第二章建筑傳熱及基本原理

1、第二章 建筑傳熱的基本原理2.1傳熱方式傳熱是指物體內(nèi)部或者物體與物體之間熱能轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。凡是一個(gè)物體的各個(gè)部分或都物體與物體之間存在著溫度差，就必然有熱能的仁慈轉(zhuǎn)移現(xiàn)象發(fā)生。建筑物內(nèi)外熱流的傳遞狀況是隨發(fā)熱體(熱源)的種類、受熱體（房屋）部位、及其媒介（介質(zhì)）圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不同情況而變化的。熱流的傳遞稱為傳熱。根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，傳熱的基本方式分為導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射3種。 1、導(dǎo)熱 （1）導(dǎo)熱的機(jī)理導(dǎo)熱是指物體內(nèi)部的熱量由一高溫物體直接向另一低溫物體轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。這種傳熱現(xiàn)象是兩直接接觸的物體質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)所引起的熱能傳遞。一般來說，密實(shí)的重質(zhì)材料，導(dǎo)熱性能好，而保溫性能差；反之，疏散的輕質(zhì)材料，導(dǎo)熱

2、性能差，而保溫性能好。材料的導(dǎo)熱性能以熱導(dǎo)率表示。 熱導(dǎo)率是指在穩(wěn)定傳熱條件下，1m厚的材料，兩側(cè)表面的溫差為l開(K)或1攝氏度()，在1h內(nèi)；通過1面積傳遞的熱量，單位為瓦(米·開)W/（m·K），或瓦(米·)W(m·) 。熱導(dǎo)率與材料的組成結(jié)構(gòu)、密度、含水率、溫度等因素有關(guān)。通常把熱導(dǎo)率較低的材料稱為保溫材料，把熱導(dǎo)率在0.05W(m·K)以下的材料稱為高效保溫材料。普通混凝土的熱導(dǎo)率為175W(m·K)，粘土磚砌體為081W(m·K)，玻璃棉、巖棉和聚苯乙烯的為0.040.05W/（m·K）。1）桿的導(dǎo)熱圖

3、2-1 棒的導(dǎo)熱若一根密實(shí)固體的棒，除兩端外周圍用理想的絕緣材料包裹，其兩端的溫度分別為和，如圖2-1所示。如大于，則有熱量Q通過截面F以導(dǎo)熱方式由端向端傳遞。依據(jù)實(shí)驗(yàn)可知： Q = （2-1）式中 Q 棒的導(dǎo)熱量(W)；F -棒的截面積()；，分別為棒兩端的溫度(K)；棒長(m)；導(dǎo)熱系數(shù)(W(m·K)。圖2-2 平壁的導(dǎo)熱由上式可知，棒在單位時(shí)間內(nèi)的傳熱量Q與兩端溫度差()、截面面積F及棒體材料的導(dǎo)熱系數(shù) 成正比，而與傳熱距離即棒長 成反比。2）壁的導(dǎo)熱在建筑工程中，通常將固體材料組成的壁體內(nèi)部的傳熱也看成導(dǎo)熱。如圖2-2中的壁體，兩表面的溫度分別為 和 ，若大于，則熱流量為：

4、q = （2-2）式中 Q單位面積、單位時(shí)間的熱流量(W)； A壁體材料的導(dǎo)熱系數(shù)(W(m·K)；d壁體的厚度(m)。 (2) 材料的導(dǎo)熱系數(shù)及其影響因素從公式(2-1)可知，材料的導(dǎo)熱系數(shù)值的大小直接關(guān)系到導(dǎo)熱傳熱量，是一個(gè)非常重要的熱物理參數(shù)。這一參數(shù)通常由專門的實(shí)驗(yàn)獲得，各種不同的材料或物質(zhì)在一定的條件下都具有確定的導(dǎo)熱系數(shù)。空氣的導(dǎo)熱系數(shù)最小，在27狀態(tài)下僅為002624W(m·K)；而純銀在0時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)410W(m·K)，兩者相差約1.56萬倍，可見材料或物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)值變動(dòng)范圍之大。常用建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)值已列入本書附錄I中，未列入的材料或新材料可

5、在其它參考文獻(xiàn)中查到或直接通過實(shí)驗(yàn)獲得。 材料或物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)的大小受多種因素的影響，歸納起來，大致有以下幾個(gè)主要方面。 1) 材質(zhì)的影響 由于不同材料的組成成分或者結(jié)構(gòu)的不同，其導(dǎo)熱性能也就各不相同，甚至相差懸殊，導(dǎo)熱系數(shù)值就有不同程度的差異，前面所說的空氣與純銀就是明顯的例子。就常用非金屬建筑材料而盲，其導(dǎo)熱系數(shù)值的差異仍然是明顯的，如礦棉、泡沫塑料等材料的 值比較小，而磚砌體、鋼筋混凝土等材料的 值就比較大。至于金屬建筑材料如鋼材、鋁合金等的導(dǎo)熱系數(shù)就更大子。工程上常把值小于03W(m·K)的材料稱為絕熱材料，作保溫、隔熱之用，以充分發(fā)揮其材料的特性。2） 材料干密度的影響 材

