建筑物理第二讲建筑热环境基础知识11

1第二讲：建筑热环境基础知识Zhang-Xiuxin2本讲主要内容：2.1、建筑中的传热现象2.2、围护结构传热方式之一：导热2.3、围护结构传热方式之二：对流2.4、围护结构传热方式之三：辐射2.5、建筑围护结构的传热过程32.1建筑中的传热现象2.1.1传热热量的传递。在自然界中，只要存在温差就会有传热现象，热能由高温部位传至低温部位---围护结构的传热。2.1.2传热方式有三种:辐射、对流和导热。建筑物的传热大多是三种方式综合作用的结果.4辐射对流导热辐射：把热量以电磁波的形式从一个物体传向另一个物体的现象。凡温度高于绝对零度的物体，都可以发射同时也可以接受热辐射。对流：流体与流体之间、流体与固体之间发生相对位移时所产生的热量交换现象。导热：同一物体内部或相互接触的两物体之间由于分子热运动，热量由高温处向低温转移的现象。5•太阳辐射照射的热量，有20~30%被反射•暖气片辐射热，与空气接触传热，被加热的空气变轻产生对流，通过对流将热量传向室内各处。62.1.3人的热传递为了保持体温，人体不间断的向周围环境散发热量。人体与室内环境的换热也是同时以辐射、对流、导热三种方式进行。人体的散热量决定于：室内空气温度、风速、围护结构内表面温度。72.2导热导热：直接接触的物体由于有温度差时，质点作热运动而引起的热能传递过程。在固体、液体、气体中都存在导热现象。其各自的导热机理不同。气体：分子作无规则运动时相互碰撞而导热。液体：通过平衡位置间歇移动着的分子振动引起导热。固体：由平衡位置不变的质点振动引起导热。金属：通过自由电子的转移而导热。绝大多数的建筑材料（固体）中的热传递为导热过程81）温度场温度梯度热流密度a）温度场：在某一时刻物体内各点的温度分布。热量传递与物体内部温度的分布密切相关。温度t是空间坐标xyz和时间τ的函数即不稳定温度场：温度分布随时间而变稳定温度场：温度分布不随时间而变一维温度场：温度只沿x一个坐标轴发生变化,,,.tfxyztfx9b）温度梯度等温面：温度场中同一时刻有相同温度各点连成的面。温度梯度：温度差△t与沿法线方向两等温面之间距离△n的比值的极限。ntntIimn010C）热流密度（q）导热不能沿等温面进行，必须穿过等温面。热流密度(q）：单位时间内，通过等温面上单位面积的热量。等温面上面积元dF(m2)，单位时间内通过的热量为dQ(w)如果热流密度在面积F上均匀分布则热流量为右式。2/FdQqWmdFdQqdFQqdFQqF112）傅立叶定律导热基本方程－－傅立叶定律：物体内导热的热流密度的分布与温度分布有密切关系。傅立叶定律内容：匀质材料内各点的热流密度与温度梯度的大小成正比。或：一个物体在单位时间、单位面积上传递的热量与在其法线方向的温度变化率成正比。用公式表示：q－－单位时间、单位面积上通过的热量，又称热流密度或热流强度－－等温面温度在其法线方向上的变化率叫温度梯度λ－－表示材料导热能力的系数，称导热系数负号是因为热流有方向性，是以从高温向低温方向流动为正值;温度也是一个向量，以从低到高为正，二者相反。ntqnt12导热系数导热系数：其物理意义：在稳定传热状态下当材料厚度为1m两表面的温差为1℃时，在一小时内通过1m2截面积的导热量。导热系数大，表明材料的导热能力强。13导热系数（λ）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。可查书后附表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）（空气的2000倍），门窗铝合金则大到162，是聚苯乙烯泡沫塑料（导热系数为0.042）的5400倍。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。14影响导热系数数值的因素：物质的种类（液体、气体、固体）、结构成分、密度、湿度、压力、温度等。a）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。15导热系数与温度、湿度、和密度的关系b）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）、2.33,W/（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。16砖砌体和加气混凝土的导热系数与湿度的关系17导热系数与温度、湿度、和密度的关系c）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，再加大孔隙，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。（20℃时玻璃棉的密度界限为50-60kg/m3）18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λ＜0.3W/（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：轻质成型材绝热空气层绝热反射绝热19隔热保温材料----绝热材料绝热材料的选用主要性能达到以下指标：•导热系数不易大于0.25W/(m.K)•表观密度不宜大于600Kg/m3•抗压强度不低于0.3MPa•耐久性常用的绝热材料•有机材料绝热性能好，耐热性差，易腐朽。•无机材料纤维材料、粒状材料和多孔材料。20a)轻型成型材绝热21轻型成型材绝热22轻型成型材绝热232.3对流和表面对流换热a)自然对流和受迫对流自然对流:由于流体冷热部分的密度不同而引起的流动。