第二章 建筑传热的基本原理

第二章建筑传热的基本原理2.1传热方式传热是指物体内部或者物体与物体之间热能转移的现象。凡是一个物体的各个部分或都物体与物体之间存在着温度差，就必然有热能的仁慈转移现象发生。建筑物内外热流的传递状况是随发热体(热源)的种类、受热体（房屋）部位、及其媒介（介质）围护结构的不同情况而变化的。热流的传递称为传热。根据传热机理的不同，传热的基本方式分为导热、对流和辐射3种。1、导热（1）导热的机理导热是指物体内部的热量由一高温物体直接向另一低温物体转移的现象。这种传热现象是两直接接触的物体质点的热运动所引起的热能传递。一般来说，密实的重质材料，导热性能好，而保温性能差；反之，疏散的轻质材料，导热性能差，而保温性能好。材料的导热性能以热导率表示。热导率是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为l开(K)或1摄氏度(℃)，在1h内；通过1㎡面积传递的热量，单位为瓦／(米·开)[W/（m·K）]，或[瓦／(米·℃)W／(m·℃)]。热导率与材料的组成结构、密度、含水率、温度等因素有关。通常把热导率较低的材料称为保温材料，把热导率在0.05W／(m·K)以下的材料称为高效保温材料。普通混凝土的热导率为1．75W／(m·K)，粘土砖砌体为0．81W／(m·K)，玻璃棉、岩棉和聚苯乙烯的为0.04～0.05W/（m·K）。1）杆的导热若一根密实固体的棒，除两端外周围用理想的绝缘材料包裹，其两端的温度分别为1T和2T，如图2-1所示。如1T大于2T，则有热量Q通过截面F以导热方式由1T端向2T端传递。依据实验可知：Q=FlTT21（2-1）式中Q——棒的导热量(W)；F——-棒的截面积(㎡)；1T，2T——分别为棒两端的温度(K)；l——棒长(m)；——导热系数(W／(m·K))。由上式可知，棒在单位时间内的传热量Q与两端温度差(21TT)、截面面积F及棒体材料的导热系数成正比，而与传热距离即棒长l成反比。2）壁的导热图2-2平壁的导热图2-1棒的导热在建筑工程中，通常将固体材料组成的壁体内部的传热也看成导热。如图2-2中的壁体，两表面的温度分别为1T和2T，若1T大于2T，则热流量为：q=dTT21（2-2）式中Q——单位面积、单位时间的热流量(W／㎡)；A——壁体材料的导热系数(W／(m·K))；d——壁体的厚度(m)。(2)材料的导热系数及其影响因素从公式(2-1)可知，材料的导热系数值的大小直接关系到导热传热量，是一个非常重要的热物理参数。这一参数通常由专门的实验获得，各种不同的材料或物质在一定的条件下都具有确定的导热系数。空气的导热系数最小，在27℃状态下仅为0．02624W／(m·K)；而纯银在0℃时，导热系数达410W／(m·K)，两者相差约1.56万倍，可见材料或物质的导热系数值变动范围之大。常用建筑材料的导热系数值已列入本书附录I中，未列入的材料或新材料可在其它参考文献中查到或直接通过实验获得。材料或物质的导热系数的大小受多种因素的影响，归纳起来，大致有以下几个主要方面。1)材质的影响由于不同材料的组成成分或者结构的不同，其导热性能也就各不相同，甚至相差悬殊，导热系数值就有不同程度的差异，前面所说的空气与纯银就是明显的例子。就常用非金属建筑材料而盲，其导热系数值的差异仍然是明显的，如矿棉、泡沫塑料等材料的值比较小，而砖砌体、钢筋混凝土等材料的值就比较大。至于金属建筑材料如钢材、铝合金等的导热系数就更大子。工程上常把值小于0．3W／(m·K)的材料称为绝热材料，作保温、隔热之用，以充分发挥其材料的特性。2）材料干密度的影响材料的干密度反映材料密实的程度，材料愈密实干密度愈大，材料内部的孔隙愈少，其导热性能也就愈强。因此，在同一类材料中，干密度是影响其导热性能的重要因素。