第2章 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱計(jì)算與應(yīng)用

第2章

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱計(jì)算與應(yīng)用建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)包括：外圍護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)。透明和不透明的兩部分。研究目的：保溫、隔熱、節(jié)能室內(nèi)外溫度的計(jì)算模型（1）恒定的熱作用：采暖房間冬季（2）周期熱作用：分為單向周期熱作用（適用于空調(diào)房間的隔熱設(shè)計(jì)）和雙向周期熱作用（適用于自然通風(fēng)房間的夏季隔熱設(shè)計(jì)）。2.1穩(wěn)定傳熱2.1.1一維穩(wěn)定傳熱特征1、通過平壁的熱流強(qiáng)度q處處相等；2、同一材質(zhì)的平壁內(nèi)部各界面溫度θ分布呈直線關(guān)系。平壁的穩(wěn)定傳熱傳熱過程：室內(nèi)、外熱環(huán)境通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)而進(jìn)行的熱量交換過程，包含導(dǎo)熱、對(duì)流及輻射方式的換熱，是一種復(fù)雜的換熱過程。穩(wěn)定傳熱過程：溫度場(chǎng)不隨時(shí)間而變的傳熱過程。

2.1.2平壁內(nèi)的導(dǎo)熱過程

1。單層勻質(zhì)平壁的熱阻

2。經(jīng)過多層平壁的導(dǎo)熱

3.通過組合壁的導(dǎo)熱如圖，設(shè)由三層平壁組成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，平壁厚度分別為d1

、d2

、d3

，導(dǎo)熱系數(shù)分別為1、2、3，圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)空氣及其它物體表面溫度分別為θi、θe（設(shè)θi>θe

），室內(nèi)通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)向室外傳熱的整個(gè)過程要經(jīng)過三個(gè)階段：2）平壁材料層的導(dǎo)熱：1）內(nèi)表面吸熱：3）外表面的散熱：

2.1.3平壁內(nèi)穩(wěn)定傳熱過程2）平壁材料層的導(dǎo)熱：1）內(nèi)表面吸熱：內(nèi)表面吸熱是對(duì)流換熱與輻射換熱的綜合過程。3）外表面的散熱：外表面的散熱是平壁把熱量以對(duì)流及輻射的方式傳給室外空氣及環(huán)境。討論的問題屬于一維穩(wěn)定傳熱過程，則有聯(lián)立上面四式得若寫成熱阻形式得平壁的總傳熱阻：物理意義：表示熱量從平壁一側(cè)空間傳到另一側(cè)空間時(shí)所受到的總阻力。單位：平壁總傳熱系數(shù)：物理意義：當(dāng)時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過平壁單位表面積的傳熱量，單位：說明：平壁內(nèi)、外表面及壁體內(nèi)各層溫度的計(jì)算：平壁的傳熱過程平壁內(nèi)表面的吸熱平壁本身的導(dǎo)熱平壁外表面的放熱R0：平壁的總傳熱阻K0：平壁的總傳熱系數(shù)總熱阻表征圍護(hù)結(jié)構(gòu)(包括兩側(cè)表面空氣邊界層)阻抗傳熱能力的物理量。為傳熱系數(shù)的倒數(shù)總傳熱系數(shù)在穩(wěn)態(tài)條件下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)空氣溫度為1℃，1h內(nèi)通過1m2面積傳遞的熱量平壁的穩(wěn)定傳熱>>平壁的總傳熱阻的計(jì)算平壁的總傳熱阻和傳熱系數(shù)R0和K0是建筑保溫、隔熱性能的重要指標(biāo)與建筑的能耗有著非常密切的對(duì)應(yīng)關(guān)系建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的首要考慮因素建筑節(jié)能的其他因素?cái)?shù)值上，R0等于：K0為的R0倒數(shù)具體如何求平壁的熱阻或傳熱系數(shù)？平壁的穩(wěn)定傳熱>>平壁的總傳熱阻>>內(nèi)外表面換熱阻平壁總傳熱阻的計(jì)算由三大部分組成：內(nèi)表面的換熱熱阻、平壁本身的熱阻以及外表面的換熱熱阻內(nèi)、外表面的換熱熱阻主要與室內(nèi)外環(huán)境以及表面的狀況有關(guān)。表面換熱包括對(duì)流部分和輻射部分。工程計(jì)算中，一般合二為一，采用不同表面狀況、不同季節(jié)的表面換熱阻或表面換熱系數(shù)。平壁的穩(wěn)定傳熱>>平壁的總傳熱阻>>壁體傳熱阻平壁總傳熱阻的計(jì)算壁體本身的傳熱阻主要是導(dǎo)熱熱阻，也包括空氣間層產(chǎn)生的熱阻。壁體本身的導(dǎo)熱熱阻可分為單一材料層、多層勻質(zhì)材料層以及組合材料層等。不同的構(gòu)造方式的熱阻需要不同的公式加以計(jì)算單一材料層的熱阻：多層勻質(zhì)材料層的熱阻：

