第1.2建筑傳熱與傳濕

1第二章建筑熱工計(jì)算與設(shè)計(jì)原理§1

傳熱的基本方式

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)部分或者物體與物體之間存在著溫度差，就必然有熱能的傳遞、轉(zhuǎn)移現(xiàn)象發(fā)生。根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，傳熱的基本方式有三種：

導(dǎo)熱對(duì)流輻射4幾個(gè)重要概念溫度場(chǎng)：在某一時(shí)刻，某一物體的表面及內(nèi)部所有各點(diǎn)溫度的總體分布。因此，溫度場(chǎng)是空間和時(shí)間的函數(shù)。穩(wěn)定溫度場(chǎng)非穩(wěn)定溫度場(chǎng)穩(wěn)定傳熱單向穩(wěn)定傳熱雙向穩(wěn)定傳熱三向穩(wěn)定傳熱單向不穩(wěn)定傳熱雙向不穩(wěn)定傳熱三雙向不穩(wěn)定傳熱5

§2導(dǎo)熱過(guò)程

導(dǎo)熱是由溫度不同的質(zhì)點(diǎn)(分子、原子、自由電子)在熱運(yùn)動(dòng)中引起的熱能傳遞現(xiàn)象。在固體、液體和氣體中均能產(chǎn)生導(dǎo)熱現(xiàn)象，但其機(jī)理卻并不相同。

固體導(dǎo)熱是由于相鄰分子發(fā)生的碰撞和自由電子遷移所引起的熱能傳遞。在液體中的導(dǎo)熱是通過(guò)平衡位置間歇移動(dòng)著的分子振動(dòng)引起的。在氣體中則是通過(guò)分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)互相碰撞而導(dǎo)熱。單純的導(dǎo)熱僅能在密實(shí)的固體中發(fā)生。6§2

導(dǎo)熱過(guò)程及計(jì)算

“平壁”指表面較為平整，面積比厚度大得多的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。1、單層勻質(zhì)平壁的穩(wěn)定導(dǎo)熱

計(jì)算模型：?jiǎn)螌觿蛸|(zhì)平壁的面積為F、厚度為d；使用季節(jié)：冬季壁面溫度為：熱流方向垂直于平壁

7

（1）熱傳導(dǎo)過(guò)程及其影響因素分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定溫度場(chǎng)中，由于兩壁面存在熱傳導(dǎo)的動(dòng)力即溫差，所以有熱量將從圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)至圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面。溫差：溫差越大，熱傳導(dǎo)動(dòng)力就越強(qiáng)，傳導(dǎo)的熱量就越多。厚度d：厚度越大，熱流傳導(dǎo)過(guò)程中的路徑就越長(zhǎng)，遇到的阻力就越大，傳導(dǎo)的熱量就越少。面積F：圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積越大，傳導(dǎo)的熱量就越多。時(shí)間：時(shí)間越長(zhǎng)，傳導(dǎo)熱量積累就越多。材料種類：材種不同，導(dǎo)熱能力則不同。表征此能力的熱工量即導(dǎo)熱系數(shù)。

8

綜合上述分析，如果設(shè)傳導(dǎo)的總熱量為Q，則：

：總導(dǎo)熱量，KJ；：平壁內(nèi)表面溫度，℃；：平壁外表面溫度，℃；：平壁厚度，m；：垂直于熱流方向的平壁表面積，㎡；：導(dǎo)熱時(shí)間，h；：導(dǎo)熱系數(shù)，w/mk

為了比較圍護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱能力，當(dāng)取單位面積、單位時(shí)間分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱時(shí)，即圍護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱熱流強(qiáng)度為：9

對(duì)進(jìn)行分析：

保溫材料和選材的重要性！付立葉(Fourier)導(dǎo)熱計(jì)算公式10

（2）關(guān)于保溫和隔熱材料保溫材料：能夠有效阻止熱量由室內(nèi)向室外傳導(dǎo)的材料，即導(dǎo)熱系數(shù)較小的材料。通常將導(dǎo)熱系數(shù)小于0.25的材料稱為保溫材料。保溫材料的熱工性能表征指標(biāo)：導(dǎo)熱系數(shù)隔熱材料：能夠防止熱量由室外向室內(nèi)傳導(dǎo)的材料。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)。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)。常用建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)值已列入本書(shū)附錄工中，未列入的材料或新材料可在其它參考文獻(xiàn)中查到或直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得。11●材料的導(dǎo)熱系數(shù)及其影響因素

A.

