建筑物理-熱學(xué)課件-第二章

建筑物理（I）—建筑熱工、建筑光學(xué)浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院建筑學(xué)系建筑技術(shù)科學(xué)研究所授課教師：葛堅傳熱—物體內(nèi)部或者物體之間熱能轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。凡有溫度差，就必然有熱能的傳遞和轉(zhuǎn)移顯現(xiàn)。傳熱的基本方式—導(dǎo)熱、對流、輻射第2章傳熱基本知識第1節(jié)傳熱方式導(dǎo)熱（1）導(dǎo)熱的機理溫度不同的質(zhì)點（分子、原子、自由電子）在熱運動中引起的熱能傳遞的現(xiàn)象。

固體導(dǎo)電固體——自由電子移動非導(dǎo)電固體——相鄰分子碰撞液體——分子振動（平衡位置間歇移動）氣體——分子無規(guī)則運動時的相互碰撞（2）平壁的導(dǎo)熱一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的傅利葉公式——單位面積、單位時間的熱流量，也叫熱流密度，；——材料的導(dǎo)熱系數(shù)，——材料的厚度，m

——壁面的溫度，定義稱材料的導(dǎo)熱熱阻，則單位（3）材料的導(dǎo)熱系數(shù)材料非常重要的熱物理參數(shù)，直接反映了材料的導(dǎo)熱能力的大小各種材料在一定的條件下，都有確定的導(dǎo)熱系數(shù)(附錄I)導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素（a）導(dǎo)熱系數(shù)主要受到材質(zhì)的影響材質(zhì)的不同，導(dǎo)熱系數(shù)就有差別。工程上常把導(dǎo)熱系數(shù)小于0.3

的材料稱為絕熱材料，用于保溫、隔熱。常溫下，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)0.026（b）導(dǎo)熱系數(shù)受材料干密度的影響材料的干密度越大，材料越密實，導(dǎo)熱性能越強，導(dǎo)熱系數(shù)越大。反之，材料干密度越小，材料孔隙越大，導(dǎo)熱系數(shù)越小—多孔絕熱材料但是，某些材料，當(dāng)干密度下降到某一程度后，如果繼續(xù)降低干密度，其導(dǎo)熱系數(shù)不再變小，反而增大—最佳干密度，即在該干密度時，材料的導(dǎo)熱系數(shù)最小。（c）材料含濕量的影響隨著含濕量增大，導(dǎo)熱系數(shù)明顯增加—工程中須注意材料的防潮磚砌體導(dǎo)熱系數(shù)與重量濕度的關(guān)系（d）溫度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

溫度對材料的導(dǎo)熱系數(shù)略有影響。在建筑熱工中，該變化可以忽略不計。2.對流對流是溫度不同的流體發(fā)生相對運動而引起的熱能傳遞。發(fā)生在流體之中，或者固體表面與其緊鄰的運動流體之間。層流邊界層——層流狀態(tài)，導(dǎo)熱為主，溫度分布為傾斜的直線狀。過渡區(qū)——層流邊界層與紊流核心區(qū)間的過渡，溫度分布呈拋物線狀紊流核心區(qū)——紊流狀態(tài)，溫度分布均勻，呈水平直線狀。對流換熱量的計算流體：運動發(fā)生的原因、流體的運動狀況、流體的物理性質(zhì)、流體與壁面的溫差壁面：壁面的形狀、材質(zhì)、大小、位置關(guān)系——對流換熱強度，；——對流換熱系數(shù)，——流體主體部分的溫度，——壁面的溫度，

