建筑热工学(三)

建筑热工学(三)

第一篇、建筑热工学第二章、建筑围护结构的传热原理及计算建筑科学与工程学院栾蓉\n第一节、稳定传热之一——一种最简单和最基本的传热方式tite恒定的热作用——通常用于采暖房间冬季条件下的保温设计tite周期热作用——用于空调房间的隔热设计——用于自然通风房间的夏季隔热设计tite\n第一节、稳定传热之二——平壁的稳定传热一维稳定传热特征:１、通过平壁的热流强度q处处相等。即对平壁内任一截面，其流进和流出的热量相等；２、同一材质的平壁内部各界面温度分布呈直线关系。即温度随距离的变化规律为直线。传热过程中，室内外热环境通过围护结构而进行的热量交换，包含导热、对流以及辐射换热三种方式。当围护结构受到恒定热作用时，围护结构内部的温度分布和通过围护结构的传热量会处于一种不随时间而变化的稳定传热状态。温度场不随时间变化的传热过程——稳定传热过程tite设:ti>te注：建筑热工中的“平壁”不仅是指平直的墙体，还包括地板、平屋顶及曲率半径较大的穹顶、拱顶等结构。稳定传热是指我们所研究的物体或者体系，无论整体还是局部都保持与时间无关的恒定温度状态。通常指采暖房屋冬季条件下的保温设计。\n一、内表面吸热阶段ti>θi,内表面以对流和辐射的方式吸热——室内其它表面以辐射形式传给平壁内表面的热量w/m2——平壁内表面的热转移系数w/（m2K）——室内空气及其它表面的温度——围护结构内表面的温度——室内空气以对流形式传给平壁内表面的热量——平壁内表面吸热量w/m2λdtiteθi传热过程经历以下三个阶段：第一节、稳定传热之二——平壁的稳定传热\n一、内表面吸热阶段经验数据:表面特性IW/(m2•K)RI(m2•K)/W)墙面、地面、表面平整或有肋状突出物的顶棚（h/s0.3）8.70.11有肋状突出物的顶棚（h/s>0.3）7.60.13内表面热转移阻Ri第一节、稳定传热之二——平壁的稳定传热\n二、平壁材料层导热阶段λdtiteθiθe——通过平壁的导热量w/m2——平壁外表面的温度℃三、外表面散热阶段θe>te，外表面把热量以对流和辐射的方式传给室外的空气——外表面的散热量，w/m2——外表面的热转移系数，w/（m2K)qee第一节、稳定传热之二——平壁的稳定传热\n三、外表面散热阶段季节表面特征eRe冬季外墙、屋顶、与室外空气直接接触的表面23.00.04与室外空气相通的不采暖地下室上面楼板17.00.06闷顶、外墙上有窗不采暖地下室上面楼板12.00.08外墙上无窗的不采暖地下室上面的楼板6.00.17夏季外墙和屋顶19.00.05第一节、稳定传热之二——平壁的稳定传热\n综上所述，对于一维稳定传热过程有：上式联立:Q——通过平壁的传热量w/m2R0——平壁的总传热阻，表示热量丛平壁一侧传到另一侧是所受到的总阻力m2k/w物理含义：当ti-te=1℃时，单位时间内通过平壁单位表面积的传热量w/(m2k)K0——平壁的传热系数第一节、稳定传热之三——总热阻和总传热系数\n第一节、稳定传热之四——材料层热阻的计算分析常见的围护结构有：单一材料层、组合材料层和封闭空气间层等（一）单一材料层的热阻（二）组合材料层的热阻组合壁：在建筑工程中，维护结构内部个别材料层常出现两种以上材料组成的组合材料层。材料层的热阻\n第一节、稳定传热之四——材料层热阻的计算分析1、经过多层平壁的导热凡是由几层不同材料组成的平壁称为“多层壁”，例如双面粉刷的砖砌体。d1d2d3λ1λ2λ3θiθe设，且θ不随时间变化表示层间接触面的温度。θ2θ3整个平壁看作三个单层壁组成，分别计算通过每一层的热流强度。λ1λ2λ3d1d2d3titeθiθe\n第一节、稳定传热之四——材料层热阻的计算分析稳定导热条件下：否则θ会随时间变化！其中：R1、R2、R3分别为第一、二、三层的热阻对于n层多壁层的导热计算公式可依次类推为：1234n式中每一项Rj代表第J层的热阻，为第N层外表面的温度。结论：多层壁的总热阻等于各层热阻之和\n第一节、稳定传热之四——材料层热阻的计算分析设组合壁的平均热阻为：其中：F是各部分在垂直热流方向的表面积m2如图，平行于热流方向沿材料层中不同材料的界面将其分隔为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等部分。分别计算各部分的热阻RⅠ、RⅡ、RⅢ——修正系数，3、若围护结构存在圆孔时，应先将圆孔折算成同等面积的方孔。1、当围护结构有两种材料组成，1为较大值，2为较小值，按2/1取值2、当围护结构有三种材料组成，1为较大值，按比值（2+3）/21取值注：2、经过组合材料层平壁的导热\n第一节、稳定传热之五——封闭空气间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有：导热、对流和辐射。其中：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。