建筑物理(热)-2-建筑围护结构的传热原理及计算ppt课件

本科生课程建筑物理 热 建筑热工学 BuildingThermalEngineering 展长虹 副教授 博导 哈尔滨工业大学 建筑学院 课程目录 绪论 建筑热工基础知识建筑围护结构的传热计算与应用建筑保温与节能建筑围护结构的传湿与防潮建筑防热与节能 2 建筑围护结构的传热原理及计算 2 1稳定传热2 2建筑保温与节能计算2 3周期性不稳定传热2 4建筑隔热设计控制指标计算 自然通风房间 空调房间 自然通风房间 采暖房间 空调房间 GB50736 2012民用建筑供暖通风与空气调节设计规范 JGJ134 2010夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准 标准 规范 规程有何区别与联系 在工程建设领域 标准 规范 规程是出现频率最多的 也是人们感到最难理解的三个基本术语 规范 一般是在工农业生产和工程建设中 对设计 施工 制造 检验等技术事项所做的一系列规定 规程是对作业 安装 鉴定 安全 管理等技术要求和实施程序所做的统一规定 标准 规范 规程都是标准的一种表现形式 习惯上统称为标准 只有针对具体对象才加以区别 当针对产品 方法 符号 概念等基础标准时 一般采用 标准 如 土工试验方法标准 生活饮用水卫生标准 道路工程标准 建筑抗震鉴定标准 等 当针对工程勘察 规划 设计 施工等通用的技术事项做出规定时 一般采用 规范 如 混凝土设计规范 建设设计防火规范 住宅建筑设计规范 砌体工程施工及验收规范 屋面工程技术规范 等 当针对操作 工艺 管理等专用技术要求时 一般采用 规程 如 钢筋气压焊接规程 建筑安装工程工艺及操作规程 建筑机械使用安全操作规程 等 在我国工程建设标准化工作中 由于各主管部门在使用这三个术语时掌握的尺度 习惯不同 使用的随意性比较大 这是造成人们最难理解这三个术语的根本原因 标准 的定义 为在一定的范围内获得最佳秩序 对活动或其结果规定共同的和重复使用的规则 导则或特性的文件 该文件经协商一致制定并经一个公认机构批准 以科学 技术和实践经验的综合成果为基础 以促进最佳社会效益为目的 标准化和有关领域的通用术语第一部分 基本术语 GB3935 1 1996 物理 导热 问题的完整数学描述 微分 数学方程 共性 单值性条件 个性 确定唯一解的附加补充说明条件 包括四项 几何 物理 时间 边界 引言 设备 围护结构 2 建筑围护结构的传热原理与计算 透明部分 不透明部分 外围护结构 内围护结构 设备 室内热环境 室外热环境 太阳辐射 空气的温湿度 风 雨 雪 围护结构 保证室内热舒适 2 建筑围护结构的传热原理与计算 四要素 评价方法 热舒适性 掌握基本的传热原理与计算 掌握围护结构保温 防热及节能指标的控制 了解材料的相关热物性 2 建筑围护结构的传热原理与计算 防热 保温 要保证 达到节能标准要求 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 可将室内外传热的计算模型归纳为如下两种 恒定的热作用 周期性热作用 传热过程 室内外热环境通过围护结构而进行的热量交换 包含导热 对流以及辐射换热方式 2 建筑围护结构的传热原理与计算 常用于采暖房间冬季条件下的保温设计 单向 双向 常用于空调房间的隔热设计 常用于自然通风房间的夏季隔热设计 合理的假设简化 是解决问题的常用做法 2 建筑围护结构的传热原理与计算 本章仅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 打好基础 才能解决更复杂的问题 2 建筑围护结构的传热原理及计算 2 1稳定传热 2 1 1一维稳定传热特征2 1 2平壁的导热和热阻2 1 3平壁的稳定传热过程2 1 4封闭空气间层的传热2 1 5平壁内部温度的计算 当围护结构受到恒定热作用时 即处于稳定传热状态 d q 2 1 1一维稳定传热特征 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 已知 1 一 大平壁 宽与高的尺寸远大于厚度 10倍以上 2 厚度为d的单层匀质材料 3 热物性皆为常数 4 无内热源 若 平壁两侧空气温度恒定 则通过平壁的传热情况也不会随时间变化 这种传热称为一维稳定传热 一维稳定传热的特征 1 平壁内各点温度均不随时间变化t f x 2 通过平壁的热流强度q处处相等 q Const 3 平壁内部温度呈直线分布 则 可认为通过平壁的热流只沿厚度方向传递 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 能满足一定的工程精度要求 是国内外在建筑热工计算中经常被采用的一种计算方法 恒定的热作用 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 2 1 1一维稳定传热特征 在建筑热工学范畴内 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 除一些特殊结构外 建筑工程中大多数围护结构都属于这个范畴 2 建筑围护结构的传热原理及计算 2 1稳定传热 2 1 1一维稳定传热特征2 1 2平壁的导热和热阻2 1 3平壁的稳定传热过程2 1 4封闭空气间层的传热2 1 5平壁内部温度的计算 当围护结构受到恒定热作用时 即处于稳定传热状态 单一围护结构材料 加气混凝土砖 聚氨酯墙体板 普通砖 苯板 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 2 1 2平壁的导热和热阻 严格地讲 建筑材料内部总会有孔隙存在 所以不是单纯的导热现象 还有对流和辐射换热方式存在 但由于其所占比例微小 在热工计算中 对围护结构材料层 不包含空气层 均按导热考虑 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 1 单层匀质平壁的导热 热阻R表示平壁抵抗热流通过的能力 如何调整热阻 壁面温度 壁面温度 2 