建筑物理--建筑热环境

1、第二章 传热学基本知识,传热基本方式 导热 对流 辐射 围护结构的传热过程 平壁的稳定传热 平壁的周期性传热 建筑材料的热工特性 轻质成型材料 空气间层 反射绝热材料,第一节 传热基本方式,1、导热机理 导热是物体不同温度的各部分直接接触而发生的热传递现象。 导热可产生于液体、气体和固体中。单纯的导热仅能在密实固体中发生。 它是由于温度不同的质点（分子、原子或自由电子）热运动而传送热量，只要物体内有温差就会有导热产生。,导热,第一节 传热基本方式,导热,在建筑工程中，通常将固体材料组成的壁体内部的传热看成是导热。 导热基本方程式：,2、导热系数（ W/(mK) ） 物理意义反映了壁体材料的导热

2、能力，在数值上等于：当材料层单位厚度（1m）的温度差为1K 时，在1h内通过 1m2 表面积的热量。 绝大 多数建筑材料的导热系数介于0.0233.49 W/(mK)之间。通常把导热系数小于0.3 W/(mK)的材料称为绝热材料 导热系数是评定材料导热性能的重要指标： 导热系数越小，说明材料越不易导热。,第一节 传热基本方式,导热,导热系数影响因素 1）材质的影响。 如：矿棉、泡沫塑料 砖、钢筋混凝土 钢材、铝 2）材料干密度的影响。 干密度越大，导热系数越大。对特殊材料来说：存在一个最佳干密度值，使导热系数最小。 3）材料含湿量的影响 含湿量越大，导热系数越大。,第一节 传热基本方式,导热,

3、混凝土干密度与导热系数的关系,玻璃棉干密度与导热系数的关系,砖砌体导热系数与重量湿度的关系,第一节 传热基本方式,对流,1、对流机理 对流是由于温度不同的各部分流体之间发生相对运动、互相掺合而传递热能。 对流通常只发生在流体之中或者固体表面和与其紧邻的运动流体之间。,2、对流换热系数 c（W/m2 k） 物理意义：当壁体温度与主体空气温度相差1K时，单位时间内1m2 表面积上发生的对流换热量。 影响因素： 温差 热流方向 气流速度 物体表面状况,第一节 传热基本方式,对流,3、自然对流与受迫对流 （1）自然对流换热。 由于流体冷热部分的密度不同而引起的流动。主要受温差大小影响。 （2）受迫对流

4、换热。 由于外力作用（如风吹，泵压）而迫使流体产生对流。受迫对流包含了自然对流。主要受温差、风速及固体表明粗糙度的影响。,第一节 传热基本方式,对流,1、热辐射的本质与特点 本质： 凡是温度高于绝对零度（k），物体就会从表面向外界空间发射电磁波。 波长位于0.440m范围内的电磁波称为热辐射，因为它照射到物体上的热效应特别显著，这部分电磁波包括可见光和红外线短波部分。,第一节 传热基本方式,辐射,特点： 1） 热辐射过程伴随着能量形式的转化。 2） 不需要任何中间介质，也不需要冷、热物体的接触。 3） 物体只要温度高于绝对零度，就会发生热辐射，是物体之间相互辐射的结果。,第一节 传热基本方式,

5、辐射,2、辐射能的吸收、反射和透射,第一节 传热基本方式,辐射, 物体对辐射热的吸收系数 物体对辐射热的反射系数 物体对辐射热的透射系数 1,黑体 （1 ） 白体（1 ） 透明体（1 ） 在建筑工程中，绝大多数材料都是非透明体，即0。故： +=1 对辐射能反射越强的材料，其对辐射能的吸收越少；反之亦然。,表面对辐射热的反射系数,第一节 传热基本方式,辐射,玻璃的温室效应： 对于普通平板玻璃一般认为是透明材料，但它只对波长为22.5m的可见光和近红外线有很高的透过率，而对波长为4m以上的远红外辐射的透过率很低。这样，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

6、发射的远红外辐射不能通过玻璃再辐射出去，从而可以提高室内温度，这种现象称为玻璃的温室效应,第一节 传热基本方式,辐射,3、辐射本领 全辐射本领（E） 单位时间内在物体单位表面积上辐射的波长从0到 范围的总能量，单位为 W/m2 。 单色辐射本领（E） 单位时间内在物体单位表面积上辐射的某一波长的能量，单位为 W/m2 m 。,第一节 传热基本方式,辐射,同温度下不同物体的辐射光谱示例,黑体 对外来辐射热全部吸收并且能辐射全部波长辐射热的物体。 灰体 辐射光谱与黑体相似，且单色辐射本领 E 与黑体同波长的单色辐射本领 Eb, 的比值为小于1的常数。 选择性辐射体 只能吸收和发射某些波长的辐射能，

