第12章传热基本知识

第1.2章建筑传热与传湿海南大学HaiNanUniversity海南大学HaiNanUniversity1.2.1传热方式传热：物体内部或者物体与物体之间热能转移的景象传热的方式：导热、对流和辐射传热的条件：存在温度差是时间和空间的函数空间中各点的温度分布为“温度场“不随时间变化的温度场：稳定温度场---稳态传热过程1.2.1.1导热1、导热的机理 温度不同的质点〔分子、原子〕在热运动中引起的热能传送景象。固体：相邻分子碰撞和自在电子迁移液体：液体分子存在相互作用，不同能量分子交换能量引起气体：分子无规那么运动时相互碰撞总之，单纯的导热仅能在密实的固体中发生〔屋顶实例〕。 假设一根密实固体的壁，除两端外用绝热资料包裹，其两端温度为T1和T2，设T1<T2，那么传热海南大学HaiNanUniversity式中：单位时间内棒的导热量〔W〕棒的截面积〔m2〕棒长度〔m〕棒的导热系数〔w/m.K〕在建筑工程中，通常将固体资料组成壁体内部的传热看成导热，其单位面积单位时间的热流量为热流强度式中：单位时间单位面积的热流量〔W/m2〕棒的导热系数〔w/m.K〕壁体的厚度〔m〕 导热系数λ反映了壁体资料的导热才干，在数值上等于：当资料层单位厚度内的温度差为1K时，在1小时内经过1平方米外表积的热量。2资料的导热系数及其影响要素；〔一定条件下，导热系数是常数〕1〕材质的影响2〕资料干密度的影响不同的材质，导热系数是不同的〔银与空气〕密度愈大，导热系数愈强。但也有些资料存在最正确干密度，特例，玻璃棉3〕资料含湿量的影响含湿量愈大，导热系数愈大，由于水的导热才干强。λ<0.3W/mK,绝热资料，用于保温。3.热阻

式中，R称热阻，m2K/W热阻是热流经过壁体时遇到的阻力，或它是反映壁体抵抗热流经过的才干。P39例1.2-1，自学多层复合壁体：

1.2.1.2对流对流是由于温度不同的各部分流体之间发生相对运动、相互渗合而传送热量。对流换热只发生在流体中或者固体外表和其紧邻的运动流体之间。 由于固体外表与紧邻液体存在温度差，对流传热发生；层流界层，主要为导热，温度分布呈倾斜直线状程度线，强对流使温度一致。过渡区，温度似抛物线对流换热的强弱主要取决于层流边境层内的换热与液体运动发生的缘由、液体的运动情况、流体与固体壁面温差、流体的特性、固体壁面的外形、大小及位置等要素。对流换热系数〔W/Km2〕壁体温度流体主体部分温度对流换热可用下式计算式中：单位时间单位面积的对流换热强度〔W/m2〕对流换热系数的影响要素：气流情况是自然对流还是受迫对流；构件是处于垂直、程度或倾斜；壁面是有利于气流流动还是不利于气流流动；传热方面是由下而上还是由上而下当平壁处于程度形状假设热流由下而上假设热流由上而下〔2〕受迫对流换热当流体各部分之间或者流体与紧邻的固体外表之间存在着温度差，但同时流体又遭到外部要素如气流、泵等扰动而产生传热的现象。对流换热系数不是常数，其计算公式如下：〔1〕自然对流换热因温差引起的对流换热当平壁处于垂直形状对于围护构造外外表对于围护构造内外表式中是风速1.2.1.3辐射温度高于绝对零度的物体，由于其原子中电子振动就会发射出电磁波。不同波长的电磁波落到物体上可产生不同的效应；在受迫对流换热之中必然包含着自然对流换热的要素 受迫对流换热主要取决于温差的大小、风速的大小与固体外表的粗糙度。通常把波长在0.4~40um的电磁波〔包括可见光和红外线的短波部分〕称为热射线，由于这部分射线照射到物体上的热效应特别显著。热辐射的特点：1〕伴随着能量方式的转变2〕传播不需求任何介质，也不需求接触3〕辐射传热是相互辐射的结果〔2〕辐射能的吸收、反射和透射显然令吸收系数反射系数透射系数那么绝对黑体：全部吸收，吸收系数等于1黑体辐射外来各种波长的辐射能〔随物而异〕能全部吸收入射各种波长的辐射能发射各种波长的热辐射能TT一处于某温度这种假设的物体就称为黑体海南大学HaiNanUniversity绝对白体：全部反射，反射系数等于1绝对透明体：全部透射，透射系数等于1黑体：吸收大，发射也就大单色辐射身手：单位时间单位外表积上辐射的某一波长的能量，用Eλ表示单位：W/m2μm。