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1、第二部分材料構(gòu)造圍護(hù)結(jié)構(gòu)2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱與熱物性的基本概念2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定傳熱原理與計(jì)算2.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)周期性不穩(wěn)定傳熱原理與計(jì)算2.4 建筑傳濕2.1圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱與熱物性的基本概念一、傳熱的基本概念二、傳熱的三種基本方式三、濕空氣的熱物理性質(zhì)四、建筑材料的熱物理性質(zhì)一、傳熱的基本概念(Heat transfer)室內(nèi)空氣通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)與室外空氣進(jìn)行熱量傳遞的過程,稱為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱過程整個(gè)過程分三個(gè)階段吸熱階段:對(duì)流和熱輻射的方式導(dǎo)熱階段:固體導(dǎo)熱的方式放熱階段:對(duì)流和熱輻射的方式溫度場(chǎng):某一時(shí)刻所有各點(diǎn)的溫度分布叫溫度場(chǎng)穩(wěn)定溫度場(chǎng)不穩(wěn)定溫度場(chǎng)backHigher tempLower
2、temp二、傳熱的三種基本方式傳熱的動(dòng)力是溫差導(dǎo)熱(conduction)1)導(dǎo)熱的機(jī)理當(dāng)物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移或不同的物體直接接觸時(shí),依靠物質(zhì)的分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞稱導(dǎo)熱。理論上在固體、液體、氣體中均可發(fā)生。導(dǎo)熱的計(jì)算單層平壁導(dǎo)熱計(jì)算材料導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù):指厚度為1m的材料,當(dāng)兩側(cè)表面溫差為1K時(shí),在單位時(shí)間內(nèi)通過1m2表面積的導(dǎo)熱量熱流密度:?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過單位面積傳遞的熱量2)材料的導(dǎo)熱系數(shù)及其影響因素材質(zhì)的影響附錄1工程上通常把導(dǎo)熱系數(shù)小于0.3 W/(mK)的材料稱為絕熱材料材料干密度的影響材料含濕量的影響3)熱阻:熱流通過平壁是所受到的阻力,即
3、平壁抵抗熱流通過的能力例1.2-1注意加氣混凝土與粘土磚的導(dǎo)熱系數(shù)EPS:發(fā)泡型聚苯乙烯泡沫塑料XPS :擠塑聚苯乙烯泡沫板,簡(jiǎn)稱擠塑板EPSXPS保溫效果:聚氨酯泡沫最好,擠塑板次之,苯板最差 耐冷熱性能:聚氨酯泡沫最好,擠塑板次之,苯板最差 吸水率(性):擠塑板最低,聚氨酯次之,苯板最易吸水使用壽命:聚氨酯泡沫最長(zhǎng),擠塑板次之,苯板最差價(jià)格:聚氨酯泡沫最高,擠塑板次之,苯板最低 聚氨酯現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡(噴涂)可直接現(xiàn)場(chǎng)噴涂成型(液體膨脹),成型、運(yùn)輸方便;其他兩種板材需要運(yùn)輸、粘貼,較為麻煩且會(huì)存在一定的破損,有拼接縫存在。 考慮到防火,上述材料現(xiàn)在僅用于屋面,禁止用于墻面墻體保溫材料無(wú)機(jī)硅酸鹽類
4、玻化微珠是一種以天然礦石珍珠巖也叫火山巖為原料,經(jīng)過?;癄t1100左右,從低溫到高溫,生產(chǎn)出的一種由表面?;矚で蝮w蜂窩狀的顆粒產(chǎn)品,理化性能十分穩(wěn)定,耐老化耐候性強(qiáng),具有優(yōu)異的絕熱防火吸音性能,適合諸多領(lǐng)域中作輕質(zhì)填充骨料和絕熱防火吸音保溫材料。 導(dǎo)熱系數(shù)為0.0280.048W/mK 多層平壁導(dǎo)熱計(jì)算 假設(shè):各層材料本身既不發(fā)熱也不蓄熱多層平壁的總熱阻是各層材料熱阻之和組合壁導(dǎo)熱計(jì)算面積加權(quán)平均對(duì)流(convection)對(duì)流是指流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移,依靠冷熱流體互相摻混和移動(dòng)所引起的熱量傳遞方式自然對(duì)流:由于流體冷熱部分的密度不同而引起的強(qiáng)制對(duì)流對(duì)流換熱:壁面和流體之間在對(duì)流和導(dǎo)熱
