热工计算初步

1、热工计算初步 扔一个瓦片 一、先扯点蛋 几点必须的申明 由于以下原因 1,由于局限于自身水平.素质问题 2,热工方面的问题以前碰到的较少,主要结露方面的.节能及导热方面 的还是初次. 3,对相关规范虽然做了比较长时间的学习,但没有经过实际检验,都是 理论的东东,有很多问题未能暴露出来. 4,热工问题本身概念就比较抽象,对于非专业来说,存在一定的难度. 5,内容太多,难免挂一漏万.内容太杂，还没能理得太清. 6, 在讲之前需做几点重要申明: 1,首先申明这是一次交流.希望能够平等、认真而活泼的进行. 2,记性不太好,所以尽量都写下来. 3,在我讲的过程中及讲完后,最好不要提问,因为问了我此时也回

2、答不了. 4,你们所说的每一个问题,我都会记录在案,总有一天我会眦睚必报.不是 不报,时候未到,时候一到,统统报销.我希望这个时候不是一万年.越快越 好 5, 领导和同志们在热工这个问题上肯定会有一大部分比我认识更深,了 解更长,但也有一部分同志可能还没有机会接触这个问题.因此:估计这一 次,听进的不会满意,讲出的也没有过瘾,如果有机会, 再来二讲,三讲.我已 经做好了比dabang多若干次的心理和生理准备. 6,我心理素质不太好,人一多就哆嗦,不光只面对吴老二.所以有愿意在这 个问题上进一步探讨的.最好进行真正的单挑,两大人也需要辨日,这样才 能知道长短深浅.时间、地点、频率好说。一日三次，

3、一次三日均可 二、接着扯蛋 必要的基本概念 热传导：物体各部分无相对位移或不同物体直接接触时依靠分子、原子 及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。 导热率（导热系数）：衡量材料导热难易程度的热物理量。其意义是 单位厚度的物体具有单位温度差时，在它的单位面积上每单位时间的导 热量。W/mK (工程上常把小于0.3的材料称为绝热材料) 热对流：依靠流体的运动，把热量由一处传递到另一处的现象。 对流换热表面传热系数（对流换热系数）:其意义是指单位面积上，当流 体同固体壁之间为单位温度差，在单位时间内所能传递的热量。 W/m2K 热辐射：依靠物体表面对外发射可见和不可见的射线传递热量。 热流

4、量：单位时间通过单位面积的热量q=Q/F(W/m2) 太阳辐射照度：落在单位面积上的太阳辐射强度Is=Q/F(W/m2) 热传递基本概念一 夏季标准条件：用于门窗或幕墙产品设计、性能评价、热工参数计算的夏季标准热工计算环 境条件。 冬季标准条件：用于门窗或幕墙产品设计、性能评价、热工参数计算的冬季标准热工计算环 境条件。 传热系数：门窗或幕墙两侧环境温度差为1时，在单位时间内通过单位面积围护结构的传热 量（W/(m2F)） 遮阳系数：在给定条件下，太阳辐射透过外窗或幕墙所形成的室内得热量，与相同条件下透 过相同面积的标准玻璃（3mm厚透明玻璃）所形成的太阳辐射得热量之比。SC=g/0.87(g

5、为太 阳能总透射比) 热阻：表示热量从物体的一侧空间传到另一侧空间所受到阻碍的大小。一个围护体系的热阻 与其总传热系数互为倒数。物体的热阻与其导热系数成的关系（需考虑厚度的影响）： （R=d/） 太阳能总透射比：通过门窗或幕墙构件成为室内得热量的太阳辐射与投射到门窗或幕墙构件 上的太阳辐射的比值。成为室内得热量的太阳辐射部分包括直接的太阳能透射得热和被构件 吸收的太阳辐射再经传热进入室内的得热。 可见光透射比：标准光源透过门窗或幕墙构件成为室内的人眼可见光与投射到门窗或幕墙构 件上的人眼可见光，采用人眼视见函数加权的比值。 热传递基本概念二 窗、框面积概念 窗墙比:窗户洞口面积与房间立面单元面