空气的自然对流是由于空气温度愈高密度愈大，当环境中存在空气温差时，低温密度大的空气与高温密度小的空气之间形成压力差（热压），产生自然对流。受迫对流：由于外力作用（如风吹泵压）而迫使流体产生对流。外力愈大，对流速度愈大。b）对流传热和对流换热对流传热：只发生在流体之间，流体之间发生相对运动传递热能。对流换热：包括流体之间的对流传热，也包括流体与固体之间的接触进行导热的过程。24c）表面对流换热表面对流换热：在空气温度与物体表面的温度不等时，由于空气沿壁面流动而使表面与空气之间所产生的热交换。表面对流换热量取决因素：温度差、热流方向（从上到下或从下到上，或水平方向）、气流速度、物体表面状况（形状粗糙程度）等。表面对流换热量的表示式：－－牛顿公式tqcc对流换热系数，见P18公式25表面对流换热对平壁表面，当空气温度t与壁表面温度θ一定时，表面对流换热量取决于“边界层”“边界层”－－指由壁面到气温恒定区之间的区域，包括层流区、过渡区、紊流区。在层流区内以空气导热传递热量。262.4辐射换热2.4.1辐射换热的特点:是发射体的热能变为电磁波辐射能，被辐射的物体又将所接受的辐射能转换成热能，温度越高，热辐射愈强烈。一个物体对外来的入射辐射可以有反射、吸收、和透射3种情况，他们与入射辐射的比值分别叫作物体对辐射的反射系数γ、吸收系数ρ、透射系数τ。以入射辐射为1，则有γ＋ρ＋τ＝１不透明的物体τ＝０则有γ＋ρ＝１27太阳辐射的电磁波28太阳辐射的电磁波，其中，可见光区段的辐射能约占总辐射能的52%。29太阳辐射的电磁波，其中，可见光区段的辐射能约占总辐射能的52%。302.4.2黑体白体灰体为了方便研究，在理论上分为黑体、白体、灰体。黑体：对外来辐射全吸收的物体，ρ＝１白体：对外来辐射全反射的物体，γ＝１透明体：对外来辐射全透过的物体τ＝１灰体：自然界中介于黑体与白体之间的不透明物体。建筑材料多数为灰体。312.4.3反射系数•对于多数不透明的物体来说，对外来入射的辐射只有吸收和反射，既吸收系数与反射系数之和等于1。吸收系数越大，则反射系数越小。•擦光的铝表面对各种波长的辐射反射系数都很大，黑色表面对各种波长辐射的反射系数都很小；白色表面对波长为2μm以下的辐射反射系数很大，波长6μm以上的辐射反射系数又很小，接近黑色表面。这种现象对建筑表面颜色和材料的选用有一定的影响。322.4.4）斯蒂芬-波尔兹曼定律黑体的全辐射力：黑体不但能将一切波长的外来辐射完全吸收，也能向外发射一切波长的辐射。在单位表面积、单位时间以全波段（波长λ=0~∞）向半球空间辐射的全部能量，称为黑体的全辐射力。用Eb表示黑体的全辐射力,单位W/m2；4100bbbTCEbbTKmWC42/68.5（黑体的辐射系数）黑体表面的绝对温度，K332.4.5）普朗克定律•该定律表明了黑体的单色辐射力与其绝对温度和波长之间的函数关系。黑体单色辐射力的最大值随着黑体温度升高而向波长较短一边移动，对应于这一辐射力为最大值的波长与黑体绝对温度的关系用公式表示：T2898max单色辐射力为最大值的波长，•黑体的温度越高，其最大辐射力的波长愈短，如太阳相当于温度为6000K的黑体辐射，其最大辐射力波长为0.5μm；而16℃左右的常温物体发射的最大辐射力波长约在10μm。34黑体辐射的光谱曲线352.4.6）灰体黑度灰体的辐射特性与黑体近似，但在同温度下其全辐射力低于黑体。工程上为了便于计算，将多数建筑材料视为灰体。灰体的全辐射力计算公式：4100TCEE——灰体全辐射力，C——灰体的辐射系数T——灰体的绝对温度，K422//KmWmW黑度：黑度又称发射率，是物体辐射系数与黑体辐射系数之比。黑体的黑度为1，其他物体黑度均小于1。用公式表示：bCC36辐射系数:•辐射系数：可以表征物体向外发射辐射热能力的高低。各种物体（灰体）的辐射系数均小于黑体。其数值大小取决于材料的种类、表面温度和表面状况。辐射系数只与发射辐射热的物体本身有关，而与外界条件无关。•不同种类材料：常温下白色大理石：5.39，镀锌铁皮：1.30•不同温度同一材料：抛光的铝50℃为0.23，500℃为0.34，温度的影响一般可以忽略不计。•不同表面状况：常温下抛光的黄铜：0.17，无光泽的表面1.2542/kmWC，单位：37辐射系数：•各种物体的辐射系数是由实验确定的，（可以查表，辐射系数值和各种物体对太阳辐射的吸收系数值，如红砖、混凝土、深色油漆辐射系数分别为5.27、4.82、5.39等）。在一定温度下（长波辐射），物体对辐射热的吸收系数在数值上与其黑度（发射率）相等，即物体辐射能力越大，它对外来辐射的吸收能力也越大；反之若辐射能力越小，则吸收能力也越小。382.4.7）玻璃的温室效应常用的普通玻璃一般为透明材料，它只对波长为0.3~2.5μm的可见光和近红外线有很高的透过率，而对波长为4μm以上的远红外辐射的透过率却很低。玻璃对太阳辐射中大部分波长的光可以透过，而对一般常温物体所发射的辐射（多为远红外线）则透过率很低。这样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辐射则基本不能通过玻璃再辐射出去，从而可以提高室内温度。在利用太阳能的建筑设计中，常用这一效应为节能服务。39玻璃的透过特性：常用的玻璃，只对波长为0.2~2.5μm的可见光和近红外线有很高的透过率，而对波长为4μm以上的远红外辐射的透过率却很低。40玻璃的温室效应412.4.8辐射换热的简单计算：•辐射换热是物体表面之间通过辐射和吸收综合作用下完成的•