建筑物理第二講建筑熱環(huán)境基礎(chǔ)知識11

第二講：建筑熱環(huán)境根底知識Zhang-Xiuxin

1本講主要內(nèi)容：2.1、建筑中的傳熱現(xiàn)象2.2、圍護結(jié)構(gòu)傳熱方式之一：導(dǎo)熱2.3、圍護結(jié)構(gòu)傳熱方式之二：對流2.4、圍護結(jié)構(gòu)傳熱方式之三：輻射2.5、建筑圍護結(jié)構(gòu)的傳熱過程22.1建筑中的傳熱現(xiàn)象熱量的傳遞。在自然界中，只要存在溫差就會有傳熱現(xiàn)象，熱能由高溫部位傳至低溫部位---圍護結(jié)構(gòu)的傳熱。有三種:輻射、對流和導(dǎo)熱。建筑物的傳熱大多是三種方式綜合作用的結(jié)果.3輻射對流導(dǎo)熱輻射：把熱量以電磁波的形式從一個物體傳向另一個物體的現(xiàn)象。凡溫度高于絕對零度的物體，都可以發(fā)射同時也可以接受熱輻射。對流：流體與流體之間、流體與固體之間發(fā)生相對位移時所產(chǎn)生的熱量交換現(xiàn)象。導(dǎo)熱：

同一物體內(nèi)部或相互接觸的兩物體之間由于分子熱運動，熱量由高溫處向低溫轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。4太陽輻射照射的熱量，有20~30%被反射暖氣片輻射熱，與空氣接觸傳熱，被加熱的空氣變輕產(chǎn)生對流，通過對流將熱量傳向室內(nèi)各處。5為了保持體溫，人體不間斷的向周圍環(huán)境散發(fā)熱量。人體與室內(nèi)環(huán)境的換熱也是同時以輻射、對流、導(dǎo)熱三種方式進行。人體的散熱量決定于：室內(nèi)空氣溫度、風(fēng)速、圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)外表溫度。62.2導(dǎo)熱導(dǎo)熱：直接接觸的物體由于有溫度差時，質(zhì)點作熱運動而引起的熱能傳遞過程。在固體、液體、氣體中都存在導(dǎo)熱現(xiàn)象。其各自的導(dǎo)熱機理不同。氣體：分子作無規(guī)那么運動時相互碰撞而導(dǎo)熱。液體：通過平衡位置間歇移動著的分子振動引起導(dǎo)熱。固體：由平衡位置不變的質(zhì)點振動引起導(dǎo)熱。金屬：通過自由電子的轉(zhuǎn)移而導(dǎo)熱。絕大多數(shù)的建筑材料〔固體〕中的熱傳遞為導(dǎo)熱過程71〕溫度場溫度梯度熱流密度a〕溫度場：在某一時刻物體內(nèi)各點的溫度分布。熱量傳遞與物體內(nèi)部溫度的分布密切相關(guān)。溫度t是空間坐標(biāo)xyz和時間τ的函數(shù)即不穩(wěn)定溫度場：溫度分布隨時間而變穩(wěn)定溫度場：溫度分布不隨時間而變一維溫度場：溫度只沿x一個坐標(biāo)軸發(fā)生變化8b〕溫度梯度等溫面：溫度場中同一時刻有相同溫度各點連成的面。溫度梯度：溫度差△t與沿法線方向兩等溫面之間距離△n的比值的極限。9C〕熱流密度〔q〕導(dǎo)熱不能沿等溫面進行，必須穿過等溫面。熱流密度(q〕：單位時間內(nèi)，通過等溫面上單位面積的熱量。等溫面上面積元dF(m2)，單位時間內(nèi)通過的熱量為dQ(w)如果熱流密度在面積F上均勻分布那么熱流量為右式。

