第二章傳熱原理及計(jì)算

第二章建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的

傳熱原理及計(jì)算

新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院

2010年9月第二章建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的

傳熱原理及計(jì)算第一節(jié)穩(wěn)定傳熱第二節(jié)周期性不穩(wěn)定傳熱

根據(jù)建筑保溫和隔熱設(shè)計(jì)中所考慮的室內(nèi)外熱作用的特點(diǎn)可將室內(nèi)外溫度的計(jì)算模型歸納為兩種：1、恒定的熱作用2、周期性熱作用第一節(jié)穩(wěn)定傳熱一、一維穩(wěn)定傳熱特征通過平壁的熱流強(qiáng)度處處相等同一材質(zhì)的平壁內(nèi)部各個(gè)界面溫度分布呈直線關(guān)系第一節(jié)穩(wěn)定傳熱二、平壁內(nèi)的導(dǎo)熱過程熱工計(jì)算中，通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料層的傳熱過程，均按導(dǎo)熱過程考慮。常見的圍護(hù)結(jié)構(gòu)有：單一材料層多層材料層組合材料層封閉空氣間層等第一節(jié)穩(wěn)定傳熱1、單層均指平壁的導(dǎo)熱ＸdＱＦ第一節(jié)穩(wěn)定傳熱2、經(jīng)過多層平壁的導(dǎo)熱λ1λ2λ3

d1d2d3θiθe——通過平壁的導(dǎo)熱量w/m2——平壁外表面的溫度℃第一節(jié)穩(wěn)定傳熱3、通過組合壁的導(dǎo)熱組合壁：在建筑工程中，維護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部個(gè)別材料層常出現(xiàn)兩種以上材料組成的組合材料層。F----是各部分在垂直熱流方向的表面積m2

Φ----修正系數(shù)θiθe第一節(jié)穩(wěn)定傳熱

注:（1）當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)由兩材料組成時(shí)，λ1應(yīng)取較大值;

（2）當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)由三種材料組成，或有兩種厚度不同的空氣間層時(shí)，λ2取較小值，λ1取較大值;

（3）當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)存在圓孔時(shí)，將其折成同面積方孔計(jì)算。修正系數(shù)φ值0.860.930.960.980.10~0.190.20~0.390.40~0.690.70~0.99φ

λ2/λ1

或(λ2+λ3)/2λ1第一節(jié)穩(wěn)定傳熱三、平壁的穩(wěn)定傳熱過程傳熱過程——室內(nèi)外熱環(huán)境通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)而進(jìn)行的熱量交換，包含導(dǎo)熱、對流以及輻射換熱方式溫度場不隨時(shí)間變化的傳熱過程——穩(wěn)定傳熱過程設(shè):ti>te傳熱過程經(jīng)歷三個(gè)階段λ

1λ2λ3d1d2d3第一節(jié)穩(wěn)定傳熱1、內(nèi)表面吸熱t(yī)i>θi,內(nèi)表面以對流和輻射的方式吸熱λ1λ2λ3

d1d2d3titeθi第一節(jié)穩(wěn)定傳熱

內(nèi)表面換熱阻Ri

0.13

7.6有肋狀突出物的頂棚（h/s>0.3）

0.11

8.7墻面、地面、表面平整或有肋狀突出物的頂棚（h/s￡0.3）Ri(m2?K)/W)aiW/(m2?K)表面特性第一節(jié)穩(wěn)定傳熱2、平壁材料層的導(dǎo)熱λ1λ2λ3

d1d2d3tite——通過平壁的導(dǎo)熱量w/m2——平壁外表面的溫度℃θiθe第一節(jié)穩(wěn)定傳熱3、外表面換熱θe>te,外表面把熱量以對流和輻射的方式傳給室外的空氣——外表面的散熱量，w/m2

——外表面的換熱系數(shù)，w/（m2K)0.0519.0外墻和屋頂夏季0.176.0外墻上無窗的不采暖地下室上面的樓板0.0812.0悶頂、外墻上有窗不采暖地下室上面樓板0.0617.0與室外空氣相通的不采暖地下室上面樓板0.0423.0外墻、屋頂、與室外空氣直接接觸的表面冬季Reae表面特征季節(jié)qeae第一節(jié)穩(wěn)定傳熱對于一維穩(wěn)定傳熱過程上式聯(lián)立:q—通過平壁的傳熱量w/m2