\n第一节、稳定传热之五——封闭空气间层的热阻1、垂直空气间层中，θ1>θ2*当间层厚度很薄时(d<0.5cm)气流的流动困难，气流近似为静止，对流换热很弱*当间层厚度较薄时热气流和冷气流相互干扰，形成局部环流，使边界层减薄。*当间层厚度增加(d>10cm)上升气流和下降气流干扰程度逐渐减小*当厚度达到一定程度时，就与自然对流情况类似。一、空气层中的传热方式分析：\n第一节、稳定传热之五——封闭空气间层的热阻2、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、结论：普通空气间层的传热量中辐射换热占很大比例，要提高空气间层的热阻须减少辐射传热量。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。1—纯导热换热量；2—对流换热量；3—总换热量二、不同传热方式的传热量比较：\n第一节、稳定传热之五——封闭空气间层的热阻2、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：4~4.5J/(m2hk4)例如：铝的辐射系数0.25~0.96J/(m2hk4)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2-4得空气间层的热阻Rag\n第一节、稳定传热之六——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λ1λ2λ3d1d2d3titeθiθe稳定传热条件下：得内表面温度：一、计算公式\n第一节、稳定传热之六——平壁内部温度的计算由此推广得：层次编号顺着热流方向其中：得：\n第一节、稳定传热之六——平壁内部温度的计算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。二、壁体内部温度的图解法由上：其中ti、R0、Ri、te为常数，而θn是变量∑Rn的一次函数，则以热阻为横坐标，温度为纵坐标，则温度分布为一直线。bRKθnn+=å1R21RR+3q2qnqåmR1234n\n第一节、稳定传热之六——平壁内部温度的计算二、壁体内部温度的图解法具体方法：（如图）C00itAiq2q3qeqC000tBiR1R2R3ReRitiq2q3qeq0t1d2d3d\n第一节、稳定传热之七——应用举例例1：如图所示外墙，当其面积为5m2，内外墙温度各为18oC和-12oC时，在单位时间内的传热量为多少？1—抹面墙（石灰水泥复合砂浆）；2—加气混凝土（密度为500kg/m3）；3—钢筋混凝土解：由附录I查得各材料的导热系数抹面墙加气混凝土加气混凝土20150180201、各层热阻分别为：\n第一节、稳定传热之七——应用举例例1：如图所示外墙，当其面积为5m2，内外墙温度各为18oC和-12oC时，在单位时间内的传热量为多少？20150180202、墙体传热阻为：3、单位时间传热量为：\n第一节、稳定传热之七——应用举例例2：求组合壁的导热热阻。123414028014015151201202401—石灰沙浆；2—红砖砌体；3—炉渣；4—水泥沙浆解：由附录I查得各材料的导热系数砖砌体炉渣石灰砂浆水泥砂浆此处我们截取高为6m、宽为1m的一块砖作为计算单元。1.求各材料热阻：R砖=\n第一节、稳定传热之七——应用举例12341402801401515120120240R渣=2、求平均热阻（由式1-7得）3、整个多层壁的导热热阻为：R=R1+R2+R3+R4+R5=0.015/0.93+0.12/0.81+0.541+0.12/0.81+0.015/0.81=0.872(m2k/w)\n第一节、稳定传热之七——应用举例例3：求钢筋混凝土圆孔板冬季的热阻（设热流为自下而上）。（1）将圆孔折算为等面积的正方形孔0.0890.0230.0210.0890.020b2=d2/4b=0.079m0.0790.0330.0260.0790.025解：（2）计算各部分的传热阻R0.1=0.026/1.74+0.17+0.025/1.747+0.11+0.04=0.349(m2•K/W)有空气间层部分无空气间层部分R0.2=0.13/1.74+0.11+0.04=0.225(m2•K/W)\n第一节、稳定传热之六——应用举例（3）求修正系数已知：钢筋混凝土的导热系数：1.74w/(m•k)空气的导热系数：0.079/0.17=0.46w/(m•k)λ1=1.74w/(m•k)λ2=0.46w/(m•k)0.46/1.74=0.267由表2-1：修正系数φ=0.93（4）圆孔板的平均热阻代入数据，可得\n第一节、稳定传热之七——应用举例例4：若室内气温为15℃，室外气温为-10℃，试求墙体的热流强度以及内部温度分布。