6、料的干密度反映材料密實(shí)的程度，材料愈密實(shí)干密度愈大，材料內(nèi)部的孔隙愈少，其導(dǎo)熱性能也就愈強(qiáng)。圖2-3 玻璃棉導(dǎo)熱系數(shù)與干密度的關(guān)系因此，在同一類材料中，干密度是影響其導(dǎo)熱性能的重要因素。在建筑材料中，一般來說，干密度大的材料導(dǎo)熱系數(shù)也大，尤其是像泡沫混凝土、加氣混凝土等一類多孔材料，表現(xiàn)得很明顯；但是電有某些材料例外，當(dāng)干密度降低到某一程度后，如再繼續(xù)降低，其導(dǎo)熱系數(shù)不僅不隨之變小，反而會(huì)增大，如圖2-3所示玻璃棉的導(dǎo)熱系數(shù)與干密度的關(guān)系即是一例。顯然，這類材料存在著一個(gè)最佳干密度，即在該千密度時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)最小。在實(shí)用中應(yīng)充分注意這一特點(diǎn)。3) 材料含濕量的影響在自然條件下，一般非金屬建筑材

7、料常常并非絕對(duì)干燥，而是在不同程度上含有水分，表明在材料中水分占據(jù)了一定體積的孔隙。含濕量愈大，水分所占有的體積愈多。水的導(dǎo)熱性能約比空氣高20倍，因此，材料含濕量的增大必然使導(dǎo)熱系數(shù)值增大。圖2-4表示磚砌體導(dǎo)熱系數(shù) 與重量濕度W 的關(guān)系。從圖中看出：當(dāng)磚砌體的重量濕度由0增至4時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)由05W(mK)增至104W(m·K)?？梢?，影響之大。因此，在工程設(shè)計(jì)，材料的生產(chǎn)、運(yùn)輸、堆放、保管及施工過程對(duì)濕度的影響都必須予以重視。材料的導(dǎo)熱系數(shù)除上述因素有較大影響之外，使用溫度狀況和某些材料的方向性也有一定的影響。不過、在一般工程中往往忽略不計(jì)。2、對(duì)流傳熱 圖2-4 對(duì)流換熱對(duì)流傳

8、熱是指具有熱能的氣體或液體在移動(dòng)過程中進(jìn)行熱交換的傳熱現(xiàn)象。在采暖房間中，采暖設(shè)備周圍的空氣被加熱升溫，密度減小上浮，臨近較冷空氣，密度較大下沉，形成對(duì)流傳熱；在門窗附近，由縫隙進(jìn)入的冷空氣，溫度低、密度大，流向下部，熱空氣上升，又被冷卻下沉形成對(duì)流換熱。對(duì)于采暖建筑，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量較差時(shí)，室外溫度越低，則窗與外墻內(nèi)表面溫度也越低，鄰近的熱空氣迅速變冷下沉散失熱量，這種房間，只在采暖設(shè)備附近及其上部較暖；外圍特別是下部則很冷，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量較好時(shí)其內(nèi)表面溫度較高，室溫分布較為均勻，無急劇的對(duì)流換熱現(xiàn)象產(chǎn)生，保溫節(jié)能效果較好。圖2-4表示一固體面與其緊鄰的流體對(duì)流傳熱情況。由于固體表面溫度高于流

9、體溫度t，因此有傳熱現(xiàn)象發(fā)生，熱流由固體表面?zhèn)飨蛄黧w。若仔細(xì)觀察對(duì)派傳熱過程，可以看出：因受摩擦力的影響，在緊貼固體壁面處有一平行于固體壁面流動(dòng)的流體薄層，稱為層流邊界層，其垂直壁面的方向主要傳熱方式是導(dǎo)熱，它的溫度分布皇傾斜直線狀；而在遠(yuǎn)離壁面的流體核心部分，體呈紊流狀態(tài)，因流體的劇烈運(yùn)動(dòng)而使溫度分布比較均勻，呈一水平線；在層流邊界層與體核心部分之間為過渡區(qū)，溫度分布可近似看作拋物線。由此可知，對(duì)流換換熱的強(qiáng)弱主要取決于層流邊界層內(nèi)的換熱與流體遣動(dòng)發(fā)生的原因、流體運(yùn)動(dòng)狀況、流體與固體壁面溫差、流體的物性、團(tuán)體壁面的形狀、大小位置等因素。對(duì)流換熱的傳熱量常用下式計(jì)算： = （- t） （2-3

10、）其中封流換熱強(qiáng)度(W)；對(duì)流換熱系數(shù)(W/·K)；壁面溫度()；t流體主體部分溫度()。值得注意的是：對(duì)流換熱系數(shù)不是固定不變的常數(shù)，而是一個(gè)取決于許多因素的物理量。結(jié)合建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)際情況并為簡化計(jì)算起見，通常只考慮氣流狀況是自然對(duì)流還是迫對(duì)流；構(gòu)件是處于垂直的、水平的或是傾斜的；壁面是有利于氣流流動(dòng)還是不利于流動(dòng)；換熱方向是由下而上或是由上而下等主要影響因素。為此特推薦以下公式。(1) 自然對(duì)流換熱本來溫度相同的流體或與流體緊鄰的固體表面，圍其中某一部分加熱或冷卻，溫度發(fā)生了變化，使流體各部分之間或者流體與緊鄰的固體表面產(chǎn)生了溫度差，形成了對(duì)流運(yùn)動(dòng)而傳遞熱能。這種因溫差而引起的