6、积(即房间层高与开间定位线 围成的面积)的比值; 框室内侧面积：内部凸出框面积是内部平行于玻璃板框的面积； 框室外侧面积：外部凸出框面积是外部平行于玻璃板框的面积； 框面积：框面积是较两个凸出面积大的，从两个面能够看见的面积； 玻璃面积：当室内和室外两侧所见玻璃面积不同时，取其中的小者作 为计算所用的边框面积Ag。当玻璃与框相接处胶条能被见到时，所见 的胶条覆盖部分也应计入玻璃面积。 玻璃周长：玻璃与窗框接缝的总长度是玻璃的周长(以内、外较大者为 周长) 窗户或幕墙面积：窗户或幕墙面积Aw是框面积 Af和玻璃面积Ag (或者 其他板面积 Ap)的总和 节能设计基本概念 气候分区：又称建筑热工设

7、计分区。是根据建筑热工 设计的实际需要，以及与现行有关标准规范相协调。 用累年最冷月（即一月）和最热月（即七月）平均温 度作为分区主要指标，累年日平均温度5和25 的天数作为辅助指标，将全国划分成六个区，即严寒 (A、B)、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖和温和地区并提 出相应的设计要求。(节能规范暂未对温和地区提出 具体的要求) 建筑物体形系数：建筑物与室外大气接触的外表面积 （不包括地面和不采暖楼梯间隔墙和户门的面积）与 建筑物所包围的体积的比值。 三、不是扯蛋 热工计算基础知识概要 (一)传热的基本方式 1，热传导 2，热对流 3，热辐射 1，热传导 概念：指物体各部分无相对位移或不同物体直接接

8、触时依靠分子、原子及自由电子等微观 粒子热运动而进行的热量传递现象。 大平壁导热是导热的典型问题，平壁导热的热流密度q与平壁两侧的温度差成正比；与壁厚 成反比；并与材料的导热性能有关。 导热率（导热系数）：衡量材料导热难易程度的热物理量。其意义是单位厚度的物体具有 单位温度差时，在它的单位面积上每单位时间的导热量。W/mK 在传热学中，常用电学的欧姆定律来分析热量传递中热量与温度差之间的关系，用热流密 度代替电流，温度差代替电位差，热阻代替电阻。则可以得到热流密度的计算式为： 这样我们就可以得到在平壁导热过程中的热阻表达式为： 材体的导热系数通常与材质，干密度，含湿量有关 tq R t q R

9、 2，热对流 概念：依靠流体的运动，把热量由一处传递到另一处的现象。 一般在工程中很少出现液体，所以我们主要以气体为研究对象来研究热对流现象。涉及最多 的也就是气体与固体表面直接接触时的换热，这时在固体的表面通过的热流密度就可以用下 式表示: h为对流换热表面传热系数（对流换热系数），其意义是指单位面积上，当流体同壁之间为 单位温度差，在单位时间内所能传递的热量。W/m2K 即为单位壁表面积上的对流换热热阻。在这里对流换热系数与多种因素有关系，在 幕墙设计中我们不需要具体的求出他的数值，只要明白几个因素对其的影响方向就可以了。 例如，表面流体(层流)流动越快，对流换热系数就会越大，换热阻也就越

10、小。其余(紊流)部 分的热运动方式及程度。 对流对传热的影响通常要考虑：气流状况（自然对流或受迫对流），构件是垂直、水平还是 倾斜，壁面是有利于流动还是不利于流动，传热方向是由下而上或由上而下等因素 自然对流：由于物体本身温度差的存在而使与其表面接触的流体发生的对流 受迫对流：当流体各部分之间或流体与紧邻的固体表面之间存在温度差，但同时流体又受到 外部因素如气流、泵等的扰动而产生的对流 表面的对流换热系数按计算标准条件规定取值 thq h R 1 3，热辐射 概念：依靠物体表面对外发射可见和不可见的射线传递热量。 凡是温度高于绝对零度的物体，由于物体原子中的电子振动或激动，就会从表面向 外界空