1 2平壁的导热和热阻 单层匀质平壁的稳定导热方程 热阻 单层匀质平壁的稳定导热方程 房屋外围护结构一般都是由几层不同材料组成的多层平壁 如图示的三层平壁 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 2 多层平壁的导热 求q 2和 3 其它条件为已知 2 1 2平壁的导热和热阻 共几个未知数 i和 e表示平壁的内外表面温度 2和 3是内部材料层界面上的温度 是否有同学能直接给出结果 对n层平壁 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 2 多层平壁的导热 电路比拟分析方法 2 1 2平壁的导热和热阻 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 2 多层平壁的导热 2和 3还未求出 2 1 2平壁的导热和热阻 对于n层平壁 n 从右侧算起也可 实际建筑的围护结构常由多种材料构成 对于这些构造来说 在垂直于热流方向上已非匀质材料 称这种构造为组合材料层 轻质墙体板 利用混凝土 工业废料 炉渣 粉煤灰等 等制成的空心砌块在建筑上已得到广泛应用 3 组合壁的导热 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 2 1 2平壁的导热和热阻 livingwall 3 组合壁的导热 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 2 1 2平壁的导热和热阻 组合壁热阻理论计算方法 如果复合平壁的各种材料的导热系数相差较大时 应按二维或三维温度场计算 或用实验方法确定 A E B C D 3 组合壁的热阻 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 2 1 2平壁的导热和热阻 q q 有误差 平均热阻 平行于热流方向 沿材料层中不同材料的界面将其分成若干部分 3 组合壁的热阻 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 2 1 2平壁的导热和热阻 组合壁热阻工程计算方法 传热阻 内表面换热阻 导热阻 外表面换热阻 组合壁本身的传热阻 热工规范 Why 热流方向 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 注意 轻质墙体板 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 2 1 2平壁的导热和热阻 例2 1求屋顶钢筋混凝土 导热系数 1 74W m K 圆孔板冬季的 传 热阻 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 还需学习一点知识才能计算 2 建筑围护结构的传热原理及计算 2 1稳定传热 2 1 1一维稳定传热特征2 1 2平壁的导热和热阻2 1 3平壁的稳定传热过程2 1 4封闭空气间层的传热2 1 5平壁内部温度的计算 当围护结构受到恒定热作用时 即处于稳定传热状态 温度场不随时间变化的传热过程 稳定传热过程常用于建筑热工计算和估算 设 ti te 传热过程经历三个阶段 冬季 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 2 1 3平壁的稳定传热过程 有多种传热方式参与 1 内表面吸热 2 平壁材料层的导热 3 外表面散热 将外围护结构两侧空气换热考虑在内 注意 1 内表面吸热 ti i 内表面以对流和辐射的方式吸热 qi 平壁内表面吸热量w m2qic 室内空气以对流形式传给平壁内表面的热量qir 室内其它表面以辐射形式传给平壁内表面的热量w m2 i 内表面的换热系数w m2 K ti 室内空气及其它表面的温度 i 围护结构内表面的温度 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 2 1 3平壁的稳定传热过程 表2 2 h 肋高 s 肋间净距 适用于冬季和夏季 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 1 内表面吸热 2 1 3平壁的稳定传热过程 2 平壁材料层的导热 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 2 1 3平壁的稳定传热过程 3 外表面的散热 e te 外表面把热量以对流和辐射的方式传给室外的空气及环境 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 查表2 3 2 1 3平壁的稳定传热过程 对于一维稳定传热过程 q 通过平壁的传热量W m2 R0 平壁的总传热阻 表示热量从平壁一侧传到另一侧是所受到的总阻力 m2 K W 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 4 完整传热过程 2 1 3平壁的稳定传热过程 导热阻 注意与2 1 2节中的区别 注意用词 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 m2 K K0 平壁的传热系数 最常用 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 4 完整传热过程 2 1 3平壁的稳定传热过程 K0与R0都是极其重要的热工性能指标在不同时期的建筑节能设计标准中有明确规定限值 公共建筑节能设计标准GB50189 2005 严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准JGJ26 2010 2 建筑围护结构的传热原理及计算 2 1稳定传热 2 1 1一维稳定传热特征2 1 2平壁的导热和热阻2 1 3平壁的稳定传热过程2 1 4封闭空气间层的传热2 1 5平壁内部温度的计算 静止的空气介质导热性甚小 