〔3〕辐射身手、辐射系数和黑度全辐射身手：单位时间单位外表积上辐射的波长从范围的总能量，用E表示，单位W/m2。维恩设计的黑体不透明资料空腔开一个面积远小于空腔内外表积的小孔。小孔能完全吸收各种波长的入射电磁波而成为黑体。海南大学HaiNanUniversity在现实上黑体辐射是不存在的。烟煤很黑，但也只能吸收99％的入射光能空腔辐射实验黑体〔小孔外表〕T集光透镜平行光管分光元件会聚透镜及探头分光元件〔如棱镜或光栅等〕将不同波长的辐射按一定的角度关系分开，转动探测系统丈量不同波长辐射的强度分布。再推算出黑体单色辐出度按频率或波长的分布。海南大学HaiNanUniversity黑体辐射实验规律：黑体能向外发射一切波长的辐射能，且在同温度下其辐射本身最大，只是随着波长的变化，它的单色辐射本拥有所不同。留意，黑体并不是指物体的颜色，粗晶冰，白纸均近似为黑体。大多建筑物可近似为灰体。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，绝对黑体全辐射身手式中：Eb-绝对黑体全辐射身手Tb-绝对黑体绝对温度Cb-绝对黑体辐射系数灰体全辐射身手灰度阐明灰体的辐射身手接近绝对黑体的程度选择性辐射体；只能吸收和辐射一定波长，强度小于黑体。称为灰体辐射系数同一物体的辐射身手随着温度的升高而急剧添加，假设要减小辐射，设法降低温度是最有效的措施。黑体温度升高，辐射身手增大，短波辐射比例增大。太阳是一个黑体，由中心波长可推测太阳的外表温度为6000K 物体的辐射系数表征物体向外发射辐射能的才干，其数值取决于物体外表的化学性质、光洁度与温度等要素。一切物体的辐射系数值均处于0~5.38之间。由克希荷夫定律可知，在一定温度下，物体的辐射热的吸收系数在数值上与其黑度是相等的，即，物体辐射身手强吸收辐射才干也强，反之，辐射才干小，吸收才干也小。物体对不同波长的外来辐射的反射才干是不同，白色外表对可见光的反射才干强，长波反射接近黑体，磨光外表对一切波长都反射。热光比=总得热量/光透过量反射少，透过多，但对红外二均不透，适宜做温室。〔4〕辐射换热的计算两个灰体外表1和2，式中：Q1-2-外表1传给外表2的净辐射换热量〔W〕Q2-1-外表2传给外表1的净辐射换热量〔W〕T1,T2-分别为两外表的绝对温度辐射换热主要取决于各个外表的温度、发射和吸收辐射热的才干及它们之间是的相对位置。F1,F2-分别为两外表“相互看得见〞的面积称为相当辐射系数外表1对外表2的平均角系数外表2对外表1的平均角系数平均角系数表示单位时间内，外表1投射到外表2的辐射换热量Q12，与外表1向外界辐射的总热量Q1的比值，即C1、C2及CB分别为外表1和2及绝对黑体的辐射系数。同理：可证明：1〕两平行灰体外表面积尺寸比两者之间间隔大得多，可近似看为相互平行的无限大平面来计算。此时：单位面积的净辐射换热量为对以下几种情况进展讨论平均角系数存在“互易定理〞2〕一个物体被另一个物体完全包围，且物体1无凹角，物体2无凸角。热平衡时：3〕建筑热工中，围护构造外表F1与其它相对应的外表以及室内、外空间之间的辐射换热，可由下式计算：式中-辐射换热量〔W/m2〕-辐射换热系数〔W/m2K〕-外表F1的温度〔℃〕-与外表F1辐射换热的外表F2的温度〔℃〕F2>F1那么：C12=C1可知辐射换热系数为：T1,T2-分别为两外表的绝对温度实践计算中，当思索一外围护构造内外表与整个房间其它构造内外表之间辐射换热时：当外外表与室外空间辐射换热时，可将室外假想为一无限大平面。