建筑外墻用隔熱涂料輻射換熱原理分析

1、建筑外墻用隔熱涂料建筑外墻用隔熱涂料輻射換熱原理分析輻射換熱原理分析 我國已出臺建筑用隔熱涂料產(chǎn)品的國家標(biāo)準(zhǔn)；我國已出臺建筑用隔熱涂料產(chǎn)品的國家標(biāo)準(zhǔn)；引導(dǎo)全國建筑隔熱涂料的科學(xué)推廣以及合理應(yīng)用。引導(dǎo)全國建筑隔熱涂料的科學(xué)推廣以及合理應(yīng)用。 部分省市因地制宜編制了建筑隔熱涂料地方應(yīng)部分省市因地制宜編制了建筑隔熱涂料地方應(yīng)用規(guī)程。各地建設(shè)管理機(jī)構(gòu)配套出臺了促進(jìn)建筑隔用規(guī)程。各地建設(shè)管理機(jī)構(gòu)配套出臺了促進(jìn)建筑隔熱涂料在當(dāng)?shù)睾侠響?yīng)用的管理文件和驗收規(guī)定。為熱涂料在當(dāng)?shù)睾侠響?yīng)用的管理文件和驗收規(guī)定。為正確引導(dǎo)其產(chǎn)品的正確應(yīng)用和健康發(fā)展起了非常重正確引導(dǎo)其產(chǎn)品的正確應(yīng)用和健康發(fā)展起了非常重要的作用！要的作

2、用！熱能的傳導(dǎo)：熱能總是試圖達(dá)到一個平衡的狀態(tài)! 第零定律熱量傳遞過程的推動力：溫差熱量傳遞過程的推動力：溫差 熵增定律熵增定律 導(dǎo)熱：是物體不同溫度的各部分直接接觸而發(fā)生的熱傳遞現(xiàn)象。 導(dǎo)熱導(dǎo)熱( (熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)) ) 對流對流( (熱對流熱對流) ) 熱輻射熱輻射 可以在固體、液體、氣體中發(fā)生可以在固體、液體、氣體中發(fā)生a 必須有溫差；必須有溫差；b 物體直接接觸；物體直接接觸；c 依靠分子、原子及自由依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運動而傳遞熱量；電子等微觀粒子熱運動而傳遞熱量；流體中（氣體或液體）溫度不同的各部分之間，由于發(fā)生相流體中（氣體或液體）溫度不同的各部分之間，由于發(fā)生相對

3、宏觀運動而傳遞熱量的現(xiàn)象。對宏觀運動而傳遞熱量的現(xiàn)象。對流換熱：對流換熱：當(dāng)流體流過一個物體表面時的熱量傳遞過程，具有當(dāng)流體流過一個物體表面時的熱量傳遞過程，具有如下特點：如下特點： a 導(dǎo)熱與熱對流同時存在的熱傳遞過程導(dǎo)熱與熱對流同時存在的熱傳遞過程 b 必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運動；同樣必須存必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運動；同樣必須存在溫差在溫差 c 壁面處會形成速度梯度的邊界層壁面處會形成速度梯度的邊界層 在傳熱的三個階段中的在傳熱的三個階段中的，往往是，往往是流體與固體壁面接觸時的換熱，在這種情況下，換熱過程就不流體與固體壁面接觸時的換熱，在這種情況下，換熱過程就不單

4、有流體的對流作用，同時伴隨著導(dǎo)熱，我們把導(dǎo)熱和對流共單有流體的對流作用，同時伴隨著導(dǎo)熱，我們把導(dǎo)熱和對流共同存在的過程，稱為同存在的過程，稱為。定義：有熱運動產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量的現(xiàn)象定義：有熱運動產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量的現(xiàn)象 特點：特點：a a、任何物體，只要溫度高于、任何物體，只要溫度高于0 K0 K，就會不停地向周，就會不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；圍空間發(fā)出熱輻射； b b、可以在真空中傳播；、可以在真空中傳播； c c、伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；、伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變； （發(fā)射時熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠?，吸收時輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽?d d、具有強(qiáng)烈的方向性；、具有強(qiáng)烈的方向性； e e、輻