材質(zhì)的影響

由于不同材料的組成成分或結(jié)構(gòu)不同，其導(dǎo)熱性能也就各不相同，并有不同程度的差異.就常用非金屬建筑材料而言，其導(dǎo)熱系數(shù)值的差異非常明顯，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,導(dǎo)熱系數(shù)更大。工程上常把

值小于0.25W／(m·K)的材料作保溫、隔熱之用，以充分發(fā)揮其材料的特性?？諝獾膶?dǎo)熱系數(shù)很小，在27℃狀態(tài)下僅為0.02624W／(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(wàn)倍，可見(jiàn)材料或物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)值變動(dòng)范圍之大。12

B.

表觀密度的影響

材料的表觀密度反映材料密實(shí)的程度，材料愈密實(shí),表觀密度愈大，材料內(nèi)部的孔隙愈少，其導(dǎo)熱性能也就愈強(qiáng)。因此，在同一類材料中，表觀密度是影響其導(dǎo)熱性能的重要因素。

在建筑材料中，一般來(lái)說(shuō)，表觀密度大的材料導(dǎo)熱系數(shù)也大，尤其是像泡沫混凝土、加氣混凝土等多孔材料，表現(xiàn)得很明顯；但是也有某些材料例外，當(dāng)表觀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。顯然，這類材料存在著一個(gè)最佳表觀密度，即在該表觀密度時(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)。13

C.

材料含濕量的影響

在自然條件下，一般非金屬建筑材料并非絕對(duì)干燥，而是在不同程度上含有水分，材料中的水分占據(jù)了孔隙的一定體積。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。

D.

孔隙構(gòu)造和空隙率的影響封閉孔隙連通孔隙空隙率磚砌體導(dǎo)熱系數(shù)與重量濕度的關(guān)系14

2、多層勻質(zhì)平壁的穩(wěn)定導(dǎo)熱計(jì)算現(xiàn)以三層圍護(hù)結(jié)構(gòu)為例：根據(jù)付立葉公式，通過(guò)三層的熱流強(qiáng)度分別為：15

由于穩(wěn)定導(dǎo)熱時(shí)，熱流強(qiáng)度不變，即：

上式的拓展及其工程意義

圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部界面溫度的計(jì)算163、組合壁的穩(wěn)定導(dǎo)熱計(jì)算組合壁：在多層平壁中，某一材料層由兩種以上材料組成的平壁。根據(jù)多層次平壁的導(dǎo)熱計(jì)算公式，組合壁的熱流強(qiáng)度為：關(guān)鍵是加權(quán)平均熱阻的求算問(wèn)題17

對(duì)流是由于溫度不同的各部分流體之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)、互相摻合而傳遞熱能。因此，對(duì)流換熱只發(fā)生在流體之中或者固體表面和與其緊鄰的運(yùn)動(dòng)流體之間。

對(duì)流換熱的強(qiáng)弱主要取決于層流邊界層內(nèi)的換熱與流體運(yùn)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、固體壁面的形狀、大小及位置等因素?！?

對(duì)流18§3

對(duì)流換熱計(jì)算

對(duì)流是由于溫度不同的各部分流體之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)、互相摻合而傳遞熱能。因此，對(duì)流換熱只發(fā)生在流體之中或者固體表面和與其緊鄰的運(yùn)動(dòng)流體之間。仔細(xì)觀察對(duì)流傳熱過(guò)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，它的溫度分布呈傾斜直線狀；而在遠(yuǎn)離壁面的流體核心部分，流體呈紊流狀態(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；在層流邊界層與流體核心部分之間為過(guò)渡區(qū)，溫度分布可近似看作拋物線。19

對(duì)流和對(duì)流換熱的區(qū)別

對(duì)流指一種單一傳熱方式，

在建筑實(shí)際工程中，單一對(duì)流

傳熱方式不可能存在，圍護(hù)結(jié)

構(gòu)壁面與周圍空氣之間的熱交

換十分復(fù)雜，在對(duì)流傳熱的同

時(shí)，導(dǎo)熱傳熱也同時(shí)存在，實(shí)

際上是一種綜合效應(yīng)，在此用

對(duì)流換熱來(lái)描述這一狀況。對(duì)流換熱示意圖201.

對(duì)流換熱強(qiáng)弱的取決因素流體與固體壁面溫差；流體運(yùn)動(dòng)狀況；流體的物性；固體壁面的形狀、大小及位置等因素。2.