R0—平壁的總傳熱阻表示熱量從平壁一側(cè)傳到另一側(cè)是所受到的總阻力（m2K/w）第一節(jié)穩(wěn)定傳熱

K0—平壁的傳熱系數(shù)物理含義：當(dāng)ti-te=1℃時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過平壁單位表面積的傳熱量w/（m2K)第一節(jié)穩(wěn)定傳熱四、封閉空氣間層的熱阻建筑設(shè)計(jì)中常用封閉空氣層作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫層?？諝鈱又械膫鳠岱绞剑簩?dǎo)熱、對流和輻射主要是對流換熱和輻射換熱封閉空氣層的熱阻取決于間層兩個(gè)

界面上的邊界層厚度和界面之間的輻射換熱強(qiáng)度。熱阻的大小與間層厚度不成正比例關(guān)系第一節(jié)穩(wěn)定傳熱在有限空間內(nèi)的對流換熱強(qiáng)度與間層的厚度、間層的設(shè)置方向和形狀、間層的密閉性等因素有關(guān)。垂直空氣間層中，θ1>θ2當(dāng)間層厚度較薄時(shí)熱氣流和冷氣流相互干擾，

形成局部環(huán)流，使邊界層減薄。當(dāng)間層厚度很薄時(shí)(d<0.5cm)氣流的流動(dòng)困難，氣流近似為靜

止，對流換熱很弱當(dāng)間層厚度增加(d>10cm)上升氣流和下降氣流干擾程度逐漸減小

當(dāng)厚度達(dá)到一定程度時(shí)，就與自然對流

情況類似。第一節(jié)穩(wěn)定傳熱當(dāng)熱面在上方時(shí)，間

層內(nèi)可視為不存在對

流。當(dāng)熱面在下方時(shí)，熱

氣流的上升和冷氣流

的下沉相互交替形成

自然對流，此時(shí)自然

對流換熱最強(qiáng)。第一節(jié)穩(wěn)定傳熱通過間層的輻射換熱量與間

層表面材料的輻射性能和間

層的平均溫度高低有關(guān)。1—純導(dǎo)熱換熱量2—對流換熱量3—總換熱量4—間層內(nèi)有一表面貼有鋁箔5——間層內(nèi)兩表面都貼有鋁箔可見：普通空氣間層的傳熱

量中輻射換熱占很大比例，

要提高空氣間層的熱阻須減

少輻射傳熱量。垂直間層內(nèi)不同傳熱方式的比較第一節(jié)穩(wěn)定傳熱增大空氣層熱阻的措施:減小輻射換熱量（1）貼鋁箔(若單面貼，應(yīng)貼在高溫一側(cè));（2）將空氣層設(shè)在低溫側(cè)。空氣間層熱阻R（m2·K/W）

0.860.350.500.810.380.500.730.380.490.630.370.460.490.340.390.300.250.270.160.150.151.010.570.710.940.560.690.840.550.650.710.520.590.560.450.490.340.290.310.180.170.18熱流向下（水平、傾斜）熱流向上（水平、傾斜）垂直空氣間層雙面鋁箔空氣間層0.540.280.370.520.300.370.480.300.360.440.290.340.370.280.310.250.200.220.150.140.150.640.430.500.600.420.490.570.420.470.510.400.440.430.350.390.280.260.260.160.160.16熱流向下（水平、傾斜）熱流向上（水平、傾斜）垂直空氣間層單面鋁箔空氣間層0.150.130.150.160.130.150.160.130.140.150.130.140.150.130.140.120.110.120.090.090.090.200.170.180.200.170.180.190.170.180.180.160.170.170.150.160.140.140.140.100.100.10熱流向下（水平、傾斜）熱流向上（水平、傾斜）垂直空氣間層一般空氣間層>6050403020105>6050403020105間層厚度（mm）間層厚度（mm）夏季狀況冬季狀況位置、熱流狀況及材料特性第一節(jié)穩(wěn)定傳熱[例2-1]求鋼筋混凝土圓孔板冬季的熱阻（設(shè)熱流為自下而上）[解]將圓孔折算成等面積正方孔，則：b=0.079m計(jì)算各部分的熱阻值第一節(jié)穩(wěn)定傳熱計(jì)算兩種材料的導(dǎo)熱系數(shù)比，求修正系數(shù)

鋼筋混凝土：λ1=1.74W/（m·k)

空氣間層的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)λ2=0.079/0.17=0.46W/（m·k)

