次课传热学基础知识和重要参数计算

传热学基础知识和重要参数计算

建筑节能

主讲：干学宏授课提纲

对流与对流换热2

辐射与辐射换热33

导热与导热换热31节能参数计算初步34习题35什么是传热学自然界与生产过程到处存在温差

传热非常普遍

建筑节能本质上就是改变热量的传递结果，必须充分利用传热学的规律日常生活中的传热的例子：a人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持20度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一样？为什么？b夏天人在同样温度（如：25度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？c北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保温。如何解释其道理？越厚越好？水，M220oC铁块,M1300oC图1传热学与热力学的区别建筑传热学主要研究热量传递的具体方式及其影响因素。⑴传热的三种基本方式及各自的规律；⑵建筑工程中实际传热过程的规律；⑶提出控制传热（强化传热和削弱传热）的基本方法。房屋建筑热传递

什么是热热流作用比热容热是物质分子能的外部表现，是能的一种形式，它的量度单位与能的单位一致：焦耳（J）热流由一个物体流向另一个物体时，可能引起温度变动（显热：太阳辐射，墙体温度上升），也可能不引起温度变动（潜热：溶解热和汽化热）使1KG物质升高10C（或1K）所需的热量，单位为J/（kg·k），其是构成物质材料的一种特性，是单位物质热容量。建筑热传递建筑热在运行过程中，热量传递有如下三种形式：导热(热传导)、对流(热对流)、热辐射导热（热传导）(Conduction)(1)定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象，其在建筑构件中广泛存在。(2)物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生(3)导热的特点：

a必须有温差；b物体直接接触；c依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；d在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中；e根据热流及部分温度场是否随时间改变，分为稳态传热和非稳态传热。(4)导热的基本定律：1822年，法国数学家Fourier:上式称为Fourier定律，号称导热基本定律，是一个一维稳态导热。其中：

：热流量，单位时间传递的热量[W]；q：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量；A：垂直于导热方向的截面积[m2]；

：导热系数（热导率）[W/(m·K)]，表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度关。图1-2一维稳态平板内导热t0

x

dxdtQ热流矢量与温度梯度的关系?成正比，方向相反

(5)一维稳态导热及其导热热阻

如图所示，稳态q=const，于是积分Fourier定律有：Q图导热热阻的图示

t0

x

dxdtQ导热热阻单位导热热阻例题1-1例题1-1一块厚度δ=50mm的平板，两侧表面分别维持在试求下列条件下的热流密度。材料为铜，λ=375w/(mK);材料为钢，λ=36.4

w/(mK);材料为铬砖，λ=2.32

w/(mK)；材料为铬藻土砖，λ=0.242

w/(mK)。解：一维稳态导热公式有：铬砖：

铜：钢：讨论：由计算可见，由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差别，导致在相同的条件下通过铜板的导热量比通过硅藻土砖的导热量大三个数量级。因而，铜是热的良导体，而硅藻土砖则起到一定的隔热作用硅藻土砖：