——對流換熱熱阻對流換熱系數(shù)的影響因素平壁水平（1）自然對流（2）強制對流（中等粗糙度）對流換熱系數(shù)的簡化計算平壁垂直熱流由下而上熱流由上而下外表面內(nèi)表面3.輻射（1）輻射的本質(zhì)與特點所有溫度高于絕對零度（K）的物體，都會發(fā)射電磁波。波長在0.4-40um范圍的電磁波，照射到物體上熱效應(yīng)特別顯著，稱熱射線，包括可見光及紅外線的短波部分。熱射線的傳播過程叫熱輻射。通過熱射線傳播熱能的方式叫輻射傳熱。輻射傳熱的特點（a）輻射傳熱過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)化。物體內(nèi)能—電磁能—內(nèi)能（b）電磁波的傳播不需要中間介質(zhì)，也不需要冷熱物體的直接接觸。（c）輻射傳熱是物體間相互輻射的結(jié)果。（2）輻射能的吸收、反射和透射根據(jù)能量守恒定律——被吸收的輻射能——被反射的輻射能——被透射的輻射能——總?cè)肷漭椛淠軆蛇呁瑫r除以吸收系數(shù)反射系數(shù)透射系數(shù)各種物體對輻射熱的吸收、反射和透射，取決于材料本身，還取決于輻射波長。絕對白體—將輻射熱全部反射的物體絕對黑體—將輻射熱全部吸收的物體絕對透明體（透熱體）—將輻射熱全部透過的物體建筑工程中，絕大多數(shù)材料都是非透明體，即

因此，對輻射能反射越強的物體，對輻射能的吸收越少。（3）輻射本領(lǐng)、輻射系數(shù)、黑度輻射本領(lǐng)—物體對外放射輻射能的本領(lǐng)。全輻射本領(lǐng)—單位時間單位物體表面上輻射的所有波長的總能量，E,單色輻射本領(lǐng)—單位時間單位物體表面上輻射的某一波長的能量，輻射光譜—物體在同一溫度下不同波長的單色輻射本領(lǐng)。物體的輻射光譜1-黑體；2-灰體；3-選擇性輻射體黑體—能吸收一切外來輻射，同時能夠輻射一切波長的輻射能，在同溫度下，黑體的輻射本領(lǐng)最大?；殷w—輻射光譜的形狀與黑體相似，單色輻射本領(lǐng)比黑體在同一波長下的單色輻射本領(lǐng)小，但是兩者之比是一個小于1的常數(shù)，稱為黑度。建筑材料大多可看成灰體。選擇性吸收體—只能吸收和發(fā)射某些波長的輻射能。物體的輻射光譜1-黑體；2-灰體；3-選擇性輻射體斯蒂芬—波爾茲曼定律黑體的全輻射本領(lǐng)

——絕對黑體全輻射本領(lǐng)，——絕對黑體的絕對溫度，K——絕對黑體的輻射系數(shù)，常數(shù)5.68灰體的全輻射本領(lǐng)——灰體的全輻射本領(lǐng)，——灰體的絕對溫度，K——灰體的輻射系數(shù)，同一物體的輻射本領(lǐng)隨著溫度的升高而急劇增加。溫度升高時，短波輻射所占的比例逐漸增多，最大單色輻射本領(lǐng)向短波方向移動—維恩位移定律當(dāng)溫度較低時，輻射能主要集中在長波范圍，可見光的輻射可以忽略；當(dāng)溫度提高到一定程度，紅外線和可見光部分逐漸增多。黑度—灰體的全輻射本領(lǐng)與同溫度下黑體的全輻射本領(lǐng)的比值，表示了灰體接近于黑體的程度。其值處于0-1之間。黑體黑度為1，與同溫度的其他灰體相比，輻射能力最強。黑體灰體定義為灰體的黑度克希荷夫定律一定溫度下，物體對于熱輻射的吸收系數(shù)在數(shù)值上等于其黑度，即物體輻射能力越大，它對外來輻射的吸收能力也越大；反之，輻射能力越小，吸收能力也越小。但是，建筑圍護結(jié)構(gòu)對太陽輻射的吸收系數(shù)并不等于其黑度，因為太陽表面的溫度遠高于普通物體，其輻射能主要集中在短波范圍。常用建筑材料的輻射黑度、系數(shù)、對太陽輻射的吸收系數(shù)玻璃的溫室效應(yīng)普通玻璃對可見光的透過率很高，相當(dāng)于是透明體，而對紅外線等長波輻射卻是不透明體。因此，利用這種玻璃制成的溫室，能透入大量的太陽輻射熱而阻止室內(nèi)的長波輻射向外透射，即產(chǎn)生溫室效應(yīng)。（4）輻射換熱的計算物體之間的輻射換熱主要取決于各個表面的溫度、發(fā)射和吸收輻射熱的能力以及表面的相對位置。在建筑熱工中，計算某一表面與其他相應(yīng)表面及室內(nèi)外空間之間的輻射換熱，常用——輻射換熱強度，；——輻射換熱系數(shù)，——壁面1，2的溫度，

