建筑物理第12章传热基本知识

第1.2章建筑传热与传湿1.2.1传热方式传热：物体内部或者物体与物体之间热能转移的现象传热的方式：导热、对流和辐射传热的条件：存在温度差是时间和空间的函数空间中各点的温度分布为“温度场“不随时间变化的温度场：稳定温度场---稳态传热过程1.2.1.1导热1、导热的机理温度不同的质点（分子、原子）在热运动中引起的热能传递现象。固体：相邻分子碰撞和自由电子迁移液体：液体分子存在相互作用，不同能量分子交换能量引起气体：分子无规则运动时相互碰撞总之，单纯的导热仅能在密实的固体中发生（屋顶实例）。若一根密实固体的壁，除两端外用绝热材料包裹，其两端温度为T1和T2，设T1T2，则传热FlTTQ21式中：Q单位时间内棒的导热量（W）F棒的截面积（m2）棒长度（m）棒的导热系数（w/m.K）在建筑工程中，通常将固体材料组成壁体内部的传热看成导热，其单位面积单位时间的热流量为热流强度dTTq21式中：q单位时间单位面积的热流量（W/m2）棒的导热系数（w/m.K）d壁体的厚度（m）导热系数λ反映了壁体材料的导热能力，在数值上等于：当材料层单位厚度内的温度差为1K时，在1小时内通过1平方米表面积的热量。2材料的导热系数及其影响因素；（一定条件下，导热系数是常数）1）材质的影响2）材料干密度的影响不同的材质，导热系数是不同的（银与空气）密度愈大，导热系数愈强。但也有些材料存在最佳干密度，特例，玻璃棉3）材料含湿量的影响含湿量愈大，导热系数愈大，因为水的导热能力强。λ0.3W/mK,绝热材料，用于保温。3.热阻式中，R称热阻，m2K/W热阻是热流通过壁体时遇到的阻力，或它是反映壁体抵抗热流通过的能力。P39例1.2-1，自学多层复合壁体：1.2.1.2对流对流是由于温度不同的各部分流体之间发生相对运动、互相渗合而传递热量。对流换热只发生在流体中或者固体表面和其紧邻的运动流体之间。由于固体表面与紧邻液体存在温度差，对流传热发生；层流界层，主要为导热，温度分布呈倾斜直线状水平线，强对流使温度一致。过渡区，温度似抛物线对流换热的强弱主要取决于层流边界层内的换热与液体运动发生的原因、液体的运动状况、流体与固体壁面温差、流体的特性、固体壁面的形状、大小及位置等因素。c对流换热系数（W/Km2）壁体温度t流体主体部分温度对流换热可用下式计算)(tqcc式中：cq单位时间单位面积的对流换热强度（W/m2）对流换热系数的影响因素：气流状况是自然对流还是受迫对流；构件是处于垂直、水平或倾斜；壁面是有利于气流流动还是不利于气流流动；传热方面是由下而上还是由上而下当平壁处于水平状态若热流由下而上45.2tc若热流由上而下43.1tc（2）受迫对流换热当流体各部分之间或者流体与紧邻的固体表面之间存在着温度差，但同时流体又受到外部因素如气流、泵等扰动而产生传热的现象。对流换热系数不是常数，其计算公式如下：（1）自然对流换热因温差引起的对流换热当平壁处于垂直状态42tc对于围护结构外表面vc2.4)0.6~5.2(对于围护结构内表面vc2.45.2式中是风速1.2.1.3辐射温度高于绝对零度的物体，由于其原子中电子振动就会发射出电磁波。不同波长的电磁波落到物体上可产生不同的效应；在受迫对流换热之中必然包含着自然对流换热的因素受迫对流换热主要取决于温差的大小、风速的大小与固体表面的粗糙度。通常把波长在0.4~40um的电磁波（包括可见光和红外线的短波部分）称为热射线，因为这部分射线照射到物体上的热效应特别显著。热辐射的特点：1）伴随着能量形式的转变2）传播不需要任何介质，也不需要接触3）辐射传热是互相辐射的结果（2）辐射能的吸收、反射和透射0IaIrII0IIIIra显然1000IIIIIIra令0IIah0IIrrh0IIh吸收系数反射系数透射系数1hhhr则1h绝对黑体：全部吸收，吸收系数等于1黑体辐射这种假设的物体就称为黑体绝对白体：全部反射，反射系数等于11hr绝对透明体：全部透射，透射系数等于11h黑体：吸收大，发射也就大单色辐射本领：单位时间单位表面积上辐射的某一波长的能量，用Eλ表示单位：W/m2μm。