冬季采暖建筑外围护结构的保温设计可按一维稳态导热计算。

墙体所采用材料的导热系数愈大，则通过墙体热流密度愈大。墙体所用材料厚度愈大，则通过热流密度愈小。(6)一维非稳态导热规律一维非稳态导热现象产生于物体在一个方向上有温差，但温差方向的温度随时间变化；建筑上遇到的非稳态导热多属周期性非稳态导热，即热流和物体内部温度呈周期性变化；按照热流情况分为单向周期性热流和双向周期性热流空调房间的隔热设计，墙体内表面温度保持恒定，外表面周期变化干热性气候区，白天在太阳辐射作用下，墙体外表面温度高于墙体内表面温度，到太阳下山直至夜间，又低于内表面温度。在非稳态导热中，由于温度不稳定，围护机构不断吸收或释放热量，即材料在导热的同时还伴随着蓄热量的变化，这是非稳态导热区别与稳态导热的重要特点。非稳态导热计算极其繁琐，一般可采取简化模型进行计算。现实的建筑传热过程中，没有绝对的一维稳态传热，一维非稳态传热则普遍存在。2对流（热对流）(Convection)定义：流体中温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。空气的对流换热对建筑热环境有较大影响。(2)对流换热：当流体流过一个物体表面时的热量传递过程，它与单纯的对流不同，具有如下特点：a导热与热对流同时存在的复杂热传递过程b必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差c壁面处会形成速度梯度很大的边界层流体液体和气体统称为“流体”，它们的特性是抗剪强度极小，外形以容器为形。由于重力的作用或者外力的作用引起的冷热空气的相对运动为对流。在建筑中，含空气的部件中有热量传进、传出或者在其内部传递。图1-4对流换热中边界层的示意图对流换热的分类无相变：强迫对流和自然对流有相变：沸腾换热和凝结换热强迫对流由于液体冷热不同时的密度不同引起的流动当环境存在空气温度差时，低温、密度大的空气与高温、密度小的空气之间形成压力差，能够使空气自然流动，热压愈大，流动的速度愉快受迫对流由于外力作用（如风吹、泵压）迫使流体产生流动，受迫对流速度取决于外力的大小，外力愈大，对流愈强。在夏季闷热气候中，通过受迫对流加强室内与室外热量交换，可以带来更大的热舒适性。对流换热是指流体中分子作相对位移而传送热量的方式。Convectionheattransfercoefficient(4)对流换热的基本计算公式——牛顿冷却公式h—表面传热系数

—热流量[W]，单位时间传递的热量q—热流密度A—与流体接触的壁面面积—墙体表面温度—空气温度——当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量。影响h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等（Convectionheattransfercoefficient）(5)对流换热系数(表面传热系数)hhrthtqRthAtΦD=D=D=D=

1

)(1h不是一个常数，而是一个取决于许多因素的物理量。对于建筑围护结构的表面需考虑的因素有：气流状况（自然对流还是受迫对流）和壁面所处位置（垂直或水平）。h的影响因素(6)对流换热系数h的计算方法（单位为W/m2·K）

①自然对流由于受到风力作用的壁面，同时也要考虑到自然对流作用的影响，对于一般中等粗糙度的平面，受迫对流的h可近似采取如下公式进行计算。内表面h=2.5+4.2V外表面h=(2.5～6.0)+4.2VV表示风速，m/s，常数项为自然对流换热的作用。②受迫对流垂直平壁水平壁热流由下而上时热流由上而下时对流换热的影响因素对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式共同作用的结果。其影响因素主要有以下五个方面：(1)流动起因;(2)流动状态;(3)流体有无相变;(4)换热表面的几何因素;(5)流体的热物理性质(7)对流换热热阻：

热辐射Radiation(2)定义：有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象3热辐射(Thermalradiation)(3)

特点：a任何物体，只要温度高于0K，就会不停地向周围空间发出热辐射；b可以在真空中传播；c伴随能量形式的转变；d具有强烈的方向性；e辐射能与温度和波长均有关；f发射辐射取决于温度的4次方。(5)辐射换热的特点a不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量b在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换物体热力学能电磁波能物体热力学能c无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量；总的结果是热由高温传到低温(4)辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递，它与单纯的热辐射不同，就像对流和对流换热一样。吸收、反射和穿透

当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿透.对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：对于黑体：镜体或白体：透明体：反射又分镜反射和漫反射两种镜反射漫反射自然界中不存在理论上所定义的白体、黑体或透明体，自然界中不透明物体多数介于黑体与白体之间，近似称为灰体（greybody）。工程上多数建筑材料均近似为灰体，以便计算。黑体

能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，包括所有方向和所有波长，因此，相同温度下，黑体的吸收能力最强。同时，黑体也能发射一切波长的辐射。黑体辐射的控制方程：斯蒂芬波尔兹曼定律Stefan-Boltzmann定律

真实物体则为：

式中：表示黑体的辐射系数：5.68*10-8w/m2·k4；表示黑度，又称发射率，是实际物体的辐射系数与黑体的辐射系数之比。T表示物体表面的绝对温度，K。普朗克定律黑体的单色辐射力与其绝对温度和波长之间的函数关系：式中，C1,C2为普朗克常数，C1=3.743*10-16W·m2C2=1.4387*10-16W·m2；为波长，单位为米。黑体单色辐射力的最大值随着黑体的温度升高而向波长较短一边移动，黑体温度愈高，其最大辐射力波长愈短。如太阳相当于6000K的黑体辐射，其最大辐射力波长为0.5um，而160C（289K）左右的常温物体发射的最大辐射力波长为10um。真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；因此，定义了发射率(也称为黑度)