11、间辐射出电磁波。 辐射能分为三部分：反射、吸收、透射 Io= Ia + Ir + It 凡能将辐射热全部反射的物体称为绝对白体，能全部吸收的称为绝对黑体，能全部 透过的称为绝对透明体。大多数建筑材料为灰体。 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(远近，相对面积)。 (二)，传热过程及相关计算 平壁传热过程:热量从壁一侧的高温流体通过壁传给另一 侧的低温流体的过程。 在此所提及的相关计算,均是在空 气渗透量为零的情况下,采用稳态传热计算得到的。所谓 稳态传热是指传热过程是一个相对缓慢的过程，在传热过 程中，热流上的各点温度保持恒定不变。

12、我们主要了解： 1,通过平壁的导热 2,复合平壁导热 1.通过平壁的导热 平壁导热系数为常数，设各处温度恒定，平壁长宽均远远大于其厚度，两侧壁表面 的换热系数分别为h1和h2。 热量以对流换热方式传至平壁表面： 热量以导热方式从平壁一侧传至另一侧： 热量以对流换热方式传至冷流体： 根据欧姆定律的原则，三种传热相当与串连电路。则热流密度q为定值，将以上三个式 子合并可得： 就称为传热系数，规范中都是以它作为衡量结构热工性能的标准。 111wf tthq 21ww ttq 222fw tthq 2121 21 11 1 ffff ttKtt hh q 21 11 1 hh K 2,复合平壁导热 复

13、合平壁分为两种，在宽度方向上材料不同和在厚度方向 上材料不同。 其中在宽度方向上材料不同时，我们一般就采用软件进行 二维有限元分析；仅在厚度方向上材料有不同时，我们还 可以通过手算完成。也就是说，利用欧姆定律的原则，将 每层不同材料的热阻串连。 321 RRRR总 对于工程来讲，我们需要得到的就是传热系数，和温度场的分布情况。例如： 673. 0 20 1 1 008. 0 15. 0 05. 0 05. 0 62 002. 0 6 . 3 1 1 11 1 21 总 h R h K W/K 491.1320673. 0 21 ff ttKqW/ 可以求得平壁内任意一点的温度： xfx Rqt

14、t 1 (三)公共建筑节能设计标准 公共建筑节能设计标准包括建筑热工设计、采暖、通 风和空气调节节能设计等方面的内容，在此主要涉及 到热工设计的门窗幕墙传热及其计算部分 1,建筑气候分区 不同分区的热工设计要求是不一样的。 2，不同地区的设计要求 其它一些要求： 1,外墙与屋面的热桥部位的内表面温度不应低于室内空气露点温度。 2,建筑每个朝向的窗（包括透明幕墙）墙面积比均不应大于建筑每个朝向的窗（包括透明幕墙）墙面积比均不应大于0.70。当窗（包括透明幕墙）墙。当窗（包括透明幕墙）墙 面积比小于面积比小于0.40时，玻璃（或其他透明材料）的可见光透射比不应小于时，玻璃（或其他透明材料）的可见光

15、透射比不应小于0.4。当不能满足本。当不能满足本 规定时，必须进行权衡判断规定时，必须进行权衡判断(即首先计算参照建筑物在规定条件下的全年采暖和空气调节能即首先计算参照建筑物在规定条件下的全年采暖和空气调节能 耗，然后计算所设计建筑在相同条件下的全年采暖和空气调节能耗耗，然后计算所设计建筑在相同条件下的全年采暖和空气调节能耗)。 3, 夏热冬暖地区、夏热冬冷地区的建筑以及寒冷地区中制冷负荷大的建筑，外窗（包括透明 幕墙）宜设置外部遮阳，外部遮阳的遮阳系数应按规定计算确定。 4, 屋顶透明部分的面积不应大于屋顶总面积的屋顶透明部分的面积不应大于屋顶总面积的20%，当不能满足本条文的规定时，必须进

