第四讲：建筑围护结构的传热计算与应用

1第四讲：第2章：建筑围护结构的传热计算及应用Zhang-Xiuxin2本讲主要内容：4.1建筑围护结构的传热过程4.1.1建筑围护结构热转移方式4.1.2围护结构的传热过程和传热量4.1.3结构传热的两种方式4.2稳定传热4.2.1）一维稳定传热特征4.2.2）单层平壁的导热和热阻4.2.3）平壁的稳定传热过程4.2.4）封闭空气间层的热阻4.2.5）平壁内部温度的计算3.3周期性不稳定传热34.1建筑围护结构的传热过程房屋围护结构时刻受到室内外的热作用，不断有热量通过围护结构传进传出。在冬季室内温度高于室外，热量有室内传向室外；在夏季则正好相反，热量由室外传向室内。44.1.1建筑围护结构热转移方式热转移方式有三种：传导（Conduction），是固体内热转移的主要方式；对流（Convection），是流体即液体与气体内热转移的主要方式辐射（Radiation），是自由空间热转移的主要方式。53.1.2围护结构的传热过程和传热量传热的3个基本过程及每个过程的主要传热方式表面感热、构件传热、表面散热6传热的三个其本过程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----冬季外表面向室外空间散发热量，夏季内表面向室内散热。每一个传热过程都是三种基本传热方式的综合过程。表面吸热和表面放热的机理是相同的，称为“表面换热”7结构传热在建筑热工学中，结构传热只对平壁传热作叙述，平壁不仅包括平直的墙壁、屋顶、地板，也包括曲率半径较大的墙、穹顶等结构。本教材的结构传热只讨论一个方向的热流传递，即一维传热或单向传热。依据室内外温度的特点，结构传热分为两种方式：1）稳定传热；2）不稳定传热。8结构传热的两种方式稳定传热（恒定的热作用）：结构两侧（室内和室外）有温差，且室内温度和室外温度不随时间而改变。冬季采暖房屋外围护结构的保温设计，一般按稳定传热计算。9结构传热的两种方式不稳定传热（周期热作用）：结构两侧有温差，但温差方向的温度不是恒定而是随时间在变化。在建筑上遇到的不稳定传热多属周期性不稳定传热，即热作用和结构内部温度呈周期性变化。按热作用的情况，不稳定传热分为：1）单项周期热作用（如空调房间的隔热设计）；2）双向周期热作用（如自然通风房间夏季隔热设计）。10不稳定传热（a）单项周期热作用；（b）双向周期热作用周期性不稳定传热作用：即热作用和物体内部温度呈周期性变化。114.2稳定传热4.2.1一维稳定传热的特征a）在单位时间、单位面积上通过平壁的热量即热流强度q处处相等。就平壁内任一截面而言，流进流出的热量相等。b）同一材质的平壁内部各界面温度分布呈直线关系。eidq12一维稳定传热的计算公式式中：t2-低温表面温度t1-高温表面温度q-热流密度，w/m2即单位面积上的热流量或热流强度。d-单一实体材料的厚度。134.2.2平壁内的导热过程a）单层匀质平壁的导热：计算公式中d/λ定义为热阻，用R表示热阻定义：是热量由平壁内表面（θi）传至外表面（θe）过程中的阻力，表示平壁抵抗热流通过的能力。热阻越大，通过材料的热量越小，围护结构的保温性能越好。WKmdRdqei/2热组：单层匀质平壁的稳定导热方程：14b)多层平壁的导热多层平壁：由几层不同材料组成的平壁。如双面抹灰的砖砌墙体。15多层平壁的导热多层平壁导热计算公式：多层平壁的总热阻等于各层热组的总和16c)多种材料组成的组合材料层的平壁导热在实际应用中围护结构有时是两种或两种以上的材料组合而成的复合结构，如空心楼板、带肋的填充墙等。