建筑物理之传热原理1

1、第一节第一节 平壁的稳定传热平壁的稳定传热传热过程传热过程室内外热环境通过围护结构而进行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的热量交换，包含导热、对流以及辐射换热方式温度场不随时间变化的传热过程温度场不随时间变化的传热过程稳定传热过程稳定传热过程1 2 3d1 d2 d3tite设设: ti te传热过程经历三个阶段传热过程经历三个阶段1 2 3d1 d2 d3tite一、内表面吸热一、内表面吸热tii ,内表面以内表面以对流对流和和辐射辐射的方式吸热的方式吸热)(iiiriciricitqqq)(iiiitqiiiiricitqqq平壁内表面吸热量平壁内表

2、面吸热量w/m2 室内空气以对流形式传给平壁内表面的热量室内空气以对流形式传给平壁内表面的热量室内其它表面以辐射形式传给室内其它表面以辐射形式传给平壁内表面的热量平壁内表面的热量 w/m2平壁内表面的热转移系数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室内空气及其它表面的温度围护结构内表面的温度围护结构内表面的温度i内表面热转移阻内表面热转移阻RiiiR1iiiiiiiRttq)(1)(经验数据经验数据 表面特性表面特性 I W/(m2K) RI (m2K)/W)墙面、地面、表面平整或墙面、地面、表面平整或有肋状突出物的顶棚有肋状突出物的顶棚（h/s 0.3） 8.7 0.

3、11有肋状突出物的顶棚有肋状突出物的顶棚（h/s0.3） 7.6 0.131 2 3d1 d2 d3tite二、平壁材料层的导热二、平壁材料层的导热ie332211dddqei通过平壁的导热量通过平壁的导热量w/m2eq平壁外表面的温度平壁外表面的温度三、外表面的散热三、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表面把热量以对流和辐射的方式传给室外的空气外的空气)(eeeetq)(eeeetq外表面的散热量，外表面的散热量，w/m2外表面的热转移系数，外表面的热转移系数，w/（m2K)erece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 23.0 0.0

4、4与室外空气相通的不采暖地下室上面楼板 17.0 0.06闷顶、外墙上有窗不采暖地下室上面楼板 12.0 0.08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19.0 0.05qe e对于一维稳定传热过程对于一维稳定传热过程,eiqqqq0eR11RttRRttdttqeiieieiei上上式式联联立立:q通过平壁的传热量通过平壁的传热量 w/m2R0平壁的总传热阻平壁的总传热阻R0平壁的总传热阻，表示热量丛平壁一侧平壁的总传热阻，表示热量丛平壁一侧传到另一侧是所受到的总阻力传到另一侧是所受到的总阻力 （ m2K / w）)(00eieittKRttqeidRK111100

5、物理含义：当物理含义：当 ti-te=1 时，单位时间内通过平时，单位时间内通过平壁单位表面积的传热量壁单位表面积的传热量 w/（m2K)K0平壁的传热系数平壁的传热系数常见的围护结构有：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单一材料层、组合材料层和封闭空气间层等eiRRRR0（一）单一材料层的热阻（一）单一材料层的热阻（二）组合材料层的热阻（二）组合材料层的热阻组合壁：在建筑工程中，维护组合壁：在建筑工程中，维护结构内部个别材料层常出现两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。种以上材料组成的组合材料层。材料层的热阻材料层的热阻组合壁的平均导热热阻组合壁的平均

6、导热热阻 ：R.332211321RFRFRFFFFR式中式中F是各部分在垂直热流方向是各部分在垂直热流方向的表面积的表面积M2 平行于热流方向沿材料平行于热流方向沿材料层中不同材料的界面将其层中不同材料的界面将其分隔为分隔为1、2、3等部分等部分计算各部分的热阻计算各部分的热阻R1 R2 R3123求组合壁的导热热阻求组合壁的导热热阻1石灰沙浆石灰沙浆2红砖砌体红砖砌体3炉渣炉渣4水泥沙浆水泥沙浆12341402801401515120120240.332211321RFRFRFFFFR解解 由附录由附录I查得各种材料的导热系数为查得各种材料的导热系数为砖砌体砖砌体炉渣炉渣石灰砂浆石灰砂浆水