7、并且其单色辐射本领总小于黑体同波长的单色辐射本领。,第一节 传热基本方式,辐射,4、黑体辐射 斯蒂芬波尔兹曼定律 绝对黑体全辐射本领Eb与其绝对温度的四次幂成正比。,第一节 传热基本方式,辐射,普朗克定律 黑体单色辐射本领Eb，的最大值随着黑体温度升高而向波长较短一边移动。,第一节 传热基本方式,辐射,辐射系数（C） 辐射系数可以表征物体向外发射辐射的能力。各种物体（灰体）的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、颜色等。 辐射系数的范围在05.68W/(m2 k4) 黑度（） 灰体的全辐射本领与同温度下绝对黑体全辐射本领的比值。通常用表示。,第一节 传热基本方式,辐射

8、,第一节 传热基本方式,辐射,克希荷夫定律 在一定温度下，物体对辐射热的吸收系数（n）在数值上与其黑度相等。也就是说，物体辐射能力愈大，它对外来辐射的吸收能力也愈大；反之亦然。 围护结构对太阳辐射的吸收率并不等于其黑度值。,第一节 传热基本方式,辐射,5、辐射换热计算 物体表面间的辐射换热量主要取决于各表面温度、吸热和辐射热的能力及其它们之间的相互位置关系。 平均角系数（）：用于反映两个表面之间的位置关系，只由两表面的面积和相互位置之间的几何关系确定，和辐射量的大小无关。角系数值在01之间。,第一节 传热基本方式,辐射,辐射换热量 某一围护结构表面F1与其他对应的表面（其他结构表面、人体表面等

9、）以及室内外空间之间的辐射换热可以粗略计算：,第一节 传热基本方式,辐射,第二节 围护结构传热过程,建筑物的传热通常是由导热、对流、辐射三种方式同时进行。,屋顶的传热,冬季由室内向室外的传热,第二节 围护结构传热过程,稳定传热,稳定传热是指在传热过程中，所研究的物体或体系中各点的温度不随时间而变。 一、稳定传热过程和传热量,第二节 围护结构传热过程,稳定传热,壁体内表面吸热量（i内表面换热系数） 平壁材料层导热量（ 材料层导热系数） 壁体外表面散热量（e外表面换热系数）,第二节 围护结构传热过程,稳定传热,由于是稳定传热，各界面温度不随时间改变，则：,第二节 围护结构传热过程,稳定传热,总热阻

10、R0 （m2 k/ W） 表示热量从平壁一侧空间传到另一侧空间所受到阻碍的大小。 传热系数K0（W/m2 k） 表示平壁的总传热能力。在数值上是当室内、外空气温度相差1时，在单位时间内通过平壁单位面积所传出的热量。,第二节 围护结构传热过程,稳定传热,二、平壁总热阻和总传热系数的计算 1、单一材料层 2、多层匀质材料层 3、组合材料层,第二节 围护结构传热过程,稳定传热,平均传热系数 即考虑了围护结构周边混凝土梁、柱、剪力墙等“热桥”的影响，按面积加权法求得外墙的传热系数。,浙江省居住建筑节能设计标准 围护结构各部分传热系数限值,第二节 围护结构传热过程,稳定传热,三、平壁内部温度的确定 围护

11、结构内部温度和内表面温度也是衡量和评价围护结构热工性能的重要依据。为了检验内表面和内部是否会产生凝结水以及内表面温度对室内热环境的影响，都需要对所设计的围护结构内部进行温度核算。,第二节 围护结构传热过程,周期性传热,一、周期性传热的概念 不稳定传热 外界热作用随时间而发生变化的传热过程。 周期性传热 外界热作用随时间呈周期性变化的传热过程。,第二节 围护结构传热过程,周期性传热,二、半无限厚平壁周期性传热的特征,第二节 围护结构传热过程,周期性传热,特征 （1）平壁表面及内部任一点x处的温度，都会出现和介质温度周期Z相同的简谐波动。 （2）从介质到壁体表面及内部，温度波动的振幅逐渐减少，即A

