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(guò)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(guò)程熱工計(jì)算中，通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料層的傳熱過(guò)程，均按導(dǎo)熱過(guò)程考慮。常見(jiàn)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)有：?jiǎn)我徊牧蠈佣鄬硬牧蠈咏M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(guò)多層平壁的導(dǎo)熱λ1λ2λ3

d1d2d3θiθe——通過(guò)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(guò)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(guò)程傳熱過(guò)程——室內(nèi)外熱環(huán)境通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)而進(jìn)行的熱量交換，包含導(dǎo)熱、對(duì)流以及輻射換熱方式溫度場(chǎng)不隨時(shí)間變化的傳熱過(guò)程——穩(wěn)定傳熱過(guò)程設(shè):ti>te傳熱過(guò)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(duì)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(guò)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(duì)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(wú)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(duì)于一維穩(wěn)定傳熱過(guò)程上式聯(lián)立:q—通過(guò)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(guò)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(duì)流和輻射主要是對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)

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(duì)流，此時(shí)自然

對(duì)流換熱最強(qiáng)。第一節(jié)穩(wěn)定傳熱通過(guò)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(duì)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(jiàn)：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)?？諝忾g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(guò)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(guò)磚墻的熱流量:

通過(guò)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(wú)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(duì)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(guò)程可分解為三個(gè)過(guò)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(guò)程在室外諧波熱作用下的周期性傳熱過(guò)程在室內(nèi)諧波熱作用下的周期性傳熱過(guò)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