第四讲建筑围护结构的传热计算与应用2讲课文档

第四讲建筑围护结构的传热计算与应用第一页，共62页。（优选）第四讲建筑围护结构的传热计算与应用2第二页，共62页。4.1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。3第三页，共62页。4.1.1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。4第四页，共62页。3.1.2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5第五页，共62页。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”6第六页，共62页。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。7第七页，共62页。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。8第八页，共62页。

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）。9第九页，共62页。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。10第十页，共62页。4.2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。11第十一页，共62页。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。12第十二页，共62页。4.2.2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。热组：单层匀质平壁的稳定导热方程：13第十三页，共62页。b)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。14第十四页，共62页。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15第十五页，共62页。c)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16第十六页，共62页。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：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2-117第十七页，共62页。4.2.3

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：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。18第十八页，共62页。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，19第十九页，共62页。4.2.4）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。20第二十页，共62页。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%21第二十一页，共62页。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。22第二十二页，共62页。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未加反射材料一个表面加反射材料两个表面加反射材料23第二十三页，共62页。4.2.5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24第二十四页，共62页。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：25第二十五页，共62页。4.2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。26第二十六页，共62页。4.2.1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：2、计算单位建筑面积的空气渗透耗热量：27第二十七页，共62页。3、建筑物耗热量指标计算：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28第二十八页，共62页。4.2.2建筑采暖耗煤量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。29第二十九页，共62页。4.4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。30第三十页，共62页。4.4.1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，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=031第三十一页，共62页。4.4.2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（Φ

eｆ）＜平壁内表面温度波的初相位（Φiｆ）。32第三十二页，共62页。谐波热作用的传热特征33第三十三页，共62页。单向周期性热作用的外围护结构的内部温度变化情况34第三十四页，共62页。4.4.3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。35第三十五页，共62页。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。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36第三十六页，共62页。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；各分部材料的表面积。37第三十七页，共62页。2）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：38第三十八页，共62页。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：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()值来表示。当围护结构内表面材料层不很厚时，如由多层材料构成的屋顶或外墙，其内表面温度的波动振幅不仅与面层材料的物理性质有关，而且与其后面材料的性能有关,即在顺着热流波动前进的方向与该材料相接触的介质（另一种材料或空气）的热物理性能和散热条件对内表面的波动也有影响。39第三十九页，共62页。围护结构内表面蓄热系数的计算：（1）各层编号是从波动热作用方向的反向编起的；（2）构造层中某一层为厚层时，该层的y=s，内表面蓄热系数可从该层算起，后面各层就不再计算计算方法为：依照围护结构的材料分层，逐层计算。40第四十页，共62页。3）围护结构的热惰性指标围护结构热惰性指标（D）

当围护结构的表面受到周期性热作用后，温度波将向结构内部传递，同时不断衰减，直到背波面（如波动热作用在外侧，则指内表面)。热惰性指标是表明背波面上温度波衰减程度的一个主要数值，它表明围护结构抵抗周期性温度波动的能力。41第四十一页，共62页。围护结构的热惰性指标计算式对单一材料围护结构，热惰性指标为材料热阻与材料蓄热系数的乘积。表示为：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：R,S分别为各材料层的热阻和蓄热系数。42第四十二页，共62页。围护结构的热惰性指标计算围护结构中空气层的蓄热系数（）为0，该层热惰性指标D为0。如围护结构中某层是有几种材料组合时，则需先求出该材料层的平均热阻R和平均蓄热系数S，再加以计算。43第四十三页，共62页。温度波的衰减与热惰性指标的关系材料层的热惰性指标愈大，说明温度波在期间的衰减愈大。温度波的衰减与材料层的热惰性指标是呈指数函数关系。44第四十四页，共62页。判断材料层厚薄，看其热惰性指标是否大于1温度振幅衰减倍数达到2时，称这层材料为“厚”层，或“剧烈波动层”，按照公式：如衰减倍数为2，则D值需等于1，由此得出以热惰性指标D是否大于1作为材料层是否为“厚”层的判断。如200mm厚加气混凝土D值为3.263，370mm厚的砖墙D值为4.856，在同样条件下，后者的内表面温度波动小，温度较稳定。45第四十五页，共62页。4.4.4谐波热作用下平壁的传热计算计算要解决的问题：当围护结构一侧或两侧同时受到周期波动的热作用情况下，计算要解决的问题是求围护结构内表面的温度。内表面的温度是热工设计主要关心的问题。46第四十六页，共62页。谐波热作用下平壁的传热计算如平壁两侧（室内、外）受到的谐波热作用，分别为用下式表示，求内表面温度。-----为室外平均温度；室内平均温度47第四十七页，共62页。周期性热作用综合过程分解成三个分过程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。2）室外为周期性热作用，室内一侧温度不变，由此在平壁内表面引起的温度波动振幅为3）室内为周期性热作用，室外一侧其温度不变，由此在平壁内表面引起的温度波动振幅为求每一个分过程的热作用在内表面引起的温度的合成即为综合过程在内表面引起的温度。48第四十八页，共62页。双向谐波热作用传热过程的分解双向谐波热作用传热过程的分解49第四十九页，共62页。稳定传热--室内外按平均温度计算在室、内外平均温度作用下，按稳定传热计算平壁内表面的温度。单向谐波热作用-----室外温度变化，室内温度视为稳定在外侧谐波热作用下所引起的内表面温度谐波。50第五十页，共62页。稳定传热-----室内外按平均温度计算单向谐波热作用-----室内温度变化，室外温度视为稳定在内侧谐波热作用下所引起的内表面温度谐波。51第五十一页，共62页。确定综合热作用下内表面的温度有三个分过程的振幅和初相位，确定内表面合成波的振幅和初相位，从而确定内表面的温度（任一时刻的温度和最高温度）-------为内表面的最高温度52第五十二页，共62页。4.4.5温度波在平壁内的衰减和延迟计算在求双向热作用下平壁内表面的温度时，牵涉到衰减度和延迟时间的计算，本教材提出一种近似计算法，代入公式计算。a）室外为周期热作用，室内温度视为不变情况下衰减倍数和延迟时间的计算。当周期Z=24小时，则延迟时间为：53第五十三页，共62页。温度波在平壁内的衰减和延迟计算b）室内为波动热作用，室外温度视为稳定情况下衰减倍数和延迟时间的计算公式：当Z=24小时，则内表面的延迟时间为：54第五十四页，共62页。4.5

建筑防热设计控制指标3.5.1室外热作用：夏季，对建筑防热来说，是取太阳辐射强度很大的晴天作为设计的基本条件。白天，在强烈阳光照射下，热量从围护结构外表面向室内传递。夜间围护结构外表面的温度迅速降低，热量是从室内向室外传递（无空调房）夏季围护结构的传热是以24小时为一周期的波动热作用，其室内、外传热按周期不稳定传热计算，不允许作稳定传热的简化。55第五十五页，共62页。4.5.2室外综合温度为了进行隔热计算，先应当确定围护结构在夏季室外气候条件下所受到的热作用。围护结构外表面受到3种不同方式的热作用：1）太阳辐射热的作用。当太阳辐射热作用到围护结构外表面时，一部分被围护结构外表面吸收。2）室外空气的传热。室外空气的温度与外表面温度存在着温度差，二者以对流换热形式进行换热。3）在围护结构受到上述两种热作用后，外表面温度升高，辐射本领增大，向外界发射长波辐射热，失