16、，当不能满足本条文的规定时，必须进 行权衡判断。行权衡判断。 5,建筑中庭夏季应利用通风降温，必要时设置机械排风装置。 6,外窗的可开启面积不应小于窗面积的30%；透明幕墙应具有可开启部分或设有通风换气装 置。 7, 严寒地区建筑的外门应设门斗，寒冷地区建筑的外门宜设门斗或应采取其他减少冷风渗透 的措施。其他地区建筑外门也应采取保温隔热节能措施。 8, 外窗的气密性不应低于建筑外窗气密性能分级及其检测方法GB 7107规定的4级。(缝 长：0.51.5；面积：1.54.5) 9, 透明幕墙的气密性不应低于建筑幕墙物理性能分级GB/T 15225规定的3级。(固定： 0.050.1；可开：1.5

17、2.5) 3，举例应用 北京市一建筑， 长25 m、宽10 m 、高25.2m、层高3.6m，窗下墙采用石材幕墙高1.05 m （183.75 m2），窗间墙采用铝板幕墙（201.6 m2）其它采用玻璃幕墙，分格1800 mm 2100mm，试设计玻璃幕墙，并选用玻璃及保温层。 解： 北京市属寒冷地区 体形系数：（2525.22+1025.22+2510）/（251025.2）=0. 320.3 不透光部分（K0.50 W/(m2K)）(由节能规范表4.2.2.3) 单层铝板 T=3mm，后加65mm保温棉、80mm封闭双面铝箔空气层。 R0=1/3.6+0.003/160+0.065/0.0

18、5+0.71+1/20=2.338 K=1/2.338=0.428 W/(m2K) 花岗石板 T=30mm，后加70mm保温棉、80mm封闭双面铝箔空气层。 R0=1/3.6+0.03/3.49+0.07/0.05+0.71+1/20=2.446 K=1/2.446=0.409 W/(m2K) 幕墙不透光部分传热系数 K=(183.750.409+201.60.428)/(183.75+201.6)=0.419 W/(m2K) 窗墙比 244.65/630=0.3880.3 选用K2.3 W/(m2K)、SC0.7的玻璃幕墙 (此处k考虑了加权平均，sc由节能规范表4.2.2.3) 四、不能扯

19、蛋 门窗幕墙的传热系数计算 （一）边界条件 1,冬季计算标准条件： 室内温度： Tin=20 室外温度： Tout=0 内表面对流换热系数： hc,in=3.6W/(m2K) 外表面对流换热系数： hc,out=20W/(m2K) 辐射平均温度 Trm= Tout 太阳辐射照度 Is=300W/m2 2,夏季计算标准条件： 室内温度： Tin=25 室外温度： Tout=30 内表面对流换热系数： hc,in=2.5W/(m2K) 外表面对流换热系数： hc,out=16W/(m2K) 辐射平均温度 Trm= Tout 太阳辐射照度 Is=500W/m2 3，计算传热系数时应采用冬季计算标准条

20、件，并取Is=0W/m2 4，窗框（或内缩的幕墙窗框）与主体结构交界面一般按绝缘考虑。 (二)面积规定 1.框面积定义 框室内侧面积Af,i，内部凸出框面积是内部平行于玻璃板框的面积； 框室外侧面积Af,e，外部凸出框面积是外部平行于玻璃板框的面积； Af框面积，框面积是较两个凸出面积大的，从两个面能够看见的面积； 2玻璃面积 当室内和室外两侧所见玻璃面积不同时，取其中的小者作为计算所用的边框面积Ag。当玻 璃与框相接处胶条能被见到时，所见的胶条覆盖部分也应计入玻璃面积。 3玻璃周长 玻璃与窗框接缝的总长度是玻璃的周长lg 4窗户或幕墙面积 窗户或幕墙面积Aw是框面积 Af和玻璃面积Ag (或

21、者其他板面积 Ap)的总和 （三）框的传热系数计算 框的传热系数Uf应是在计算窗或幕墙的某一截面部分的二维热传导的基础上获得的。选择 框截面，用导热系数=0.035W/mK的不透明板代替实际的玻璃，框部分的形状、尺寸、 构造和材料都应与实际情况完全一致。板厚等于玻璃系统厚度，嵌入框的深度按实际尺 寸，可见板宽应超过200mm。用程序计算在室内外标准条件下流过图示截面的热流qw pf outninnppff w bb TTbUbU q , 截面传热系数： pf D f outninn pfw D f bbU TT bbq L 2 , 2 框的传热系数： f pp D f f b bUL U 2