102〕傅立葉定律導(dǎo)熱根本方程－－傅立葉定律：物體內(nèi)導(dǎo)熱的熱流密度的分布與溫度分布有密切關(guān)系。傅立葉定律內(nèi)容：勻質(zhì)材料內(nèi)各點的熱流密度與溫度梯度的大小成正比?；颍阂粋€物體在單位時間、單位面積上傳遞的熱量與在其法線方向的溫度變化率成正比。用公式表示：

q－－單位時間、單位面積上通過的熱量，又稱熱流密度或熱流強度－－等溫面溫度在其法線方向上的變化率叫溫度梯度λ－－表示材料導(dǎo)熱能力的系數(shù)，稱導(dǎo)熱系數(shù)負號是因為熱流有方向性，是以從高溫向低溫方向流動為正值;溫度也是一個向量，以從低到高為正，二者相反。11導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)：其物理意義：在穩(wěn)定傳熱狀態(tài)下當(dāng)材料厚度為1m兩外表的溫差為1℃時，在一小時內(nèi)通過1m2截面積的導(dǎo)熱量。導(dǎo)熱系數(shù)大，說明材料的導(dǎo)熱能力強。12導(dǎo)熱系數(shù)〔λ〕各種物質(zhì)〔氣體、液體、固體〕的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值范圍和性質(zhì)有所不同，它還與當(dāng)時的壓力、溫度、密度、含濕量有關(guān)?？刹闀蟾奖須怏w的導(dǎo)熱系數(shù)最小，如常溫常壓下空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.029W/〔m·K〕，靜止不動的空氣具有很好的保溫能力。液態(tài)的導(dǎo)熱系數(shù)大于空氣，如水在常溫常壓下，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.58W/〔m·K〕，為空氣的20倍金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大，如建筑鋼材導(dǎo)熱系數(shù)為58.2W/〔m·K〕〔空氣的2000倍〕，門窗鋁合金那么大到162，是聚苯乙烯泡沫塑料〔導(dǎo)熱系數(shù)為0.042〕的5400倍。非金屬固體材料，如大局部建筑材料，導(dǎo)熱系數(shù)一般低于金屬材料，介于0.023~3.49W/〔m·K〕之間。13影響導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值的因素：物質(zhì)的種類〔液體、氣體、固體〕、結(jié)構(gòu)成分、密度、濕度、壓力、溫度等。

a〕溫度的影響溫度升高時，分子運動加強，使實體局部的導(dǎo)熱能力提高；同時，空隙中的對流、導(dǎo)熱和輻射能力也加強，從而材料的導(dǎo)熱系數(shù)增加。14導(dǎo)熱系數(shù)與溫度、濕度、和密度的關(guān)系b〕濕度的影響各種材料與潮濕的空氣接觸后，材料總會吸收一些水分，材料受潮后，由于孔隙中有了水分，增加了水蒸氣擴散的傳熱量，還增加了毛細孔中液態(tài)水分所傳導(dǎo)的熱量，導(dǎo)熱系數(shù)將顯著增大。水和冰的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.58W/〔m·K〕、2.33,W/〔m·K〕都遠大于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)〔0.03W/〔m·K〕〕，因此水或冰取代孔隙中的空氣必然使其導(dǎo)熱系數(shù)加大。15磚砌體和加氣混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)與濕度的關(guān)系

16導(dǎo)熱系數(shù)與溫度、濕度、和密度的關(guān)系c〕密度的關(guān)系密度即單位體積的材料重量，密度小的材料內(nèi)部孔隙多，由于空氣導(dǎo)熱系數(shù)很小，故密度小的材料導(dǎo)熱系數(shù)也小，良好的保溫材料多是孔隙多、密度小的輕質(zhì)材料。但，當(dāng)密度小到一定程度后，再加大孔隙，大的孔隙中空氣對流作用增強，對流換熱增加，加大了材料的導(dǎo)熱能力。因此，輕型〔如纖維〕材料有一個最低導(dǎo)熱系數(shù)的密度界限?！?0℃時玻璃棉的密度界限為50-60kg/m3〕17隔熱保溫材料----絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)越小，說明材料越不易導(dǎo)熱。工程上常將導(dǎo)熱系數(shù)λ＜0.3W/〔m·K〕的材料稱為隔熱保溫材料或絕熱材料。如礦棉、泡沫塑料等。絕熱材料可以歸納為三類：輕質(zhì)成型材絕熱空氣層絕熱反射絕熱18隔熱保溫材料----絕熱材料絕熱材料的選用主要性能到達以下指標(biāo)：導(dǎo)熱系數(shù)不易大于0.25W/(m.K)表觀密度不宜大于600Kg/m3耐久性常用的絕熱材料有機材料絕熱性能好，耐熱性差，易腐朽。無機材料纖維材料、粒狀材料和多孔材料。19a)輕型成型材絕熱20