對(duì)流換熱強(qiáng)度計(jì)算

式中——對(duì)流換熱強(qiáng)度；

——對(duì)流換熱系數(shù)；

——壁面溫度℃；

——流體主體部分溫度℃。

牛頓公式21

值得注意的是：對(duì)流換熱系數(shù)為可變常數(shù)，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(jiǎn)化計(jì)算起見(jiàn)，通常只考慮氣流狀況是自然對(duì)流還是受迫對(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)；傳熱方向是由下而上或是由上而下等主要影響因素。推薦以下公式。

A.自然對(duì)流換熱

當(dāng)平壁處于垂直狀態(tài)時(shí)：

當(dāng)平壁處于水平狀態(tài)時(shí)：

若熱流由下而上

若熱流由上而下

22

B.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)象，稱為受迫對(duì)流換熱。

建筑物處于大氣層內(nèi)，建筑物與空氣緊鄰，風(fēng)成為主要的擾動(dòng)因素。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，就是說(shuō)，在受迫對(duì)流換熱之中必然包含著自然對(duì)流換熱的因素。受迫對(duì)流換熱主要取決于溫差、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)可按下式計(jì)算：

對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面

c=(2.5~6.0)+4.2v

對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面

c=2.5+4.2v

23

（1）熱輻射的本質(zhì)

凡是溫度高于絕對(duì)零度(K)的物體，由于物體原子中電子的振動(dòng)或激動(dòng)作用，將向外界空間輻射電磁波。不同波長(zhǎng)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)把電磁波分成許多波段。其中波長(zhǎng)在0.8~600

m之間的電磁波稱為紅外線，照射物體能產(chǎn)生熱效應(yīng)。把波長(zhǎng)在0.4~40

m范圍內(nèi)的電磁波(包括可見(jiàn)光和紅外線的短波部分)稱為熱射線，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(guò)程叫做熱輻射。通過(guò)熱射線傳播熱能稱為輻射傳熱。輻射傳熱與導(dǎo)熱、對(duì)流傳熱有著本質(zhì)的區(qū)別?！?

熱輻射及其換熱計(jì)算24（2）輻射傳熱特點(diǎn)

A.在輻射傳熱過(guò)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。

B.電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(yáng)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證。

C.凡是溫度高于絕對(duì)零度的一切物體，都在不間斷地向外輻射不同波長(zhǎng)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。25

2.熱輻射的傳播----吸收、反射和透射

當(dāng)熱輻射能投射到一物體的表面時(shí)，其中一部分被物體表面吸收(absorption)

；另一部分被物體表面反射(reflection)

；還有一部分可能透過(guò)物體(transmission)。

不同材料對(duì)不同波長(zhǎng)的輻射熱的吸收、反射及透射性能是不同的，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)。

輻射熱的吸收、反射與透射不同材料表面對(duì)輻射熱的反射系數(shù)263.材料對(duì)熱輻射反應(yīng)的指標(biāo)描述反射系數(shù)吸收系數(shù)透射系數(shù)常見(jiàn)建筑材料的反射系數(shù)、吸收系數(shù)、透射系數(shù)見(jiàn)教材及有關(guān)文獻(xiàn)。27對(duì)討論

凡能將輻射熱全部反射的物體稱為絕對(duì)白體，能全部吸收的稱為絕對(duì)黑體，能全部透過(guò)的則稱為絕對(duì)透明體或透熱體。

在自然界中并沒(méi)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)作黑體。而在建筑工程中，絕大多數(shù)材料都是非透明體，對(duì)輻射能反射越強(qiáng)的材料，其對(duì)輻射能的吸收、透射就越少；反之亦然。284.

物體的熱輻射本領(lǐng)及其規(guī)律

凡溫度高于絕對(duì)零度的物體都具有向外輻射能量的本領(lǐng)。為此，用“輻射本領(lǐng)”來(lái)表示物體的熱輻射能力。全輻射本領(lǐng)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)在物體單位表面積上輻射的波長(zhǎng)從0到∞范圍的總能量，稱作物體的全輻射本領(lǐng)，通常用E表示。單色輻射本領(lǐng)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)在物體單位表面積上輻射的某一波長(zhǎng)的能量稱為單色輻射本領(lǐng)，通常用E