22、式中： Uf窗框截面的传热系数，W/(m2K)； Lf 2D截面的导热系数， W/(mK)，通过THERM软件可以求得Uf2D；(这个部分的详 细内容以后有机会再讲) Up板中心的传热系数，W/(m2K)，导热系数=0.035W/mK的板在标准条件下的 传热系数；(此板是用于在框的传热系数计算时，代替玻璃的，其外形尺寸如厚度、位置 应与玻璃一致，但单侧宽度不小于200mm即可) bf 窗框断面总宽度，m； bp 板的可见部分宽度，m； （四）框与玻璃系统接缝处的线性传热系数的计算 选择与计算框的传热系数相同的计算模型，用实际的玻璃系统（包括中空玻璃间隔条）替代 导热系数=0.035W/mK的板

23、材，在相同的标准条件下，使用软件计算截面的热流qw gf outninnppff w bb TTbUbU q , 截面传热系数： gf D outninn gfw D bbU TT bbq L 2 , 2 ggff D bUbUL 2 这里： 线性传热系数，W/(mK)； L2D截面的导热系数，W/(mK)，通过THERM软件可以求得Uf2D； Uf窗框截面的传热系数，W/(m2K)； Ug玻璃中心的传热系数，W/(m2K)； bf整个窗框的宽度，m； bg玻璃可见部分的宽度，m； （五）计算中的注意事项 1)计算热桥部位（例如螺栓、螺钉等）的当量导热系数。 )1 ( bbbeff FF 式中

24、： d s Fb s：为热桥元件的尺寸（例如螺栓头的尺寸）。 d：为热桥元件的间距。 b：为热桥材料导热系数。 n ：为非热桥材料的导热系数。 利用下面的原则判断是否需要考虑热桥影响： 若Fb1%，忽略热桥影响； 若1%Fb5%，且b10n，使用上述计算方法。 若Fb5%，必须使用上面的方法。 2框内空腔的划分 如果在两个相对立的表面的最短距离小于5mm，则框内空腔在此“喉”区断开； 断面的开口宽度小于10mm的沟槽为轻微通气沟槽。连通室内或室外环境，开口宽度大于2mm但 小于10mm的空腔为轻微通气空腔。断面轻微通气小空腔与沟槽的当量导热系数不通风空腔的两 倍； 当断面的开口宽度小于或等于2

25、mm时，开口可看作封闭空腔处理； 当断面的开口宽度大于10mm时，则可看作通风良好的空腔处理。通风良好的空腔认为其整个表 面暴露与外界环境中，取标准表面换热系数。 （六）整窗幕墙的传热系数计算 1门窗幕墙整体传热系数计算应采用各部件的性能按分配面积加权平均的计算方法进行。 2加权计算时选择最普遍的幕墙分格，按照前述办法算得所有部件各自占有的面积，及玻璃 周长。 3计算整窗及幕墙的传热系数： U A UA Ul AA W ggffgg gf 其中： Ug 玻璃的传热系数 Uf窗框的传热系数 g由于玻璃与框结合部分热工特性影响的线性传热系数 当采用单层玻璃时，g0 计算非透明幕墙时， Uw用下式计算： U A UA UA Ull AAA W ggppffggpp gpf 其中： Up不透明板的传热系数(s); p不透明板的线性传热系数(s)。 如果不透明板边部有低绝缘性能的热桥，热桥的影响与玻璃的影响相同，否则p = 0 五、最终还是扯蛋 Therm5.2热计算软件的应用 1,软件使用步骤 步骤步骤注意注意 1.将节点转成DXF文件 单线条，只要轮廓线，玻璃和间隔条线条保留。注意使每个材料的断 面仅为开放型。转成2000dxf较好。 2.导入DXF文件(import)，描点建模 (polygan,rectangle) 注意用斜线代替曲线，控制点数量尽量少，材料不可随意断开（主要