12、eAfAx。这种现象叫做温度波的衰减。 （3）从介质到壁体表面及内部，各个面出现最高温度的时间向后推延，即efx。这种现象叫做温度波动的相位延迟，亦即从外到内各个面出现最高温度的时间向后推延。,第二节 围护结构传热过程,周期性传热,三、周期性热作用下围护结构的热特性指标,1、 材料蓄热系数（S） 定义 把某一匀质半无限厚材料一侧受到周期性热作用时，迎波面（直接受到外界热作用的一侧表面）上接受的热流振幅Aq0与该表面的温度振幅Af之比称为材料的蓄热系数。,第二节 围护结构传热过程,周期性传热,物理意义 半无限厚物体在一定周期热作用下，表面对周期热作用的敏感程度，即在同样的热作用下，材料的蓄热系数

13、越大，其表面温度波动越小；反之，材料蓄热系数越小，则其表面温度波动越大。,第二节 围护结构传热过程,周期性传热,计算 单一材料层的蓄热系数可以通过查表而得。当遇到某一材料层是由几种材料组合而成时，则组合材料层的蓄热系数（S）应由各材料蓄热系数按下式加权平均得出：,第二节 围护结构传热过程,周期性传热,2、热惰性指标（D） 定义 对单一材料围护结构，热惰性指标即其热阻与材料蓄热系数的乘积。表示为： 物理意义： 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。材料层的热惰性指标愈大，说明温度波在其间的衰减愈大。,第二节 围护结构传热过程,周期性传热,计

14、算 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： D R1S1 R2S2 RnSn D1 D2 Dn R、S分别为各材料层的热阻和蓄热系数。,第二节 围护结构传热过程,周期性传热,3、材料层表面蓄热系数（Y） 研究意义： 对于有限厚度的单层或多层围护结构来说，材料层受到简谐温度波作用时，其表面温度的波动，不仅与各构造层材料的热物理性能有关，而且与边界条件有关，即在顺着温度波前进的方向，与该材料层相接触的材料或空气的热物理性能和换热条件对其表面温度的波动有影响。,第二节 围护结构传热过程,周期性传热,定义 Y与S的物理意义是相同的，其定义式都是材料层表面的热流波动振幅Aq与表面温度

15、波动振幅Af的比值。 当边界条件可以忽略不计时，Y与S在数值上可以视为相等。,第二节 围护结构传热过程,周期性传热,计算 外表面蓄热系数（Ye） 内表面蓄热系数（ Yi）,第二节 围护结构传热过程,周期性传热,四、有限厚度平壁在简谐热作用下的传热 围护结构一般都认为是有限厚度的平壁，两侧均会受到空气作用的影响。建筑热工学中，主要关心室内表面温度状况。把围护结构所受的周期性热作用分解为三个过程，再进行叠加，得到综合结果。,=,+,+,双向谐波热作用,稳定传热过程,外侧谐波热作用,内侧谐波热作用,第二节 围护结构传热过程,周期性传热,衰减度 思考：若围护结构的衰减倍数为6.5，当室外温度谐波的振幅

16、为16.25 ，围护结构内表面受该室外温度谐波作用而产生的温度振幅为_。,第二节 围护结构传热过程,周期性传热,延迟时间,第三节 建筑绝热材料,种类,轻质成型绝热材料 封闭空气间层绝热 反射绝热材料,第三节 建筑绝热材料,轻质成型绝热材料,一、轻质成型绝热材料 泡沫塑料 矿物棉 泡沫玻璃 膨胀珍珠岩及制品 胶粉聚苯颗粒保温浆料,第三节 建筑绝热材料,轻质成型绝热材料,泡沫塑料 以合成树脂为原料，加入发泡剂，通过热分解放出大量气体，形成内部具有无数小气孔材料的塑料成品。 1、聚苯乙烯泡沫塑料 模塑聚苯乙烯泡沫塑料（EPS） 挤塑聚苯乙烯泡沫塑料（XPS）,第三节 建筑绝热材料,轻质成型绝热材料,2、硬质聚氨酯泡沫塑料（PUR） 3、矿物棉 （1）岩棉 （2）玻璃棉,岩棉板,岩棉毡,第三节 建筑绝热材料,轻质成型绝热材料,4、泡沫玻璃,第三节 建筑绝热材料,轻质成型绝热材料,5、膨胀珍珠岩及制品 6、胶粉聚苯颗粒保温浆料,第三节 建筑绝热材料,空气层绝热,二、封闭空气间层绝热 绝热原理 空气的导热性能较差 传热过程 是有限封闭空间内两个表面之间进行的热转移过程，是导热、对流和辐射三种传热方式综合作用的结果,第三节 建筑绝热材料,空气层绝热,影响因素,间层厚度,热流方向,间层密闭程度,两侧表面温度,两侧表面状态,导热,对流,辐射,