人体与围护之间辐射换热时，需求先确定平均角系数值当思索一外围护构造外外表与室外空间辐射换热时，可将外空间假想为一平行于围护构造外外表的无限大平面：并以室外气温近似代表该假想平面的温度1.2.2平壁的稳定传热 平壁：不仅是指平直的墙体，还包括地板、平屋顶及曲率半径罗大的穹顶等构造。稳定传热：各点的温度都不随时间而变化。1.2.2.1平壁传热过程〔1〕壁体内外表吸热吸热导热放热假设：室内气温大于室外气温内外有温差就会有传热景象发生。整个传热过程分为三个阶段：对流换热+辐射换热式中：平壁内外表单位时间、单位面积的吸热量〔W/m2〕在单位时间内室内空气以对流换热方式传给单位面积平壁内外表的热量〔W/m2〕在单位时间内室内其它外表以辐射换热方式传给单位面积平壁内外表的热量〔W/m2〕平壁内外表的对流换热系数〔W/m2K〕平壁内外表的辐射换热系数〔W/m2K〕平壁内外表的换热系数〔W/m2K〕室内空气及其它外表的温度〔℃〕平壁内外表的温度〔℃〕〔2〕壁体资料层导热设平壁为单层匀质资料，导热系数为λ，厚度为d，两侧温度为θi、θe。式中单位时间内经过单位面积平壁的导热量〔W/m2〕〔3〕壁体外外表散热与内外表换热类似式中平壁外外表单位时间、单位面积的散热量〔W/m2〕平壁外外表的换热系数〔W/m2K〕对于围护构造，普通可视为稳定的一维温度场，各界面的传热量必然相等。经数学变换或写为一维稳定温度场及能量守恒式中平壁内外表的吸热阻〔m2K/W〕平壁的传热阻〔m2K/W〕平壁外外表的散热阻〔m2K/W〕平壁的总热阻〔m2K/W〕平壁的总传热系数〔W/m2K〕阐明：在一样的室内外温差条件下，平壁总热阻R0愈大，经过平壁所传的热量就愈少。平壁总传热系数K的物理意义：平壁的总传热才干在数值上是当室内、外空气温度相差1K时，在单位时间内经过平壁单位面积所传出的热量。总热阻和总传热系数都是衡量平壁在稳定传热条件下重要的热工性能目的。1.2.2.2封锁空气间层的传热封锁空气间层的传热过程与固体资料层的传热迥然不同，这是在有限封锁空间内两个外表之间进展的热转移过程，是导热、对流和辐射三种传热方式综合的结果。热面将热量经过层流边境层传给空气；由于空气导热性能差，温度降落较大。热空气上上升，冷空气下降，进展自然对流时，温度变化较为平缓冷外表经过层流边境层导热，热量传给冷外表。1.垂直封锁空气间层的传热：伴随着导热产生自然对流换热：〔a〕垂直空气间层较厚〔b〕垂直空气间层较薄〔c〕热面在上程度空气间层〔d〕热面在下程度空气间层总之，在有限封锁空间内空气伴随着导热会产生自然对流的换热，对流换热的强度与间层的厚度、位置、外形等要素有关。由于空气间层存在温度差，两外表存在一定的辐射系数或黑度，必存在辐射换热。换热量取决于外表的辐射系数或间层的温度准确度。封锁空气间层热阻值可参阅<民用建筑热工设计规范>“1〞线：空气静止形状纯导热的传热“2〞线：自然对流形状传热“3〞线：辐射与自然对流共存时传热“4〞线：一面贴铝箔，辐射与自然对流共存时传热“5〞线：两面贴铝箔，辐射与自然对流共存时传热不同传热方式传送的热量分配情况与空气层厚度的关系：辐射换热占70%；当间层厚度超4cm后，添加厚度不能有效的减小传热量；应设法减小层间的辐射系数。封锁空气间层传热运用中留意：1.在建筑围护构造中采用封锁空气间层可以添加热阻，并且资料省，分量轻，是有效经济的技术措施。2.假设构造技术可行，在围护构造中用一个厚层不如用几个“薄〞间层。3.为了有效的减小空气间层的辐射传热量，可以在间层外表涂贴反射资料，普通在一个外表涂贴，并且在温度较高的侧的外表，以防止间层内结露。1.2.2.3平壁总热阻值的计算〔1〕内外表换热阻内外表换热阻是内外表换热系数的倒数，这两个值在<规范>中已列出〔2〕外外表换热阻外外表换热阻是内外表换热阻类似，为外面换热系数的倒数，在<规范>中已列出。总热阻为平壁内外表换热阻、壁体传热阻及外外表换热阻。〔3〕壁体传热阻1〕单一资料层的热阻2〕多层匀质资料层的热阻3〕组合资料层的热阻在围护构造内部个别层次由二种以上资料组合而成。