5、同時(shí)作用下進(jìn)行的熱量傳遞壁面和流體主流區(qū)之間的換熱邊界層20的空氣沿壁面流動(dòng),當(dāng)主流區(qū)速度為0.5m/s時(shí)邊界層厚度約為30mm主流區(qū)對(duì)流換熱的簡(jiǎn)單計(jì)算熱輻射(radiation)物體通過電磁波來(lái)傳遞熱量的方式稱輻射,因自身溫度的原因發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱熱輻射輻射換熱的三個(gè)特點(diǎn)熱輻射可以在真空中傳播熱輻射不僅產(chǎn)生能量傳遞,還在傳遞過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換一切物體,不論溫度高低都在不停地發(fā)射輻射熱160380nm:紫外線 380760nm:可見光 7602500nm:紅外線常溫物體的輻射長(zhǎng)波輻射(=3000nm) 太陽(yáng)輻射短波輻射(3000nm)涼棚下和室內(nèi)的熱感覺有何不同?為什么?物體對(duì)輻射熱
6、吸收、反射和透射的一般概念外來(lái)輻射熱Q反射透射吸收能量守恒原理 + +=1絕對(duì)黑體(黑體):=1絕對(duì)白體(白體):1絕對(duì)透明體(透明體):1固體和液體:紅外輻射范圍內(nèi),0, + 1氣體: 0, +=1吸收率、反射率和透射率與材料性質(zhì)和波長(zhǎng)的關(guān)系對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收率等于本身的黑度善吸收者善反射太陽(yáng)輻射的吸收率不等于本身的黑度,因?yàn)楹诙仁菍iT表征長(zhǎng)波輻射能力的參數(shù)物體表面對(duì)外來(lái)輻射熱的反射率隨波長(zhǎng)而變化白色表面:對(duì)短波輻射反射能力強(qiáng)(圍護(hù)結(jié)構(gòu)外飾面)拋光的金屬鋁表面:對(duì)各種波長(zhǎng)輻射熱的反射能力都很強(qiáng)黑色表面:對(duì)各種波長(zhǎng)輻射熱的反射能力都很小物體向外發(fā)射輻射熱的一般概念輻射力E:物體在單位時(shí)間內(nèi)單位表
7、面積向半球空間所有方向發(fā)射的全部波長(zhǎng)的輻射能的總量(W/m2)。輻射系數(shù)C:表征黑體向外發(fā)射輻射能力的熱物理常數(shù)Cb5.67W/(m2K4):黑體的輻射系數(shù)針對(duì)某一特定波長(zhǎng)的輻射力叫單色輻射力(W/m2m)物體的單色輻射力隨溫度和波長(zhǎng)而變化普朗克定律:黑體的溫度升高時(shí),黑體單色輻射力的最大值也升高并且向短波方向移動(dòng) 黑度:灰體的輻射力與黑體的輻射力之比輻射換熱的計(jì)算表1.22back節(jié)能氟碳涂料充分利用材料的這種屬性,對(duì)短波輻射的吸收率(發(fā)射率)極低,約為15,而對(duì)長(zhǎng)波波段的輻射吸收率(發(fā)射率)高達(dá)90,基于此,建筑外表面的節(jié)能氟碳涂料在白天對(duì)可以最大限度的減少太陽(yáng)輻射的吸收,而到了夜間,室內(nèi)
8、及圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的熱量能夠以熱輻射的形式迅速發(fā)散,從而使室內(nèi)與室外以相似的速率降溫,這對(duì)于節(jié)約能源和提高室內(nèi)舒適度影響很大。四、建筑材料的熱物理性質(zhì)(一)基本熱物理量比熱容c (kJ/kgK)建筑材料受潮或含水后,比熱容會(huì)提高,并且隨著材料濕度或含水率的增大而增大導(dǎo)熱系數(shù) (W/(mK)指厚度為1m的材料,當(dāng)兩側(cè)表面溫差為1K時(shí),在單位時(shí)間內(nèi)通過1m2表面積的導(dǎo)熱量通常把導(dǎo)熱系數(shù)小于0.3 W/(mK),用在工程上的材料稱為絕熱材料(附錄1)影響因素材料的密度:材料的孔隙率 最佳密度(圖119)濕度:材料含水后,導(dǎo)熱系數(shù)顯著增大溫度:溫度越高,導(dǎo)熱系數(shù)越大輻射系數(shù)C 取決于:材料的種類表面溫度:溫
9、度升高,表面系數(shù)增大,常溫范圍內(nèi)可忽略表面狀況:高度磨光的表面輻射系數(shù)低蒸汽滲透系數(shù)表征1m厚的物體,兩側(cè)水蒸氣分壓力差為1Pa,單位時(shí)間內(nèi)通過1m2面積滲透的水蒸氣量影響因素密度:密度越大,透氣性越差孔隙率1.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定傳熱原理與計(jì)算一、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定傳熱過程二、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱阻三、圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度分布計(jì)算一、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定傳熱過程1、計(jì)算內(nèi)表面換熱熱流傳熱方式:表面上的空氣對(duì)流和表面與室內(nèi)環(huán)境的熱輻射內(nèi)表面換熱系數(shù)i 概括了內(nèi)表面與環(huán)境之間通過對(duì)流和輻射方式綜合換熱的能力內(nèi)表面換熱阻Ri =1/i 2、計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱熱流 3、計(jì)算外表面換熱熱流4、綜合上述三階段的計(jì)算結(jié)果圍護(hù)結(jié)構(gòu)