11、對(duì)流換熱稱為自然對(duì)流換熱。其對(duì)流換熱量仍可按（2-3）式計(jì)算，其對(duì)流換熱系數(shù)為：當(dāng)平壁處于垂直狀態(tài)時(shí)：= 2 (2-4)當(dāng)平壁處于水平狀態(tài)時(shí)：若熱流由下而上 = 2.5 (2-5) 若熱流由上而下 = 1.3 (2-6)(2) 受迫對(duì)流換熱 當(dāng)流體各部分之間或者流體與緊鄰的固體表面之間存在著溫度差，但同時(shí)流體又受到外部因素如氣流、泵等的擾動(dòng)而產(chǎn)生傳熱的現(xiàn)金，稱為受迫對(duì)流換熱。目前，絕大多數(shù)建筑物是處于大氣層內(nèi)，建筑物與空氣緊鄰，風(fēng)成為主要的擾動(dòng)因素。值得注意的是，由于流體各部分之間或者流體與緊鄰固體表面之間存在著溫度差，因溫差而引起的自然對(duì)流換熱也就必然存在，也就是說，在受迫對(duì)流換熱之中必然包

12、含著自然對(duì)流換熱的因素。這樣一來，受迫對(duì)流換熱主要取決于溫差的大小、風(fēng)速的大小與固體表面的粗糙度。對(duì)于中等粗糙度的固體表面，受迫對(duì)流換熱時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)可按下列近似公式計(jì)算：對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面= (2560) + 42v (2-7) 對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面= 25 + 42 v (2-8)上二式中，v表示風(fēng)速(ms)，常數(shù)項(xiàng)反映了自然對(duì)流換熱的影響，其值取決于溫度差的大小。 3、輻射傳熱(1)熱輻射的本質(zhì)與特點(diǎn)凡是溫度高于絕對(duì)零度(K)的物體，由于物體原子中的電子振動(dòng)或激動(dòng)，就會(huì)從表面向外界空間輻射出電磁波。不同波長的電磁波落到物體上可產(chǎn)生各種不同的效應(yīng)。人們根據(jù)這些不同的效應(yīng)將電磁波分成許多波段

13、。其中波長在0.800m之間的電磁波稱為紅外線，照射物體能產(chǎn)生熱效應(yīng)。通常把波長在0.440m范圍內(nèi)的電磁波(包括可見光和紅外線的短波部分)稱為熱輻射，因?yàn)樗丈涞轿矬w上的熱效應(yīng)特別顯著。熱射線的傳播過程叫做熱輻射。通過熱射線傳播熱能就稱為輻射傳熱。因此，輻射傳熱與導(dǎo)熱和對(duì)流傳熱有著本質(zhì)的區(qū)別。熱輻射的本質(zhì)決定了輻射傳熱有如下特點(diǎn)：1) 輻射傳熱過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)化，即物體的內(nèi)能首先轉(zhuǎn)化為電磁能向外界發(fā)射，當(dāng)此電磁能落到另一物體上而被吸收時(shí)，電磁能又轉(zhuǎn)化為吸收物體的內(nèi)能；2) 磁波的傳播不需要任何中間介質(zhì)，也不需要冷、熱物體的直接接觸。太陽輻射熱穿越遼闊的真空空間到達(dá)地球表面就是很好的例

14、證；3) 是溫度高于絕對(duì)零度的一切物體，不論它們的溫度高低都在不間斷地向外輻射不同波長的電磁波。因此，輻射傳熱是物體之間互相輻射的結(jié)果。當(dāng)兩個(gè)物體溫度不同時(shí)，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，從而使高溫物體的能量傳遞給了低溫物體。 (2)輻射能的吸收、反射和透射當(dāng)能量為I的熱輻射能投射到一物體的表面時(shí)，其中一部分I 被物體表面吸收，一部分I，被物體表面反射，還有一部分I，可能透過物體從另一側(cè)傳出去，如圖2-5所示。根據(jù)能量守恒定律：I + I + I = I圖2-5 輻射熱的吸收、反射與透射若等式兩側(cè)同除以 I 則 + + = 1令= ，= ， = ，分別稱為物體對(duì)

15、輻射熱的吸收系數(shù)、反射系數(shù)及透射系數(shù)，于是： + + =1 （2-9）各種物體對(duì)不同波長的輻射熱的吸收、反射及透射性能不同，這不僅取決于材質(zhì)、材料的分子結(jié)構(gòu)、表面光潔度等因素，對(duì)于短波輻射熱還與物體表面的顏色有關(guān)。圖2-6表示幾種表面對(duì)不同波長輻射熱的反射性能。凡能將輻射熱全部反射的物體(=1)稱為絕對(duì)白體，能全部吸收的(=1)稱為絕對(duì)黑體，能全部透過的(=1)則稱為絕對(duì)透明體或透熱體。圖2-6 表面對(duì)輻射熱的反射系數(shù)在自然界中并沒有絕對(duì)黑體、絕對(duì)白體及絕對(duì)透明體。在應(yīng)用科學(xué)中，常把吸收系數(shù)接近于1的物體近似地當(dāng)成絕對(duì)黑體。而在建筑工程中，絕大多數(shù)材料都是非透明體，即= 0故而 + = 1。由