5、射能與溫度和波長均有關(guān)；、輻射能與溫度和波長均有關(guān)； f f、發(fā)射輻射取決于溫度的、發(fā)射輻射取決于溫度的4 4次方。次方。 物體表面每平方米每秒對外輻射的熱量稱為物體表面每平方米每秒對外輻射的熱量稱為輻射力輻射力E，其大小與物體表面性質(zhì)和溫度有關(guān)。，其大小與物體表面性質(zhì)和溫度有關(guān)。輻射換熱輻射換熱物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞，它與單純的熱輻射物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞，它與單純的熱輻射不同。不同。 (5) (5) 輻射換熱的特點輻射換熱的特點a a 不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介質(zhì)的存在，在真空中不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介質(zhì)的存在，在真空中就可以傳遞能量就可以傳遞能量b

6、b 在輻射換熱過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換物體熱力學(xué)能在輻射換熱過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換物體熱力學(xué)能 電磁波能電磁波能 物體熱力學(xué)能物體熱力學(xué)能c c 無論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電磁波能、無論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電磁波能、 相互輻射相互輻射能量；高溫物體輻射給低溫物體的能量大于低溫物體輻射給高溫物能量；高溫物體輻射給低溫物體的能量大于低溫物體輻射給高溫物體的能量；總的結(jié)果是熱由高溫傳到低溫。體的能量；總的結(jié)果是熱由高溫傳到低溫。輻射傳熱量是物體間相互輻射與吸收的動態(tài)平衡(當(dāng)物體間處于熱平衡時，凈輻射換熱量等于零，但是相互間的輻射與吸收仍在進(jìn)行)。圖圖1-4 1-4 對流換

7、熱中邊界層的示意圖對流換熱中邊界層的示意圖 無相變：強(qiáng)迫對流和自然對流無相變：強(qiáng)迫對流和自然對流 有相變：沸騰換熱和凝結(jié)換熱有相變：沸騰換熱和凝結(jié)換熱W )(fwtthA2mW )( fwtthAqConvection heattransfer coefficient h 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 熱流量熱流量W，單位時間傳遞的熱量，單位時間傳遞的熱量q2mW 熱流密度熱流密度K)(mW2A2m 與流體接觸的壁面面積與流體接觸的壁面面積wt C 固體壁表面溫度固體壁表面溫度ft 流體溫度流體溫度 C 當(dāng)流體與壁面溫度相差當(dāng)流體與壁面溫度相差1 1度時、每單位壁面面積上、單位度時、每單位壁面面積

8、上、單位時間內(nèi)所傳遞的熱量時間內(nèi)所傳遞的熱量)( ttAhwK)(mW2影響影響h h因素：因素：等等hhrthtqRthAt 1 )(1（Convection heat transfer coefficientConvection heat transfer coefficient）hhrthtqRthAt 1 )(1 )(1WChARh 12WCmhrh （1）自然對流換熱。 由于流體冷熱部分的密度不同而引起的流動。主要受溫差大小影響。 （2）受迫對流換熱。 由于外力作用（如風(fēng)吹，泵壓）而迫使流體產(chǎn)生對流。受迫對流包含了自然對流。主要受溫差、風(fēng)速及固體表明粗糙度的影響。3 3 一維穩(wěn)態(tài)傳熱

9、過程中的熱量傳遞一維穩(wěn)態(tài)傳熱過程中的熱量傳遞忽略熱輻射換熱，則忽略熱輻射換熱，則左側(cè)對流換熱熱阻左側(cè)對流換熱熱阻111AhRh固體的導(dǎo)熱熱阻固體的導(dǎo)熱熱阻右側(cè)對流換熱熱阻右側(cè)對流換熱熱阻211AhRhAR 上面?zhèn)鳠徇^程中傳遞的熱量為：上面?zhèn)鳠徇^程中傳遞的熱量為：2121212111)()(AhAAhttRRRttffhhfftAkttAkff)(21傳熱系數(shù)傳熱系數(shù) ，是表征傳熱過程強(qiáng)烈程度的標(biāo)尺，是表征傳熱過程強(qiáng)烈程度的標(biāo)尺，不是物性參數(shù)，與過程有關(guān)。不是物性參數(shù)，與過程有關(guān)。KmW221211111hhrrrhhk單位面積的傳熱熱阻單位面積的傳熱熱阻 傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)a k k 越大，傳熱