（3）辐射本领、辐射系数和黑度全辐射本领：单位时间单位表面积上辐射的波长从~0范围的总能量，用E表示，单位W/m2。维恩设计的黑体不透明材料空腔开一个面积远小于空腔内表面积的小孔。小孔能完全吸收各种波长的入射电磁波而成为黑体。在现实上黑体辐射是不存在的。烟煤很黑，但也只能吸收99％的入射光能空腔辐射实验黑体（小孔表面）集光透镜平行光管分光元件会聚透镜及探头分光元件（如棱镜或光栅等）将不同波长的辐射按一定的角度关系分开，转动探测系统测量不同波长辐射的强度分布。再推算出黑体单色辐出度按频率或波长的分布。黑体辐射实验规律：dEE0黑体能向外发射一切波长的辐射能，且在同温度下其辐射本身最大，只是随着波长的变化，它的单色辐射本领有所不同。注意，黑体并不是指物体的颜色，粗晶冰，白纸均近似为黑体。大多建筑物可近似为灰体。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，绝对黑体全辐射本领4)100(bbbTCE式中：Eb-绝对黑体全辐射本领Tb-绝对黑体绝对温度Cb-绝对黑体辐射系数)/(68.542KmWCb灰体全辐射本领4)100(TCE)/(68.5~042KmWC灰度bbbbCCTCTCEE44)100()100(表明灰体的辐射本领接近绝对黑体的程度选择性辐射体；只能吸收和辐射一定波长，强度小于黑体。称为灰体辐射系数同一物体的辐射本领随着温度的升高而急剧增加，若要减小辐射，设法降低温度是最有效的措施。黑体温度升高，辐射本领增大，短波辐射比例增大。太阳是一个黑体，由中心波长可推测太阳的表面温度为6000K•物体的辐射系数表征物体向外发射辐射能的能力，其数值取决于物体表面的化学性质、光洁度与温度等因素。所有物体的辐射系数值均处于0~5.38之间。由克希荷夫定律可知，在一定温度下，物体的辐射热的吸收系数在数值上与其黑度是相等的，即，物体辐射本领强吸收辐射能力也强，反之，辐射能力小，吸收能力也小。•物体对不同波长的外来辐射的反射能力是不同，白色表面对可见光的反射能力强，长波反射接近黑体，磨光表面对所有波长都反射。热光比=总得热量/光透过量反射少，透过多，但对红外二均不透，适合做温室。（4）辐射换热的计算两个灰体表面1和2，11242411221])100()100[(FTTCQ22141422112])100()100[(FTTCQ式中：Q1-2-表面1传给表面2的净辐射换热量（W）Q2-1-表面2传给表面1的净辐射换热量（W）T1,T2-分别为两表面的绝对温度辐射换热主要取决于各个表面的温度、发射和吸收辐射热的能力及它们之间是的相对位置。F1,F2-分别为两表面“相互看得见”的面积bCCCCC212112称为相当辐射系数12表面1对表面2的平均角系数21表面2对表面1的平均角系数21平均角系数表示单位时间内，表面1投射到表面2的辐射换热量Q12，与表面1向外界辐射的总热量Q1的比值，即11212QQC1、C2及CB分别为表面1和2及绝对黑体的辐射系数。22121QQ同理：可证明：221112FF1）两平行灰体表面面积尺寸比两者之间距离大得多，可近似看为互相平行的无限大平面来计算。此时：12112单位面积的净辐射换热量为])100()100[(42411221TTCq对以下几种情况进行讨论平均角系数存在“互易定理”bCCCC111121122）一个物体被另一个物体完全包围，且物体1无凹角，物体2无凸角。