第四講建筑圍護結構的傳熱計算與應用詳解

第四講建筑圍護結構的傳熱計算與應用詳解演示文稿1現在是1頁\一共有62頁\編輯于星期二（優(yōu)選）第四講建筑圍護結構的傳熱計算與應用2現在是2頁\一共有62頁\編輯于星期二4.1建筑圍護結構的傳熱過程房屋圍護結構時刻受到室內外的熱作用，不斷有熱量通過圍護結構傳進傳出。在冬季室內溫度高于室外，熱量有室內傳向室外；在夏季則正好相反，熱量由室外傳向室內。3現在是3頁\一共有62頁\編輯于星期二4.1.1建筑圍護結構熱轉移方式熱轉移方式有三種：傳導（Conduction），是固體內熱轉移的主要方式；對流（Convection），是流體即液體與氣體內熱轉移的主要方式輻射（Radiation），是自由空間熱轉移的主要方式。4現在是4頁\一共有62頁\編輯于星期二3.1.2圍護結構的傳熱過程和傳熱量傳熱的3個基本過程及每個過程的主要傳熱方式表面感熱、構件傳熱、表面散熱5現在是5頁\一共有62頁\編輯于星期二傳熱的三個其本過程表面吸熱----冬季內表面從室內吸熱，夏季外表面從室外空間吸熱；結構傳熱----熱量由高溫表面?zhèn)飨虻蜏乇砻?；表面放?---冬季外表面向室外空間散發(fā)熱量，夏季內表面向室內散熱。每一個傳熱過程都是三種基本傳熱方式的綜合過程。表面吸熱和表面放熱的機理是相同的，稱為“表面換熱”6現在是6頁\一共有62頁\編輯于星期二結構傳熱在建筑熱工學中，結構傳熱只對平壁傳熱作敘述，平壁不僅包括平直的墻壁、屋頂、地板，也包括曲率半徑較大的墻、穹頂等結構。本教材的結構傳熱只討論一個方向的熱流傳遞，即一維傳熱或單向傳熱。依據室內外溫度的特點，結構傳熱分為兩種方式：1）穩(wěn)定傳熱；2）不穩(wěn)定傳熱。7現在是7頁\一共有62頁\編輯于星期二結構傳熱的兩種方式

穩(wěn)定傳熱（恒定的熱作用）：結構兩側（室內和室外）有溫差，且室內溫度和室外溫度不隨時間而改變。冬季采暖房屋外圍護結構的保溫設計，一般按穩(wěn)定傳熱計算。8現在是8頁\一共有62頁\編輯于星期二

結構傳熱的兩種方式不穩(wěn)定傳熱（周期熱作用）：結構兩側有溫差，但溫差方向的溫度不是恒定而是隨時間在變化。在建筑上遇到的不穩(wěn)定傳熱多屬周期性不穩(wěn)定傳熱，即熱作用和結構內部溫度呈周期性變化。按熱作用的情況，不穩(wěn)定傳熱分為：1）單項周期熱作用（如空調房間的隔熱設計）；2）雙向周期熱作用（如自然通風房間夏季隔熱設計）。9現在是9頁\一共有62頁\編輯于星期二不穩(wěn)定傳熱

（a）單項周期熱作用；（b）雙向周期熱作用周期性不穩(wěn)定傳熱作用：即熱作用和物體內部溫度呈周期性變化。10現在是10頁\一共有62頁\編輯于星期二4.2穩(wěn)定傳熱4.2.1一維穩(wěn)定傳熱的特征a）在單位時間、單位面積上通過平壁的熱量即熱流強度q處處相等。就平壁內任一截面而言，流進流出的熱量相等。b）同一材質的平壁內部各界面溫度分布呈直線關系。11現在是11頁\一共有62頁\編輯于星期二一維穩(wěn)定傳熱的計算公式式中：t2-低溫表面溫度t1-高溫表面溫度q-熱流密度，w/m2