16、此可知，輻射能反射越強(qiáng)的材料，其對(duì)輻射能的吸收越少；反之亦然。3）輻射換熱的計(jì)算在建筑工程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面與其周圍其他物體表面之間的輻射換熱是一個(gè)應(yīng)當(dāng)重要研究的問題。由于建筑材料大多可看做灰體，因此，物體表面間的輻射換熱量主要取決于各個(gè)表面的溫度、發(fā)射和吸收輻射熱的能力以及它們之間的相對(duì)位置。設(shè)有兩個(gè)一般位置的灰體表面1和2，如圖2-8所示。它們之間相互“看得見”的表面積為F 和F , 各自的輻射系數(shù)為 和 ，它們各自的溫度為 和 ，它們兩者之間的輻射換熱量或 可用下式計(jì)算：= （2-10a）或 = （2-10b）式中 表面1傳給表面2的凈輻射換熱量，W；表面2傳給表面1的凈輻射換熱量，W；，

17、分別為兩表面的絕對(duì)溫度，K；F ，F(xiàn)分別為兩表面相互“看得見”的面積，； 或 相當(dāng)輻射系數(shù)，W(·)。 圖2-8 兩灰體表面間輻射換熱= (2-11)，表面1和2及絕對(duì)黑體的輻射系數(shù)；表面1對(duì)表面2的平均角系數(shù)；表面2對(duì)表面1的平均角系數(shù)。平均角系數(shù)面 (或 )表示單位時(shí)間內(nèi)，表面1(或表面2)投射到表面2(或表面1)的輻射換熱量(或)，與表面1(或表面2)向外界輻射的總熱量 (或)的比值，即 (或)。(或)越大，說明 (或)發(fā)射出去的總輻射熱中投射到(或)上的越多，反之則越少。角系數(shù)是一個(gè)純幾何關(guān)系量，它與物體的輻射性能無關(guān)，它的數(shù)值取決于兩表面的相對(duì)位置、大小及形狀等幾何因素，一

18、般都將常用的平均角系數(shù)繪制成圖表以供選用。此外，理論證明兩輻射表面的平均角系數(shù)間存在著“互易定理”，即： = (2-12)在建筑工程中，常見的一種情況是兩平行灰體表面面積比二者之間的距離大得多，從而可近似地作為互相平行的無限大平面來計(jì)算。設(shè) 及 為兩個(gè)無限大的平行平面，如圖2-9所示。此時(shí)任一個(gè)表面發(fā)射的輻射熱全部都投到另一個(gè)表面上，于是它們之間的平均角系數(shù)相等并且都等于1，即 = =1單位面積的凈輻射換熱量為= W/ （2-13）= W/（·） （2-14） 式中 相當(dāng)輻射系數(shù)；，分別為表面1、表面2及絕對(duì)黑體的輻射系數(shù)。在工程中還有另一種情況，就是一個(gè)物體被另一個(gè)物體完全包圍，如

19、圖2-10所示，并且物體1無凹角，物體2無凸角。在這種情況下，物體1發(fā)射的輻射熱全部投射到物體2上，故 = 1；但物體2所發(fā)射的輻射熱則只有一部分投射到物體1上，故 <1 。兩個(gè)物體互相投射，由物體1傳給物體2的凈輻射熱量 為： 圖2-8 兩平行無限大灰體表面間的輻射換熱= （2-15）在相互輻射傳熱的過程中，物體得熱為正，失熱為負(fù)。當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，物體1失去的熱量等于物體2得到的熱量。根據(jù)這種關(guān)系可知： =-在這種情況下，相當(dāng)輻射系數(shù)不僅與兩物體的輻射系數(shù)有關(guān)，而且與它們的表面積和也有關(guān)系，其值為圖2-9 物體1被物體2完全包圍時(shí)的輻射換熱= （2-16）由上式可知，當(dāng)比大得多時(shí)，可近

20、似地取值計(jì)算。在建筑熱工學(xué)中，還會(huì)遇到需要研究某一圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面與其他相對(duì)應(yīng)的表面(其他結(jié)構(gòu)表面、人體表面等)以及室內(nèi)外空間之間的輻射換熱。這類情況可按以下方式計(jì)算：= （ ） （2-17）式中 輻射換熱量，W；輻射換熱系數(shù)，W(·K)；表面的溫度，； 與輻射換熱的表面的溫度，。按前式所導(dǎo)，可知= （2-18）式中 輻射換熱系數(shù)，W(·K)。；相當(dāng)輻射系數(shù)，W(·)。；的絕對(duì)溫度， = 273 + (K)；的絕對(duì)溫度，= 273 + (K)；對(duì)的平均角系數(shù)。在實(shí)際計(jì)算中，當(dāng)考慮一外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面與整個(gè)房間其他結(jié)構(gòu)內(nèi)表面之間輻射換熱時(shí)，則取 =1，并粗略地以室內(nèi)氣溫