如图17多种材料组合成的平壁导热求组合壁的导热量q，关键是求组合壁的平均热阻R，其R的计算公式如下：einoneinonRRRRRFFFFRRRRFRFRFFR.2.01.0210.2.021.010,,平均热阻-----与热流方向垂直的总传热面积按平行于热流方向划分的各个传热面积各个传热面部位的传热组内表面换热阻，取0.11.内表面换热阻，取0.04修正系数，查课本表2-1184.2.3平壁的稳定传热过程a）内表面吸热qI：b）平壁材料层的导热qλ：c）外表面的散热qe：一维稳定传热过程qi=qλ=qe通过平壁的传热量q为：iiiitqeeeetq332211/dddqeieieieittKdttq011平壁的传热系数，其物理意义：当温差为1℃时，在单位时间内通过平壁单位面积的传热量。19计算平壁稳定传热的几个物理量可以查表的量：αi平壁内表面的换热系数Ri平壁内表面的换热阻Re平壁外表面的换热阻αe平壁外表面的换热系数计算的量R0平壁的传热阻K0平壁的传热系数，eieieittKdttq011eieiRdRdKR11100204.2.4）封闭空气间层的热阻静止的空气介质导热性很小，在建筑设计中常用封闭间层作为围护结构的保温层。空气间层的传热：是有限空气层的两个表面之间的热转移过程，包括对流换热和辐射换热。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）及间层所处的环境温度。21垂直封闭空气间层辐射与对流传热量的比较“2”线~”3”线：间层空气的辐射换热量。如图：“1”线：间层空气静止态纯导热量。“2”线：间层空气对流换热量“3”线：间层空气的总的传热量。辐射换热量占总换热量的70%22减少空气间层传热，提高间层热阻方法：1）将空气间层布置在维护结构的冷侧，降低间层的平均温度，减少辐射换热量。2）在间层壁面上涂贴辐射系数小的反射材料，目前建筑中采用的主要是铝箔。23间层壁面加反射材料可提高空气间层热阻几种不同表面的垂直空气层热阻1.未加反射材料2.一个表面加反射材料3.两个表面加反射材料244.2.5平壁内部温度的计算平壁内部温度的计算包括三方面：1）求壁体内表面温度。2）计算多层平壁内任一层的内表面温度。3）求壁体外表面温度25平壁内部温度的计算1）求壁体内表面温度。2）计算多层平壁内任一层的内表面温度。3）求壁体外表面温度计算公式如右式：11iiiieonijjniieooeeiieoRtttRRRtttRRRtttR264.2建筑保温与节能的计算在寒冷和严寒地区，采暖建筑物耗热量指标是建筑围护结构热工性能权衡判断的依据，又是评价采暖建筑节能设计的重要指标。建筑物耗热量指标：是指在采暖期室外平均温度条件下，采暖建筑为保持室内计算温度，单位建筑面积在单位时间内消耗的、需由室内采暖设备供给的热量，单位瓦每平米。建筑物耗热量指标由通过围护结构的传热耗热量和通过门窗缝隙的空气渗透、空气调节耗热量三部分组成。274.2.1建筑物耗热量计算1、计算单位建筑面积通过围护结构的传热耗热量：围护结构的面积。建筑面积。----/..001.imiiiieiTHFAAFkttq0/...AVNCttqpeiINF2、计算单位建筑面积的空气渗透耗热量：283、建筑物耗热量指标计算：）（，住宅建筑取家电和人体散热包括炊事、照明内部得热单位建筑面积的建筑物透耗热量单位建筑面积的空气渗结构的传热耗热量单位建筑面积通过围护2..../3.80)(------mWqqqqqqqHIINFTHHIINFTHH•当建筑物耗热量指标小于《民用建筑节能设计标准》JCJ26-95所规定值，判断建筑符合建筑围护结构热工设计性能要求294.2.2建筑采暖耗煤量）标准煤采暖耗煤量指标（221/24mkgqHqZqccHc•采暖耗煤量是指在采暖期室外平均温度条件下，为保持室内计算温度，单位建筑面积在一个采暖期内消耗的标准煤量，单位：kg/m2•一般用建筑采暖耗煤量指标来衡量建筑物是否达到节能标准要求，或用来计算比较节能节煤的具体成效。