即單位面積上的熱流量或熱流強度。d-單一實體材料的厚度。12現在是12頁\一共有62頁\編輯于星期二4.2.2平壁內的導熱過程a）單層勻質平壁的導熱：計算公式中d/λ定義為熱阻，用R表示熱阻定義：是熱量由平壁內表面（θi）傳至外表面（θe）過程中的阻力，表示平壁抵抗熱流通過的能力。熱阻越大，通過材料的熱量越小，圍護結構的保溫性能越好。熱組：單層勻質平壁的穩(wěn)定導熱方程：13現在是13頁\一共有62頁\編輯于星期二b)多層平壁的導熱多層平壁：由幾層不同材料組成的平壁。如雙面抹灰的磚砌墻體。14現在是14頁\一共有62頁\編輯于星期二多層平壁的導熱多層平壁導熱計算公式：多層平壁的總熱阻等于各層熱組的總和15現在是15頁\一共有62頁\編輯于星期二c)多種材料組成的組合材料層的平壁導熱在實際應用中圍護結構有時是兩種或兩種以上的材料組合而成的復合結構，如空心樓板、帶肋的填充墻等。如圖16現在是16頁\一共有62頁\編輯于星期二多種材料組合成的平壁導熱求組合壁的導熱量q，關鍵是求組合壁的平均熱阻R，其R的計算公式如下：平均熱阻-----與熱流方向垂直的總傳熱面積按平行于熱流方向劃分的各個傳熱面積各個傳熱面部位的傳熱組內表面換熱阻，取0.11.內表面換熱阻，取0.04修正系數，查課本表2-117現在是17頁\一共有62頁\編輯于星期二4.2.3

平壁的穩(wěn)定傳熱過程a）內表面吸熱qI：b）平壁材料層的導熱qλ：c）外表面的散熱qe：一維穩(wěn)定傳熱過程qi=

qλ=qe通過平壁的傳熱量q為：平壁的傳熱系數，其物理意義：當溫差為1℃時，在單位時間內通過平壁單位面積的傳熱量。18現在是18頁\一共有62頁\編輯于星期二計算平壁穩(wěn)定傳熱的