21、代表所有對(duì)應(yīng)表面的平均溫度(輻射采暖房間例外)。當(dāng)考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面與室外空間輻射換熱時(shí)，可將室外空間假想為一平行于圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的無限大平面，此時(shí)=1，并以室外氣溫近似地代表該假想平面的溫度。當(dāng)需要計(jì)算某圍護(hù)結(jié)構(gòu)與人體之間的輻射換熱時(shí)，必須先確定它們的平均角系數(shù)值，才能進(jìn)行輻射換熱的計(jì)算。根據(jù)以上分析可以看出，只要物體各部分之間或者物體與物體之間存在著溫度差，它們必然發(fā)生傳熱的現(xiàn)象。傳熱的方式為導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射，它們傳熱的機(jī)理、條件和計(jì)算方法都各不相同。隨后還會(huì)了解，實(shí)際工程中的傳熱并非單一的傳熱方式，往往是兩種甚至3種方式的綜合作用。為了滿足工程設(shè)計(jì)的要求，計(jì)算方法也會(huì)在基本原理的基礎(chǔ)上作

22、一些相應(yīng)的變化，從而使計(jì)算得以簡化而又保證必要的精確度。建筑物的傳熱通常是以輻射、對(duì)流、導(dǎo)熱3種方式同時(shí)進(jìn)行，綜合作用的效果。以屋頂某處傳熱為例，太陽照射到屋頂某處的輻射熱，其中2030的熱量被反射，其余一部分熱量以導(dǎo)熱的方式經(jīng)屋頂?shù)牟牧蟼飨蚴覂?nèi)，另一部分則由屋頂表面向大氣輻射，并以對(duì)流換熱的方式將熱量傳遞給周圍空氣，如圖2-11所示。圖2-11 屋頂傳熱示意又如室內(nèi)傳熱情況，火爐爐體向周圍產(chǎn)生輻射傳熱，以及與室內(nèi)空氣的導(dǎo)熱傳熱；室內(nèi)空氣被加熱部分與未加熱部分產(chǎn)生對(duì)流傳熱。室內(nèi)空氣溫度升高和爐體熱輻射作用，使外圍結(jié)構(gòu)的溫度升高，這種溫度較高的室內(nèi)熱量又向溫度較低的室外流散，如圖2-11所示。圖

23、2-11 室內(nèi)外傳熱示意2.2建筑得熱與失熱的途徑冬季采暖房屋的正常溫度是依靠采暖設(shè)備的供暖和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫之間相互配合，以及建筑的得熱量與失熱量的平衡得以實(shí)現(xiàn)?？捎孟率奖硎荆翰膳O(shè)備散熱+建筑物內(nèi)部得熱+太陽輻射得熱=建筑物總得熱 非采暖區(qū)的房屋建筑，有兩類：一類是采暖房屋有采暖設(shè)備，總得熱同上；第二類，沒有采暖設(shè)備，總得熱為建筑物內(nèi)部得熱加太陽輻射得熱兩項(xiàng)，一般仍能保持比室外日平均溫度高3-5。對(duì)于有室內(nèi)采暖設(shè)備散熱的建筑，室內(nèi)外日平均溫差，北京地區(qū)可達(dá)20-27，哈爾濱地區(qū)可達(dá)28-44C。由于室內(nèi)外存在溫差，且圍護(hù)結(jié)構(gòu)不能完全絕熱和密閉，導(dǎo)致熱量從室內(nèi)向室外散失。建筑的得熱和失熱的途徑

24、及其影響因素是研究建筑采暖和節(jié)能的基礎(chǔ)。其基本情況如圖2-12所示。圖2-12 建筑得熱與失熱因素示意1建筑得熱因素 在一般房屋中，熱量來源有：1) 統(tǒng)供給的熱量。主要有暖氣、火爐、火坑等采暖設(shè)備提供。2) 陽輻射熱供給的熱量，陽光斜射，透過玻璃進(jìn)入室內(nèi)所提供的熱量。普通玻璃透過率高達(dá)8090，北方地區(qū)太陽入射角度低達(dá)13°30°，南窗房間得熱量甚大。3) 用電器發(fā)出的熱量。家用電器如電冰箱、電視機(jī)、洗衣機(jī)、吸塵器及電燈等發(fā)出的熱量。4) 炊事及燒熱水散發(fā)的熱量。5) 人體散發(fā)的熱量。一個(gè)成人散熱量約為80-120W。2、建筑失熱原因素 一般房間建筑中，散失熱量的途徑有：1

25、) 通過外墻、屋頂和地面產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)損失，以及通過窗戶造成的傳導(dǎo)和輻射傳熱損失。2) 由于通風(fēng)換氣和空氣滲透產(chǎn)生的熱損失。其途徑可有門窗開啟、門窗縫隙、煙囪、通氣孔以及穿墻管縫孔隙等。3) 由于熱水排八下水道帶走的熱量。4) 由于水分蒸發(fā)形成水蒸氣外排散失的熱量。2.3 建筑保溫與隔熱1.建筑保溫(1)建筑保溫的含義：建筑保溫通常指圍護(hù)結(jié)構(gòu)在冬季阻止室內(nèi)向室外傳熱，從而保持室內(nèi)適當(dāng)溫度的能力。保溫是指冬季的傳熱過程，通常按穩(wěn)定傳熱考慮，同時(shí)考慮不穩(wěn)定傳熱的一些影響。 (2)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的含義：圍護(hù)結(jié)構(gòu)是指建筑物及其房間各面的圍護(hù)物，分為透明和不透明兩種類型。不透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)有墻、屋面、地板、頂棚等；