304.4周期性不稳定传热在建筑实践中真正的稳定传热是不存在的，围护结构所受到的环境热作用是随时间变化的，尤其是室外环境因不能进行人工调节，所以每时每刻都在变化。外界热随时间发生变化时，维护结构内部的温度和通过维护结构的热流量也将发生变化。若外界热作用随时间出现周期性变化，这种传热过程叫周期性不稳定传热。314.4.1谐波热作用在周期性波动的热作用中，最简单最基本的是谐波热作用：即温度随时间的正弦或余弦函数作规则变化。一般用余弦函数表示，如下式：在τ时刻的温度，zAttzAtttt360cos在一周期内的平均温度温度波的振幅，即最高温度与平均温度之差温度波的周期，h。对室外温度波，一般以24h为一周期以某一指定时刻（如从午夜零点）起算的计算时间，h.温度波的初相角，度，即从起算时刻（一般为午夜零点）到温度波达到最高点的时间差，以角度计（如以24小时为一周期即360℃，则1小时相当于15℃）。若起算时刻区在温度出现最大值处则φ=0324.4.2谐波热作用的传热特征平壁在谐波热作用下具有以下几个基本传热特性：1）室外温度和平壁表面温度、内部任意截面处的温度都是同一周期的谐波动，都可用余弦函数表示。2）从室外空间到平壁内部，温度波动振幅逐渐减小，即：室外温度波的振幅（Ａe）＞平壁外表面温度波的振幅（Ａeｆ）＞平壁内表面温度波的振幅（Ａiｆ），这种现象叫做温度波的衰减。（niu）传热衰减的程度，即为平壁的总衰减度，用表示3）从室外空间到平壁内部，温度波的相位逐渐向后推延，即：室外温度波的初相位（Φe）＜平壁外表面温度波的初相位（Φeｆ）＜平壁内表面温度波的初相位（Φiｆ）。00eifAA33谐波热作用的传热特征34单向周期性热作用的外围护结构的内部温度变化情况354.4.3谐波热作用下材料和围护结构的热特性指标在周期性传热过程中，传热量的多少与材料、材料层的蓄热系数及材料层的热惰性有关。1）材料的蓄热系数（S）:一匀质半无限大壁体，在其一侧受到周期性波动热作用，迎波面（即直接受到外界热作用的一侧表面）上接受的热流振幅Aq与材料表面温度波动的振幅Aθ之比，叫材料的蓄热系数。材料的蓄热系数（S）反映了材料对波动热作用反应的敏感程度，在同样波动热作用下，蓄热系数大的材料，表面温度波动较小，即热稳定性好。qASA36材料的蓄热系数（S）的计算公式右式中：z----热流波动周期，以小时计，当热流波动周期为24小时，则得到24小时为周期的材料蓄热系数S24。各种主要建筑材料的S24查附录1。,,/22CzKmWzCAASq热流波动的周期，以小时计，如以一天为周期的供热则z=24h材料的导热系数，比热，密度KmWCS224/51.037材料的蓄热系数（S）的计算公式当遇到某一材料层是有几种材料组合而成时，则组合材料层的蓄热系数（）应由各材料蓄热系数按下式加权平均：组合材料层内各分部材料的蓄热系数；,,,,2121212211FFSSFFFSFSS各分部材料的表面积。S382）围护结构内表面蓄热系数内表面蓄热系数用Yi来表示，定义、计算公式如下：通过围护结构内表面热流波动的振幅A与内表面温度波动振幅A之比，称为维护结构内表面蓄热系数Y，以公式表示如下：39多层围护结构内表面蓄热系数内表面蓄热系数的数值和围护结构各层材料的性质及厚度有关，大致可分为两种情况加以考虑：1当围护结构内表面有较厚的一种材料组成时，内表面蓄热系数可用这层材料的材料蓄热系数值