第四讲建筑物理

第四讲：第2章：建筑围护结构的传热计算及应用Zhang-Xiuxin本讲主要内容：4.1建筑围护结构的传热过程4.1.1建筑围护结构热转移方式4.1.2围护结构的传热过程和传热量4.1.3结构传热的两种方式4.2稳定传热4.2.1）一维稳定传热特征4.2.2）单层平壁的导热和热阻4.2.3）平壁的稳定传热过程4.2.4）封闭空气间层的热阻4.2.5）平壁内部温度的计算3.3周期性不稳定传热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。4.1.1建筑围护结构热转移方式3.1.2围护结构的传热过程和传热量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”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。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。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）。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。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。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。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。多层平壁的导热多层平壁导热计算公式：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：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：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，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。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%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。间层壁面加反射材料可提高空气间层热阻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：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。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：4.2.2建筑采暖耗煤量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。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：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（Φeｆ）＜平壁内表面温度波的初相位（Φiｆ）。谐波热作用的传热特征单向周期性热作用的外围护结构的内部温度变化情况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。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。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：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：多层围护结构内表面蓄热系数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3）围护结构的热惰性指标围护结构的热惰性指标计算式围护结构的热惰性指标计算温度波的衰减与热惰性指标的关系判断材料层厚薄，看其热惰性指标是否大于14.4.4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。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。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。双向谐波热作用传热过程的分解稳定传热--室内外按平均温度计算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）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。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：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。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，失去一部分热能。室外综合温度室外综合温度是以一天为周期波动的，用tsa表示的公式只是一般表达式，为了进行隔热计算，还必须确定综合温度的最大值、昼夜平均值和昼夜温度波动振幅。1）综合温度的平均值：2）综合温度波动振幅：即综合温度最大值与平均值之差，℃。其公式为：3）综合温度最大值的计算：4.5.3隔热设计标准隔热设计标准：就是围护结构的隔热应当控制到什么程度。它与地区气候特点、生活习惯、对地区气候的适应能力以及当前的技术经济水平有密切关系。对于自然通风的房间，外围护结构的隔热设计主要控制其内表面温度值。要求外围护结构具有一定的衰减度和延迟时间。按照《民用建筑热工设计规范》（GB50176—93）要求，自然通风房屋的外围护结构应满足如下隔热控制指标：1）屋顶和东（西）外墙内表面最高温度θi,max≤夏季室外计算温度最大值te,max。θi,max≤te,max2）对于夏季特别炎热地区（南京、武汉、长沙、重庆等），屋顶和东西墙内表面最高温度值θi,max应＜室外气温最高值。θi,max＜te,max3）当外墙和屋顶采用轻型结构时θi,max应满足下式：θi,max≤te,max+o.5℃4）当外墙和屋顶内侧用复合轻质材料（岩棉、泡沫塑料、石膏板），θi,max应满足下式：θi,max≤te,max+1℃5）对于夏季炎热，冬季又寒冷的地区，建筑设计应考虑屋顶和外墙冬季防寒夏季防热。4.5.4围护结构夏季隔热评价方法---围护结构的衰减倍数----根据夏季热作用的特点，衡量围