λ2/λ1=0.46/1.74=0.267

φ=0.93第一節(jié)穩(wěn)定傳熱五、平壁內(nèi)部溫度的計(jì)算第一節(jié)穩(wěn)定傳熱[例2-2]已知室內(nèi)氣溫為15℃，室外氣溫為-10℃，試計(jì)算通過下圖所示的磚墻和鋼筋混凝土預(yù)制板屋頂?shù)臒崃髁亢蛢?nèi)部溫度分布。Ri=0.115m2·K/W，Re=0.043m2·K/W；1.鋼筋混凝土2.水泥砂漿3.兩氈三油防水層4.白灰粉刷5.磚砌體第一節(jié)穩(wěn)定傳熱解：已知ti=15℃,te=-10℃,Ri=0.11,Re=0.04由附錄1查得，磚砌體的λ=0.81，石灰粉刷的λ=0.81，鋼筋混凝土的λ=1.74，水泥砂漿的λ=0.93，油氈屋面的λ=0.17由式得磚墻的總熱阻:鋼筋混凝土屋頂?shù)目偀嶙?第一節(jié)穩(wěn)定傳熱（1）求熱流量

由公式得出通過磚墻的熱流量:

通過鋼筋混凝土屋頂?shù)臒崃髁康谝还?jié)穩(wěn)定傳熱（2）求內(nèi)部溫度

磚墻結(jié)構(gòu)：

鋼筋混凝土屋頂：第二節(jié)周期性不穩(wěn)定傳熱一、諧波熱作用第二節(jié)周期性不穩(wěn)定傳熱二、諧波熱作用下的熱特征室外溫度和平壁表面溫度、內(nèi)部任意截面處的溫度都是同一周期的諧波動(dòng);

從室外空間到平壁內(nèi)部，溫度波動(dòng)振幅逐漸減小

——溫度波動(dòng)的衰減度;從室外空間到平壁內(nèi)部，溫度波動(dòng)的相位逐漸向

后推延——溫度波動(dòng)的相位延遲第二節(jié)周期性不穩(wěn)定傳熱三、諧波熱作用下材料和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱特征指標(biāo)（1）材料的蓄熱系數(shù)（S）:指均質(zhì)半無限大體，在一側(cè)受諧波熱作用時(shí)，迎波面上熱流振幅與溫度振幅的比值：（2）材料層的熱惰性指標(biāo)（D）：表征材料從受到波動(dòng)熱作用后，背波面上溫度波動(dòng)劇烈程度的指標(biāo)：第二節(jié)周期性不穩(wěn)定傳熱(3)材料層表面的蓄熱系數(shù)Y

在近似計(jì)算中，當(dāng)材料層的熱惰性指標(biāo)D≥1.0時(shí)，則可認(rèn)為材料層表面溫度的波動(dòng)主要與本身材料的熱物理性能有關(guān)，這時(shí)刻近似取Y=S。當(dāng)材料層的熱惰性指標(biāo)D＜1.0時(shí)，則材料層背波面的邊界條件對迎波面溫度的波動(dòng)有不可忽略的影響，此時(shí)Y與S在數(shù)值上不等材料層表面的蓄熱系數(shù)Y的計(jì)算方法步驟：

計(jì)算順序逆著熱流波方向：第二節(jié)周期性不穩(wěn)定傳熱（1）當(dāng)溫度波由外向內(nèi)時(shí)：（2）當(dāng)溫度波由內(nèi)向外時(shí)：第二節(jié)周期性不穩(wěn)定傳熱四、諧波熱作用下平壁的傳熱計(jì)算 如果平壁兩側(cè)受到的諧波作用分別為：外側(cè):內(nèi)側(cè):則綜合過程可分解為三個(gè)過程:在室內(nèi)平均溫度和室外平均溫度作用下的穩(wěn)定傳熱過程在室外諧波熱作用下的周期性傳熱過程在室內(nèi)諧波熱作用下的周期性傳熱過程第二節(jié)周期性不穩(wěn)定傳熱五、溫度波在平壁內(nèi)的衰減和延遲計(jì)算1、室外溫度諧波傳至平壁內(nèi)表面時(shí)的衰減倍數(shù)和延遲時(shí)間的計(jì)算當(dāng)周期Z=24小時(shí)，則：第二節(jié)周期性不穩(wěn)定傳熱2、室內(nèi)溫度諧波傳至平壁內(nèi)表面時(shí)衰減和延遲計(jì)算當(dāng)周期Z=24小時(shí)，則：第二節(jié)周期性不穩(wěn)定傳熱例：某建筑西墻構(gòu)造如圖，使求其衰減度ν0及延遲時(shí)間ξ0

（1）計(jì)算各層熱阻R

和熱惰性指標(biāo)D

505080鋼筋混凝土鋼筋混凝土巖棉板0.9317.2

S1.1630.49

D=R?S1.250.0287

R=d/λ0.0641.74