表示。物體熱輻射本領(lǐng)的取決因素：

A.表面溫度；

B.輻射能力（系數(shù)即材料的不同

C.組成與構(gòu)造；

D.顏色、光潔度等。29“三體”的輻射光譜比較

黑體：能吸收一切波長(zhǎng)輻射的物體，同時(shí)還能向外發(fā)射一切波長(zhǎng)的輻射能，在同溫度下其輻射本領(lǐng)最大。“黑體”并不是指物體的顏色?；殷w：輻射特性和輻射光譜曲線的形狀與黑體輻射光譜曲線形狀相似，且單色輻射本領(lǐng)不僅小于黑體同波長(zhǎng)的單色輻射本領(lǐng)的物體。大多數(shù)建筑材料都可近似地看作灰體。

選擇性輻射體：只能吸收和發(fā)射某些波長(zhǎng)輻射能的物體，并且其單色輻射本領(lǐng)總小于同溫度黑體同波長(zhǎng)的單色輻射本領(lǐng)。同溫度不同物體的熱輻射光譜1—黑體；2—灰體；3—選擇性輻射體30

物體輻射本領(lǐng)的量化

德國(guó)科學(xué)家斯蒂芬—波爾茲曼（stafan-beltzmamn)對(duì)黑體進(jìn)行了分析研究，得出:

即黑體的全輻射本領(lǐng)與其絕對(duì)溫度的四次冪成正比,這一規(guī)律稱為斯—波定律。

S—B定律的實(shí)質(zhì)：說(shuō)明黑體的輻射本領(lǐng)與其絕對(duì)溫度的關(guān)系。且黑體的輻射本領(lǐng)隨溫度的升高而增加。31S—B定律的延伸（對(duì)灰體）灰體的輻射本領(lǐng)：32

灰體與黑體輻射本領(lǐng)的比較

根據(jù)克希科夫定律,在一定溫度下物體對(duì)輻射熱的吸收系數(shù)在數(shù)值上等于其黑度。即物體的輻射能力愈大,它對(duì)外來(lái)輻射熱的吸收能力也愈大。反之，物體的輻射能力愈小，對(duì)輻射熱的吸收能力也愈小。335.輻射換熱計(jì)算

以上僅是對(duì)單一物體熱輻射能力的討論，由于通常情況下自然界的物體都在進(jìn)行不同程度的熱輻射，而物體之間都在相互作用。輻射換熱實(shí)際上是物體之間熱輻射相互作用下的綜合結(jié)果。

兩物體間的輻射換熱12模型:設(shè)有面積和溫度分別為F1、T1與F2、T2的兩個(gè)處于任意位置的物體1、2根據(jù)S—B定律，兩物體向外輻射的熱量為：34

任意相對(duì)位置兩物體的凈輻射換熱量為：35C.

兩無(wú)限大平行平面間的輻射換熱量計(jì)算

在建筑熱工計(jì)算中,如果面積尺度比壁面間距大得多的平行平面,可按此模型計(jì)算。在此情況下，可認(rèn)為一個(gè)表面的輻射熱全部投射到另一個(gè)表面，因此它們之間的平均角系數(shù)相等且等于1。36D.

一個(gè)物體被另一個(gè)物體包圍時(shí)的輻射換熱計(jì)算21

在此情況下,物體1的輻射熱全部投射到物體2上,因此有:376.

輻射換熱與對(duì)流換熱公式的比較與化簡(jiǎn)38

輻射換熱強(qiáng)度可表達(dá)為:付立葉公式牛頓公式總結(jié)39§5

平壁的穩(wěn)定傳熱過(guò)程及其計(jì)算

冬季平壁的傳熱過(guò)程

實(shí)際的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)往往是三種基本傳熱的綜合作用過(guò)程。如何計(jì)算？

冬季：內(nèi)表面吸熱—結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱—外表面放熱；（熱量由室內(nèi)到室外）夏季：外表面吸熱—結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱—內(nèi)表面放熱。（熱量由室外到室內(nèi)）無(wú)論是冬季或夏季，熱量傳導(dǎo)的路徑都是：

表面——結(jié)構(gòu)本身——表面（傳熱三過(guò)程）40多層平壁的溫度分布

現(xiàn)以冬季節(jié)、三層平壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)為例，分析實(shí)際傳熱計(jì)算問(wèn)題。傳熱過(guò)程：內(nèi)表面主要以對(duì)流、輻射換熱方式吸熱；圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身導(dǎo)熱；外表面主要以對(duì)流、輻射換熱方式放熱。41