幾個物理量可以查表的量：αi平壁內表面的換熱系數

Ri平壁內表面的換熱阻Re平壁外表面的換熱阻αe平壁外表面的換熱系數計算的量R0平壁的傳熱阻K0平壁的傳熱系數，19現在是19頁\一共有62頁\編輯于星期二4.2.4）封閉空氣間層的熱阻靜止的空氣介質導熱性很小，在建筑設計中常用封閉間層作為圍護結構的保溫層?？諝忾g層的傳熱：是有限空氣層的兩個表面之間的熱轉移過程，包括對流換熱和輻射換熱。空氣間層的熱阻主要取決于間層兩個表面間的輻射和對流換熱的能力；即取決于表面材料的輻射系數、間層形狀、厚度、設置方向（水平或垂直）及間層所處的環(huán)境溫度。20現在是20頁\一共有62頁\編輯于星期二垂直封閉空氣間層輻射與對流傳熱量的比較“2”線~”3”線：間層空氣的輻射換熱量。如圖：“1”線：間層空氣靜止態(tài)純導熱量。“2”線：間層空氣對流換熱量“3”線：間層空氣的總的傳熱量。輻射換熱量占總換熱量的70%21現在是21頁\一共有62頁\編輯于星期二減少空氣間層傳熱，提高間層熱阻方法：1）將空氣間層布置在維護結構的冷側，降低間層的平均溫度，減少輻射換熱量。2）在間層壁面上涂貼輻射系數小的反射材料，目前建筑中采用的主要是鋁箔。22現在是22頁\一共有62頁\編輯于星期二間層壁面加反射材料可提高空氣間層熱阻幾種不同表面的垂直空氣層熱阻未加反射材料一個表面加反射材料兩個表面加反射材料23現在是23頁\一共有62頁\編輯于星期二4.2.5平壁內部溫度的計算平壁內部溫度的計算包括三方面：1）求壁體內表面溫度。2）計算多層平壁內任一層的內表面溫度。3）求壁體外表面溫度24現在是24頁\一共有62頁\編輯于星期二平壁內部溫度的計算1）求壁體內表面溫度。2）計算多層平壁內任一層的內表面溫度。3）求壁體外表面溫度計算公式如右式：25現在是25頁\一共有62頁\編輯于星期二4.2建筑保溫與節(jié)能的計算在寒冷和嚴寒地區(qū)，采暖建筑物耗熱量指標是建筑圍護結構熱工性能權衡判斷的依據，又是評價采暖建筑節(jié)能設計的重要指標。建筑物耗熱量指標：是指在采暖期室外平均溫度條件下，采暖建筑為保持室內計算溫度，單位建筑面積在單位時間內消耗的、需由室內采暖設備供給的熱量，單位瓦每平米。建筑物耗熱量指標由通過圍護結構的傳熱耗熱量和通過門窗縫隙的空氣滲透、空氣調節(jié)耗熱量三部分組成。26現在是26頁\一共有62頁\編輯于星期二4.2.1建筑物耗熱量計算1、計算單位建筑面積通過圍護結構的傳熱耗熱量：2、計算單位建筑面積的空氣滲透耗熱量：27現在是27頁\一共有62頁\編輯于星期二3、建筑物耗熱量指標計算：當建筑物耗熱量指標小于《民用建筑節(jié)能設計標準》JCJ26-95所規(guī)定值，判斷建筑符合建筑圍護結構熱工設計性能要求28現在是28頁\一共有62頁\編輯于星期二4.2.2建筑采暖耗煤量采暖耗煤量是指在采暖期室外平均溫度條件下，為保持室內計算溫度，單位建筑面積在一個采暖期內消耗的標準煤量，單位：kg/m2一般用建筑采暖耗煤量指標來衡量建筑物是否達到節(jié)能標準要求，或用來計算比較節(jié)能節(jié)煤的具體成效。29現在是29頁\一共有62頁\編輯于星期二4.4周期性不穩(wěn)定傳熱在建筑實踐中真正的穩(wěn)定傳熱是不存在的，圍護結構所受到的環(huán)境熱作用是隨時間變化的，尤其是室外環(huán)境因不能進行人工調節(jié)，所以每時每刻都在變化。外界熱隨時間發(fā)生變化時，維護結構內部的溫度和通過維護結構的熱流量也將發(fā)生變化。若外界熱作用隨時間出現周期性變化，這種傳熱過程叫周期性不穩(wěn)定傳熱。30現在是30頁\一共有62頁\編輯于星期二4.4.1諧波熱作用在周期性波動的熱作用中，最簡單最基本的是諧波熱作用：即溫度隨時間的正弦或余弦函數作規(guī)則變化。一般用余弦函數表示，如下式：在τ時刻的溫度，在一周期內的平均溫度溫度波的振幅，即最高溫度與平均溫度之差溫度波的周期，h。對室外溫度波，一般以24h為一周期以某一指定時刻（如從午夜零點）起算的計算時間，h.溫度波的初相角，度，即從起算時刻（一般為午夜零點）到溫度波達到最高點的時間差，以角度計（如以24小時為一周期即360℃，則1小時相當于15℃）。若起算時刻區(qū)在溫度出現最大值處則φ=031現在是31頁\一共有62頁\編輯于星期二4.4.2諧波熱作用的傳熱特征平壁在諧波熱作用下具有以下幾個基本傳熱特性：1）室外溫度和平壁表面溫度、內部任意截面處的溫度都是同一周期的諧波動，都可用余弦函數表示。2）從室外空間到平壁內部，溫度波動振幅逐漸減小，即：室外溫度波的振幅（Ａe）＞平壁外表面溫度波的振幅（Ａeｆ）＞平壁內表面溫度波的振幅（Ａiｆ），這種現象叫做溫度波的衰減。（niu）傳熱衰減的程度，即為平壁的總衰減度，用表示3）從室外空間到平壁內部，溫度波的相位逐漸向后推延，即：室外溫度波的初相位（Φe）＜平壁外表面溫度波的初相位（Φ

