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(jiān)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(duì)流、輻射第2章傳熱基本知識(shí)第1節(jié)傳熱方式導(dǎo)熱（1）導(dǎo)熱的機(jī)理溫度不同的質(zhì)點(diǎn)（分子、原子、自由電子）在熱運(yùn)動(dòng)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(dòng)非導(dǎo)電固體——相鄰分子碰撞液體——分子振動(dòng)（平衡位置間歇移動(dòng)）氣體——分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)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(shí)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(shí)，導(dǎo)熱性能越強(qiáng)，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(shí)，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(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

溫度對(duì)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(jì)。2.對(duì)流對(duì)流是溫度不同的流體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(guò)渡區(qū)——層流邊界層與紊流核心區(qū)間的過(guò)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(duì)流換熱量的計(jì)算流體：運(yùn)動(dòng)發(fā)生的原因、流體的運(yùn)動(dòng)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(duì)流換熱強(qiáng)度，；——對(duì)流換熱系數(shù)，——流體主體部分的溫度，——壁面的溫度，

——對(duì)流換熱熱阻對(duì)流換熱系數(shù)的影響因素平壁水平（1）自然對(duì)流（2）強(qiáng)制對(duì)流（中等粗糙度）對(duì)流換熱系數(shù)的簡(jiǎn)化計(jì)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(diǎn)所有溫度高于絕對(duì)零度（K）的物體，都會(huì)發(fā)射電磁波。波長(zhǎng)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(jiàn)光及紅外線的短波部分。熱射線的傳播過(guò)程叫熱輻射。通過(guò)熱射線傳播熱能的方式叫輻射傳熱。輻射傳熱的特點(diǎn)（a）輻射傳熱過(guò)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(shí)除以吸收系數(shù)反射系數(shù)透射系數(shù)各種物體對(duì)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(zhǎng)。絕對(duì)白體—將輻射熱全部反射的物體絕對(duì)黑體—將輻射熱全部吸收的物體絕對(duì)透明體（透熱體）—將輻射熱全部透過(guò)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(duì)輻射能反射越強(qiáng)的物體，對(duì)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(duì)外放射輻射能的本領(lǐng)。全輻射本領(lǐng)—單位時(shí)間單位物體表面上輻射的所有波長(zhǎng)的總能量，E,單色輻射本領(lǐng)—單位時(shí)間單位物體表面上輻射的某一波長(zhǎng)的能量，輻射光譜—物體在同一溫度下不同波長(zhǎng)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(lái)輻射，同時(shí)能夠輻射一切波長(zhǎng)的輻射能，在同溫度下，黑體的輻射本領(lǐng)最大。灰體—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(zhǎng)下的單色輻射本領(lǐng)小，但是兩者之比是一個(gè)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(zhǎng)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(duì)黑體全輻射本領(lǐng)，——絕對(duì)黑體的絕對(duì)溫度，K——絕對(duì)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(duì)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(shí)，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(dòng)—維恩位移定律當(dāng)溫度較低時(shí)，輻射能主要集中在長(zhǎng)波范圍，可見(jiàn)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(jiàn)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(qiáng)。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(duì)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(duì)外來(lái)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(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收系數(shù)并不等于其黑度，因?yàn)樘?yáng)表面的溫度遠(yuǎn)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(duì)太陽(yáng)輻射的吸收系數(shù)玻璃的溫室效應(yīng)普通玻璃對(duì)可見(jiàn)光的透過(guò)率很高，相當(dāng)于是透明體，而對(duì)紅外線等長(zhǎng)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(yáng)輻射熱而阻止室內(nèi)的長(zhǎng)波輻射向外透射，即產(chǎn)生溫室效應(yīng)。（4）輻射換熱的計(jì)算物體之間的輻射換熱主要取決于各個(gè)表面的溫度、發(fā)射和吸收輻射熱的能力以及表面的相對(duì)位置。在建筑熱工中，計(jì)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(qiáng)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(duì)位置等綜上所述傳熱的基本方式為：導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射掌握各種傳熱方式的機(jī)理、條件和簡(jiǎn)化計(jì)算方法。實(shí)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(guò)程（一維穩(wěn)定傳熱）三個(gè)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(guò)程中，各部分的溫度不隨時(shí)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(guò)程（對(duì)流+輻射）——內(nèi)表面的吸熱強(qiáng)度，；