(1）內(nèi)表面吸熱λ1λ2λ3

d1d2d3titeqθiθeθ2θ342(2）結(jié)構(gòu)本身導(dǎo)熱(3)外表面放熱原理同(1）λ1λ2λ3

d1d2d3titeqθiθeθ2θ343λ1λ2λ3

d1d2d3titeqθiθeθ2θ344

對(duì)傳熱三過(guò)程熱流強(qiáng)度的整理

因?yàn)橛懻摰氖菃蜗蚍€(wěn)定傳熱，依次通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流強(qiáng)度應(yīng)不變。即：λ1λ2λ3

d1d2d3titeqθiθeθ2θ34547§6封閉空氣間層的傳熱

由于空氣材料的導(dǎo)熱系數(shù)非常?。ㄊ墙缍ń^熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的1/10），因此可把空氣作為一種十分高效的保溫隔熱材料。在房屋建筑中，為了提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，常把圍護(hù)結(jié)構(gòu)作成空腔，在其中設(shè)置封閉空氣間層?？諝忾g層傳熱過(guò)程靜止的空氣介質(zhì)導(dǎo)熱性甚小，因此建筑設(shè)計(jì)中常利用封閉空氣間層作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫層。垂直封閉空氣間層的傳熱過(guò)程

◆傳熱特點(diǎn):在空氣間層中，導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射三種傳熱方式都存在，其傳熱過(guò)程實(shí)際上是在一個(gè)有限空氣層的兩個(gè)表面之間的換熱過(guò)程，包括對(duì)流換熱和輻射換熱。

◆空氣間層不像實(shí)體材料層那樣，當(dāng)材料導(dǎo)熱系數(shù)一定后，材料層的熱阻與厚度成正比關(guān)系。在空氣間層中，其熱阻主要取決于空氣間層的對(duì)流換熱強(qiáng)度（受空氣邊界層厚度影響）和界面之間的輻射換熱強(qiáng)度。所以，空氣間層的熱阻與厚度之間不存在成比例地增長(zhǎng)的關(guān)系?！艨諝忾g層內(nèi)的對(duì)流換熱封閉空氣間層的傳熱在有限空間內(nèi)的對(duì)流換熱強(qiáng)度，與間層的厚度、間層的位置、形狀及間層的密閉性等因素有關(guān)?？諝庠诓煌姆忾]空氣間層中的自然對(duì)流圖中即為空氣在不同封閉間層中的自然對(duì)流情況

●

(圖a)在d較大的垂直空氣間層中，當(dāng)間層兩界面存在溫差(θ1＞θ2)時(shí)，熱表面附近的空氣上升，冷表面附近的空氣下沉，形成間層內(nèi)兩股氣流循環(huán)的自然對(duì)流換熱狀態(tài)。空氣在不同的封閉空氣間層中的自然對(duì)流

●

（圖b）當(dāng)d較小，即間層厚度較薄時(shí)，上升和下沉的氣流相互干擾，形成局部環(huán)流，對(duì)流換熱強(qiáng)于（圖a）情況?！駥?duì)于垂直的空氣間層。當(dāng)間層厚度增大時(shí)，上升氣流與下沉氣流相互干擾的程度越來(lái)越小，氣流速度也隨著增大，當(dāng)厚度達(dá)到一定程度時(shí)，就與開(kāi)敞空間中沿垂直壁面所產(chǎn)生的自然對(duì)流狀況相似。封閉空氣間層的傳熱◆空氣間層內(nèi)的對(duì)流換熱●

(圖c)在水平空氣間層中，當(dāng)熱面在上方時(shí)，難以形成對(duì)流，間層內(nèi)可視為不存在對(duì)流?！?/p>

(圖d)當(dāng)熱面在下方時(shí)，熱氣流的的上升和冷氣流的下沉相互交替形成自然對(duì)流，這時(shí)自然對(duì)流換熱最強(qiáng)?！艨諝忾g層內(nèi)的對(duì)流換熱●不同厚度的垂直封閉空氣間層內(nèi)不同傳熱方式的傳熱量的比較（單位溫差下）◆圖中“l(fā)”線是表示不同厚度空氣間層處于靜止?fàn)顟B(tài)的純導(dǎo)熱方式傳遞的熱量；◆“2”線表示的是對(duì)流換熱量；◆“3”線表示通過(guò)間層的總傳熱量?！?/p>