在建筑材料中，一般来说，干密度大的材料导热系数也大，尤其是像泡沫混凝土、加气混凝土等一类多孔材料，表现得很明显；但是电有某些材料例外，当干密度降低到某一程度后，如再继续降低，其导热系数不仅不随之变小，反而会增大，如图2-3所示玻璃棉的导热系数与干密度的关系即是一例。显然，这类材料存在着一个最佳干密度，即在该千密度时，其导热系数最小。在实用中应充分注意这一特点。3)材料含湿量的影响在自然条件下，一般非金属建筑材料常常并非绝对干燥，而是在不同程度上含有水分，图2-3玻璃棉导热系数与干密度的关系表明在材料中水分占据了一定体积的孔隙。含湿量愈大，水分所占有的体积愈多。水的导热性能约比空气高20倍，因此，材料含湿量的增大必然使导热系数值增大。图2-4表示砖砌体导热系数与重量湿度WW的关系。从图中看出：当砖砌体的重量湿度由0增至4％时，导热系数由0．5W／(m．K)增至1．04W／(m·K)。可见，影响之大。因此，在工程设计，材料的生产、运输、堆放、保管及施工过程对湿度的影响都必须予以重视。材料的导热系数除上述因素有较大影响之外，使用温度状况和某些材料的方向性也有一定的影响。不过、在一般工程中往往忽略不计。2、对流传热对流传热是指具有热能的气体或液体在移动过程中进行热交换的传热现象。在采暖房间中，采暖设备周围的空气被加热升温，密度减小上浮，临近较冷空气，密度较大下沉，形成对流传热；在门窗附近，由缝隙进入的冷空气，温度低、密度大，流向下部，热空气上升，又被冷却下沉形成对流换热。对于采暖建筑，当围护结构质量较差时，室外温度越低，则窗与外墙内表面温度也越低，邻近的热空气迅速变冷下沉．散失热量，这种房间，只在采暖设备附近及其上部较暖；外围特别是下部则很冷，当围护结构质量较好时．其内表面温度较高，室温分布较为均匀，无急剧的对流换热现象产生，保温节能效果较好。图2-4表示一固体面与其紧邻的流体对流传热情况。由于固体表面温度θ高于流体温度t，因此有传热现象发生，热流由固体表面传向流体。若仔细观察对派传热过程，可以看出：因受摩擦力的影响，在紧贴固体壁面处有一平行于固体壁面流动的流体薄层，称为层流边界层，其垂直壁面的方向主要传热方式是导热，它的温度分布皇倾斜直线状；而在远离壁面的流体核心部分，体呈紊流状态，因流体的剧烈运动而使温度分布比较均匀，呈一水平线；在层流边界层与体核心部分之间为过渡区，温度分布可近似看作抛物线。由此可知，对流换换热的强弱主要取决于层流边界层内的换热与流体遣动发生的原因、流体运动状况、流体与固体壁面温差、流体的物性、团体壁面的形状、大小位置等因素。对流换热的传热量常用下式计算：cq=ca（θ-t）（2-3）其中cq——封流换热强度(W／㎡)；ca——对流换热系数(W/㎡·K))；θ——壁面温度(℃)；t——流体主体部分温度(℃)。图2-4对流换热值得注意的是：对流换热系数ca不是固定不变的常数，而是一个取决于许多因素的物理量。结合建筑围护结构实际情况并为简化计算起见，通常只考虑气流状况是自然对流还是迫对流；构件是处于垂直的、水平的或是倾斜的；壁面是有利于气流流动还是不利于流动；换热方向是由下而上或是由上而下等主要影响因素。为此特推荐以下公式。(1)自然对流换热本来温度相同的流体或与流体紧邻的固体表面，围其中某一部分加热或冷却，温度发生了变化，使流体各部分之间或者流体与紧邻的固体表面产生了温度差，形成了对流运动而传递热能。这种因温差而引起的对流换热称为自然对流换热。其对流换热量仍可按（2-3）式计算，其对流换热系数为：当平壁处于垂直状态时：ca=24t-θ(2-4)当平壁处于水平状态时：若热流由下而上ca=2.54t-θ(2-5)若热流由上而下ca=1.34t-θ(2-6)(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表面之间存在着温度差，但同时流体又受到外部因素如气流、泵等的扰动而产生传热的现金，称为受迫对流换热。目前，绝大多数建筑物是处于大气层内，建筑物与空气紧邻，风成为主要的扰动因素。