因此建筑设计中常利用封闭空气间层作为围护结构的保温层 垂直封闭空气间层的传热过程 2 1 4封闭空气间层的传热 传热特点 在空气间层中 导热 对流和辐射三种传热方式都存在 其传热过程实际上是在一个有限空气层的两个表面之间的换热过程 包括对流换热和辐射换热 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 空气间层不像实体材料层那样 当材料导热系数一定后 材料层的热阻与厚度成正比关系 在空气间层中 其热阻主要取决于空气间层的对流换热强度 受空气边界层厚度影响 和界面之间的辐射换热强度 所以 空气间层的热阻与厚度之间不存在成比例地增长的关系 空气间层内的对流换热 2 1 4封闭空气间层的传热 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 在有限空间内的对流换热强度 与间层的厚度 间层的位置 形状及间层的密闭性等因素有关 空气在不同的封闭空气间层中的自然对流 图中即为空气在不同封闭间层中的自然对流情况 图a 在d较大的垂直空气间层中 当间层两界面存在温差 1 2 时 热表面附近的空气上升 冷表面附近的空气下沉 形成间层内两股气流循环的自然对流换热状态 空气在不同的封闭空气间层中的自然对流 图b 当d较小 即间层厚度较薄时 上升和下沉的气流相互干扰 形成局部环流 对流换热强于 图a 情况 对于垂直的空气间层 当间层厚度增大时 上升气流与下沉气流相互干扰的程度越来越小 气流速度也随着增大 当厚度达到一定程度时 就与开敞空间中沿垂直壁面所产生的自然对流状况相似 2 1 4封闭空气间层的传热 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 空气间层内的对流换热 图c 在水平空气间层中 当热面在上方时 难以形成对流 间层内可视为不存在对流 图d 当热面在下方时 热气流的的上升和冷气流的下沉相互交替形成自然对流 这时自然对流换热最强 2 1 4封闭空气间层的传热 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 空气间层内的对流换热 间层的辐射换热量 与间层表面材料的辐射性能 黑度或辐射系数 和间层的平均温度有关 空气间层内的辐射换热 2 1 4封闭空气间层的传热 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 不同厚度的垂直封闭空气间层内不同传热方式的传热量的比较 单位温差下 图中 l 线是表示不同厚度空气间层处于静止状态的纯导热方式传递的热量 2 线表示的是对流换热量 3 线表示通过间层的总传热量 空气间层内对流及辐射换热综合分析 注 间层用一般建材 0 9 制成 3 线与 2 线之间表示的是辐射换热量 当间层厚度超过约4cm时 传热量减少趋势明显变缓 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 可减少辐射换热量 但效果不显著 2 最有效的方法是在间层壁面上涂贴辐射系数小的反射材料 目前在建筑中采用的主要是铝箔 根据铝箔的成分和加工质量的不同 它的辐射系数介于0 29 1 12W m2 K4 而一般建筑材料的辐射系数是4 65 5 23W m2 K4 在总的传热量中 辐射换热占的比例最大 约为总传热量的70 以上 因此 要提高空气间层的热阻 首先要设法减少辐射换热量 不同厚度的垂直封闭空气间层内不同传热方式的传热量的比较 单位温差下 铝箔 泡沫塑料复合防寒垫 5 线表示两个表面都贴上铝箔后的总传热量 与单面贴铝箔相比 增效提高的并不显著 从节约材料考虑 以一个表面贴反射材料为宜 垂直间层内不同传热方式的传热量的比较 图中 4 线表示间层内有一个表面贴上铝箔后的总传热量 3 4 降幅很大 这是由于辐射换热量大大降低 在实际设计计算中 空气间层的热阻Rag一般都采用表2 4所载的数据 在实际设计计算中 空气间层的热阻Rag一般都采用表2 4所载的数据 民用建筑热工设计规范 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 2 1 4封闭空气间层的传热 例2 1求屋顶钢筋混凝土 导热系数 1 74W m K 圆孔板冬季的 传 热阻 钢筋混凝土圆孔板各部分尺寸 热流 解 1 将圆孔折算成等面积正方孔 设正方形边长为b 则 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 解 2 分别计算各部分的传热阻 空气间层热阻 查表2 4 内表面换热热阻 查表2 2 外表面换热热阻 查表2 3 第2部分R0 2 无空气间层部分 第1部分R0 1 有空气间层部分 导热热阻 导热热阻 3 求修正系数 空气间层的当量导热系数 钢筋混凝土的导热系数 4 计算圆孔板的平均热阻 5分钟 2 建筑围护结构的传热原理及计算 2 1稳定传热 2 1 1一维稳定传热特征2 1 2平壁的导热和热阻2 1 3平壁的稳定传热过程2 1 4封闭空气间层的传热2 1 5平壁内部温度的计算 围护结构内部和表面温度的重要性 1 室内各表面的辐射温度影响室内人员的热舒适感觉 2 当围护结构内部或表面温度低于露点温度时 内表面将结露 结露将使室内湿度增大 引起建筑生霉及至恶化室内环境 散发异味 影响美观 围护结构墙体内层也可能结露 3 外墙 屋顶内部温度的计算 是建筑防潮设计的重要环节 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 2 1 5平壁内部温度的计算 在2 1 2及2 1 3中已学过 很重要 假设该墙体处于稳定传热状态 一维 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 2 1 5平壁内部温度的计算 已知 1 几何尺寸 2 热物性皆为常数 3 室内外空气温度 4 无内热源 内表面温度 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 