平壁的穩(wěn)定傳熱>>平壁的總傳熱阻>>例題1平壁總傳熱阻的計(jì)算例題1平壁的穩(wěn)定傳熱>>平壁的總傳熱阻>>問題平壁總傳熱阻的計(jì)算如果將磚砌體改為粘土空心磚（=0.58），平壁的熱阻為多少？本例，如果要使平壁的總傳熱阻達(dá)到1.0、2.0、3.0,保溫層（=0.04）的厚度應(yīng)分別為多厚？四、封閉空氣間層的熱阻封閉空氣間層的傳熱提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的有效方法三種基本傳熱方式都存在主要傳熱為輻射，約占70%提高空氣間層熱阻的主要方法：表面貼強(qiáng)反射材料，如鋁箔（高溫側(cè)）等將空氣間層布置在低溫一側(cè)（防建筑結(jié)構(gòu)冷凝）一個(gè)“厚”的間層不如幾個(gè)“薄”的間層平壁的穩(wěn)定傳熱>>平壁的總傳熱阻>>例題2平壁總傳熱阻的計(jì)算例題2平壁的穩(wěn)定傳熱>>平壁的總傳熱阻>>壁體傳熱阻平壁總傳熱阻的計(jì)算組合材料層的熱阻簡(jiǎn)單的計(jì)算方法：復(fù)雜的計(jì)算方法：試計(jì)算某屋頂結(jié)構(gòu)的熱阻（夏）鋼筋混凝土：=1.74W/(mK)加氣混凝土：=0.19W/(mK)水泥砂漿：=0.93W/(mK)油氈防水層：=0.17W/(mK)1、由附錄4查各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)2、求各層熱阻(1)鋼筋混凝土空心板熱阻R空：取計(jì)算單元，沿垂直熱流方向分三層計(jì)算。R1=R3=0.035/1.74=0.02(m2K/W)空氣間層由空氣層、鋼筋混凝土、填縫組成?？諝忾g層熱阻0.16(m2K/W),鋼筋混凝土熱阻0.13/1.74=0.075(m2K/W)砂漿部分熱阻0.13/0.93=0.140(m2K/W)R空=0.02+0.13+0.02=0.17(m2K/W)

(2)加氣混凝土保溫層熱阻

R氣砼=0.08/0.19=0.421(m2K/W)（3）水泥砂漿抹平層熱阻

R砂漿=0.02/0.93=0.022(m2K/W)（4）油氈防水層熱阻

R油氈=0.01/0.17=0.059(m2K/W)3、屋頂結(jié)構(gòu)總熱阻內(nèi)表面熱阻

Ri=0.11(m2K/W)外表面熱阻

Re=0.05(m2K/W)注：夏?？偀嶙?/p>

R=0.11+0.17+0.421+0.022+0.059+0.05=0.832(m2K/W)2.1.5平壁內(nèi)部溫度的計(jì)算及圖解法1、平壁內(nèi)部溫度的計(jì)算