值得注意的是，由于流体各部分之间或者流体与紧邻固体表面之间存在着温度差，因温差而引起的自然对流换热也就必然存在，也就是说，在受迫对流换热之中必然包含着自然对流换热的因素。这样一来，受迫对流换热主要取决于温差的大小、风速的大小与固体表面的粗糙度。对于中等粗糙度的固体表面，受迫对流换热时的对流换热系数可按下列近似公式计算：对于围护结构外表面ca=(2．5～6．0)+4．2v(2-7)对于围护结构内表面ca=2．5+4．2v(2-8)上二式中，v表示风速(m／s)，常数项反映了自然对流换热的影响，其值取决于温度差的大小。3、辐射传热(1)热辐射的本质与特点凡是温度高于绝对零度(K)的物体，由于物体原子中的电子振动或激动，就会从表面向外界空间辐射出电磁波。不同波长的电磁波落到物体上可产生各种不同的效应。人们根据这些不同的效应将电磁波分成许多波段。其中波长在0.800m之间的电磁波称为红外线，照射物体能产生热效应。通常把波长在0.4～40m范围内的电磁波(包括可见光和红外线的短波部分)称为热辐射，因为它照射到物体上的热效应特别显著。热射线的传播过程叫做热辐射。通过热射线传播热能就称为辐射传热。因此，辐射传热与导热和对流传热有着本质的区别。热辐射的本质决定了辐射传热有如下特点：1)辐射传热过程中伴随着能量形式的转化，即物体的内能首先转化为电磁能向外界发射，当此电磁能落到另一物体上而被吸收时，电磁能又转化为吸收物体的内能；2)磁波的传播不需要任何中间介质，也不需要冷、热物体的直接接触。太阳辐射热穿越辽阔的真空空间到达地球表面就是很好的例证；3)是温度高于绝对零度的一切物体，不论它们的温度高低都在不间断地向外辐射不同波长的电磁波。因此，辐射传热是物体之间互相辐射的结果。当两个物体温度不同时，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，从而使高温物体的能量传递给了低温物体。(2)辐射能的吸收、反射和透射当能量为Io的热辐射能投射到一物体的表面时，其中一部分I被物体表面吸收，一部分Ir，被物体表面反射，还有一部分It，可能透过物体从另一侧传出去，如图2-5所示。根据能量守恒定律：I+Ir+It=Io若等式两侧同除以Io则oII+oIIr+oIIt=1令h=oII，hr=oIIr，ht=oIIt，分别称为物体对辐射热的吸收系数、反射系数及透射系数，于是：h+hr+ht=1（2-9）各种物体对不同波长的辐射热的吸收、反射及透射性能不同，这不仅取决于材质、材料的分子结构、表面光洁度等因素，对于短波辐射热还与物体表面的颜色有关。图2-6表示几种表面对不同波长辐射热的反射性能。凡能将辐射热全部反射的物体(hr=1)称为绝对白体，能全部吸收的(h=1)称为绝对黑体，能全部透过的(ht=1)则称为绝对透明体或透热体。图2-5辐射热的吸收、反射与透射图2-6表面对辐射热的反射系数在自然界中并没有绝对黑体、绝对白体及绝对透明体。在应用科学中，常把吸收系数接近于1的物体近似地当成绝对黑体。而在建筑工程中，绝大多数材料都是非透明体，即ht=0故而hr+h=1。由此可知，辐射能反射越强的材料，其对辐射能的吸收越少；反之亦然。3）辐射换热的计算在建筑工程中，围护结构表面与其周围其他物体表面之间的辐射换热是一个应当重要研究的问题。由于建筑材料大多可看做灰体，因此，物体表面间的辐射换热量主要取决于各个表面的温度、发射和吸收辐射热的能力以及它们之间的相对位置。设有两个一般位置的灰体表面1和2，如图2-8所示。它们之间相互“看得见”的表面积为F1和F2,各自的辐射系数为1C和2C，它们各自的温度为1T和2T，它们两者之间的辐射换热量21Q或12Q可用下式计算：21Q=112424112Ψ100100FTTC—（2-10a）或12Q=221414221Ψ100100FTTC—（2-10b）式中21Q——表面1传给表面2的净辐射换热量，W；12Q——表面2传给表面1的净辐射换热量，W；1T，2T——分别为两表面的绝对温度，K；F1，F2——分别为两表面相互“