10、的傳熱系數(shù)K0表示圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)空氣溫度差為1,單位時(shí)間內(nèi)通過1m2面積傳遞的熱量圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱阻 R0=Ri+R+Re圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù) K0=1/R0二、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱阻指圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱過程中熱流沿途所受到的熱阻之和(1)表面換熱阻內(nèi)表面換熱阻(表16)外表面換熱阻(表17)(2)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻單層材料層多層材料層 材料層的熱阻組合材料層廉價(jià)材料和構(gòu)造往往很節(jié)能西部荒漠區(qū)銀川生態(tài)民居示范規(guī)劃設(shè)計(jì)方案1 草磚墻體系、被動(dòng)太陽(yáng)能采暖、自然通風(fēng)技術(shù)方案2 多孔磚保溫體系、太陽(yáng)能供暖、自然通風(fēng)技術(shù)方案3 生土結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)能采暖與熱水、被動(dòng)式降溫技術(shù)分別適應(yīng)不同戶型、面積和等級(jí)(建筑節(jié)能率均為80%)多孔磚
11、、草磚墻構(gòu)造、石材基礎(chǔ)落成后實(shí)景(4萬(wàn)余平方米)抗震性能試驗(yàn)實(shí)景構(gòu)造中的空氣層熱阻(傳熱過程同時(shí)包括了導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射)封閉空氣層的熱阻(表18)提高空氣層熱阻要限制其輻射換熱垂直空氣間層與水平空氣間層表面貼鋁箔等熱反射層限制空氣間層內(nèi)的輻射換熱,效果顯著雙層鋁箔比單層鋁箔的改善效果不明顯為防止結(jié)露,鋁箔貼于熱表面滲風(fēng)對(duì)空氣層熱阻的影響思考:從輻射換熱的角度考慮,空氣層宜設(shè)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷側(cè)還是熱側(cè)?降低間層平均溫度,減少輻射換熱量,宜設(shè)于冷側(cè)。例1-6三、圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度分布計(jì)算室內(nèi)外空氣溫度一定,空氣溫度分布是平直線表面邊界層內(nèi)的溫度分布是曲線,當(dāng)空氣溫度高于表面溫度時(shí)曲線上凸,反之,曲線向
12、下凹各材料層內(nèi)部的溫度分布是一條從高溫界面到低溫界面的折線,折線的斜率與材料層熱阻成正比1.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)周期性不穩(wěn)定傳熱原理與計(jì)算一、周期性熱作用的概念二、半無(wú)限大物體周期性傳熱的特征空氣溫度、表面溫度、物體內(nèi)部溫度以同樣的周期波動(dòng)從空氣溫度到表面溫度再到物體內(nèi)部溫度,溫度波幅依次衰減從空氣溫度到表面溫度再到物體內(nèi)部溫度,在溫度波的傳播方向上各點(diǎn)溫度波相位依次向后延遲三、有限厚度平壁周期性傳熱的特征空氣溫度、外表面溫度、內(nèi)表面溫度以同樣的周期波動(dòng)從空氣溫度到外表面溫度再到內(nèi)表面溫度,溫度波幅依次衰減穿透衰減倍數(shù)從空氣溫度到表面溫度再到物體內(nèi)部溫度,在溫度波的傳播方向上各點(diǎn)溫度波相位依次向后延遲四、圍護(hù)結(jié)構(gòu)周期性傳熱過程單純的穩(wěn)定傳熱過程單純的外側(cè)諧波作用過程單純的內(nèi)側(cè)諧波作用過程五、衰減倍數(shù)和延遲時(shí)間的計(jì)算Building Information Modeling 建筑信息模型三、濕空氣的物理性質(zhì)濕空氣的組成濕空氣的狀態(tài)參數(shù)大
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