2、壁體內(nèi)部溫度的圖解法（了解）1、平壁內(nèi)部溫度的計(jì)算：意義：圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面溫度及內(nèi)部溫度也是衡量和分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的重要數(shù)據(jù)。為判斷表面和內(nèi)部是否會(huì)產(chǎn)生冷凝水，就需要對(duì)所設(shè)計(jì)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度核算。以下圖所示三層平壁結(jié)構(gòu)為例。據(jù)穩(wěn)定傳熱條件下，通過平壁的熱流量與通過平壁各部分的熱流量相等有，即解得壁體內(nèi)表面溫度為又據(jù)有解得由此推知，對(duì)于多層平壁內(nèi)任一層的內(nèi)表面溫度為平壁的穩(wěn)定傳熱>>平壁內(nèi)部溫度的確定平壁內(nèi)部溫度的確定2.2平壁的穩(wěn)定傳熱>>平壁內(nèi)部溫度的確定>>例題3平壁內(nèi)部溫度的確定例題在穩(wěn)定傳熱條件下，每一材料層內(nèi)的溫度分布是直線，在多層平壁中成一條連續(xù)的折線。材料層內(nèi)的溫度降落程度與各層的熱阻成正比，材料層的熱阻越大，在該層內(nèi)的溫度降落也越大。2、壁體內(nèi)部溫度的圖解法（了解）根據(jù)：其中：、、和是常量，所以是變量的一次函數(shù)，若以熱阻為橫坐標(biāo)畫出壁體的截面圖，則溫度分布為一直線。2.2平壁的穩(wěn)定傳熱>>平壁內(nèi)部溫度的確定>>圖解法平壁內(nèi)部溫度的確定圖解法具體方法：（如圖8-7）作業(yè)：某空心混凝土砌塊如圖所示試求該單排孔砌塊作為垂直墻體時(shí)的隔熱熱阻（設(shè)空氣間層厚50mm，長(zhǎng)150mm）。設(shè)室內(nèi)溫度25℃，室外溫度-25℃，用圖解法求各界面溫度。如果在混凝土內(nèi)有3根直徑20mm的鋼筋貫穿該砌塊，其熱阻如何變化？2.2建筑保溫與節(jié)能計(jì)算指標(biāo)：建筑物耗熱量指標(biāo)；建筑物耗煤量指標(biāo)（強(qiáng)調(diào)單位建筑面積，節(jié)能）計(jì)算包含：1、通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量；2、空氣滲透耗熱量；3、內(nèi)部得熱量。建筑物耗熱量指標(biāo)建筑物采暖耗煤量實(shí)際上，圍護(hù)結(jié)構(gòu)所受到的環(huán)境熱作用，不論是室內(nèi)或室外，都在隨時(shí)間變化，因此，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度和通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流量也必然隨時(shí)間發(fā)生變化。這種傳熱過程叫不穩(wěn)定傳熱。若外界熱作用隨著時(shí)間呈現(xiàn)周期性的變化，則出現(xiàn)周期性不穩(wěn)定傳熱。在建筑熱工中研究的變化熱作用，都帶有一定的周期波動(dòng)性，如室外氣溫和太陽(yáng)輻射熱的晝夜、小時(shí)變化，在一段時(shí)間內(nèi)可以近似地看作每天出現(xiàn)重復(fù)性的周期變化；冬天當(dāng)采用間歇采暖時(shí)，室內(nèi)氣溫也會(huì)引起周期性的波動(dòng)。2.3平壁的周期性傳熱2.3平壁的周期性傳熱簡(jiǎn)諧熱作用2.3平壁的周期性傳熱半無(wú)限厚壁在簡(jiǎn)諧熱作用下的傳熱特征2.3平壁的周期性傳熱半無(wú)限厚壁在簡(jiǎn)諧熱作用下的傳熱特征2.3平壁的周期性傳熱半無(wú)限厚壁在簡(jiǎn)諧熱作用下的傳熱特征介質(zhì)表面壁體內(nèi)部AeAfAxx?Θ(x.τ)2.3平壁的周期性傳熱半無(wú)限厚壁在簡(jiǎn)諧熱作用下的傳熱特征導(dǎo)溫系數(shù)：材料的導(dǎo)熱系數(shù)與其比熱容和密度乘積的比值（a＝λ/cρ）