eｆ）＜平壁內表面溫度波的初相位（Φiｆ）。32現在是32頁\一共有62頁\編輯于星期二諧波熱作用的傳熱特征33現在是33頁\一共有62頁\編輯于星期二單向周期性熱作用的外圍護結構的內部溫度變化情況34現在是34頁\一共有62頁\編輯于星期二4.4.3諧波熱作用下材料和圍護結構的熱特性指標在周期性傳熱過程中，傳熱量的多少與材料、材料層的蓄熱系數及材料層的熱惰性有關。1）材料的蓄熱系數（S）:一勻質半無限大壁體，在其一側受到周期性波動熱作用，迎波面（即直接受到外界熱作用的一側表面）上接受的熱流振幅Aq與材料表面溫度波動的振幅Aθ之比，叫材料的蓄熱系數。材料的蓄熱系數（S）反映了材料對波動熱作用反應的敏感程度，在同樣波動熱作用下，蓄熱系數大的材料，表面溫度波動較小，即熱穩(wěn)定性好。35現在是35頁\一共有62頁\編輯于星期二材料的蓄熱系數（S）的計算公式右式中：z----熱流波動周期，以小時計，當熱流波動周期為24小時，則得到24小時為周期的材料蓄熱系數S24。各種主要建筑材料的S24查附錄1。熱流波動的周期，以小時計，如以一天為周期的供熱則z=24h材料的導熱系數，比熱，密度36現在是36頁\一共有62頁\編輯于星期二材料的蓄熱系數（S）的計算公式當遇到某一材料層是有幾種材料組合而成時，則組合材料層的蓄熱系數（）應由各材料蓄熱系數按下式加權平均：組合材料層內各分部材料的蓄熱系數；各分部材料的表面積。37現在是37頁\一共有62頁\編輯于星期二2）圍護結構內表面蓄熱系數內表面蓄熱系數用Yi來表示，定義、計算公式如下：通過圍護結構內表面熱流波動的振幅A與內表面溫度波動振幅A之比，稱為維護結構內表面蓄熱系數Y，以公式表示如下：38現在是38頁\一共有62頁\編輯于星期二多層圍護結構內表面蓄熱系數內表面蓄熱系數的數值和圍護結構各層材料的性質及厚度有關，大致可分為兩種情況加以考慮：當圍護結構內表面有較厚的一種材料組成時，內表面蓄熱系數可用這層材料的材料蓄熱系數()值來表示。當圍護結構內表面材料層不很厚時，如由多層材料構成的屋頂或外墻，其內表面溫度的波動振幅不僅與面層材料的物理性質有關，而且與其后面材料的性能有關,即在順著熱流波動前進的方向與該材料相接觸的介質（另一種材料或空氣）的熱物理性能和散熱條件對內表面的波動也有影響。39現在是39頁\一共有62頁\編輯于星期二圍護結構內表面蓄熱系數的計算：（1）各層編號是從波動熱作用方向的反向編起的；（2）構造層中某一層為厚層時，該層的y=s，內表面蓄熱系數可從該層算起，后面各層就不再計算計算方法為：依照圍護結構的材料分層，逐層計算。40現在是40頁\一共有62頁\編輯于星期二3）圍護結構的熱惰性指標圍護結構熱惰性指標（D）