26、透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)有窗戶、天窗、陽臺(tái)門、玻璃隔斷等。按是否與室外空氣直接接觸,又可分為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)。與外界直接接觸者稱為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，包括外墻、屋面、窗戶、陽臺(tái)門、外門，以及不采暖樓梯間的隔墻和戶門等。不需特別指明情況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)即為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)。 (3)保溫性能的評(píng)價(jià)：保溫性能通常用傳熱系數(shù)值或傳熱絕緣系數(shù)值來評(píng)價(jià)。 傳熱系數(shù)原稱總傳熱系數(shù)，現(xiàn)統(tǒng)稱傳熱系數(shù)。傳熱系數(shù)K值，是指在穩(wěn)定傳熱條件下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)空氣溫度差為1開 (K) 或1攝氏度()，1h內(nèi)通過1面積傳遞的熱量，單位是W/(·K)，或W(·)。熱絕緣系數(shù)原稱總傳熱阻，現(xiàn)統(tǒng)稱為熱絕緣系數(shù)。熱絕緣系數(shù)M值是傳熱系數(shù)

27、K的倒數(shù)，即M= 1K，單位是(·KW或·W)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)K值越小，或熱絕緣系數(shù)M值越大，則保溫性能越好。 單層平壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)K為 K = (2-19)式中 外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)W(·K) ；內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)W(·K) ；圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度(m)；圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料熱導(dǎo)翠W(m·K) 。單位時(shí)間內(nèi)通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳遞的熱量值為q =KA() (2-20)式中 q圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳遞的熱量值(W)； K圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)W·K，見式(2-19) A圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積()；圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的溫度()；圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)的溫度()。由式(2-19)、式(2-20)可見：

28、 1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料熱導(dǎo)率越小，外內(nèi)表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、越小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度越大，則圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)K也越小，單位時(shí)間內(nèi)通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱量q值就越小，建筑保溫效果越好。 2)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量q與其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積A成正比，因此，在其他條件相同時(shí)，建筑物采暖耗熱量隨其體形系數(shù)S的增大而成正比例升高。 建筑物的體形系數(shù)S是指建筑物接觸室外大氣的表面積A，與其所包圍的體積Vo的比值，即S=A/Vo。其含義為單位建筑體積所分?jǐn)偟降耐獗砻娣e。 可見，體積小，體形復(fù)雜的建筑，以及平房和低層建筑體形系數(shù)較大，對(duì)節(jié)能不利；體積大、體形簡單的建筑，以及多層和高層建筑，體形系數(shù)較小，對(duì)節(jié)能較為有利。 3)提高建筑的

29、保溫性能必須控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)K或熱絕緣系數(shù)Mo。為此，應(yīng)選擇傳熱系數(shù)較小、熱絕緣系數(shù)較大的圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料。具體做法是，對(duì)于外墻和屋面，可采用多孔、輕質(zhì)，且具有一定強(qiáng)度的加氣混凝土單一材料，或由保溫材料和結(jié)構(gòu)材料組成的復(fù)合材料。對(duì)于窗戶和陽臺(tái)門，可采用不同等級(jí)的保溫性能和氣密性的材料。 2建筑隔熱(1)建筑隔熱的含義：建筑隔熱通常是指圍護(hù)結(jié)構(gòu)在夏天隔離太陽輻射熱和室外高溫的影響，從而使其內(nèi)表面保持適當(dāng)溫度的能力。隔熱針對(duì)夏季傳熱過程，通常以24h為周期的周期性傳熱來考慮。 (2)建筑隔熱性能的評(píng)價(jià)：隔熱性能通常用夏季室外計(jì)算溫度條件下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面最高溫度值來評(píng)價(jià)。如果在同一條件下，其內(nèi)表

30、面最高溫度低于或等于240mm厚磚墻的內(nèi)表面最高溫度，則認(rèn)為符合隔熱要求。 (3)建筑隔熱對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響：盛夏，如果屋頂和外墻隔熱不良，高溫的屋頂和外墻的內(nèi)表面，將產(chǎn)生大量輻射熱，使室內(nèi)溫度升高。若風(fēng)速小，人體散熱困難，人的體溫一般則保持在36.5，這是由于人體腦下丘的體溫調(diào)節(jié)中樞進(jìn)行復(fù)雜而巧妙調(diào)節(jié)，使體內(nèi)保持熱穩(wěn)定平衡的結(jié)果。外界溫度太高，體內(nèi)熱量散發(fā)困難，體溫增高，人體感到酷熱難熬，白血球數(shù)量減少，從而導(dǎo)致病患。 即使設(shè)有空調(diào)制冷設(shè)備，對(duì)于隔熱不良的房屋，進(jìn)入室內(nèi)的熱量過多，將很快抵消空調(diào)制出的冷量，室溫仍難達(dá)到舒適程度。 (4)建筑隔熱措施：為達(dá)到改善室內(nèi)熱環(huán)境、降低夏季空調(diào)降溫能耗