。表征物體在加熱或冷卻時(shí)各部分溫度趨于一致的能力。其值越大，溫度變化的速度越快。

2.3平壁的周期性傳熱>>材料蓄熱系數(shù)簡(jiǎn)諧熱作用下，材料和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱特性指標(biāo)材料蓄熱系數(shù)當(dāng)某一足夠厚度單一材料層一側(cè)受到諧波熱作用時(shí)，表面溫度將按同一周期波動(dòng)，通過表面的熱流波幅與表面溫度波幅的比值。其值越大，材料的熱穩(wěn)定性越好2.3平壁的周期性傳熱>>材料層的熱惰性指標(biāo)簡(jiǎn)諧熱作用下，材料和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱特性指標(biāo)熱惰性指標(biāo)(D值)

表征圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)溫度波衰減快慢程度的無(wú)量綱指標(biāo)。單一材料圍護(hù)結(jié)構(gòu)，D=RS；多層材料圍護(hù)結(jié)構(gòu)，D=ΣRS式中R為圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料層的熱阻，S為相應(yīng)材料層的蓄熱系數(shù)。D值越大，溫度波在其中衰減越快，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性越好

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性在周期性熱作用下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身抵抗溫度波動(dòng)的能力。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性是影響其熱穩(wěn)定性的主要因素房間的熱穩(wěn)定性在室內(nèi)外周期性熱作用下，整個(gè)房間抵抗溫度波動(dòng)的能力。房間的熱穩(wěn)定性主要取決于內(nèi)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性2.4建筑防熱設(shè)計(jì)控制指標(biāo)一、室外綜合溫度二、隔熱設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（周期性傳熱計(jì)算的目的）室外綜合溫度的計(jì)算（1）太陽(yáng)輻射熱的作用當(dāng)太陽(yáng)輻射熱作用到圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面時(shí)，一部分被圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面所吸收；（2）室外空氣的傳熱由于室外空氣溫度與外表面溫度存在著溫度差，將以對(duì)流換熱為主要形式與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外表面進(jìn)行換熱；（3）在圍護(hù)結(jié)構(gòu)受到上述兩種熱作用后，外表面溫度升高，輻射本領(lǐng)增大，向外界發(fā)射長(zhǎng)波輻射熱，失去一部分熱能。室外綜合溫度的計(jì)算:

室外綜合溫度值應(yīng)按下式計(jì)算：式中：

tsa---室外綜合溫度(℃)；

te---室外空氣溫度(℃)；

I---水平或垂直面上的太陽(yáng)輻射照度(W/m2)；

ρs---太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)；

αe---外表面換熱系數(shù)，取19.0W/(m2?K)。

降低室外綜合溫度措施：

1、選擇建筑的合理朝向及采取遮陽(yáng)措施，減弱太陽(yáng)對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的輻射。

2、使用淺色處理的圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面，降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收。

tsa

=te+I﹒s

/e-tlr室外綜合溫度的特點(diǎn)：（1）在夏季，同一地點(diǎn)、同一天中，各朝向的太陽(yáng)輻射照度不同。（圖）（2）在室外綜合溫度中，太陽(yáng)輻射熱當(dāng)量溫度表示圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面所吸收的太陽(yáng)輻射熱對(duì)室外熱作用提高的程度。其關(guān)鍵在于吸收。（3）室外綜合溫度代表了室外熱作用的大小。平屋頂、西墻、東墻、西南向墻和東南向墻所受室外熱作用較大。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)它們進(jìn)行隔熱處理非常必要。

由于室外綜合溫度呈周期性波動(dòng)變化，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱設(shè)計(jì)的計(jì)算中，必須確定其最大值、平均值及振幅。

tsa

=te+I﹒s

/e

-tlr

圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱設(shè)計(jì)隔熱設(shè)計(jì)：