建筑材料的熱工特性課件

建筑材料的熱工特性

建筑材料的熱工特性傳熱學(xué)的基本概念和原理建筑材料的熱工特性傳熱學(xué)的基本概念和原理建筑中的熱平衡輻射對(duì)流導(dǎo)熱建筑中的熱平衡建筑中主要是通過(guò)輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)3種基本傳熱方式進(jìn)行著室內(nèi)外的熱交換。

建筑中的熱平衡建筑的得熱和失熱主要包括10個(gè)方面

為取得建筑中的熱平衡，讓室內(nèi)處于穩(wěn)定的適宜溫度中，在室內(nèi)達(dá)到熱舒適環(huán)境后應(yīng)以上各項(xiàng)得熱的總和等于失熱的總和即；1＋2＋3＋4＋5＝6＋7＋8＋9＋10。

建筑中的熱平衡熱和溫度

熱是能的一種形式，其量度單位與能相同，采用焦耳（J），它是物質(zhì)分子能的外部表現(xiàn)，如：（1）轉(zhuǎn)移動(dòng)能（kineticenergyoftranslation）（2）旋轉(zhuǎn)動(dòng)能（kineticenergyofrotation）

（3）勢(shì)能（Potentialenergy）

建筑中的熱平衡溫度是國(guó)際六基本單位制之一。

華氏溫標(biāo)（Fahrenheit）

（F）攝氏溫標(biāo)（Celsius）（oC）開(kāi)爾文溫標(biāo)（Kelvin）（K）

建筑中的熱平衡顯熱和潛熱（

SensibleandLatentHeat）熱流能引起物體溫度變動(dòng)，我們稱為顯熱，是可感知或測(cè)知的熱。熱流不引起溫度變動(dòng)，這種熱稱為潛熱。

建筑中的熱平衡比熱（SpecificHeatCapacity）使

1kg物質(zhì)升高1℃（或

K）所需的熱量。熱容

(HeatCapacity)使一定的物體升高1℃（或

K）所需的熱量。建筑中的熱平衡熱轉(zhuǎn)移方式有三：傳導(dǎo)（Conduction），是固體內(nèi)熱轉(zhuǎn)移的主要方式；對(duì)流（Convection），是流體即液體與氣體內(nèi)熱轉(zhuǎn)移主要方式；輻射（Radiation），是自由空間熱轉(zhuǎn)移的主要方式。輻射凡溫度高于絕對(duì)零度的物體，都可以發(fā)射同時(shí)也接受熱輻射。

從理論上說(shuō)，物體熱輻射的電磁波波長(zhǎng)可以包括電磁波的整個(gè)波譜范圍，但在一般所遇到的物體的溫度范圍內(nèi)，有實(shí)際意義的熱輻射波長(zhǎng)在波譜的0.38～1000μm之間，而且大部分能量位于紅外線區(qū)段的0.76－20μm范圍內(nèi)。輻射一個(gè)物體對(duì)外來(lái)的入射輻射可以有反射、吸收和透過(guò)3種情況，它們與入射輻射的比值分別叫作物體對(duì)輻射的反射系數(shù)（又稱反射率）γ、吸收系數(shù)（又稱吸收率）ρ和透過(guò)系數(shù)τ（又稱透過(guò)率），以入射輻射為1，則有如下關(guān)系式：

γ＋ρ＋τ＝1輻射

黑體（ρ＝1

）白體（γ＝1

）透明體（τ＝1

）灰體

輻射黑體輻射

黑體不但能將一切波長(zhǎng)的外來(lái)輻射完全吸收；也能向外發(fā)射一切波長(zhǎng)的輻射。斯蒂芬·波爾茲曼定律

輻射普朗克定律

不同溫度下黑體輻射能按照波長(zhǎng)的分布

輻射黑體單色輻射力Ebλ的最大值隨著黑體溫度升高而向波長(zhǎng)較短一邊移動(dòng)

輻射黑體溫度愈高，其最大輻射力的波長(zhǎng)愈短。如太陽(yáng)相當(dāng)于溫度為6000K的黑體輻射，其最大輻射力波長(zhǎng)約為0.5μm，而16oC（