空氣間層內(nèi)對(duì)流及輻射換熱綜合分析注：間層用一般建材(ε≈0.9)制成◆“3”線與“2”線之間表示的是輻射換熱量；◆當(dāng)間層厚度超過(guò)約4cm時(shí)，傳熱量減少趨勢(shì)明顯變緩；1)將空氣間層布置在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的冷側(cè)，降低間層的平均溫度，可減少輻射換熱量，但效果不顯著。2)最有效的方法是在間層壁面上涂貼輻射系數(shù)小的反射材料，目前在建筑中采用的主要是鋁箔。根據(jù)鋁箔的成分和加工質(zhì)量的不同，它的輻射系數(shù)介于0.29-1.12W／(m2·K4)，而一般建筑材料的輻射系數(shù)是4.65-5.23W／(m2·K4)。

◆在總的傳熱量中，輻射換熱占的比例最大，約為總傳熱量的70%以上。因此，要提高空氣間層的熱阻，首先要設(shè)法減少輻射換熱量?！癫煌穸鹊拇怪狈忾]空氣間層內(nèi)不同傳熱方式的傳熱量的比較（單位溫差下）鋁箔、泡沫塑料復(fù)合防寒墊

◆“5”線表示兩個(gè)表面都貼上鋁箔后的總傳熱量。與單面貼鋁箔相比，增效提高的并不顯著，從節(jié)約材料考慮，以一個(gè)表面貼反射材料為宜。垂直間層內(nèi)不同傳熱方式的傳熱量的比較◆圖中“4”線表示間層內(nèi)有一個(gè)表面貼上鋁箔后的總傳熱量。3→4，降幅很大，這是由于輻射換熱量大大降低。

◆在實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算中，空氣間層的熱阻Rag一般都采用表2-4所載的數(shù)據(jù)。

◆在實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算中，空氣間層的熱阻Rag一般都采用表2-4所載的數(shù)據(jù)。---《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》57應(yīng)用封閉空氣間層時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題（1）在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中采用封閉空氣間層可以增加熱阻，并且材料省、重量輕，是一項(xiàng)有效而經(jīng)濟(jì)的技術(shù)措施。（2）如果構(gòu)造技術(shù)可行，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）為了有效地減少空氣間層的輻射傳熱量，可以在間層表面涂貼反射材料，一般在一個(gè)表面涂貼，并且是在溫度較高一側(cè)的表面，以防止間層內(nèi)結(jié)露。實(shí)際建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)常由多種材料構(gòu)成.對(duì)于這些構(gòu)造來(lái)說(shuō)，在垂直于熱流方向上已非勻質(zhì)材料，稱這種構(gòu)造為組合材料層。輕質(zhì)墻體板利用混凝土、工業(yè)廢料（爐渣，粉煤灰等）等制成的空心砌塊在建筑上已得到廣泛應(yīng)用。3）組合壁的導(dǎo)熱平均熱阻：

平行于熱流方向，沿材料層中不同材料的界面將其分成若干部分。組合壁熱阻工程計(jì)算方法傳熱阻=內(nèi)表面換熱阻+導(dǎo)熱阻+外表面換熱阻組合壁本身的傳熱阻?。?！《熱工規(guī)范》熱流方向3）組合壁的導(dǎo)熱若圍護(hù)結(jié)構(gòu)存在圓孔時(shí)，應(yīng)先將圓孔折算成同等面積的方孔。注意：例2-1求屋頂鋼筋混凝土（導(dǎo)熱系數(shù)=1.74W/(m·K)）圓孔板冬季的（傳）熱阻。鋼筋混凝土圓孔板各部分尺寸熱流熱流解：（1）將圓孔折算成等面積正方孔，設(shè)正方形邊長(zhǎng)為b，則解：（2）分別計(jì)算各部分的傳熱阻空氣間層熱阻，查表2-4內(nèi)表面換熱熱阻，查表2-2外表面換熱熱阻，查表2-3第2部分R0.2(無(wú)空氣間層部分)；第1部分R0.1(有空氣間層部分)；熱流導(dǎo)熱熱阻導(dǎo)熱熱阻（3）求修正系數(shù)空氣間層的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)鋼筋混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)查表2-1（4）計(jì)算圓孔板的平均熱阻平均熱阻64