7、泥砂浆水泥砂浆81. 026. 081. 093. 0这里我们截取高为这里我们截取高为6m、宽为宽为1m的一块砖作为计的一块砖作为计算单元。算单元。1.求各材料热阻：求各材料热阻：R砖砖=K/W m296.081.024.02dR渣渣=K/W m923.026.024.02d2.求平均热阻（由式1-7得）K/W m541. 0923. 028. 0296. 014. 028. 014. 023322113213RFRFRFFFFR3.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

8、+0.015/0.81 = 0.872 m2* K/W对于一维稳定传热过程对于一维稳定传热过程,0eR11RttRRttdttqeiieieieiq通过平壁的传热量通过平壁的传热量 w/m2R0平壁的传热阻，表示热量丛平壁一侧传平壁的传热阻，表示热量丛平壁一侧传到另一侧是所受到的总阻力到另一侧是所受到的总阻力 （ m2K / w）R0平壁的传热阻平壁的传热阻ti室内气温室内气温te室外气温室外气温1 2 3 d1 d2 d3tite组合壁的平均热阻组合壁的平均热阻 ：RF是各部分是各部分在垂直热流在垂直热流方向的表面方向的表面积积m2 平行于热流方向沿材料层平行于热流方向沿材料层中不同材料的界

9、面将其分隔中不同材料的界面将其分隔为为、等部分等部分计算各部分的热阻计算各部分的热阻R R R )R(.e3 . 032 . 021 . 01321iRRFRFRFFFFR 修修正系数，正系数，注意：注意：)R(.e3 . 032 . 021 . 01321iRRFRFRFFFFR ：修正系数，：修正系数，F0:与热流方向垂直的总传热面积与热流方向垂直的总传热面积F1、F2、F3:平行于热流方向的各个传热面积平行于热流方向的各个传热面积R0.1、R0.2、 R0.3 :各个传热部位的传热阻各个传热部位的传热阻 Ri 、Re ：内表面换热、外表面换热阻：内表面换热、外表面换热阻 R ：平均热阻：

10、平均热阻R0=Ri+R+Re（三）封闭空气层的热阻（三）封闭空气层的热阻 建筑设计中常用封闭空气层作为围护结构建筑设计中常用封闭空气层作为围护结构的保温层。的保温层。空气层中的传热方式：空气层中的传热方式： 导热、对流和辐射导热、对流和辐射主要是对流换热和辐射换热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封闭空气层的热阻取决于间层两个界面上的两个界面上的边界层厚度边界层厚度和界和界面之间的面之间的辐射换热强度辐射换热强度。与间层厚度不成正比例关系与间层厚度不成正比例关系 在有限空间内的在有限空间内的对流换热强度对流换热强度与间层的厚度、与间层的厚度、间层的间层的设置方向和形状设置方向和

11、形状、间层的、间层的密闭性密闭性等因素等因素有关。有关。垂直空气间层垂直空气间层中，中，12*当间层厚度很薄时当间层厚度很薄时(d10cm)上升气流和下降气流干扰程度逐渐减小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，就与自然对流当厚度达到一定程度时，就与自然对流情况类似情况类似.在水平间层中在水平间层中*当热面在上方时，间层当热面在上方时，间层内可视为不存在对流。内可视为不存在对流。*当热面在下方时，热气当热面在下方时，热气流的上升和冷气流的下沉流的上升和冷气流的下沉相互交替形成自然对流，相互交替形成自然对流，此时自然对流换热最强，此时自然对流换热最强，1纯导热换热量纯导热换

12、热量2对流换热量对流换热量3总换热量总换热量可见：普通空气间层可见：普通空气间层的传热量中辐射换热的传热量中辐射换热占很大比例，占很大比例， 要提高空气间层要提高空气间层的热阻须减少辐射的热阻须减少辐射传热量。传热量。 通过间层的通过间层的辐射换热量辐射换热量与间层与间层表面材料的表面材料的辐射性能辐射性能和间层的和间层的平均温度高低平均温度高低有关有关。减少辐射换热量的方法：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、将空气间层布置在围护结构的冷侧，降低间层的平均温度。层的平均温度。（效果不够显著）（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、在间层壁面涂