外表面温度 同理 2 1 5平壁内部温度的计算 内部界面温度 电路模拟图 假设该墙体处于稳定传热状态 一维 ti te i 2 3 e 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 2 1 5平壁内部温度的计算 对多层平壁任一层的内表面温度 电路模拟图 假设该墙体处于稳定传热状态 一维 ti te i 2 m e 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 2 1 5平壁内部温度的计算 解决此类问题 一定要记住使用电路图 在稳定传热条件下 当各层材料的导热系数为定值时 每一材料层内的温度分布是一直线 在多层平壁中成一条连续的折线 材料导热系数越小 层内温度分布线的斜度越大 陡 反之 导热系数越大 层内温度分布线的斜度越小 平缓 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 2 1 5平壁内部温度的计算 Why 材料层内的温度下降程度与各层的热阻成正比 材料层的热阻越大 在该层内的温度降落也越大 ti te i 2 m e 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 1稳定传热 2 1 5平壁内部温度的计算 例2 2 已知室内气温为15 室外气温为 10 试计算下图中通过砖墙和钢筋混凝土预制板屋顶的热流量和内部温度分布 Ri 0 11m2 K W Re 0 04m2 K W 砖墙 钢筋混凝土预制板屋顶 5分钟 2 建筑围护结构的传热原理及计算 2 2建筑保温与节能计算 2 2 1建筑物耗热量2 2 2建筑采暖耗煤量 民用建筑节能设计标准JGJ26 95 严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准JGJ26 2010 50 65 本节内容请以此为准 已废止 民用建筑节能的阶段目标 30 50 65 在严寒和寒冷地区 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 也是评价采暖建筑节能设计的一个重要指标 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 2建筑保温与节能计算 2 2 1建筑物耗热量计算 建筑物耗热量指标 Indexofheatlossofbuilding 在计算采暖期室外平均温度条件下 为保持室内设计计算温度 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W m2 JGJ26 2010 2 0 4建筑物耗热量指标 q indexofheatlossofbuilding在采暖期室外平均温度条件下 为保持室内计算温度 单位建筑面积在单位时间内消耗的 需由室内采暖设备供给的热量 单位 m2 JGJ26 95 已废止 2 2 1建筑物耗热量计算 JGJ26 95 节能50 JGJ26 2010 节能65 对比相同城市的耗热量指标 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 2建筑保温与节能计算 2 2 1建筑物耗热量计算 建筑物耗热量指标 W m2 折合到单位建筑面积上的通过围护结构的传热量 W m2 折合到单位建筑面积上的建筑物内部得热量 W m2 折合到单位建筑面积上的空气渗透耗热量 W m2 建筑物耗热量指标组成 1 通过围护结构的传热耗热量 2 建筑物空气换气耗热量 3 不包括建筑物内部得热 炊事 照明 家电和人体散热 标准中说法不一致 1 折合到单位建筑面积上的通过围护结构的传热耗热量 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 2建筑保温与节能计算 2 2 1建筑物耗热量计算 各参数的意义 ti 16 18 te GB50736 2012民用建筑供暖通风与空气调节设计规范 严寒和寒冷地区供暖室内设计计算温度为18 24 2 单位建筑面积的空气渗透耗热量 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 2建筑保温与节能计算 2 2 1建筑物耗热量计算 各参数的意义 3 单位建筑面积的建筑物内部得热 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 2建筑保温与节能计算 2 2 1建筑物耗热量计算 W m2 包括炊事 照明 家电和人体散热 住宅建筑 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 2建筑保温与节能计算 2 2 1建筑物耗热量计算 为尊重建筑师的创造性工作 同时又使所设计的建筑能耗符合节能设计标准的要求 引入 权衡判断法 来检验建筑围护结构总体热工性能是否达到要求 进行建筑围护结构热工设计时 必须满足 严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准JGJ26 2010 的规定 主要指各围护结构的传热系数或热阻 及其它相关标准规范 4 3 1建筑围护结构热工性能的权衡判断应以建筑耗热量指标为判据 严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准JGJ26 2010 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 2建筑保温与节能计算 2 2 1建筑物耗热量计算 公共建筑节能设计标准中也有 权衡判断法 但内涵及实施方法与居住建筑节能设计标准不同 具体在第三章中进行对比讲解 公共建筑节能设计标准GB50189 2005 对此感兴趣的同学 可阅读JGJ26 2010与GB50189 2005这两个标准 2 2 2建筑采暖耗煤量 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 