289K）左右的常溫物體發(fā)射的最大輻射力波長(zhǎng)約在

10μm左右。

輻射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?；殷w的全輻射力計(jì)算式為：

輻射輻射系數(shù)可以表征物體向外發(fā)射輻射的能力。各種物體（灰體）的輻射系數(shù)均低于黑體，其數(shù)值大小取決于物體表層的化學(xué)性質(zhì)、光潔度、顏色等。輻射

黑度，或稱發(fā)射率，是物體輻射系數(shù)與黑體輻射系數(shù)之比。用算式表達(dá)為：輻射在一定溫度下，物體對(duì)輻射熱的吸收系數(shù)（ρn）在數(shù)值上與其黑度ε相等。也就是說(shuō)，物體輻射能力愈大，它對(duì)外來(lái)輻射的吸收能力也愈大；反之，若輻射能力愈小，則吸收能力也愈小。

輻射反射系數(shù)對(duì)于多數(shù)不透明的物體來(lái)說(shuō)，吸收系數(shù)與反射系數(shù)之和為1。吸收系數(shù)愈大，則反射系數(shù)愈小。

輻射不同物體表面的反射系數(shù)隨表面性質(zhì)的不同而對(duì)入射的各種波長(zhǎng)輻射呈現(xiàn)出各自的反射特性。

輻射幾種典型表面對(duì)各種波長(zhǎng)輻射的反射系數(shù)

輻射玻璃的透過(guò)特性

輻射兩表面間在單位時(shí)間里的輻射換熱量主要取決于表面溫度和兩表面的面積及其相互位置關(guān)系。

角系數(shù)Ψ12＝Q12/Q1Ψ21＝Q21/Q2輻射黑體表面輻射換熱計(jì)算運(yùn)用角系數(shù)可得到單位時(shí)間里表面F1給表面F2的輻射熱Q12的計(jì)算式

而單位時(shí)間里表面F2給表面F1的輻射熱為

輻射灰體表面間輻射換熱計(jì)算

對(duì)于任意相對(duì)位置且黑度大于0.8的灰體表面，F(xiàn)1和F2之間在單位時(shí)間的凈輻射換熱量Q1－2可表示為：

輻射兩無(wú)限大平行表面的輻射換熱

輻射有遮熱板的空氣間層輻射換熱

輻射如C1＝C2＝C3，即當(dāng)遮熱板的輻射系數(shù)與空氣間層兩壁面的輻射系數(shù)相同時(shí)，則C13＝C32

以其代人上式可得

輻射表面輻射換熱系數(shù)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面（F1）與所處環(huán)境中的其他表面之間的輻射換熱，很難具體詳細(xì)計(jì)算。在工程中一般用以下公式粗略計(jì)算：

輻射

未吸收的能量反射率=———————————

入射能量吸收的能量吸收率=————————————

入射能量反射與吸收（ReflectanceandAbsorptance）輻射

已知物體輻射能發(fā)射率=——————————————

黑體輻射能發(fā)射（Emittance）對(duì)流對(duì)流（Convection）空氣物質(zhì)如果有一部分比周圍部分更熱時(shí)，該部分空氣密度將變小，而周圍較冷較重的空氣就會(huì)下降并使熱空氣升高，產(chǎn)生上述現(xiàn)象的作用力是重力，其所引起的冷熱空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)稱為對(duì)流。邊界膜（boundaryfilm）對(duì)流自然對(duì)流與受迫對(duì)流對(duì)流換熱是指流體各微團(tuán)分子作相對(duì)位移而傳送熱量的方式。按促成流體產(chǎn)生對(duì)流的原因，可分為“自然對(duì)流”和“受迫對(duì)流”。對(duì)流自然對(duì)流是由于液體冷熱不同的密度不同引起的流動(dòng)。