輕型成型材絕熱21

輕型成型材絕熱222.3對流和外表對流換熱a)自然對流和受迫對流自然對流:由于流體冷熱局部的密度不同而引起的流動。空氣的自然對流是由于空氣溫度愈高密度愈大，當(dāng)環(huán)境中存在空氣溫差時，低溫密度大的空氣與高溫密度小的空氣之間形成壓力差〔熱壓〕，產(chǎn)生自然對流。受迫對流：由于外力作用〔如風(fēng)吹泵壓〕而迫使流體產(chǎn)生對流。外力愈大，對流速度愈大。b〕對流傳熱和對流換熱對流傳熱：只發(fā)生在流體之間，流體之間發(fā)生相對運動傳遞熱能。對流換熱：包括流體之間的對流傳熱，也包括流體與固體之間的接觸進行導(dǎo)熱的過程。23c〕外表對流換熱外表對流換熱：在空氣溫度與物體外表的溫度不等時，由于空氣沿壁面流動而使外表與空氣之間所產(chǎn)生的熱交換。外表對流換熱量取決因素：溫度差、熱流方向〔從上到下或從下到上，或水平方向〕、氣流速度、物體外表狀況〔形狀粗糙程度〕等。外表對流換熱量的表示式：－－牛頓公式對流換熱系數(shù)，見P18公式24外表對流換熱對平壁外表，當(dāng)空氣溫度t與壁外表溫度θ一定時，外表對流換熱量取決于“邊界層〞“邊界層〞－－指由壁面到氣溫恒定區(qū)之間的區(qū)域，包括層流區(qū)、過渡區(qū)、紊流區(qū)。在層流區(qū)內(nèi)以空氣導(dǎo)熱傳遞熱量。252.4輻射換熱:是發(fā)射體的熱能變?yōu)殡姶挪ㄝ椛淠埽惠椛涞奈矬w又將所接受的輻射能轉(zhuǎn)換成熱能，溫度越高，熱輻射愈強烈。一個物體對外來的入射輻射可以有反射、吸收、和透射3種情況，他們與入射輻射的比值分別叫作物體對輻射的反射系數(shù)γ、吸收系數(shù)ρ、透射系數(shù)τ。以入射輻射為1，那么有γ＋ρ＋τ＝１不透明的物體τ＝０那么有γ＋ρ＝１26太陽輻射的電磁波27太陽輻射的電磁波，其中，可見光區(qū)段的輻射能約占總輻射能的52%。28太陽輻射的電磁波，其中，可見光區(qū)段的輻射能約占總輻射能的52%。29為了方便研究，在理論上分為黑體、白體、灰體。黑體：對外來輻射全吸收的物體，ρ＝１白體：對外來輻射全反射的物體，γ＝１透明體：對外來輻射全透過的物體τ＝１灰體：自然界中介于黑體與白體之間的不透明物體。建筑材料多數(shù)為灰體。30對于多數(shù)不透明的物體來說，對外來入射的輻射只有吸收和反射，既吸收系數(shù)與反射系數(shù)之和等于1。吸收系數(shù)越大，那么反射系數(shù)越小。擦光的鋁外表對各種波長的輻射反射系數(shù)都很大，黑色外表對各種波長輻射的反射系數(shù)都很小；白色外表對波長為2μm以下的輻射反射系數(shù)很大，波長6μm以上的輻射反射系數(shù)又很小，接近黑色外表。這種現(xiàn)象對建筑外表顏色和材料的選用有一定的影響。31黑體的全輻射力：黑體不但能將一切波長的外來輻射完全吸收，也能向外發(fā)射一切波長的輻射。在單位外表積、單位時間以全波段〔波長λ=0~∞〕向半球空間輻射的全部能量，稱為黑體的全輻射力。用Eb表示黑體的全輻射力,單位W/m2；〔黑體的輻射系數(shù)〕黑體外表的絕對溫度，K32該定律說明了黑體的單色輻射力與其絕對溫度和波長之間的函數(shù)關(guān)系。黑體單色輻射力的最大值隨著黑體溫度升高而向波長較短一邊移動，對應(yīng)于這一輻射力為最大值的波長與黑體絕對溫度的關(guān)系用公式表示：單色輻射力為最大值的波長，黑體的溫度越高，其最大輻射力的波長愈短，如太陽相當(dāng)于溫度為6000K的黑體輻射，其最大輻射力波長為0.5μm；而16℃左右的常溫物體發(fā)射的最大輻射力波長約在10μm。