：相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:灰体:实际物体的理想化。其辐射系数均低于黑体，其数值大小取决于物体表层的化学性质、光洁度和颜色。灰体灰体辐射与吸收（1）一定温度下，物体对辐射热的吸收系数在数值上与其黑度相等。物体辐射能力愈大，其对外来辐射的吸收能力也愈大；反之亦然。（2）物体对太阳辐射的吸收系数并不等于其黑度，因为实际物体不具备发射太阳光谱的能力。太阳表面温度很高，主要发射短波辐射，最大辐射力波长接近0.5um的可见光，而一般物体在常温下发射最大辐射力波长为4um至20um左右的红外线长波辐射，即常温物体表面的黑度是发射长波热辐射的物理参数。（3）大多数透明物体对外来入射辐射只有吸收和反射，吸收和反射系数之和为1.吸收系数愈大，反射系数愈小。不同物体表面的反射系数随表面性质的不同而对入射的各种波长辐射呈现出各自的反射特性。建筑表面颜色和材料的选用黑色表面对各种波长辐射的反射系数都很小；白色表面对波长在2um以下的辐射反射系数都很大，而对波长为6um以上的辐射反射系数又很小。灰体辐射与普通玻璃普通玻璃一般可被看作透明材料，但它只对波长为2um至2.5um的可见光和近红外线有很高的透过率，而对波长为4um以上的远红外线辐射的透过率却很低。在建筑中可以通过玻璃获取大量的太阳辐射，使室内构件吸收辐射而温度升高，但室内构件发射的远红外线则基本不能透过玻璃再辐射出去，提高室内温度，称为温室效应。物体表面间的辐射换热两表面间在单位时间里的辐射换热量主要取决于表面温度和两表面的面积和相互位置。角系数有两个表面，编号为1和2，其间充满透明介质，则表面1对表面2的角系数X1,2是：表面1直接投射到表面2上的能量，占表面1辐射能量的百分比。角系数用于反映两个表面之间的位置关系，只由面积和相互位置决定，和辐射量大小无关，在0至1之间变化。建筑中常见角系数可在有关传热学书籍中查出。黑体表面辐射换热单位时间里表面F1给表面F2的辐射热单位时间里表面F2给表面F1的辐射热辐射换热“互换定理”参与辐射表面均为黑体，C1=C2=Cb，且没有反射作用；黑体两表面的单位时间净辐射换热量Qb1-2可按下式计算：灰体表面间辐射换热当参与辐射的两表面为灰体时，因为灰体对辐射的吸收系数均小于1，所以应当考虑相互反射作用，其辐射换热过程远比黑体复杂，其计算非常复杂；经研究，辐射系数大于4.7的表面，忽视2次以上的辐射，误差在3%以内；对于任意相对位置且黑度大于0.8的灰体表面，F1和F2之间在单位时间的净辐射换热量Q1-2如下：式中：C12-----两灰体之间的当量辐射换热系数C1，C2—--两灰体的辐射系数F1，F2------两表面面积两无限大平行表面的辐射换热当参与辐射的两表面F1，F2为无限大平行平面时，可以认为一个表面发射的辐射热全部投到另一个表面上，它们之间的平均角系数都等于1。由于其单位面积上的辐射换热量均相等，可计算出单位面积上单位时间的净辐射量q1-2，如下：式中：C12-----两灰体之间的当量辐射换热系数C1，C2—--两灰体的辐射系数在建筑中，常在围护结构内设置空气层，其两表面尺寸比两表面间的距离大得多，因此一般均可按无限大平行表面计算其间的净辐射量。

