建筑物理课件2

第二章建筑围护结构的传热原理及计算河北工程大学建筑学院孙凤明第二章建筑围护结构的传热原理及计算第二章建筑围护结构的传热原理及计算室外的环境热作用通过建筑物的外围护结构影响着房间的热环境，为保证冬、夏室内的热舒适要求，必须采取相应的保温和隔热措施。第二章建筑围护结构的传热原理及计算根据建筑保温和隔热设计中所考虑的室内外热作用的特点，可将室内外温度的计算模型归纳为如下两种，(1)恒定的热作用。(2)周期热作用:单向周期热作用双向周期热作用第二章建筑围护结构的传热原理及计算图2－12－2第二章建筑围护结构的传热原理及计算按照建筑热工设计中所取的室内外温度计算模型，本章仅限于讨论通过围护结构主体部分一维的稳定传热和周期性不稳定传热问题。稳定传热周期性不稳定传热第二章建筑围护结构的传热原理及计算第一节稳定传热当围护结构受到图2—1所示恒定热作用时，围护结构内部的温度分布和通过围护结构的传热量，即会处于不随时间而变的稳定传热状态。稳定传热是一种最简单和最基本的传热过程，由于其计算简便，在建筑热工计算和估算中，常常是设计者乐于采用的一种计算方法。第二章建筑围护结构的传热原理及计算一、一维稳定传热特征有一厚度为d的单层匀质材料，当宽与高的尺寸比厚度大得多时，则通过平壁的热流可视为只有沿厚度一个方向，即一维传热，当平壁的内、外表面温度保持稳定时，则通过平平壁的传热情况亦不会随时间变化，这种传热称为一维稳定传热，其传热特征可归纳为以下两点：第二章建筑围护结构的传热原理及计算1、通过平壁的热流强度处处相等。只有平壁内无蓄热现象，才能保证温度稳定，因此就平壁内任一截面而言，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。由dxdqx可知，当qx＝常数时，若视λ不随温度而变，则有dθ/dx＝常数，各点温度梯度相等，即温度随距离的变化规律为直线。第二章建筑围护结构的传热原理及计算二、平壁内的导热过程1、单层匀质平壁的导热tθiθeqqdx0dx图2－3一维稳定传热第二章建筑围护结构的传热原理及计算如前所述，一维稳定传热仅产生于物体只在一个方向上有温差，并且温度和热流均不随时间而变的情况下。例如一个面积很大的平壁，其两表面分别维持均匀而恒定的温度θ1、θ2，且θ1＞θ2，则热流均匀地从θ1面流向θ2面。由于两表面温度均匀不变，在截面上各点温度和单位时间里的热流量也必然稳定不变，如图（2－3）。一维稳定传热的计算式可写成：dq12θθ第二章建筑围护结构的传热原理及计算式中：θ2------低温表面温度，℃；θ1------高温表面温度，℃；q------热流密度，即单位面积上的热流量或热流强度，W/m2；d------单一实体材料厚度，m。第二章建筑围护结构的传热原理及计算作一类比，我们知道电流强度I等于电位差U1－U2除以电阻R，即I=(U1－U2)/R，此处为热流强度，等于温差除以某一值，我们可将此值定义为热阻，仍用R表示，即：dttq21dttq21或：Rttq21为消除公式中的负号，可将t1和t2的位置互换，即以高温减低温，则上式可写成：第二章建筑围护结构的传热原理及计算其中，R=d/λ称为热流通过材料层的热阻，单位为(m2k)/W。它表示材料层对热流的阻挡能力，热阻（R）愈大则通过的热流密度（q）愈小。冬季采暖房屋外围护结构的保温设计，一般按一维稳定传热计算，从公式中可以看出：平壁所用材料的导热系数愈大，则通过的热流密度愈大；平壁所用材料厚度愈大，则通过的热流密度愈小。第二章建筑围护结构的传热原理及计算2、经过多层平壁的导热•按照稳定传热计算式，平壁围护结构内各材料层（如图2－4中的1、2、3层）在单位时间、单位面积上的传热量为：2111idq32222dq图2－4传热过程第二章建筑围护结构的传热原理及计算edq33331nnnnndq------式中：q1，q2，qn——单位时间，单位面积、通过各材料层的传热量，即材料层的热流密度，W／m2；θi，θ1，θ2，θ3，θe——各材料层表面温度，℃；λ1，λ2，λ3——各材料层的导热系数，其值可查附录，W/(m·K)；d1，d2，d3——各材料层厚度，m。