2建筑保温与节能计算 建筑采暖耗煤量 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 我国规定每千克标准煤的热值为7000千卡 29307 6千焦 一般一吨标煤估计排放二氧化碳为2 66 2 72吨 将供热系统效率考虑在内 用来综合衡量建筑物是否达到 采暖 节能标准的要求 JGJ26 2010 没有这个指标 2 2 2建筑采暖耗煤量 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 2建筑保温与节能计算 我国规定每千克标准煤的热值为7000千卡 29306千焦 JGJ26 2010 没有这个指标 1卡 4 18焦耳 2 2 2建筑采暖耗煤量 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 2建筑保温与节能计算 例2 3 试求呼和浩特市一栋3单元6层楼 层高2 7米 南北向 双层塑钢窗 楼梯间采暖的砖混结构住宅的耗热量和采暖耗煤量指标 已知 采暖期为10月21日至4月4日 Z 166d te 6 2 采暖期度日数为4017 d 建筑面积3139 1m2 建筑体积8789 4m3 外表面积2785 9m2 体型系数0 317 换气体积V 0 65 V0 5713 1m3 楼梯间采暖 各方向窗墙面积比是 南0 47 东0 11 西0 00 北0 22 其它各部分围护结构的传热系数与面积见Page38表 5分钟 2 3 1谐波热作用2 3 2谐波热作用下的传热特征2 3 3谐波热作用下材料和围护结构的热特性指标2 3 4谐波热作用下平壁的传热计算2 3 5温度波在平壁内的衰减与延迟计算 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 前面所讨论的稳定传热是假设围护结构的内外热作用不随时间而变 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 但实际上 围护结构所受到的环境热作用 不论室内或室外 都在随着时间发生变化 尤其是室外热作用 因不能进行人工调节 所以逐日逐时都在变化着 当外界热作用随时间而变时 围护结构内部的温度和通过围护结构的热流量亦将随时间发生变化 这种传热过程 称为不稳定传热 若外界热作用随着时间呈现周期性的变化 则叫做周期性 不稳定 传热 周期性传热是不稳定传热的一种特例 考虑不稳定传热的意义 1在夏季条件下 室外气温和太阳辐射的综合作用在昼夜之间变化剧烈 这时若将围护结构的传热过程简化为稳定传热 则不能反映客观的传热基本特性 所以必须按不稳定传热考虑 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2此外 随着建筑工业化程度的提高 轻型装配式围护结构日益推广 这类结构因热稳定性差 当室内外温度波动时 表面和内部温度很容易引起显著的变化 所以即使在冬季热工计算中 也要考虑到不稳定传热的特性 室外气温日变化周期 室外最高气温 室外最低气温 太阳辐射 日变化周期 室外气温 24h 14 00 15 00 4 00 5 00 12h 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 1谐波热作用 在建筑热工中研究的热作用 都带有一定的周期波动性 如室外气温和太阳辐射的昼夜小时变化 在一段时间内可近似地看作每天出现重复性的周期变化 围护结构朝向不同 其表面出现太阳辐射的最大值时间不同 东外墙 8 00水平屋顶 12 00西外墙 16 00 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 1谐波热作用 所以 在建筑热工中着重讨论周期性不稳定传热 这是不稳定传热中的一个特例 其他形式的不稳定传热过程是传热学教程讨论的范畴 建筑物围护结构处于室外空气温度周期变化及太阳辐射周期变化的影响下 冬天当采用间歇采暖方式时 室内气温也会呈周期性的波动 某工厂屋顶结构温度变化实例图 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 1谐波热作用 1 综合温度2 屋顶外表面温度3 屋顶内表面温度 综合温度te 工程上把室外空气 太阳辐射及表面长波辐射散热三者对围护结构的共同作用 用一个假想的温度te来衡量 3 围护结构的稳定传热与不稳定传热3 2围护结构的周期性不稳定传热 均呈周期波动 振幅A tmax tm Ate 37 1 Atw1 28 6 Atw2 4 9 温度最大值出现时间不同 时间延迟 振幅逐层减小 温度波衰减 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 简谐 热作用 即温度随时间呈正弦或余弦函数作规则变化 一般都用余弦函数表示 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 1谐波热作用 实测资料说明 综合温度的周期性波动规律可视为一简单的简谐波 simpleharmonicwave 曲线 也可表达成 式中 t是以平均温度为基准的相对温度 它是一个谐量 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 1谐波热作用 式中 角速度 360 Zdeg h Z为温度波的周期 若Z 24小时 则 15deg h 式中 t 在 时刻的介质温度 在一个周期内的平均温度 以某一指定时刻 例如昼夜时间内的零点 起算的计算时间 h 温度波的初相位 deg 若坐标原点取在温度出现最大值处 0 事实上 围护结构所受到的周期热作用 并不是随时间按余弦 或正弦 函数规则地变化的 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 1谐波热作用 实测的综合温度波曲线和简谐波曲线的比较 在分析计算精度要求不高的情况下 可近似按谐波热作用考虑 若计算精度要求较高时 可用傅立叶级数展开 