33黑體輻射的光譜曲線34灰體的輻射特性與黑體近似，但在同溫度下其全輻射力低于黑體。工程上為了便于計算，將多數(shù)建筑材料視為灰體?；殷w的全輻射力計算公式：E——灰體全輻射力，C——灰體的輻射系數(shù)T——灰體的絕對溫度，K黑度：黑度又稱發(fā)射率，是物體輻射系數(shù)與黑體輻射系數(shù)之比。黑體的黑度為1，其他物體黑度均小于1。用公式表示：35輻射系數(shù):輻射系數(shù)：可以表征物體向外發(fā)射輻射熱能力的上下。各種物體〔灰體〕的輻射系數(shù)均小于黑體。其數(shù)值大小取決于材料的種類、外表溫度和外表狀況。輻射系數(shù)只與發(fā)射輻射熱的物體本身有關(guān)，而與外界條件無關(guān)。不同種類材料：常溫下白色大理石：5.39，不同溫度同一材料：拋光的鋁50℃為0.23，500℃為0.34，溫度的影響一般可以忽略不計。不同外表狀況：常溫下拋光的黃銅：0.17，36輻射系數(shù)：各種物體的輻射系數(shù)是由實驗確定的，〔可以查表，輻射系數(shù)值和各種物體對太陽輻射的吸收系數(shù)值，如紅磚、混凝土、深色油漆輻射系數(shù)分別為5.27、4.82、5.39等〕。在一定溫度下〔長波輻射〕，物體對輻射熱的吸收系數(shù)在數(shù)值上與其黑度〔發(fā)射率〕相等，即物體輻射能力越大，它對外來輻射的吸收能力也越大；反之假設(shè)輻射能力越小，那么吸收能力也越小。37常用的普通玻璃一般為透明材料，它只對波長為0.3~2.5μm的可見光和近紅外線有很高的透過率，而對波長為4μm以上的遠紅外輻射的透過率卻很低。玻璃對太陽輻射中大局部波長的光可以透過，而對一般常溫物體所發(fā)射的輻射〔多為遠紅外線〕那么透過率很低。這樣通過玻璃獲取大量的太陽輻射，使室內(nèi)構(gòu)件吸收輻射而溫度升高，但室內(nèi)構(gòu)件發(fā)射的遠紅外輻射那么根本不能通過玻璃再輻射出去，從而可以提高室內(nèi)溫度。在利用太陽能的建筑設(shè)計中，常用這一效應(yīng)為節(jié)能效勞。38玻璃的透過特性：常用的玻璃，只對波長為0.2~2.5μm的可見光和近紅外線有很高的透過率，而對波長為4μm以上的遠紅外輻射的透過率卻很低。39玻璃的溫室效應(yīng)40輻射換熱是物體外表之間通過輻射和吸收綜合作用下完成的輻射換熱量的大小取決于兩個外表的溫度、發(fā)射和吸收輻射熱的能力及相對位置。兩個外表之間的換熱量可用公式計算：41為了和對流換熱計算公式對應(yīng)，輻射換熱計算公式可以用輻射換熱系數(shù)與溫差的乘積來表示：42建筑圍護結(jié)構(gòu)的傳熱過程房屋圍護結(jié)構(gòu)時刻受到室內(nèi)外的熱作用，不斷有熱量通過圍護結(jié)構(gòu)傳進傳出。在冬季室內(nèi)溫度高于室外，熱量有室內(nèi)傳向室外；在夏季那么正好相反，熱量由室外傳向室內(nèi)。43建筑圍護結(jié)構(gòu)熱轉(zhuǎn)移方式熱轉(zhuǎn)移方式有三種：傳導(dǎo)〔Conduction〕，是固體內(nèi)熱轉(zhuǎn)移的主要方式；對流〔Convection〕，是流體即液體與氣體內(nèi)熱轉(zhuǎn)移的主要方式輻射〔Radiation〕，是自由空間熱轉(zhuǎn)移的主要方式。44圍護結(jié)構(gòu)的傳熱過程和傳熱量傳熱的3個根本過程及每