——輻射換熱熱阻輻射換熱系數(shù)的影響因素：兩表面的輻射系數(shù)、面積、溫度、相對位置等綜上所述傳熱的基本方式為：導(dǎo)熱、對流、輻射掌握各種傳熱方式的機理、條件和簡化計算方法。實際工程中，傳熱并非單一的傳熱方式，而往往是兩種或者兩種以上的組合。第2節(jié)平壁的穩(wěn)定傳熱1.平壁傳熱過程（一維穩(wěn)定傳熱）三個階段（1）內(nèi)表面的吸熱（2）平壁材料的導(dǎo)熱（3）外表面的散熱穩(wěn)定傳熱——傳熱過程中，各部分的溫度不隨時間變化，處于穩(wěn)定狀態(tài)。（穩(wěn)態(tài)傳熱）（1）內(nèi)表面的吸熱內(nèi)表面從室內(nèi)空氣獲得熱量的過程（對流+輻射）——內(nèi)表面的吸熱強度，；

——內(nèi)表面通過對流方式的換熱強度，——內(nèi)表面通過輻射方式的換熱強度，——內(nèi)表面的對流換熱系數(shù)——內(nèi)表面的輻射換熱系數(shù)——室內(nèi)空氣和其他表面的溫度，——內(nèi)表面的溫度，——內(nèi)表面的換熱系數(shù)（2）平壁材料的導(dǎo)熱假設(shè)單層勻質(zhì)材料，導(dǎo)熱系數(shù)為，厚度為d,兩側(cè)的溫度為——平壁的導(dǎo)熱強度，——平壁內(nèi)外表面的溫度，（3）外表面的散熱——外表面的放熱強度，；

——外表面通過對流方式的換熱強度，——外表面通過輻射方式的換熱強度，——外表面的對流換熱系數(shù)——外表面的輻射換熱系數(shù)——室外空氣溫度，——外表面的溫度，——外表面的換熱系數(shù)（4）綜上所述圍護結(jié)構(gòu)的一維穩(wěn)態(tài)傳熱包括了3個過程：