通过谐量分析 把周期性的热作用变换成若干阶谐量的组合 由于各种周期性变化热作用 均可变换成谐波热作用的组合 所以通过研究谐波热作用下的传热过程 即能反映围护结构和房屋在周期热作用下的传热特性 任何连续的周期性波动曲线都可以用傅里叶级数表示 2 3 1谐波热作用2 3 2半无限厚壁谐波热作用下的传热特征2 3 3谐波热作用下材料和围护结构的热特性指标2 3 4谐波热作用下平壁的传热计算2 3 5温度波在平壁内的衰减与延迟计算 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 半无限大物体周期性变化边界条件下的温度波 导热微分方程 表面温度呈周期性变化 边界条件 数学模型 2 3 2半无限厚壁谐波热作用下的传热特征 半无限大物体的概念thedefinitionofsemi infinitesolid是指以无限大的y z平面为界面 在正x方向上伸延至无穷远的物体 如大地可看作半无限大物体 应用分离变量法求解 上式表达了周期性变化边界条件下的半无限大物体内的温度场 2 3 2半无限厚壁谐波热作用下的传热特征 t tm 1 室外温度和平壁表面温度 内部任一截面处的温度都是同一周期的谐波动 亦即均可用谐量示 式中 e 室外相对温度 Ae 室外温度波的振幅 e 室外温度波的初相位 deg e max 室外温度出现最高值的时刻 h 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 2半无限厚壁谐波热作用下的传热特征 谐波热作用通过平壁时的衰减和延迟现象 室外相对温度 平壁外表面温度 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 2半无限厚壁谐波热作用下的传热特征 ef Aef cos ef ef ef max 式中 ef 平壁外表面的相对温度 Aef 外表面温度波的振幅 ef 外表面温度波的初相位 deg ef max 外表面温度出现最高值的时刻 h 平壁内表面温度 式中 if 平壁内表面的相对温度 Aif 内表面温度波的振幅 if 内表面温度波的初相位 deg if max 内表面温度出现最高值的时刻 h 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 2谐波热作用下的传热特征 if Aif cos if if if max 周期均相同 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 2谐波热作用下的传热特征 2 从室外空间到平壁内部 温度波动振幅逐渐减小 即Ae Aef Aif 这种现象叫做温度波动的衰减 在建筑热工中 把室外温度振幅Ae与由外侧温度谐波热作用引起的平壁内表面温度振幅Aif之比称为温度波的穿透衰减度 今后简称为平壁的总衰减度 用 0表示 即 0 Ae Aif 地层温度波动 实例1 深度 振幅 等温层 当深度足够大时 温度波动振幅就衰减到可以忽略不计的程度 这种深度下的地温就可认为终年保持不变 称为等温层 地层温度波动 实例2 地面年最高温度为30 5 地面年最低温度为 3 5 地面年平均温度tm 13 5 地面年温度振幅Aw 17 某地 a 0 617 10 6m2 sT 365 24 8760h 3 从室外空间到平壁内部 温度波动的相位逐渐向后推延 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 2谐波热作用下的传热特征 即 e ef if 这种现象叫做温度波动的相位延迟 亦即出现最高温度的时刻向后推迟 e max与为 if max 二者之差称为温度波穿过平壁时的总延迟时间 用 o表示 o if max e max 总相位延迟为 o if e 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 2谐波热作用下的传热特征 360 Z 总相位延迟为 o if e o与 o之间的关系 o Z o 360式中 Z 温度波动的周期 o 总的相位延迟角 某地层温度延迟 若已知地表温度在夏季七月份到达最高温度 那么地下深3 2m处要延迟近75天 1800h 后才达到该层的最高温度 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 2谐波热作用下的传热特征 温度波在传递过程中为什么会产生衰减和延迟现象 材料的热容作用和热阻作用造成的 设想把一匀质实体平壁结构划分成四个厚度相同的薄层 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 2谐波热作用下的传热特征 通过下图即可看清热流是怎样从温度已升高的外表面通过整个壁体传递的过程 进入每一层的热流使该层的温度有所提高 为此所用的热量均贮存于该层内 多余的热量便依次转移至相邻较冷的层内 由于在壁体内部贮热的结果 到达最内层的热量要比通过最外层的热量少 其温度提高值也小 温度波衰减的形成 由此可见 壁体的任一截面均经历着加热及冷却的周期变化过程 1 内表面温度的波动振幅要低于外表面的波动振幅 2 内表面出现最高温度的时间比外表面出现最高温度的时间要晚 3 内表面与外表面的温度振幅比 取决于壁体的热物理性能及厚度 当壁体的厚度及热容量增大而材料的导热系数降低时 内表面的波动振幅就减小 出现最高值的延迟时间就越长 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 2谐波热作用下的传热特征 开始冷却时 即室外温度达到最高值 上述的过程便相反 即出现各层依次冷却的过程 2 3 1谐波热作用2 3 2谐波热作用下的传热特征2 3 3谐波热作用下材料和围护结构的热特性指标2 3 4谐波热作用下平壁的传热计算2 3 5温度波在平壁内的衰减与延迟计算 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 在稳定传热中 传热量的多少与作用温差 