§7

平壁內(nèi)部溫度的確定

研究意義：

圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度和內(nèi)表面溫度也是衡量和評(píng)價(jià)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的重要依據(jù)。為了檢驗(yàn)內(nèi)表面和內(nèi)部是否會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)水以及內(nèi)表面溫度對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響，都需要對(duì)所設(shè)計(jì)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行溫度核算。多層平壁的溫度分布

65

你能推導(dǎo)出下列公式嗎？λ1λ2λ3

d1d2d3titeqθiθeθ2θ366

§8簡(jiǎn)諧熱作用下的傳熱

通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流量及圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度分布隨著時(shí)間而變動(dòng)的傳熱過(guò)程，稱為不穩(wěn)定傳熱。如果外界熱作用隨時(shí)間呈周期性變化的不穩(wěn)定傳熱，稱為周期性不穩(wěn)定傳熱。顯然，周期性傳熱是不穩(wěn)定傳熱的一種特例。氣候因素的變化近于周期性，春夏秋冬，周而復(fù)始，以年為周期變化；日出日落，晝夜交替以日為周期變化。在嚴(yán)寒的冬季，采暖建筑倘若為間歇性供熱，室內(nèi)溫度的波動(dòng)也可視為周期性熱作用．簡(jiǎn)諧熱作用:溫度隨時(shí)間呈正弦函數(shù)或余弦函數(shù)規(guī)律變化的周期性不穩(wěn)定熱。圍護(hù)結(jié)構(gòu)所受到的周期性熱作用，并不都是隨時(shí)間呈余弦(或正弦)函數(shù)規(guī)律變化的，但可用傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，通過(guò)諧量分析，把周期性的熱作用變換成若干階諧量的組合。所以通過(guò)研究簡(jiǎn)諧熱作用下的傳熱過(guò)程，就能反映圍護(hù)結(jié)構(gòu)和房屋在周期性熱作用下的傳熱特性。671.簡(jiǎn)諧熱作用的溫度表達(dá)

682.半無(wú)限厚平壁在簡(jiǎn)諧熱作用下的傳熱特征

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稱為半無(wú)限厚平壁。如地層、地下室的側(cè)壁等。對(duì)某些有限厚度的壁體，如在所討論的時(shí)間內(nèi)，外界的熱作用不能影響到壁體的另一面，即外界的熱作用未能穿透整個(gè)壁體，這種情況也可看作半無(wú)限厚平壁。

69

半無(wú)限厚平壁在簡(jiǎn)諧熱作用下的傳熱特征：

A.平壁表面及內(nèi)部任一點(diǎn)x處的溫度，都會(huì)出現(xiàn)與介質(zhì)溫度周期Z相同的簡(jiǎn)諧波動(dòng),即周期相同(各溫度都是同一周期的諧波)。

B.從介質(zhì)到壁體表面及內(nèi)部，溫度波動(dòng)的振幅逐漸減少，這種現(xiàn)象叫作溫度波的振幅衰減。

C.從介質(zhì)到壁體表面及內(nèi)部，溫度波動(dòng)的相位逐漸向后推延。這種現(xiàn)象叫溫度波動(dòng)的相位延遲，如從外到內(nèi)各個(gè)面出現(xiàn)最高溫度的時(shí)間向后推延。70

溫度波在傳播過(guò)程中發(fā)生振幅衰減和相位延遲的原因材料的熱容作用;材料的熱阻作用.

713.簡(jiǎn)諧熱作用下材料和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱特性指標(biāo)

在簡(jiǎn)諧熱作用下，材料和圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布、溫度波波幅的衰減程度以及相位延遲的多少，都與所選用的材料、構(gòu)造情況和邊界條件有直接的關(guān)系。如何標(biāo)度其熱特性，主要有以下熱特性指標(biāo)。

(1)材料的蓄熱系數(shù)S

建筑材料在周期性波動(dòng)的熱作用下，均有蓄存熱量或放出熱量的能力，借以調(diào)節(jié)材料層表面溫度的波動(dòng)。在建筑熱工學(xué)中，把半無(wú)限厚物體表面接受的熱流波動(dòng)振幅與該表面的溫度波動(dòng)振幅的比值稱為物體在諧波熱作用下的“材料蓄熱系數(shù)”，常用S表示。常用建筑材料的S值可查教材附錄。72材料蓄熱系數(shù)S的取決因素及實(shí)質(zhì)性意義材料蓄熱系數(shù)不僅與諧波的周期有關(guān)，還與材料的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、表觀密度等因素有關(guān)。物理意義在于半無(wú)限厚物體在諧波熱作用下，表面對(duì)諧波熱作用的敏感程度，即在同樣熱作用下，材料蓄熱系數(shù)越大，其表面溫度波動(dòng)越?。环粗?，材料蓄熱系數(shù)越小，則其表面溫度波動(dòng)越大。這樣，我們?cè)谶x擇房屋圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料時(shí)，可通過(guò)材料蓄熱系數(shù)的大小來(lái)調(diào)節(jié)溫度波動(dòng)的幅度，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有良好的熱工性能。