內(nèi)表面的吸熱

平壁材料的導(dǎo)熱

外表面的散熱由于是穩(wěn)態(tài)過程消去中間量令稱平壁的總熱阻，令稱平壁的總傳熱系數(shù)，因此熱流密度＝傳熱的動力（溫度差）/傳熱的阻力（熱阻）2.封閉空氣間層的傳熱封閉空期間層內(nèi)的傳熱，是在有限封閉空間內(nèi)兩個表面之間進行的熱轉(zhuǎn)移過程，是導(dǎo)熱、對流和輻射三種傳熱方式的綜合作用的結(jié)果。導(dǎo)熱——由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)相當(dāng)小，所以封閉空期間層中的導(dǎo)熱量基本可以忽略。主要在接近壁面的層流邊界層中。對流——換熱強度主要與間層的厚度、位置、形狀等因素有關(guān)。輻射換熱——取決于間層表面材料的輻射系數(shù)（黑度）和間層中間的溫度狀態(tài)。曲線-1靜止空氣的純導(dǎo)熱曲線-2間層內(nèi)存在自然對流曲線-2與3之間間層的輻射換熱量曲線-3空氣間層的總換熱量曲線-4間層的一個表面敷貼鋁箔時的總換熱量曲線-5間層的兩個表面敷貼鋁箔敷貼鋁箔時的總換熱量可以看出，輻射換熱占了總換熱量的70%以上。要減少空氣間層的換熱量，必須重點減少輻射換熱量。在間層表面涂貼反射材料，貼在間層溫度較高的一側(cè)為宜，防止間層結(jié)露?？梢钥闯觯?）在建筑圍護結(jié)構(gòu)中采用封閉的空氣間層可以增加熱阻，省材料，質(zhì)量輕，是一種有效而經(jīng)濟實用的技術(shù)措施。（2）在圍護結(jié)構(gòu)中用一個厚的空氣間層不如用幾個薄的空氣間層。（3）為了減少間層的輻射傳熱量，可以在間層表面涂貼反射材料，以貼在間層的高溫側(cè)為宜。3.平壁總熱阻的計算稱平壁的總熱阻為內(nèi)表面換熱阻、平壁導(dǎo)熱阻及外表面換熱阻之和。（1）內(nèi)表面換熱阻內(nèi)表面換熱系數(shù)（2）外表面換熱阻外表面換熱系數(shù)（3）平壁導(dǎo)熱阻（a）單一材料層的熱阻——材料層的厚度，m——材料的導(dǎo)熱系數(shù)，（b）多層勻質(zhì)材料層的熱阻——各材料層的厚度，m——各材料的導(dǎo)熱系數(shù)，（c）組合材料層的熱阻——內(nèi)表面換熱系數(shù)，取0.11——垂直于熱流方向的總傳熱面積，——各種不同材料的傳熱面積，——各種不同材料的總傳熱阻，——修正系數(shù)——外表面換熱系數(shù)，取0.04（A）當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)中有圓孔時，先把圓孔折合成同面積的方孔；（B）當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)由兩種材料組成時，取較小值取較大值；（C）當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)由三種材料組成時，按求取。仍取較大值（4）封閉空氣間層的熱阻按照表查取例1計算圖示平屋頂?shù)目偀嶙?。平壁內(nèi)部溫度的確定圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度和內(nèi)部溫度是評價熱工性能的重要指標(biāo)，也是檢驗是否會產(chǎn)生凝結(jié)水的必須指標(biāo)。再對平壁整體列穩(wěn)定傳熱方程式先列平壁內(nèi)表面吸熱方程式由于所以，可得同樣，先列平壁第一層傳熱方程式，再列平壁整體傳熱方程式，可得依此類推，外表面，第3節(jié)平壁的周期性傳熱1.簡諧熱作用——溫度隨時間呈正弦或者余弦函數(shù)的規(guī)律變化。不穩(wěn)定傳熱——受到的熱作用，通過的熱流量以及溫度分布都隨著時間而變動。周期性不穩(wěn)定傳熱——外界的熱作用隨時間呈周期性變化?！