2.1.3传热原理

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三节 建筑维护结构的传热,原理及计算,一、维护结构的传热过程,三个阶段,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,结构本身传热,热量由高温表面传向低温表面,表面放热,冬季：外表面向室外散热,夏季：内表面向室内散热,维护结构的传热过程,三个阶段,表面换热,以对流换热和辐射换热为主,q=q,c,+q,r,=,c,(-,t,)+,r,(-,t,)=(,c+,r,)(-,t,)=(-,t,),q,表面换热量，,W/,表面换热系数，,W/,（,K,）,壁面温度，,t,室内或室外气温，,结构传热,以单层匀质平壁为例导热为主的传热过程,q=,（,t,1,-,t,2,）,d,q,热流密度，,W/,t,1,高温表面物体温度，,W/,（,K,）,t,2,低温表面物体温度，,材料导热系数，,W/,（,K,）,二、室内外温度计算的模型,恒定热作用,（稳定传热）,采暖房间冬季条件下的保温设计,周期热作用,（不稳定周期传热）,单向周期热作用,空调房间隔热设计,双向周期热作用,自热通风房间的夏季隔热设计,室内外温度计算的模型,稳定传热,冬季采暖房的情况,t,i,t,e,不稳定周期传热,空调房间隔热情况,t,i,t,e,自然通风房间的夏季隔热情况,t,i,t,e,三、一维稳定传热,（一）特征：,1,、通过平壁的热流强度,q,处处,相等,。平壁内无蓄热现象。即对于平壁内任意一截面而言，流进与流出的热量必须相等,2,、同一材质的平壁内部各界面温度分布呈,直线,关系。,1,2,3,t,i,t,e,（二）围护结构稳定传热全过程,i,e,2,3,d,1,d,2,d,3,e,q,i,=q,n,=q,e,=q,通过围护结构的热流强度,q,其中传热阻：,表面特性,i,(W/(m,2,K,),R,I,(m,2,K,)/W),墙面、地面、表面平整或有肋状突出物的顶棚（,h/s,0.3,）,8.7,0.11,有肋状突出物的顶棚（,h/s,0.3,）,7.6,0.13,内表面热转移阻,R,i,内表面换热系数,i,季节,表面特征,e,R,e,冬季,外墙、屋顶、与室外空气直接接触的表面,23.0,0.04,与室外空气相通的不采暖地下室上面楼板,17.0,0.06,闷顶、外墙上有窗不采暖地下室上面楼板,12.0,0.08,外墙上无窗的不采暖地下室上面的楼板,6.0,0.17,夏季,外墙和屋顶,19.0,0.05,外表面换热系数和外表面换热阻的取值,1,2,3,分别代表各材料的传热能力,称材料的导热系数。,1,d,1,，,2,d,2,，,3,d,3,，分别代表围护结构各材料层的传热能力，又称为该材料层的“热导”。,热导的倒数称为“构件热阻”,。,多层构造的围护结构总传热阻应为各层材料热阻之和,R,0,为围护结构的传热阻（过去称为总热阻），表示热量从围护结构的一侧空间传至另一侧空间所受到的总阻力。,K,称为围护结构的传热系数，是传热阻,R,0,的倒数，它的意义是当围护结构两侧温度差,1,（,1K,）时，在单位时间里通过平壁单位面积的传热量,(W,（,m,2,K,）,),。,注意：,导热系数,、热导,G,和传热系数,K,的区别,导热系数,：,表示材料的传热能力,热导,G:,表示某一结构层的导热能力,传热系数,K,：,表示热量从围护结构的一侧空间传至另一侧空间的能力。包括结构层以及表面的热交换。,例：如图所示外墙，当其面积为,5,平方米，室内外温度各为,18 C,和,-12 C,时，在单位时间内的传热量,分析：热量,Q,是热流密度,q,乘上面积,F,公式：,步骤：,1,）查各层导热系数,2,）计算各层热阻得到总阻,3,）算热量,抹面墙（石灰水泥复合砂浆）,d,1,=0.04,加气混凝土（密度为,500kg/m,3,）,d,2,=0.15,钢筋混凝土,d,3,=0.18,由附表一,各层热阻,抹面墙,加气混凝土,钢筋混凝土,墙体传热阻,总热阻,单位时间传热量,通过该面积的热流强度,（三）封闭空气层的热阻,建筑设计中常用封闭空气层作为围护结构的保温层。