第二章建筑围护结构的传热原理及计算其中λ／d1，λ2／d2，λ3／d3，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”，以符号G表示。它代表这一构件层在其两侧表面温差1℃（1K）时，单位时间单位面积的传热量。热导的倒数称为“构件热阻”，以符号R表示。构件热阻（R）表示围护结构中各材料层对热流的阻挡能力，热阻愈大则通过的热流密度（q）愈小。第二章建筑围护结构的传热原理及计算多层构造的围护结构，例如有内、外抹灰的砖墙，或具有多层构造的屋顶，则构件热阻应为各层材料热阻之和，即nnndddRRRR221121R1,R2…Rn为各材料层热阻，（m2·K)／W。第二章建筑围护结构的传热原理及计算根据稳定传热的特征q＝q1＝q2＝······＝qn可解得：njjeiRq1＝第二章建筑围护结构的传热原理及计算3、通过组合材料层的导热在建筑工程中，常有在围护结构内部个别层次由二种以上材料组合而成的情况。如各种形式的空心砌块、填充保温材料的墙体等。这种构造层在垂直于热流方向已非匀质材料，内部也不是单向传热。在计算热阻时，在平行于热流方向沿着组合材料层中不同材料的界面，将其分成若干部分，如图2－5所示。平均热阻按下式计算：第二章建筑围护结构的传热原理及计算)(00220110einnRRRFRFRFFR图2－5组合材料层第二章建筑围护结构的传热原理及计算F1、F2、…Fn――按平行于热流方向划分的各个传热面积(m2)；R01、R02、…R03、——各个传热部位的总传热阻(m2·K／W)；Ri——内表面换热阻，取0．11(m2·K／W)；Re——外表面换热阻，取0．04(m2·K／W)；φ——修正系数，按表４－4取值。式中:――平均热阻(m2·K／W)；F0——与热流方向垂直的总传热面积(m2)；R第二章建筑围护结构的传热原理及计算在按表2－1选取修正系数φ值时，应注意以下规定：(A)当围护结构中存在圆孔时，应先将圆孔折算成同面积的方孔，再按上述方法进行计算；表2－1修正系数φ值第二章建筑围护结构的传热原理及计算(B)当围护结构由两种材料组成时，λ2应取较小值，λ1应取较大值，然后求两者的比值；(C)当围护结构由3种材料组成时，φ值则按比值求取。第二章建筑围护结构的传热原理及计算三、围护结构的传热过程围护结构包括外门窗、外墙和屋顶等构件，其传热的3个基本过程及每个过程的主要传热方式如下图：第二章建筑围护结构的传热原理及计算1．表面感热围护结构的内表面主要通过对流和辐射方式从室内得到热量，内表面单位面积上在单位时间从室内得到的热量，即到达围护结构内表面的热流密度可用下式计算：qi=αi(ti－θi)(2－1)式中：qi－－内表面的热流密度，W／m2；ti，θi－－分别为室内空气及围护结构内表面温度，℃；αi－－内表面换热系数，W/（m2·K）。第二章建筑围护结构的传热原理及计算内表面换热系数的定义为：当内表面与室内空气之间的温差为1K（1℃）时，单位时间内通过单位表面积的传热量。内表面换热系数应为内表面辐射换热系数（αri）与内表面对流换热系数（αci）之和。即：αi=αri+αci第二章建筑围护结构的传热原理及计算在建筑热工计算中，围护结构内表面换热系数可根据其表面状况直接查表求得（见表2－2)。内表面换热系数的倒数称为内表面换热阻（Ri)。即Ri＝1/αi。这样，公式（2－1)又可写成：qi=(ti－θi)/Ri(2－2）内表面换热阻的单位为（m2·K）／W。其值也可在表2－2中查出。第二章建筑围护结构的传热原理及计算表2－2内表面换热系数αi及内表面换热阻Ri值第二章建筑围护结构的传热原理及计算2、平壁材料层的导热根据多层平壁导热的计算公式可直接写出：njjeiRq1＝第二章建筑围护结构的传热原理及计算3．