31、的目的，建筑隔熱可采取以下措施。 1)建筑物屋面和外墻外裘面做成白色或淺白色飾面，以降低表面對(duì)太陽輻射熱的吸收系數(shù)。 2)采用架空通風(fēng)層屋面，以減弱太陽輻射對(duì)屋面的影響。 3)屋面采用擠壓型聚苯板倒置屋面，能長期保持良好的絕熱性能，且能保護(hù)防水層免于受損。 4)外墻采用重質(zhì)材料與輕型高效保溫材料的復(fù)合墻體，提高熱絕緣系數(shù)，以便節(jié)約空調(diào)降溫能耗。 5)提高窗戶的遮陽性能。如采用活動(dòng)式遮陽篷、可調(diào)式淺色百葉窗簾、可反射陽光的鍍膜玻璃等。遮陽性能可由遮陽系數(shù)來衡量。遮陽系數(shù)是指實(shí)際透過窗玻璃的太陽輻射得熱與透過3mm透明玻璃的太陽輻射得熱之比。遮陽系數(shù)小，說明遮陽性能好。2.4 空氣間層的傳熱在房屋

32、的某些部位上常設(shè)置空氣間層。空氣間層內(nèi)，導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射3種傳熱方式并存，但主要是空氣間層內(nèi)部的對(duì)流換熱及間層兩側(cè)界面間的輻射換熱，如圖2-14所示。影響空氣間層傳熱的因素主要有如下幾個(gè)。圖2-14 空氣間層的傳熱1)空氣間層的厚度。 2)熱流的方向。 3)空氣間層的密閉層區(qū)。 4)兩側(cè)的表面溫度。 5)兩側(cè)的表面狀態(tài)。 空氣間層的厚度加大，則空氣的對(duì)流增強(qiáng)，當(dāng)厚度達(dá)到某種程度之后，對(duì)流增強(qiáng)與熱絕緣系數(shù)增大的效果互相抵消。因此，當(dāng)空氣間層厚度達(dá)1 cm以上時(shí)，即便再增加厚度，其熱絕緣系數(shù)或?qū)釒缀醪蛔儭？諝忾g層厚度為220cm，熱絕緣系數(shù)變化很小。一般0.5cm以下的空氣間層內(nèi)，幾乎不產(chǎn)生對(duì)流

33、，如圖2-15所示。圖2-15 空氣間層厚度d與熱絕緣系數(shù)的關(guān)系熱流方向?qū)?duì)流影響很大。熱流朝上時(shí)，它將產(chǎn)生所謂環(huán)形細(xì)胞狀態(tài)的空氣對(duì)流，其傳熱也最大。在同一條件下，水平空氣間層熱流朝下時(shí)，傳熱最小；垂直的空氣間層則介于兩者之間。在施工現(xiàn)場制作的空氣間層，密閉程度各不相同，有些空氣間層存在縫隙，室內(nèi)外空氣直接侵入，傳熱量必然會(huì)增大。 兩側(cè)表面溫度對(duì)間層傳熱影響很大，當(dāng)商表面溫差較大時(shí)。幸坩強(qiáng)對(duì)流且使輻射換熱量增大。表面粗糙度對(duì)對(duì)流換熱稍有影響，但在實(shí)際應(yīng)用中可略而不計(jì)。然而，材質(zhì)的表面狀態(tài)對(duì)輻射率的影響卻頗大。當(dāng)使用輻射率小而又光滑的鋁箔等材料時(shí)，有效輻射常數(shù)將變小，輻射換熱量也就減少。輻射換熱

34、量在空氣間層的傳熱中所占比例較大，采用在內(nèi)部使用鋁箔等反射輻射效果好的材料或者在空氣間層的低溫側(cè)設(shè)絕熱材料，均可使空氣間層的輻射換熱量大幅度地減少。寒冷地區(qū)在空氣間層的上下端，以軟質(zhì)泡沫塑料或纖維類絕熱材料為填塞物作為氣密封條，以確?？諝忾g層的絕熱效果。溫暖地區(qū)，空氣間層內(nèi)適當(dāng)通氣，可將室內(nèi)水蒸氣排向室外，從而可以防止因內(nèi)部結(jié)露所造成的基礎(chǔ)或柱子等的腐蝕。對(duì)空氣間層傳熱影響最大的首先是空氣間層的密閉程度；其次便是熱流方向；兩剛溫差；有無絕熱材料及其布置位置；以及形成空氣間層的材料的性質(zhì)、輻射率和空氣間層的厚度等等。人們常常以為混凝土梁或柱本身的厚度已完全滿足絕熱要求，或者以施工麻煩為理由并不專

35、門制造絕熱的梁或柱，這樣一來，熱橋部分的熱損失就會(huì)相當(dāng)大，為此應(yīng)該考慮相應(yīng)的絕熱措施，否則，不僅熱損失大，而且往往形成內(nèi)部結(jié)露，如圖2-15所示。圖2-15 混凝土熱橋當(dāng)空氣間層內(nèi)設(shè)鋼制肋時(shí)，由于鋼與空氣間層、鋼與內(nèi)外裝修材料(外裝修材料也有用鋼板的)之間的熱導(dǎo)率差別很大，則鋼肋將成為熱橋，而熱流勢必在熱橋處比較集中，使鋼制肋局部產(chǎn)生了較大的溫差。該溫差不僅在鋼制肋的寬度上，而且在相距鋼制肋約5cm的兩側(cè)均受到了影響，由此通過測量可確定熱橋的熱量損失。田2-16所示為槽鋼熱橋。圖2-16 槽鋼熱橋在混凝土墻體里埋入的錨固螺栓也將成為圓形熱橋，其溫度分布是以圓形熱橋?yàn)橹行?，向外呈同心圓狀逐漸升高