13、贴辐射系数小的反射材料（铝箔等）箔等）一般建筑材料的辐射系数：一般建筑材料的辐射系数：44.5 J/（m2hK4）铝的辐射系数：铝的辐射系数：0.250.96 J/（m2hK4）4间层内有一表间层内有一表面贴有铝箔面贴有铝箔5间层内两表间层内两表面都贴有铝箔面都贴有铝箔增效不显著增效不显著故以一个表面贴反故以一个表面贴反射材料为宜射材料为宜实际设计计算中可查表实际设计计算中可查表2-4得空气间层的热阻得空气间层的热阻Rag例：求钢筋混凝土圆孔板冬季的热阻例：求钢筋混凝土圆孔板冬季的热阻（设热流为自下而上）（设热流为自下而上）(单位：单位：m)(1)将圆孔折算为等面积的将圆孔折算为等面积的正方形

14、孔正方形孔0.0890.0230.0210.0890.020b2= d2/4b=0.079m0.0790.0330.0260.0790.025(2)计算各部分的传热阻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(m2K/W)有空气间层部分有空气间层部分无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 (m2K/W)(3)求修正系数求修正系数钢筋混凝土的导热系数：钢筋混凝土的导热系数：1.74W/(mK)空气的导热系数：空气的导热系数：0.079/0.17=0.46W/(mK)1=1

15、.74 W/(mK)2=0.46 W/(mK)0.46/1.74=0.267由表由表2-1：修正系数：修正系数 =0.93（4）圆孔板的平均热阻）圆孔板的平均热阻)R(.e3 . 032 . 021 . 01321iRRFRFRFFFFR代入数据得代入数据得93. 015. 0225. 0033. 0349. 0079. 0033. 0079. 0R=0.139 (m2K/W)作业：作业：求钢筋混凝土圆孔板夏季的热阻求钢筋混凝土圆孔板夏季的热阻孔内单面贴铝箔孔内单面贴铝箔（设热流为自上而下）（设热流为自上而下）(单位：单位：m)0.0920.0320.0310.0920.031五、平壁内部温度

16、的计算五、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冷凝水须对所设计的围护结构进行温度核算1 2 3d1 d2 d3titeie稳定传热条件下：稳定传热条件下：eiqqqq0RttqeiiiiiRtqRqRtqeieeee)()(得内表面温度：得内表面温度：21qqq0Rttqei)(211id0Rttqei)(3222d)(0eiiiittRRt)(012eiittRR)(0213eiittRRR1 2 3d1 d2 d3titeie23)(012eiiittRRRt)(0213eiiittRRRRt由此

17、推广得：由此推广得：)(011einnniinttRRRt12111nnnnRRRR层次编号顺着热流方向层次编号顺着热流方向1 2 3d1 d2 d3titeie231 2 3d1 d2 d3titeieeiqqq0RttqeieeeeRtq)()()(000eieieeieeettRRRtttRRt得：得：材料层内的温度降落程度与各层的热阻成正比。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）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）。温度降落越大，（直线斜率越大）。1 234n)(00eieiettRRRt)(011einnniinttR

18、RRt)(0eiiiittRRt 在稳定传热条件下，每一材料层内的温度在稳定传热条件下，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。分布是一直线，在多层平壁中成一连续的折线。例：若室内气温为例：若室内气温为15，室外气温为，室外气温为-10，试求，试求墙体的热流强度以及内部温度分布（单位：墙体的热流强度以及内部温度分布（单位：mm）15石膏板石膏板12石膏板石膏板12矿棉板矿棉板70空气间层空气间层50石棉水泥板石棉水泥板6-10查表得导热系数：查表得导热系数：石膏板：石膏板：0.33矿棉板：矿棉板：0.07石棉水泥板：石棉水泥板：0.52R空气空气=0.21 m2K/W1、墙体总热阻：、墙体总热阻：WKmRdRRei/58. 105. 021. 052. 006. 007. 007. 0233. 0012. 0133. 02015石膏板石膏板12石膏板石膏板12矿棉板矿棉板70空气间层空气间层50石棉水泥板石棉水泥板6-102、通过墙体的热流强度、通过墙体的热流强度20/82.1558. 1)10(15mWRttqei3、墙体内