當圍護結構的表面受到周期性熱作用后，溫度波將向結構內部傳遞，同時不斷衰減，直到背波面（如波動熱作用在外側，則指內表面)。熱惰性指標是表明背波面上溫度波衰減程度的一個主要數值，它表明圍護結構抵抗周期性溫度波動的能力。41現在是41頁\一共有62頁\編輯于星期二圍護結構的熱惰性指標計算式對單一材料圍護結構，熱惰性指標為材料熱阻與材料蓄熱系數的乘積。表示為：對多層材料的圍護結構，熱惰性指標為各材料層熱惰性指標之和：R,S分別為各材料層的熱阻和蓄熱系數。42現在是42頁\一共有62頁\編輯于星期二圍護結構的熱惰性指標計算圍護結構中空氣層的蓄熱系數（）為0，該層熱惰性指標D為0。如圍護結構中某層是有幾種材料組合時，則需先求出該材料層的平均熱阻R和平均蓄熱系數S，再加以計算。43現在是43頁\一共有62頁\編輯于星期二溫度波的衰減與熱惰性指標的關系材料層的熱惰性指標愈大，說明溫度波在期間的衰減愈大。溫度波的衰減與材料層的熱惰性指標是呈指數函數關系。44現在是44頁\一共有62頁\編輯于星期二判斷材料層厚薄，看其熱惰性指標是否大于1溫度振幅衰減倍數達到2時，稱這層材料為“厚”層，或“劇烈波動層”，按照公式：如衰減倍數為2，則D值需等于1，由此得出以熱惰性指標D是否大于1作為材料層是否為“厚”層的判斷。如200mm厚加氣混凝土D值為3.263，370mm厚的磚墻D值為4.856，在同樣條件下，后者的內表面溫度波動小，溫度較穩(wěn)定。45現在是45頁\一共有62頁\編輯于星期二4.4.4諧波熱作用下平壁的傳熱計算計算要解決的問題：當圍護結構一側或兩側同時受到周期波動的熱作用情況下，計算要解決的問題是求圍護結構內表面的溫度。內表面的溫度是熱工設計主要關心的問題。46現在是46頁\一共有62頁\編輯于星期二諧波熱作用下平壁的傳熱計算如平壁兩側（室內、外）受到的諧波熱作用，分別為用下式表示，求內表面溫度。-----為室外平均溫度；室內平均溫度47現在是47頁\一共有62頁\編輯于星期二周期性熱作用綜合過程分解成三個分過程1）在室內平均溫度和室外平均溫度作用下的穩(wěn)定傳熱過程。2）室外為周期性熱作用，室內一側溫度不變，由此在平壁內表面引起的溫度波動振幅為3）室內為周期性熱作用，室外一側其溫度不變，由此在平壁內表面引起的溫度波動振幅為求每一個分過程的熱作用在內表面引起的溫度的合成即為綜合過程在內表面引起的溫度。48現在是48頁\一共有62頁\編輯于星期二雙向諧波熱作用傳熱過程的分解雙向諧波熱作用傳熱過程的分解49現在是49頁\一共有62頁\編輯于星期二穩(wěn)定傳熱--室內外按平均溫度計算在室、內外平均溫度作用下，按穩(wěn)定傳熱計算平壁內表面的溫度。單向諧波熱作用-----室外溫度變化，室內溫度視為穩(wěn)定在外側諧波熱作用下所引起的內表面溫度諧波。50現在是50頁\一共有62頁\編輯于星期二穩(wěn)定傳熱-----室內外按平均溫度計算單向諧波熱作用-----室內溫度變化，室外溫度視為穩(wěn)定在內側諧波熱作用下所引起的內表面溫度諧波。51現在是51頁\一共有62頁\編輯于星期二確定綜合熱作用下內表面的溫度有三個分過程的振幅和初相位，確定內表面合成波的振幅和初相位，從而確定內表面的溫度（任一時刻的溫度和最高溫度）-------為內表面的最高溫度52現在是52頁\一共有62頁\編輯于星期二4.4.5溫度波在平壁內的衰減和延遲計算在求雙向熱作用下平壁內表面的溫度時，牽涉到衰減度和延遲時間的計算，本教材提出一種近似計算法，代入公式計算。a）室外為周期熱作用，室內溫度視為不變情況下衰減倍數和延遲時間的計算。當周期Z=24小時，則延遲時間為：53現在是53頁\一共有62頁\編輯于星期二溫度波在平壁內的衰減和延遲計算b）室內為波動熱作用，室外溫度視為穩(wěn)定情況下衰減倍數和延遲時間的計算公式：當Z=24小時，則內表面的延遲時間為：54現在是54頁\一共有62頁\編輯于星期二4.5

建筑防熱設計控制指標3.5.1室外熱作用：夏季，對建筑防熱來說，是取太陽輻射強度很大的晴天作為設計的基本條件。白天，在強烈陽光照射下，熱量從圍護結構外表面向室內傳遞。夜間圍護結構外表面的溫度迅速降低，熱量是從室內向室外傳遞（無空調房）夏季圍護結構的傳熱是以24小時為一周期的波動熱作用，其室內、外傳熱按周期不穩(wěn)定傳熱計算，不允許作穩(wěn)定傳熱的簡化。55現在是55頁\一共有62頁\編輯于星期二4.5.2室外綜合溫度為了進行隔熱計算，先應當確定圍護結構在夏季室外氣候條件下所受到的熱作用。圍護結構外表面受到3種不同方式的熱作用：1）太陽輻射熱的作用。當太陽輻射熱作用到圍護結構外表面時，一部分被圍護結構外表面吸收。2）室外空氣的傳熱。室外空氣的溫度與外表面溫度存在著溫度差，二者以對流換熱形式進行換熱。3）在圍護結構受到上述兩種熱作用后，外表面溫度升高，輻射本領增大，向外界發(fā)射長波輻射熱，失去一部分熱