15℃—石膏板12—石膏板12—矿棉板70—空气间层50—石棉水泥板6-10℃解：查表得导热系数石膏板：0.33矿棉板：0.07石棉水泥板：0.52R空气=0.21m2k/w1、墙体总热阻：\n第一节、稳定传热之七——应用举例2、通过墙体的热流强度3、墙体内的温度分布15℃—石膏板12—石膏板12—矿棉板70—空气间层50—石棉水泥板6-10℃Ri=0.133石膏板0.036空气间层0.21Re=0.05石棉水泥板0.115矿棉板1.0\n第一节、稳定传热之七——应用举例\n0.1330.1691.1690.51.01.51.2051.4151.531.583.06.09.012.015.0-3.0-6.0-9.0012.9012.33-3.50-4.07-7.39-9.21\n第二节、周期性不稳定传热之一——简谐热作用周期性不稳定传热——外界热作用随时间周期性的变化Zt变换为其中：简谐公式：\n第二节、周期性不稳定传热之二——谐波热作用下的传热特征（1）分析室外温度平壁外表面温度平壁内表面温度\n第二节、周期性不稳定传热之二——谐波热作用下的传热特征（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其中：\n第二节、周期性不稳定传热之二——谐波热作用下的传热特征解释：R1R2R3d1d2d3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。\n第二节、周期性不稳定传热之三——材料和围护结构的热特性指标1、材料的蓄热系数S(w/m2k)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Aq与该表面的温度振幅Af之比称为材料的蓄热系数当Z=24h时物理意义：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。注：在同样的谐波热作用下，蓄热系数越大，表面温度波动越小\n第二节、周期性不稳定传热之三——材料和围护结构的热特性指标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。封闭空气层：S=0D=0组合材料层：\n第二节、周期性不稳定传热之三——材料和围护结构的热特性指标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。R4R3R2R1\n第二节、周期性不稳定传热之三——材料和围护结构的热特性指标计算方向外nn-1….21内YneYn-1eY2eY1e第一层外表面：(a)各材料层的外表面Ye第m层外表面：第n层（最外层）外表面：\n第二节、周期性不稳定传热之三——材料和围护结构的热特性指标第n层（最外层）内表面：(b)各材料层的内表面YiYniYn-1iY2iY1i外nn-1….21内计算方向第m层内表面：最内层内表面：\n第二节、周期性不稳定传热之四——谐波作用下的平壁的传热计算设平壁两侧受到的谐波作用为：外侧：内侧：分为三个过程：1、在室内平均温度和室外平均温度作用下的稳定传热过程围护结构内表面的温度\n第二节、周期性不稳定传热之四——谐波作用下的平壁的传热计算2、在室外谐波热作用下的周期传热过程，此时室内气温不变，在平壁内表面的温度振幅为Aif,e——温度波动由室外传到平壁内表面的振幅总衰减度。——温度波动从室外传到内表面的相位延迟角（deg）则在外侧谐波热作用下引起内表面温度谐波为：\n第二节、周期性不稳定传热之四——谐波作用下的平壁的传热计算3、在室内谐波热作用下的周期传热过程，此时室外气温不变,在平壁内表面的温度振幅为Aif,i——温度波动由室内传到平壁内表面的振幅总衰减度。——温度波动从室内传到内表面的相位延迟角（deg）则在内侧谐波热作用下引起内表面温度谐波为：\n第二节、周期性不稳定传热之四——谐波作用下的平壁的传热计算4、确定内表面温度合成波的振幅和初相位两个谐波作用：合成波的振幅：N=A1sinΦ1+A2sinΦ2M=A1cosΦ1+A2cosΦ2若M为+，N为+Φif为第一向限α=0°若M为-，N为+Φif为第二向限α=90°若M为-，N为-Φif为第三向限α=180°若M为+，N为-Φif为第四向限α=270°讨论：\n第二节、周期性不稳定传热之四——谐波作用下的平壁的传热计算5、围护结构内表面的温度内表面的最高温度：可见：欲得在谐波作用下平壁内表面的温度，须计算衰减度和相位延迟\n第二节、周期性不稳定传热之五——温度波在平壁内的衰减和延迟计算1、室外温度谐波传至平壁内表面时的衰减和延迟计算——围护结构的衰减倍数——平壁总的热惰性指标——平壁内外的表面的换热系数——由内到外各材料层的蓄热系数——由内到外各材料层外表面的蓄热系数热工设计中，习惯用延迟时间表示延迟相位取Z=24小时\n第二节、周期性不稳定传热之五——温度波在平壁内的衰减和延迟计算2、室内温度谐波传至平壁内表面时的衰减和延迟计算只经过一个边界层的振幅衰减和相位延迟过程\nTheEndThanks！