图两灰体表面间的辐射换热遮热板在辐射换热中的应用在围护结构内设置的空气间层中，用铝箔或其它热辐射系数小的板加以分隔能有效的提高空气间层的绝热能力。此种构造的薄板称为遮热板。如图。当有一个材料热辐射性质与空气间层的墙体壁面1、2相同的遮热板时，表面1传给表面2的净辐射换热量将将减少一半；当有N个与表面1、2相同辐射性质的遮热板时，则净辐射热量将减少到原来的1/(n+1)。表面辐射换热系数在建筑中，有时需了解某一围护结构的表面F1与所处环境中的其它表面（别的结构表面、家具表面）之间的辐射换热，这些“其它表面”中往往包含了多种不同的不固定的物体表面，很难具体计算。在工程中一般用以下公式粗略计算：式中：ar表面辐射换热系数；θ1表面F1的温度；θ2与F1进行辐射换热的其它各表面平均温度；当考虑一墙体的内表面与整个房间其它结构和家具等表面的辐射换热，可取1，并粗略的以室内温度代表所有对应的平均温度（辐射采暖房间除外）；当考虑外表面与室外环境辐射换热，可近似以室外气温tc作为假想表面温度。4增强换热的主要方法：扩展传热面改变流动状况：增加流速、加插入物扰动、旋转流动装置、射流方法使用添加剂改变流体物性：气流中添加少量固体颗粒、蒸汽或气体中喷入液滴改变表面状况：增加粗糙度、表面涂层改变表面结构改变换热面的形状和大小改变能量传递方式：对流—辐射板靠外力产生振荡，强化传热：使传热面或流体振荡、对流体施加声波或超声波，增加脉动、外加静电场加强电介质流体的混合5削弱换热的主要方法：1、覆盖热绝缘材料：泡沫、超细粉末、真空2、改变表面状况：改变表面辐射特性：附加抑制对流的元件、在保温材料表面或内部添加憎水剂（使其不吸湿不受潮）3.采用导热系数较小的材料使导热热阻增加强化辐射换热的主要途径有两种：(1)增加发射率；(2)增加角系数。削弱辐射换热的主要途径有三种：(1)降低发射率；(2)降低角系数；(3)加入隔热板。其实插入防热板相当于降低了表面发射率。例题1-2一根水平放置的供暖管道，其保温层外径d=583mm，外表面实测平均温度及空气温度分别为，此时空气与管道外表面间的自然对流换热的表面传热系数h=3.42W/(m2K),保温层外表面的发射率问：（1）此供暖管道的散热应主要考虑哪些热量传递方式（2）计算每米长度供暖管道的总散热量解：（1）供热管道散热主要有辐射换热和自然对流换热两种方式。（2）把管道每米长度上的散热量记为近似地取管道的表面温度为室内空气温度，于是每米长度管道外表面与室内物体及墙壁之间的辐射为：讨论：计算结果表明，对于表面温度为几十摄氏度的一类表面的散热问题，自然对流散热量与辐射具有相同的数量级，必须同时予以考虑。当仅考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热建筑节能计算初步

传热系数一

窗墙面积比

三

体型系数二

遮阳系数四建筑节能计算初步节能设计要求1传热过程的定义：空气层通过墙体壁面进行的换热2传热过程包含的传热方式：导热、对流、热辐射辐射换热对流换热热传导图1－8墙壁的散热传热系数3一维稳态传热过程中的热量传递图1－9一维稳态传热过程忽略热辐射换热，则左侧对流换热热阻固体的导热热阻右侧对流换热热阻上面传热过程中传递的热量为：(1-10)传热系数，是表征传热过程强烈程度的标尺，不是物性参数，与过程有关。

传热系数单位热阻或面积热阻单层围护结构的传热系数K：式中：d——单层材料的厚度,m；λ——单层材料的导热系数,W/（m·K）。多层围护结构的传热系数K

：式中：di——单层材料的厚度,m；

λi——单层材料的导热系数,W/（m·K）。围护结构两侧环境温度差为1℃时，在单位时间内通过单位面积围护结构的传热量，单位：W/（m2·K）。4实际墙体的传热系数计算公式建筑热在围护墙体传递时，内表面换热组rh1一般计为0.11m2·K/W，外表面换热组rh2则计为0.05m2·K/W。即rh1+rh2=0.16m2·K/W