S的計(jì)算式為:

73(2)材料層的熱惰性指標(biāo)D

材料層的熱惰性指標(biāo)D:指材料受到諧波作用后,背波面上的溫度波動(dòng)劇烈程度。即材料層抵抗溫度波動(dòng)的能力。顯然，材料層的熱惰性取決于：材料層迎波面的抗波能力；波動(dòng)傳至背波面時(shí)遇到的阻力。所以，D=S×R

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性指標(biāo)D為各分層材料熱惰性指標(biāo)之和。若其中有封閉空氣間層，因間層中空氣的材料蓄熱系數(shù)甚小，接近于零，間層的熱惰性指標(biāo)也就忽略不計(jì)。74(3)材料層表面蓄熱系數(shù)Y

前面討論的半無(wú)限厚壁體在諧波熱作用下波幅的衰減與相位的延遲都只涉及到單一壁體材料的熱物理參數(shù)，材料蓄熱系數(shù)也就是在這種條件下提出來(lái)的。但在工程實(shí)踐中，絕大多數(shù)是有限厚度的單層或多層圍護(hù)結(jié)構(gòu)。在這種情況下，材料層受到簡(jiǎn)諧溫度波作用時(shí)，其表面溫度的波動(dòng)不僅與各構(gòu)造層材料的熱物理性能有關(guān)，而且與邊界條件有關(guān)。

對(duì)于有限厚度的材料層，必須研究如何適合這種實(shí)際情況，因此提出了材料層表面蓄熱系數(shù)的概念，為區(qū)別起見(jiàn)，一般以Y表示。Y與S的物理意義是相同的，其定義式都是材料層表面的熱流波動(dòng)振幅與表面溫度波動(dòng)振幅的比值，差別僅在于計(jì)算式的不同。當(dāng)邊界條件的影響可以忽略不計(jì)時(shí)，兩者在數(shù)值上也可視為相等。75S與Y的聯(lián)系和區(qū)別定義式、物理意義相同；計(jì)算式不同。76§9濕空氣及其蒸汽滲透計(jì)算

研究意義：自然環(huán)境中的房屋建筑，除受熱的作用之外，潮濕是另一個(gè)重要的影響因素。大氣層中存在大量的水分，會(huì)以各種方式與途徑滲入建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。建筑材料受潮后，可能導(dǎo)致強(qiáng)度降低、變形、腐爛、脫落，從而降低使用質(zhì)量，影響建筑物的耐久性。圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的保溫材料受潮，將使其導(dǎo)熱系數(shù)增大，保溫能力降低。潮濕的材料還會(huì)孳生木菌、霉菌和其他微生物，嚴(yán)重危害環(huán)境衛(wèi)生和人體健康。

因此，建筑師在設(shè)計(jì)中，除需考慮改善熱環(huán)境和圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱狀況外，還須注意改善建筑物的濕環(huán)境和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的濕狀況。

熱與濕既有本質(zhì)的區(qū)別，又相互聯(lián)系和影響，熱與濕是研究和處理建筑熱環(huán)境的不可分割的問(wèn)題。771.濕空氣的物理性質(zhì)

自然界中的空氣包含許多種不同的氣體，也可歸納為干空氣與水蒸汽兩類。凡是含有水蒸汽的空氣通稱為濕空氣。因此，濕空氣的壓力等于干空氣的分壓力和水蒸汽分壓力之和。即：

Pw=Pd+P

式中Pw

——濕空氣的壓力(Pa)；

Pd

——干空氣的分壓力(Pa)；

P——水蒸汽的分壓力(Pa)。

影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)濕狀況的因素很多，屬于建筑熱工學(xué)研究范疇的，主要是空氣中的水蒸汽在圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面及內(nèi)部凝結(jié)而引起的濕狀況。（道爾頓定律）78

建筑環(huán)境中一般都是濕空氣。空氣中所含的水分愈多，則水蒸汽分壓力愈大。在一定的溫度和壓力條