10、越好。若要增大越大，傳熱越好。若要增大 k k，可增大，可增大或減小21 , ,hhb 非穩(wěn)態(tài)傳熱過程以及有內(nèi)熱源時，不能用熱阻分非穩(wěn)態(tài)傳熱過程以及有內(nèi)熱源時，不能用熱阻分析法析法 1）材質(zhì)的影響。 如：礦棉、泡沫塑料 磚、鋼筋混凝土 鋼 材、鋁 2）材料干密度的影響。 干密度越大，導(dǎo)熱系數(shù)越大。對特殊材料 來說：存在一個最佳干密度值，使導(dǎo)熱系 數(shù)最小。 3）材料含濕量的影響 含濕量越大，導(dǎo)熱系數(shù)越大?；炷粮擅芏扰c導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系磚砌體導(dǎo)熱系數(shù)與重量濕度的關(guān)系 壁體內(nèi)表面吸熱量 i內(nèi)表面換熱系數(shù) 平壁材料層導(dǎo)熱量材料層導(dǎo)熱系數(shù) 壁體外表面散熱量e外表面換熱系數(shù)物體熱輻射的特性：物體對熱輻射的吸

11、收、反射和穿透 Q溫差 梯度，決定熱流傳導(dǎo)方向熱 溫度，決定輻射） m2 /sp不能按物體的顏色來判斷（不能按物體的顏色來判斷（可見光只是全波長射線中的可見光只是全波長射線中的一小部分），白顏色的的物體不一定是白體。一小部分），白顏色的的物體不一定是白體。p雪對可見光吸收率很小，但對全波長射線其吸收率雪對可見光吸收率很小，但對全波長射線其吸收率0.980.98，非常接近黑體；，非常接近黑體；p白布和黑布對可見光的吸收率不同，但對紅外線的吸收白布和黑布對可見光的吸收率不同，但對紅外線的吸收率基本相同，率基本相同，p普通玻璃能透過可見光，對普通玻璃能透過可見光，對3m3m的紅外線幾乎是不的紅外線幾

12、乎是不透明體。透明體。輻射系數(shù)（C） 輻射系數(shù)可以表征物體向外發(fā)射輻射的能力。各種物體的輻射系數(shù)均低于黑體，其數(shù)值大小取決于物質(zhì)種類、表面溫度和表面狀況。這說明只與發(fā)射輻射的物體本身有關(guān)，而不涉及外界條件。 輻射系數(shù)的范圍在05.68W/(m2 k4)黑度（） 相同溫度下，實際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比:輻射力E：單位時間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有波長的能量總和。 黑體的輻射力為Eb；黑體的光譜輻射力為Eb物體對外來輻射的吸收和物體對外來輻射的吸收和反射能力是和物體的性質(zhì)、反射能力是和物體的性質(zhì)、表面狀況、所處溫度和發(fā)表面狀況、所處溫度和發(fā)射物體的溫度有關(guān)射物體的溫

13、度有關(guān)。 選擇性吸收：投入輻射本身具有光譜特性，因此，實際物體對投入輻射的吸收能力也根據(jù)其波長的不同而變化，稱為選擇性吸收。隔熱涂料的應(yīng)用存在的問題：隔熱涂料的應(yīng)用存在的問題：1、僅僅將該產(chǎn)品其一個、僅僅將該產(chǎn)品其一個“反射作用反射作用”特性進(jìn)行了研究，量特性進(jìn)行了研究，量化計算的基礎(chǔ)值得探討。（無論是等效法或修正法）化計算的基礎(chǔ)值得探討。（無論是等效法或修正法）2、對其特性研究對象僅針對、對其特性研究對象僅針對“反射性能反射性能”，希望揭示其自，希望揭示其自身的特性作用對結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定做出的貢獻(xiàn)。身的特性作用對結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定做出的貢獻(xiàn)。3、將該傳熱研究的基礎(chǔ)仍建立在基于穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱理論，進(jìn)入、將該傳熱研