跁r刻介質(zhì)的溫度——一周期內(nèi)介質(zhì)平均溫度——溫度波的振幅——溫度波的周期，h——時間，h——溫度波的初相位，deg也可以寫成角速度2.半無限厚平壁在簡諧熱作用下的傳熱特點半無限厚平壁——一側(cè)由一個平面所限制，另一側(cè)延伸到無限遠處，不能確定其厚度的壁體。（地層、地下室的側(cè)壁。。。。。。）半無限厚平壁在簡諧熱作用下的傳熱特點（1）周期相同——平壁表面以及內(nèi)部任何一點x處的溫度，都會出現(xiàn)和介質(zhì)溫度周期Z相同的簡諧波動，（2）振幅衰減——從介質(zhì)到壁體表面到平壁內(nèi)部，溫度波動的振幅逐漸減少，，也叫溫度波的衰減。（3）相位延遲——從介質(zhì)到壁體表面到平壁內(nèi)部，溫度波的相位逐漸向后推移，，也就是出現(xiàn)最高溫度的時間向后推移。振幅衰減度（從介質(zhì)到平壁表面）在諧波作用下，物體內(nèi)部的溫度呈指數(shù)規(guī)律衰減。3.簡諧熱作用下材料和圍護結(jié)構(gòu)的熱特性指標(biāo)（1）材料蓄熱系數(shù)——半無限厚物體表面熱流波動的振幅與溫度波動的振幅的比值。物理意義：表面對諧波作用的敏感程度。在同樣的熱作用下，材料的蓄熱系數(shù)越大，其表面的溫度波動越?。环粗?，如果材料的蓄熱系數(shù)越小，表面的溫度波動越大。在簡諧熱作用下，材料內(nèi)部的溫度分布、振幅衰減以及相位延遲的程度，都和材料的熱特性指標(biāo)有關(guān)。單位如果周期Z為24h，則（2）材料層的熱惰性指標(biāo)令則物理意義：D表示圍護結(jié)構(gòu)在諧波作用下反抗溫度波動的能力。D越大，離開表面x處的溫度波動就越小，即溫度波的振幅衰減越大。D即為厚度為x的材料層的熱惰性指標(biāo)。在諧波作用下，物體內(nèi)的溫度呈指數(shù)規(guī)律衰減。多層圍護結(jié)構(gòu)的熱惰性指標(biāo)為各分層材料的熱惰性指標(biāo)的和?？諝獾男顭嵯禂?shù)接近0，所以空氣間層的熱惰性指標(biāo)也忽略不計。若某層為兩種以上的材料組成時，先算平均導(dǎo)熱系數(shù)和平均蓄熱系數(shù)，然后求該層的平均熱惰性指標(biāo)。（3）材料層表面蓄熱系數(shù)在工程實踐中，絕大多數(shù)圍護結(jié)構(gòu)都是有限厚度的。與該材料層接觸的材料的熱物理性能和換熱條件都對材料表面的溫度波動有影響。假設(shè)，當(dāng)某材料內(nèi)部的溫度振幅衰減度大于等于2時，可以忽略邊界層的影響。也就是熱惰性指標(biāo)D大于等于1時。材料層表面蓄熱系數(shù)Y——有限厚度的材料的表面的熱流波動振幅與表面溫度波動振幅的比值。Y與S物理意義相同。當(dāng)邊界條件可以忽略不計時，Y與S在數(shù)值上相等。材料層表面蓄熱系數(shù)Y的計算計算方向：逆著溫度波傳播的方向當(dāng)溫度波由外向內(nèi)時，外表面的蓄熱系數(shù)要從內(nèi)側(cè)第一層算起，逐次向外計算。1）材料層外表面蓄熱系數(shù)的計算第一層，當(dāng)時，當(dāng)時，從第二層開始以后任意一層，當(dāng)時，最外一層表面的蓄熱系數(shù)，就是平壁外表面的蓄熱系數(shù)2）材料層內(nèi)表面的蓄熱系數(shù)的計算計算方向：逆著溫度波傳播的方向當(dāng)溫度波由內(nèi)向外時，外表面的蓄熱系數(shù)要從外側(cè)第一層算起，逐次向內(nèi)計算。第n層，當(dāng)時，從第n-1層開始以后任意一層m，當(dāng)時，最內(nèi)一層的內(nèi)表面的蓄熱系數(shù)，即平壁內(nèi)表面的蓄熱系數(shù)，若平壁的，則4.有限厚平壁在簡諧熱作用下的傳熱外側(cè)簡諧熱作用內(nèi)側(cè)簡諧熱作用把整個過程分解為3個分過程（1