如各种方式的空心砌砖。按壁体资料不同，可分单一资料、多层资料及组合资料与封锁空气间层等类型。设组合资料层如下图：Q上下空气温度为经过其中一种资料的热量为：传过该组合资料层的热量为从另一个角度思索，将该资料的热阻用一等效热阻R0表示那么：这里：为总面积所以：等效总热阻：组合资料层的热阻由于各种资料的导热系数不同，严厉来说，不能视为一维传热，故需求对该热阻进展修正。即：为修正系数，查表1.2-6可得。此结果可推行到n种资料的组合资料层式中-平均热阻〔m2K/W〕-与热流方向垂直的总传热面积〔m2〕-按平行于热流方向划分的各个传热面积〔m2〕-各个传热部位的总传热阻〔m2K/W〕内外表换热阻〔m2K/W〕，取0.11〔m2K/W〕外外表换热阻〔m2K/W〕，取0.04〔m2K/W〕-修正系数，按表1.2.6取值其取值留意以下几点〔A〕当围护构造中存在圆孔时，应先将圆孔折算成同面积的方孔，再按上述方法进展计算。〔B〕当围护构造由两种资料组成是，λ2应取较小值λ1应取较大值，然后求两者的比值；〔C〕当围护构造由三种资料组成时，值按比值

求取4〕封锁空气间层的热阻按表1.2-3查出其热阻，再计入围护构造总热阻中围护构造的总热阻为【例1.2-2】试计算如图1.2-20所示墙体的总热阻【解】1.由表1.2-4查出2.由表1.2-5查出在冬季时3.由附录I查出各资料层导热系数石灰砂浆内粉刷钢筋混凝士水泥砂浆外粉刷4.计算平壁的传热阻5.计算总热阻平壁的总传热系数：

(5)计算所需保温层的厚度假设使平壁的总传热系数不超越1.0W/(m2K),即总热阻不低于1.0，那么另需求加保温层的传热阻值R4=1.0-0.312=0.688m2K/W,因些保温层的厚度不少于0.668*0.035=25MM【例1.2-2】试计算如图1.2-21所示平屋顶的总热阻【解】1.由表1.2-4查出2.由表1.2-5查出在冬季时3.吊顶中有40mm厚单面铝箔封锁空气间层查表1.2-3得4.计算各资料层热阻〔1〕钙塑板〔2〕钢筋混凝土〔3〕水泥砂浆层〔4〕油毡防水层【例1.2-补】试计算如下图屋顶构造的热阻钢筋砼空心板尺寸如右图1-钢筋砼空心板200厚2-加气砼80厚3-水泥砂浆20厚4-二毡三油10厚【解】1.查内外外表的换热阻2.查各种资料的导热系数钢筋砼加气砼水泥砂浆二毡三油3.空气间层热阻〔热流向上〕4.计算各层热阻〔1〕钢筋砼空心板取一个计算单元体，在垂直热流方向分为三层，上下两层为单一资料层，其热阻为中间分层为组合资料层，由空气间层、钢筋砼和填充的水泥砂浆组成。空气间层当量导热系数钢筋砼部分空气间层部分砂浆部分平均热阻为：计算查表1.2-6，得所以，组合资料层平均热阻为钢筋砼空心板的热阻为：〔2〕加气砼保温层〔3〕水泥砂浆抹平层〔4〕油毡防水层3.屋顶总热阻1.2.2.4平壁内部温度确实定以三层平壁为例可求得：围护构造内部温度和内外表温度也是衡量和评价围护构造热工性能的重要根据。内外表温度同样可得：同理可将此结果推行到多层平壁情形而外外表温度为或：【例1.2-3】知室内气温为16℃，室外气温为-8℃，试计算经过【例1.2-1】中图1.2-20所示三层平壁的温度分布【解】根据【例1.2-1】，知：于是各层温度为：图解法求内部温度分布：1.2.3平壁的周期性传热 经过围护构造的热量及围护构造内部的温度分布随着时间而变动，这种传热过程称为不稳定传热。 假设外界热作用随时间呈周期性变化，那么称为周期性传热。气候的变化近似于周期性变化。采暖建筑的间歇性也视为周期性。1.2.3.1简谐热作用式中在τ时辰的介质温度在一个周期内介质的平均温度温度波振幅温度波的周期〔h〕以某一指定时辰起算的计算时间温度波的初相位可表示为1.2.3.2半无限厚平壁在简谐热作用下的传热特征 一侧由一个平面所限制，另一端延伸到无限远处，不能确定厚度的壁体称半无限厚平壁。如地层、地下室侧壁。 