,空气层中的传热方式：,导热、对流和辐射,主要是对流换热和辐射换热,封闭空气层的热阻取决于间层两个界面上的,边界层厚度,和界面之间的,辐射换热强度,。,与间层厚度不成正比例关系,在有限空间内的,对流换热强度,与间层的厚度、间层的,设置方向和形状,、间层的,密闭性,等因素有关。,垂直空气间层,中，,1,2,*,当间层厚度很薄时,(d10cm),在水平间层中,*,当热面在上方时，间层内可视为不存在对流。,*,当热面在下方时，热气流的上升和冷气流的下沉相互交替形成自然对流，此时自然对流换热最强，,1,纯导热换热量,2,对流换热量,3,总换热量,可见：普通空气间层的传热量中辐射换热占很大比例，约,70%,要提高空气间层的热阻须减少辐射换热量。,通过间层的,辐射换热量,与间层,表面材料的辐射性能,和间层的,平均温度高低,有关,。,减少辐射换热量的方法：,1,、将空气间层布置在围护结构的冷侧，降低间层的平均温度。,（效果不够显著）,2,、在间层壁面涂贴辐射系数小的反射材料（铝箔等）,一般建筑材料的辐射系数：,44.5,J/,（,m,2,hK,4,）,铝的辐射系数：,0.250.96,J/,（,m,2,hK,4,）,4,间层内有一表面贴有铝箔,5,间层内两表面都贴有铝箔,增效不显著,故以一个表面贴反射材料为宜,实际设计计算中可查表得空气间层的热阻,R,ag,（四）平壁内部温度的计算,为判定围护结构的表面和内部是否会产生冷凝水须对所设计的围护结构进行温度核算,1,2,3,d,1,d,2,d,3,t,i,t,e,i,e,稳定传热条件下：,得内表面温度：,1,2,3,d,1,d,2,d,3,t,i,t,e,i,e,2,3,由此推广得：,层次编号顺着热流方向,1,2,3,d,1,d,2,d,3,t,i,t,e,i,e,2,3,1,2,3,d,1,d,2,d,3,t,i,t,e,i,e,得：,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，（导热系数越小）温度降落越大，（直线斜率越大）。,1,2,3,4,n,在稳定传热条件下，每一材料层内的温度分布是一直线，在多层平壁中成一连续的折线。,四、周,期性不稳定传热,外界热作用随时间周期性的变化,（一）、简谐热作用,Z,t,也可写成：,（二）、谐波热作用下的传热特征,（,1,）同一周期的谐波，均可用余弦函数表示,室外温度,平壁外表面,温度,平壁内表面,温度,（,2,）从室外空间到平壁内部，温度波动的振幅 逐渐衰减。,（,3,）从室外空间到平壁内部，温度波动的相位 逐渐向后推延。,平壁的总衰减度,平壁的总相位延迟,温度波穿过平壁的总延迟时间：,关系：,A,if,A,ef,解释：,R,1,R,2,R,3,d,1,d,2,d,3,温度波在传递过程中产生的衰减和延迟现象，是由于在升温和降温过程中材料的,热容,作用和热量传递中材料的,热阻,作用造成的。,（三）、谐波热作用下材料和围护结构的热特性指标,1,、材料的蓄热系数,S,(w/m,2,K),定义：把某一匀质半无限大壁体一侧受到谐波热作用时，迎波面上接受的热流振幅,A,q,与该表面的温度振幅,A,f,之比称为材料的蓄热系数,若,Z=24h,，,物理意义：,材料的蓄热系数说明了半无限大的物体在谐波热作用下，表面对谐波热作用的敏感程度。,在同样的谐波热作用下，蓄热系数越大，表面温度波动越小；,2,、材料层的热惰性系数,D,表征材料层受到波动热作用后，被波面上温度波动剧烈程度的一个指标，也是说明材料层抵抗温度波动能力的一个特性指标。,其大小取决于材料层迎波面的抗波能力和波动作用传至背波面时所受到阻力。,多层材料的围护结构：,3,、材料层表面的蓄热系数,Y,有限厚度的材料层受到周期波动的温度作用时，其表面温度的波动不仅与材料层本身的热物理性质有关，还与边界条件有关。,顺着温度波前进的方向，该材料接触的介质的热物理性能和散热条件对材料表面的温度波动有影响。,R,4,R,3,R,2,R,1,