材料的导热系数和结构的传热阻密切相关 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 3谐波热作用下材料和围护结构的热特性指标 在谐波热作用下的周期性传热过程中 则与材料和材料层的蓄热系数及材料层的热惰性有关 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 3谐波热作用下材料和维护结构的热特性指标 周期传热中涉及的几个主要热特性指标 1 材料的蓄热系数 2 材料层的热情性指标 3 材料层表面的蓄热系数 Quiteimportant 在建筑热工中 把某一匀质半无限大壁体壁面受到谐波热作用时 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与该表面的温度波幅A0之比 称为材料的蓄热系数 用 S 表示 单位是w m2 K 按传热学理论 其计算式为 蓄热系数的物理意义 当物体表面温度波振幅为1K时 导入物体的热流密度 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 3谐波热作用下材料和维护结构的热特性指标 周期传热中涉及的几个主要热特性指标概述如下 1 材料的蓄热系数 式中 材料的导热系数 W m K c 材料的比热容 kJ kg K 材料的干密度 kg m3 Z 温度波动周期 h 周期性变化边界条件下 半无限大物体表面的热流密度也必然是周期性地从表面导入或导出 两个振幅之比 非两个瞬时值之比 当波动周期为24小时 则 S24松木 3 6S24混凝土 11 2 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 3谐波热作用下材料和维护结构的热特性指标 材料的蓄热系数是说明直接受到热作用的一侧表面 对谐波热作用反应的敏感程度的一个特性指标 也就是说 如果在同样的谐波热作用下 蓄热系数S越大 表面温度波动越小 在选择围护结构材料时 可通过材料蓄热系数的大小来调节温度波动的幅度 使围护结构具有良好的热工性能并适应房间使用功能特点 s不仅与材料热物理性能 c和 有关 还取决于外界热作用的波动周期Z 对同一种材料来说 热作用的波动周期越长 材料的蓄热系数越小 因此引起壁体表面温度的波动也越大 2 材料层的热情性指标 温度波振幅在材料层内是逐渐衰减的 这与材料本身有关 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 3谐波热作用下材料和维护结构的热特性指标 有限厚度 半无限大壁体 D R S式中R 材料层的热阻 m2 K w S 材料的蓄热系数w m2 K 材料层的热惰性指标 D 表征材料层受到波动热作用后 背波面 若波动热作用在外侧 则指其内表面 上的温度波动剧烈程度的一个指标 也就是说明材料层抵抗温度波动能力的一个特性指标 它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的阻力有关 D D1 D2 Dn R1S1 R2S2 RnSn 对多层材料的围护结构 热惰性指标为各材料层热惰性指标之和 如围护结构中有空气间层 由于空气的蓄热系数S为0 该层热情性指标D值也为0 材料层的热惰性指标愈大 说明温度波在其间的衰减愈大 围护结构的热稳定性越好 温度波的衰减与材料层的热惰性指标是呈指数函数关系 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 3谐波热作用下材料和维护结构的热特性指标 组合材料围护结构的热惰性指标 3 材料层表面的蓄热系数 在前面提出了材料蓄热系数S的概念 半无限大物体 但在工程实践中遇到的大多是有限厚度的单层平壁或多层平壁 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 3谐波热作用下材料和维护结构的热特性指标 在这种情况下 材料层受到周期波动的温度作用时 其表面温度的波动 不仅与材料本身的热物理性能有关 而且与边界条件有关 即在沿着温度波前进的方向 与该材料层相接触的介质 另一种材料或空气 的热物理性能和散热条件 对其表面温度的波动也有影响 所以 对于有限厚度的材料层 在此引进了材料表面蓄热系数的概念 用 Y 表示 以便与材料蓄热系数区别开来 举例 图中为由四层薄结构 D 1 0 组成的墙体 在室内一侧有波动热作用 则其内表面蓄热 材料层表面蓄热系数的计算 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 3谐波热作用下材料和维护结构的热特性指标 式中R S Y分别为各层的热阻 材料蓄热系数 内表面蓄热系数 e为外表面换热系数 表面蓄热系数Y的计算方法为 依照围护结构的材料分层 逐层计算 系数Yi的计算式应由近及远依次为 Yi Y4 R4S42 Y3 1 R4Y3 Y3 R3S32 Y2 1 R3Y2 Y2 R2S22 Y1 1 R2Y1 Y1 R1S12 e 1 R1 e Why 室内 室外 编号是从波动热作用方向的反向编起 各层表面蓄热系数计算式可以写成以下通用形式 Yn RnSn2 Yn 1 1 RnYn 1 式中n为各结构层的编号 距周期性热作用最远的值Yn 1用表面换热系数 代替 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 以上计算式中各层的编号是从波动热作用方向的反向编起的 另外 如构造层中某一层为 厚层 时 即D 1 0时 则该层的Y S 即该物体可视为半无限大物体 内表面蓄热系数可从该层算起 后面各层就可不再计算 如何求外表面的表面蓄热系数 热 室内 室外 2 3 1谐波热作用2 3 2谐波热作用下的传热特征2 3 3谐波热作用下材料和围护结构的热特性指标2 3 4谐波热作用下平壁的传热计算2 3 5温度波在平壁内的衰减与延迟计算 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 热工规范 中关于围护结构的热工设计 