5外墙平均传热系数（Km）、单层材料和多层材料的热惰性指标Kp——外墙主体部位的传热系数Fp——外墙主体部位的面积（m2）KB1、KB2、KB3——外墙周边热桥部位的传热系数FB1、FB2、FB3——外墙周边热桥部位的面积（m2）S—材料蓄热系数W/m2K，表面温度按照谐波热相同周期波动，通过表面的热流振幅与表面温度振幅的比值；R--材料热阻m2K/WΣD=D1+D2+……+Dn=R1S1+R2S2+……+RnSn单层材料热惰性指标多层材料热惰性指标6例题某居住建筑其结构体系为框架结构，其外墙主体为240厚P型烧结多孔砖，保温层为35厚胶粉聚苯颗粒浆料；其外墙主体部位构造及主要热工值如下。若外墙主体与结构性热桥的面积比例为A=0.65，B=0.35，且此建筑的热惰性指标D大于3.0，采用这种节能构造能否满足《居住建筑节能设计标准》DB33/1015-2003中外墙规定性指标要求?20厚混合砂浆R=0.023m2K/W240厚P型烧结多孔砖R=0.414m2K/W240厚钢筋混凝土梁、柱(墙)R=0.115m2K/W35厚胶粉聚苯颗粒浆料R=0.486m2K/W5厚抗裂砂浆(玻纤网)R=0.005m2K/W弹性底涂、柔性腻子，外墙涂料；热阻不计（思考10分钟）7答案题解：主体部位：热桥部位：为简化计算将热桥部分的计算厚度与外墙主体的计算厚度取值相同外墙平均传热系数Km

Km——外墙平均传热系数(㎡·k／w)Kp——外墙主体部位传热系数(㎡·k／w)Fp——外墙主体面积Kb——外墙主体热桥部位传热系数Fb——外墙主体热桥面积综上所述：采用这种节能构造因其热惰性指标D大于3.0，所以能满足《居住建筑节能设计标准》DB33／1015-2003中外墙规定性指标K≤1.5的要求。8结论通常情况下，围护结构主体与热桥部位用相同厚度保温材料，即可满足规定性指标的要求。不同结构体系的建筑，可通过简化的手法估算出主体结构与热桥部分的面积比例，按照各构造材料的热工值，计算出其平均传热系数。建筑体形系数是指建筑物与室外大气接触的外表面积和外表面所包围的体积之比值。浙标《公共建筑节能设计标准》DB33/1036-20074.1.3建筑物的体形宜避免过多的凹凸与错落，体形系数不宜大于0.40。计算公式：S=F0/V0F0——建筑物与室外大气接触的外表面积（m2）；V0——外表面所包围的建筑体积（m3）规定性指标要求如图体型系数建筑外墙面面积应按各层外墙外包线围成的面积总和计算。建筑物外表面积应按墙面面积、屋顶面积和下表面直接接触室外空气的楼板（外挑楼板、架空层顶板）面积的总面积计算。不包括地面面积，不扣除外门窗面积。建筑体积应按建筑物外表面和底层地面围成的体积计算。试计算三栋十层30m高，每层建筑面积同为600m2，不同平面形状建筑的体形系数。若改为六层18m高时的结果如何？得出什么结论？

思考15分钟体型系数-例题体型系数-例题答案体型系数-例题答案体型系数-重要结论控制体形系数大小的方法：减少建筑的面宽，加大建筑的进深。面宽与进深之比不宜过大，长宽比应适宜。增加建筑的层数，多分摊屋面或架空楼板面积。建筑体型不宜变化过多，立面不宜太复杂，造型宜简练。普通窗户的保温隔热性能差，夏季白天通过窗户进入室内的太阳幅射热也多。窗墙面积比越大，采暖、空调的能耗也越大。因此从节能角度出发，必须限制窗墙面积比。一般情况，应以满足室内采光要求作为窗墙面积比的确定原则。

窗墙面积比窗墙面积比和平均窗墙面积比计算：计算公式：ΣAc——同一朝向的外窗（含透明幕墙）及阳台门透明部分洞口总面积（m2）；ΣAw——同一朝向外墙总面积（含该外墙上的外门窗的总面积）（m2）。平均窗墙面积比：建筑某一相同朝向的外墙面