表面散热表面散热和表面感热在传热机理上相同，都是表面与周围环境和空气之间通过辐射和对流进行热交换。它们的计算式也相近似，即：qe=αe(θe－te)(2－5)式中：qe——外表面的热流密度，即单位时间、单位面积向室外散发的热量，W／m2；αe——外表面换热系数，W／（m2·K）；θe，te——外表面及室外空气的温度，℃。外表面换热系数（αe）的倒数称为外表面换热阻(Re)，即Re＝1/αe或αe＝1/Re式2－5也可写为：eeeetRq1（2－6〕第二章建筑围护结构的传热原理及计算表2－3外表面换热系数αe及外表面换热阻Re值一般围护结构的外表面换热系数和外表面换热阻均可查表2－3求得。第二章建筑围护结构的传热原理及计算对于一维稳定传热过程，则应满足：q＝qi＝qλ＝qe联立方程，可解得：)(11)()()(0eieieeeiiittKdttqeieiRRRttq第二章建筑围护结构的传热原理及计算令：Ro＝Ri＋∑Rj＋Re及K0＝代入上式可写成：(2-7)或q=K0(ti－te)(2-8)式中“K0”称为围护结构的传热系数，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／(m2·K)］。显然，在同样室内外温差条件下，K值愈小,则在单位时间内通过围护结构的传热量愈少。所以传热系数K可以说明围护结构在稳定传热条件下的保温性能。oR1eiRttqo1第二章建筑围护结构的传热原理及计算物理量Ro为围护结构的传热阻（或称为总热阻），是传热系数K的倒数，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。传热阻Ro愈大，则通过围护结构的热量愈少。所以，传热阻同样是说明围护结构保温性能的重要指标，建筑设计者常需应用这一指标。第二章建筑围护结构的传热原理及计算【例2－1】求图2－6所示外墙的传热阻（Ro）和传热系数，及当其面积为5m2，室内外温度各为18℃及一12℃时，在单位时间内的传热量。【解】①由附录查出各种材料的导热系数：钢筋混凝土λ＝1.74W/(m·K)加气混凝土（ρ＝500kg/m2）λ＝0.19W/(m·K)抹面层（石灰、水泥复合砂浆）λ＝0.87W/(m·K)图2－61、抹面层；2、加气混凝土（500kg/m2)；3、钢筋混凝土第二章建筑围护结构的传热原理及计算②求各层热阻：抹面层R1＝0.04/0.87＝0.046加气混凝土R2＝0.15/0.19＝0.79钢筋混凝土R3＝0.18/1.74＝0.103内表面感热阻Ri＝0.11(查表3－1)外表面散热阻Re＝0.04(查表3－2)第二章建筑围护结构的传热原理及计算③墙体传热阻Ro：Ro＝0.11+0.046+0.79+0.103+0.04=1.089(m2·K)/W④传热系数K：K＝1/Ro＝1/1.089＝0.918W/(m2·K)⑤计算单位时间传热量Q：Q＝0.918×(18＋12)×5＝137.74W第二章建筑围护结构的传热原理及计算四、封闭空气间层的热阻空气间层中的传热和在固体材料中不同，它不是以导热为主，而是有辐射、对流、导热3种方式，其中辐射传热约占总传热量的60％～70％而导热只占10％左右。因此，空气间层的热阻主要取决于间层两个表面间的辐射和对流换热的能力；即取决于表面材料的辐射系数、间层形状、厚度、设置方向（水平、或垂直向），以及间层所处的环境温度等。第二章建筑围护结构的传热原理及计算图2－7为几种不同表面的垂直空气间层热阻。其中，曲线1为未加反射材料，曲线2为在一个表面加反射材料，曲线3为在间层两表面都加反射材料。同时由于辐射和对流换热量都随环境温度的不同而有较大变化，在低温环境中辐射换热量比高温环境少，热阻较大。图2－7所示为冬季（低温）状况下的热阻。