隔热设计 方面 主要是控制围护结构的内表面温度 前几节所学的基础知识在计算周期性热作用下的围护结构内表面温度时 都将会用到 Whatthehellareallthesethingsfor 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 4谐波热作用下平壁的传热计算 周期性热作用 围护结构可能一侧或两侧同时受到周期波动的热作用 解决这类问题 可将综合过程分解成几个单一过程 分别进行计算后利用叠加原理 把各个单一过程的计算结果叠加起来 即得最终结果 外侧 内侧 考虑最一般的情况 设平壁两侧受到的谐波作用 在围护结构的热工设计问题中 最关心的主要是围护结构的内表面温度 2 在室外谐波热作用 即相对温度 e 下的周期性传热过程 此时室内一侧气温不变动 由此引起平壁内表面的温度波动 其振幅为Aif e 双向谐波热作用传热过程的分解 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 4谐波热作用下平壁的传热计算 将双向谐波热作用分解成三个分过程 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 3 在室内谐波热作用 即相对温度 i 下的周期性传热过程 此时室外一侧气温不变动 由此引起平壁内表面的温度波动 其振幅为Aif i 任务 求解围护结构的内表面温度 按上述的分解过程 在双向谐波热作用下 围护结构的内表面温度可按下述步骤进行计算 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 4谐波热作用下平壁的传热计算 稳定传热的计算方法已在本章第一节中阐明 2 3 两个过程同属一类 只是热作用方向和振幅大小 波动相位不同而已 1 已知室外平均温度和室内平均温度 确定围护结构内表面的平均温度 我们关心的主要是围护结构的内表面温度 运用热阻网络图 2 已知室外温度波的振幅Ae和初相位 e 确定在外侧谐波热作用下所引起的内表面温度波的振幅Aif e和初相位 if e 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 4谐波热作用下平壁的传热计算 按衰减倍数的定义可知 按相位延迟的定义可知 if e e e if 在外侧谐波热作用下所引起的内表面温度谐波为 室外温度波的贡献 注意 此式中的衰减度和相位延迟还是未知数 3 已知室内温度波的振幅Ai和初相位 i 确定在内侧谐波热作用下引起的内表面温度波的振幅Aif i和初相位 if i 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 4谐波热作用下平壁的传热计算 室内温度波的贡献 按衰减倍数的定义可知 按相位延迟的定义可知 if i i i if 在外侧谐波热作用下所引起的内表面温度谐波为 注意 此式中的衰减度和相位延迟也是未知数 参考知识 两个同方向同频率简谐运动的合成 两个同方向同频率简谐运动合成后仍为简谐运动 矢量和 4 确定内表面温度合成波的振幅Aif和初相位 if 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 4谐波热作用下平壁的传热计算 室内外温度波的联合贡献 在内外谐波同时的热作用下实际的内表面温度谐波 乃是上述两个分谐波的合成 确定合成波的振幅和初相位角 由于在通常情况下 相位角 if e与 if i是不等的 亦即两个温度波出现最高值的时间不一致 所以合成波的振幅Aif不能直接将Aif e与Aif i相加而得 为书写简便起见 令A1 Aif e A2 Aif i 1 if e 2 if iN A1sin 1 A2sin 2M A1cos 1 A2cos 2 其中 角应视 if所在象限而定 当M为 十 N为 十 属第一象限 0 M为 一 N为 十 属第二象限 90 M为 一 N为 一 属第三象限 180 M为 十 N为 一 屑第四象限 270 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 4谐波热作用下平壁的传热计算 合成波的初相位为 则合成波的振幅为 5 最后计算围护结构的内表面温度 任一时刻的内表面温度 则 内表面的最高温度为 注意 此式中的衰减度和相位延迟依然是未知数 综上所述 欲得出在谐波热作用下平壁内表面的温度 问题在于如何计算衰减度 o和 if以及相位延迟 e if和 i if 倘若热作用是非谐性的周期热作用 则根据计算精度的要求 可将非谐性的室内外周期热作用 分成若干阶谐量 针对各阶谐量分别进行计算 最后叠加起来即得综合结果 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 4谐波热作用下平壁的传热计算 注意 此式中的衰减度和相位延迟依然是未知数 2 3 1谐波热作用2 3 2谐波热作用下的传热特征2 3 3谐波热作用下材料和围护结构的热特性指标2 3 4谐波热作用下平壁的传热计算2 3 5温度波在平壁内的衰减与延迟计算 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 衰减和延迟的精确计算是很复杂的 本教程不作具体介绍 只引用什克洛维尔 A M 提出的近似计算法 包含两部分内容 1 室外温度谐波传至平壁内表面时的衰减倍数和延迟时间的计算 2 室内温度谐波传至平壁内表面时衰减和延迟计算 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 5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倍数和延迟时间的计算 2 建筑围护结构的传热原理与计算2 3周期性不稳定传热 2 3 5温度波在平壁内的衰减和延迟计算 式中 D 平壁总的热惰性指标 等于各材料层的热惰性指标之和 S1 S2 各层材料的蓄热系数 w m2 K Y1 e Y2 e 各材料层外表面的蓄热系数 w m2 K i 平壁内