142411221])100()100[(FTTCQ1221QQ热平衡时：)11(11221112bCCFFCC3）建筑热工中，围护结构表面F1与其它相对应的表面以及室内、外空间之间的辐射换热，可由下式计算：)(21q式中-辐射换热量（W/m2）q-辐射换热系数（W/m2K）1-表面F1的温度（℃）2-与表面F1辐射换热的表面F2的温度（℃）F2》F1则：C12=C1可知辐射换热系数为：1221424112)100()100(TTCT1,T2-分别为两表面的绝对温度实际计算中，当考虑一外围护结构内表面与整个房间其它结构内表面之间辐射换热时：112当外表面与室外空间辐射换热时，可将室外假想为一无限大平面。112人体与围护之间辐射换热时，需要先确定平均角系数值当考虑一外围护结构外表面与室外空间辐射换热时，可将外空间假想为一平行于围护结构外表面的无限大平面：112并以室外气温近似代表该假想平面的温度1.2.2平壁的稳定传热平壁：不仅是指平直的墙体，还包括地板、平屋顶及曲率半径罗大的穹顶等结构。稳定传热：各点的温度都不随时间而变化。1.2.2.1平壁传热过程（1）壁体内表面吸热吸热导热放热1t122t假如：室内气温大于室外气温21tt))(()()(iiiriciiiriiiciricitttqqq内外有温差就会有传热现象发生。整个传热过程分为三个阶段：对流换热+辐射换热)(iiiitq式中：平壁内表面单位时间、单位面积的吸热量（W/m2）iqicq在单位时间内室内空气以对流换热方式传给单位面积平壁内表面的热量（W/m2）irq在单位时间内室内其它表面以辐射换热方式传给单位面积平壁内表面的热量（W/m2）ic平壁内表面的对流换热系数（W/m2K）ir平壁内表面的辐射换热系数（W/m2K）i平壁内表面的换热系数（W/m2K）irici室内空气及其它表面的温度（℃）i平壁内表面的温度（℃）（2）壁体材料层导热设平壁为单层匀质材料，导热系数为λ，厚度为d，两侧温度为θi、θe。)(eiidq式中单位时间内通过单位面积平壁的导热量（W/m2）iq（3）壁体外表面散热与内表面换热相似)(eeeetq式中平壁外表面单位时间、单位面积的散热量（W/m2）eqea平壁外表面的换热系数（W/m2K）erece对于围护结构，一般可视为稳定的一维温度场，各界面的传热量必然相等。qqqqei经数学变换)(111eieittdq)(1eieittRRR)(10eittR或写为)(0eittKq一维稳定温度场及能量守恒式中平壁内表面的吸热阻（m2K/W）iR平壁的传热阻（m2K/W）RiiR1dR平壁外表面的散热阻（m2K/W）eReeR1平壁的总热阻（m2K/W）0R平壁的总传热系数（W/m2K）0KeiRRRR0001RK说明：在相同的室内外温差条件下，平壁总热阻R0愈大，通过平壁所传的热量就愈少。平壁总传热系数K的物理意义：平壁的总传热能力在数值上是当室内、外空气温度相差1K时，在单位时间内通过平壁单位面积所传出的热量。总热阻和总传热系数都是衡量平壁在稳定传热条件下重要的热工性能指标。1.2.2.2封闭空气间层的传热封闭空气间层的传热过程与固体材料层的传热迥然不同，这是在有限封闭空间内两个表面之间进行的热转移过程，是导热、对流和辐射三种传热方式综合的结果。热面将热量通过层流边界层传给空气；由于空气导热性能差，温度降落较大。热空气上上升，冷空气下降，进行自然对流时，温度变化较为平缓冷表面经过层流边界层导热，热量传给冷表面。1.垂直封闭空气间层的传热：伴随着导热产生自然对流换热：（a）垂直空气间层较厚（b）垂直空气间层较薄（c）热面在上水平空气间层（d）热面在下水平空气间层总之，在有限封闭空间内空气伴随着导热会产生自然对流的换热，对流换热的强度与间层的厚度、位置、形状等因素有关。由于空气间层存在温度差，两表面存在一定的辐射系数或黑度，必存在辐射换热。换热量取