——內(nèi)表面通過(guò)對(duì)流方式的換熱強(qiáng)度，——內(nèi)表面通過(guò)輻射方式的換熱強(qiáng)度，——內(nèi)表面的對(duì)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(qiáng)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(qiáng)度，；

——外表面通過(guò)對(duì)流方式的換熱強(qiáng)度，——外表面通過(guò)輻射方式的換熱強(qiáng)度，——外表面的對(duì)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(hù)結(jié)構(gòu)的一維穩(wěn)態(tài)傳熱包括了3個(gè)過(guò)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(guò)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(dòng)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(gè)表面之間進(jìn)行的熱轉(zhuǎn)移過(guò)程，是導(dǎo)熱、對(duì)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(duì)流——換熱強(qiáng)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(duì)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(gè)表面敷貼鋁箔時(shí)的總換熱量曲線-5間層的兩個(gè)表面敷貼鋁箔敷貼鋁箔時(shí)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(diǎn)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(hù)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(jì)實(shí)用的技術(shù)措施。（2）在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中用一個(gè)厚的空氣間層不如用幾個(gè)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(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)中有圓孔時(shí)，先把圓孔折合成同面積的方孔；（B）當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)由兩種材料組成時(shí)，取較小值取較大值；（C）當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)由三種材料組成時(shí)，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(jì)算圖示平屋頂?shù)目偀嶙?。平壁內(nèi)部溫度的確定圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度和內(nèi)部溫度是評(píng)價(jià)熱工性能的重要指標(biāo)，也是檢驗(yàn)是否會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)水的必須指標(biāo)。再對(duì)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(jiǎn)諧熱作用——溫度隨時(shí)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(guò)的熱流量以及溫度分布都隨著時(shí)間而變動(dòng)。周期性不穩(wěn)定傳熱——外界的熱作用隨時(shí)間呈周期性變化。——在時(shí)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(shí)間，h——溫度波的初相位，deg也可以寫成角速度2.半無(wú)限厚平壁在簡(jiǎn)諧熱作用下的傳熱特點(diǎn)半無(wú)限厚平壁——一側(cè)由一個(gè)平面所限制，另一側(cè)延伸到無(wú)限遠(yuǎn)處，不能確定其厚度的壁體。（地層、地下室的側(cè)壁。。。。。。）半無(wú)限厚平壁在簡(jiǎn)諧熱作用下的傳熱特點(diǎn)（1）周期相同——平壁表面以及內(nèi)部任何一點(diǎn)x處的溫度，都會(huì)出現(xiàn)和介質(zhì)溫度周期Z相同的簡(jiǎn)諧波動(dòng)，（2）振幅衰減——從介質(zhì)到壁體表面到平壁內(nèi)部，溫度波動(dòng)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(shí)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(jiǎn)諧熱作用下材料和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱特性指標(biāo)（1）材料蓄熱系數(shù)——半無(wú)限厚物體表面熱流波動(dòng)的振幅與溫度波動(dòng)的振幅的比值。物理意義：表面對(duì)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(dòng)越?。环粗?，如果材料的蓄熱系數(shù)越小，表面的溫度波動(dòng)越大。在簡(jiǎn)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(hù)結(jié)構(gòu)在諧波作用下反抗溫度波動(dòng)的能力。D越大，離開(kāi)表面x處的溫度波動(dòng)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(hù)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(jì)。若某層為兩種以上的材料組成時(shí)，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(shí)踐中，絕大多數(shù)圍護(hù)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(duì)材料表面的溫度波動(dòng)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(shí)，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(shí)。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(dòng)振幅與表面溫度波動(dòng)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(jì)時(shí)，Y與S在數(shù)值上相等。材料層表面蓄熱系數(shù)Y的計(jì)算計(jì)算方向：逆著溫度波傳播的方向當(dāng)溫度波由外向內(nèi)時(shí)，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(jì)算。1）材料層外表面蓄熱系數(shù)的計(jì)算第一層，當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，從第二層開(kāi)始以后任意一層，當(dāng)時(shí)，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(jì)算計(jì)算方向：逆著溫度波傳播的方向當(dāng)溫度波由內(nèi)向外時(shí)，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(jì)算。第n層，當(dāng)時(shí)，從第n-1層開(kāi)始以后任意一層m，當(dāng)時(shí)，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(jiǎn)諧熱作用下的傳熱外側(cè)簡(jiǎn)諧熱作用內(nèi)側(cè)簡(jiǎn)諧熱作用把整個(gè)過(guò)程分解為3個(gè)分過(guò)程（1