14、究的基礎(chǔ)仍建立在基于穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱理論，進(jìn)入了一個不適合的體系，即一方面認(rèn)為是了一個不適合的體系，即一方面認(rèn)為是“反射隔熱周期作反射隔熱周期作用用”特性，而又采用穩(wěn)態(tài)特性，而又采用穩(wěn)態(tài)“保溫保溫”傳統(tǒng)思路去分析其機(jī)理，傳統(tǒng)思路去分析其機(jī)理，其結(jié)果效應(yīng)以及對其結(jié)果效應(yīng)以及對“隔熱涂料隔熱涂料”產(chǎn)品性能的要求缺乏針對產(chǎn)品性能的要求缺乏針對性和完整性。性和完整性。 晝 夜 - - 建筑物內(nèi)外表面的傳熱特點夏 冬 黑體單色輻射Eb的最大值隨著黑體溫度升高而向波長較短一邊移動。波段輻射力占同溫度下黑體輻射波段輻射力占同溫度下黑體輻射力力E Eb b的百分?jǐn)?shù)。的百分?jǐn)?shù)。F Fb(b(）: :熱輻射主要處于紅外線

15、波長范圍內(nèi)，熱輻射主要處于紅外線波長范圍內(nèi)， 這是這是克?；舴蚨傻谋磉_(dá)式克希霍夫定律的表達(dá)式，它說明在熱，它說明在熱平衡條件下，任意物體的吸收比等于同溫度平衡條件下，任意物體的吸收比等于同溫度下該物體的輻射率下該物體的輻射率(黑度黑度)?？讼；舴蚩讼；舴?Kirchhoff)(Kirchhoff)揭示了與周圍環(huán)境揭示了與周圍環(huán)境處于熱平衡狀態(tài)下實際物體的黑度與吸收處于熱平衡狀態(tài)下實際物體的黑度與吸收率之間的關(guān)系。率之間的關(guān)系。cos)(IdAdddE熱輻射，熱輻射，0.76-200.76-20太陽輻射太陽輻射, 0.38-0.76隔熱涂料與普通涂料對比1、在250nm2500nm反射比不具特

16、點；在760nm-2500nm表現(xiàn)其特征；2、在不同明度下，其760nm-2500nm反射特性更優(yōu)于在250nm2500nm反射比；3、在遠(yuǎn)紅外其反射特性差異不明顯3、發(fā)射率（黑度）與所處溫度密切相關(guān)明度、顏色均表現(xiàn)在可見光譜范圍（太陽輻射），明度、顏色均表現(xiàn)在可見光譜范圍（太陽輻射），對普通涂料的吸收和反射影響大對普通涂料的吸收和反射影響大由于隔熱涂料對紅外光譜更為敏感（熱輻射），因由于隔熱涂料對紅外光譜更為敏感（熱輻射），因此受明度、顏色因素影響小此受明度、顏色因素影響小 = c 熱擴(kuò)散率a 反映了導(dǎo)熱過程中材料的導(dǎo)熱能力（反映了導(dǎo)熱過程中材料的導(dǎo)熱能力（ ）與沿途物質(zhì)儲熱能力（ c ）之

17、間的關(guān)系）之間的關(guān)系 物體的導(dǎo)熱系數(shù)越大，在相同的溫度梯度下可以傳導(dǎo)更多的熱量。 越大，材料中溫度變化傳播的越迅速。是材料傳播溫度變化能力大小的指標(biāo) c 越小，溫度升高1所吸收的熱量越小，剩下更多熱量繼續(xù)向物體內(nèi)部傳遞，能使物體各點的溫度更快地隨界面溫度的升高而升高。 :導(dǎo)熱系數(shù) 單位W/mK； ：密度， 單位Kg/m3 c：比熱容， 單位J/kgK 、=/ cC為容積熱容量 夏天 隔熱涂料墻面的熱發(fā)射能力 以溫度4次方提升，少吸多反 射 冬天 隔熱涂料墻面的熱發(fā)射能力大 幅度衰減 紅外線選擇性吸收和反射的特性夏季： 隔熱涂料反射熱能力主要體現(xiàn)在紅外以及在近紅外0.78-2.5 波段對色彩與明度不敏感，同時吸收的熱能具有較高的發(fā) 射紅外發(fā) 射能力。（太陽光譜中熱能主要在0.78-20紅外區(qū) 域） 普通涂料對色彩具有明顯的選擇性吸收，其可見光區(qū)域 的敏感性高于隔熱涂料，對紅外發(fā)射 能力遠(yuǎn)低于隔熱涂料 ，使得表面溫度升高； 溫差，影響熱流量冬季