假设讨论时间内外界热作用不能影响到壁体的另一面也可看作半无限壁。壁体内部离外表任一间隔x处在恣意时辰的相对温度〔即瞬时温度与平均温度之差〕为：式中：在τ时辰的介质温度资料的导温系数以介质温度出现最高值为起点的计算时间〔h〕温度波的周期〔h〕外表温度谐波相对于介质温度波的相位差离外表x处温度谐波相对于外表温度波的相位差温度谐波从空气介质传至外表的振幅衰减度海南大学HaiNanUniversity普通动摇普通动摇的特点特征：〔1〕平壁外表及内部任一点x处的温度，都会出现和介质温度周期Z一样简谐动摇〔2〕从介质到壁体外表及内部，温度振幅逐渐减少〔3〕从介质到壁体外表及内部，温度动摇的相位逐渐向后推迟。1.2.3.3简谐热作用下，资料和围护构造的热特征目的外表温度振幅为外表温度为 资料和围护铁内部温度分布、温度动摇衰减程度及相位延迟多少都与资料、构造和边境条件有直接关系。〔1〕资料的蓄热系数 建筑资料在周期性动摇热作用下，均有蓄存热量或放出热量的才干，借以调理资料层外表温度的动摇。半无限厚物体外表热流动摇的振幅温度动摇振幅 在建筑热工学中，把半无限厚物体外表热流动摇的振幅Aq0与温度波振幅Af的比值称为资料的蓄热系数。单位W/(m2٠K)式中资料的蓄热系数资料的导热系数资料的比热容资料的密度温度动摇的周期当Z=24h时，物理意义：半无限厚物体在谐波热作用下，外表对谐波热作用的敏感程度即在同样的热作用下，蓄热系数越大，外表温度动摇越小，反之，资料蓄热系数越小，那么外表温度动摇越大。〔2〕资料层的热惰性目的在谐波热作用下，物体内部的温度波按指数衰减指数部分：令称为厚度为x资料层的热惰性目的多层围护构造的热惰性目的为各分层资料热惰性指标之和。封锁空气间层，蓄热系数接近于零，热惰性目的为零。 在Ae一样的条件下，假设资料层的热惰性目的D愈大，那么离外表Xcm处的温度动摇愈小，显然，它表示围护构造在谐波热作用下对抗温度动摇的才干。假设某层是组合资料层，那么应先求出该层的平均导热系数和平均蓄热系数，以其平均热阻求取热惰性目的热惰性目的：〔3〕资料层的蓄热系数有限厚度情况，必需思索边境层的影响，为此，提出资料层外表蓄热系数的概念，其物理意义也是资料层外表的热流动摇振幅Aq与外表温度动摇振幅Ai的比值，用Y表示。假设:资料层内温度谐波振幅衰减到原来一半不思索边境条件的影响即：D>1时，Y=SD<1时，那么需求思索边境的影响1〕资料层外外表蓄热系数的计算第一层外外表蓄热系数Y1,e其中αi是平壁内外表的换热系数从第二层开场，以后任一层外外表蓄热系数Ym,e最外一层外外表蓄热系数，就是平壁外外表蓄热系数，即2〕资料层内外表蓄热系数的计算当温度波由内向外a)假设平壁第一层(紧接内外表〕的D1>=1那么该层的蓄热系数就是此围护构造〔平壁〕的的内外表蓄热系数b)假设平壁每一层的D<1,从最外一层即第n层开场计算其中αe是平壁外外表的换热系数其他各层的内外表蓄热系数最内一层的内外表蓄热系数就是平壁的内外表系数c)假设平壁最内一层的D<1,而最接近内外表的第m层的Dm>1,那么取Ym=Sm,然后从第m-1层开场，按上述方法从外向内逐层计算1.2.3.4有限厚度平壁在简谐热作用下的传热假设平壁两侧遭到的简谐温度波分别为外侧内侧能够不是无限平壁，能够一侧受谐波，一侧恒温，也能够双向温度波作用。在这样的热作用下，平壁内外表温度如何变化？任一时辰温度怎样计算？内外表最高温度和出现的时间？是这们关怀的三个问题。〔2〕在外侧简谐温度波作用下的传热过程，此时不思索内侧空气温度波的影响，以求得在外侧温度波作用下，经过壁体传到内外表的温度动摇形状。〔3〕在内侧简谐温度波作用下的传热过程，此时不思索内侧空气温度波的影响，以计算出内侧温度波作用下内外表的温度动摇形状。对上述三个单一过程计算后，把各个单一过程的结果叠加起来，就得最终结果可将其双向传热视为三个过程〔1〕在外侧和内侧空气平均温作用下的稳定传热过程，以计算出内外表的平均温度值平壁内