36、。對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的房屋，因熱橋的存在會(huì)產(chǎn)生局部結(jié)露，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以充分注意。 2.5 墻體開口部分的傳熱 前節(jié)闡述了對(duì)有熱橋的壁體，考慮其傳熱系數(shù)的問題。對(duì)于房屋來說，還有一個(gè)與熱橋作用相同的開口部分。關(guān)于玻璃窗的傳熱將在后面章節(jié)中詳細(xì)論述。一般來講，單層窗的傳熱系數(shù)約為6w·k)，雙層玻璃窗的傳熱數(shù)約為3w（·k），只要一般墻壁部分多少進(jìn)行一些絕熱，那么，由窗口傳出的熱量就會(huì)相對(duì)增多；從而使墻體的總傳熱量也增大。例如，有一如圖2-17：所示之墻體，其開口部分的傳熱系數(shù)以6w/（·k）及3w（·k）考慮。墻壁部分的結(jié)構(gòu)如圖圖2-17 墻壁和開口部分尺寸及其

37、傳熱系數(shù)2-18中右側(cè)型所示，現(xiàn)求其平均傳熱系數(shù)。計(jì)算的基本公式如下= （2-21）式中 開口部分以外的墻壁之傳熱系數(shù)；開口部分以外的墻壁之面積；開口部分的傳熱系數(shù)；開口部分的面積；門等開口部分的傳熱系數(shù)；門等的面積。 因?yàn)?=0.36W(m·k)(按型條件取值)=6W(m·k)(厚3mm的單層玻璃窗)=2W(m·k) (正廳的大門)(7.2×2.4×2+5.4×2)一(+A3) (1.8×2.7+1.8×0.9+0.9×0.6+1.8×0.9+0.9×0.6+1.8×0.9

38、+0.9×0.6+0.9×0.9+1.8×0.6+0.6×0.6+0.6×0.6)=11.791.8×0.9=1.62所以，全部墻體的平均傳熱系數(shù)為；（一般墻體 （窗的 （門的的傳 傳熱 傳熱熱量） 量） 量） 1.5W/（·k） 該值約為一般墻壁部分傳熱系數(shù)之四倍。它表明由窗口部位傳出了大量的熱，并導(dǎo)致全部傳熱量都有所增加。如果按照熱橋來考慮傳熱系數(shù)的活，該數(shù)值就更要增大，即1.55W(·k)。 將各種計(jì)算結(jié)果列于表2-1中，從表中數(shù)值的比較可以看出，開口部位處理得如何，對(duì)于不進(jìn)行絕熱的增螅，影響尚小，而對(duì)于進(jìn)行

39、絕熱的墻壁卻至關(guān)重要。表2-1各種計(jì)算結(jié)果外墻的平均傳熱系數(shù)一般墻壁開口部分（單層）開口部分（雙層）2.853.442.860.621.711.120.361.500.92值得注意的是在型墻壁上裝上雙層玻璃窗比在型墻壁上裝上單層玻璃宙的總傳熱量少，平均傳熱系數(shù)也小。也就是說，把一般墻壁部分的絕熱標(biāo)準(zhǔn)搞得頗高。但并未同時(shí)考慮開口部位的處理，就說明其并沒摘清楚為什么要進(jìn)行絕熱。另外；把單層窗裝到型或型墻體上，外墻的平均傳熱系數(shù)差別不大。因此，這時(shí)即便對(duì)墻壁進(jìn)行商標(biāo)準(zhǔn)的絕熱也是沒有意義的。2.6 換氣損失房屋的內(nèi)外之間除以輻射、對(duì)流、導(dǎo)熱三種方式進(jìn)行的傳熱及以這三種方式綜合進(jìn)行的傳熱之外，還存在著由

40、于室內(nèi)外空氣交換而產(chǎn)生的傳熱，即換氣引起的熱轉(zhuǎn)移。如圖2-18：圖2-18 換氣一般，換氣量以換氣次數(shù)來表示。如設(shè)室內(nèi)空氣量(氣體容積)為B（）：換氣量為V。（/h），則換氣次數(shù)n可表示如下：n （次 / h）但換氣次數(shù)是不十分嚴(yán)密、準(zhǔn)確的，因此，為了方便，通常利用容積比熱來進(jìn)行計(jì)算。 q=0.3nB()W （2-22）式中 n換氣次數(shù)次/h；()室內(nèi)外的溫度差B室內(nèi)空氣的體積又，如果換氣量/h預(yù)先已知，便可選用下式求得耗熱量： q=0.3 ()W （2-23）例如，對(duì)圖2-19所示之房間，求通過其縫隙的換氣量。圖2-19 房間示意圖如果采用鋁窗框，周圍縫隙的單位長度換氣量按2.5/hm計(jì)，縫隙長度以其中大窗來考慮，則得L2.7+2.7+1