受迫對(duì)流是由于外力作用（如風(fēng)吹、泵壓等）而迫使流體產(chǎn)生對(duì)流。

對(duì)流表面對(duì)流換熱

指在空氣溫度與物體表面的溫度不等時(shí)，由于空氣沿壁面流動(dòng)而使表面與空氣之間所產(chǎn)生的熱交換。

對(duì)流對(duì)平壁表面，當(dāng)空氣與表面溫度一定時(shí)，表面對(duì)流換熱量主要取決于其“邊界層”的空氣狀況。

對(duì)流邊界層的溫度分布對(duì)流表面對(duì)流換熱所交換的熱量一般用下式表示，即：

近似計(jì)算αc＝2．5＋4．2Vαc＝（2．5～60）＋4．2V

導(dǎo)熱導(dǎo)熱是物體不同溫度的各部分直接接觸而發(fā)生的熱傳遞現(xiàn)象。

導(dǎo)熱可產(chǎn)生于液體、氣體、導(dǎo)電固體和非導(dǎo)電固體中。

它是由于溫度不同的質(zhì)點(diǎn)（分子、原子或自由電子）熱運(yùn)動(dòng)而傳送熱量，只要物體內(nèi)有溫差就會(huì)有導(dǎo)熱產(chǎn)生。

導(dǎo)熱按照物體內(nèi)部溫度分布狀況的不同，可分為一維、二維和三維導(dǎo)熱現(xiàn)象。同時(shí)，根據(jù)熱流及各部分溫度分布是否隨時(shí)間而改變，又分為穩(wěn)定導(dǎo)熱（傳熱）和不穩(wěn)定導(dǎo)熱（傳熱）

導(dǎo)熱導(dǎo)熱基本方程一個(gè)物體在單位時(shí)間、單位面積上傳遞的熱量與在其法線方向上的溫度變化率呈正比。

導(dǎo)熱一維穩(wěn)定傳熱僅產(chǎn)生于物體只在一個(gè)方向上有溫差，并且溫度和熱流均不隨時(shí)間而變的情況下。一維穩(wěn)定傳熱的計(jì)算式可寫成：

導(dǎo)熱一維不穩(wěn)定傳熱現(xiàn)象

按照熱作用的情況又可分單向周期性熱作用和雙向周期性熱作用產(chǎn)生于物體在一個(gè)方向上有溫差，但溫差方向的溫度不是恒定而是隨時(shí)間在變化的情況。導(dǎo)熱在不穩(wěn)定傳熱過(guò)程中，每一個(gè)與熱流方向垂直的截面上，熱流強(qiáng)度都不相等，壁體材料的比熱（c）、密度（β）和導(dǎo)熱系數(shù)（λ）以及熱流波動(dòng)的波幅和周期都影響著壁體內(nèi)溫度升降的速度。導(dǎo)熱單向周期性熱作用的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度變化情況。導(dǎo)熱導(dǎo)熱系數(shù)（ThermalConductivity）導(dǎo)熱系數(shù)（λ）的物理意義是，在穩(wěn)定傳熱狀態(tài)下當(dāng)材料層厚度為1m、兩表面的溫差為1°C

時(shí)，在1小時(shí)內(nèi)通過(guò)1m截面積的導(dǎo)熱量。

導(dǎo)熱各種物質(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，而且一般地說(shuō)，各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)還分別與當(dāng)時(shí)的壓力、溫度、密度、含濕量有關(guān)。

建筑材料的熱工特性保溫和隔熱材料熱阻和熱惰性絕熱材料的種類和作用絕熱材料的分類、性能和應(yīng)用建筑材料的熱工特性絕熱材料性能和衡量指標(biāo)及其影響因素材料的導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)是評(píng)定材料導(dǎo)熱性能的重要指標(biāo)，絕大多數(shù)建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)介于0.023~3.49W/(m·K)之間。導(dǎo)熱系數(shù)越小，說(shuō)明材料越不易導(dǎo)熱。通常把導(dǎo)熱系數(shù)小于0.23W/(m·K)的材料稱為絕熱材料。建筑材料的熱工特性絕熱（Insulation）

絕熱材料可歸納為三類

輕質(zhì)成型材絕熱（Bulkinsulation）空氣層絕熱（

Airspaceinsulation）

反射絕熱（Reflectiveinsulation）建筑材料的熱工特性材料層熱阻在建筑熱工中，通常把材料厚度與導(dǎo)熱系數(shù)的比值稱為材料層的熱阻，它也是材料絕熱性能好壞的評(píng)定指標(biāo)。建筑材料的熱工特性影響材料導(dǎo)熱系數(shù)或熱阻的主要因素材料的組成與微觀結(jié)構(gòu)空隙率與孔結(jié)構(gòu)濕度其他影響因素包括溫度及熱流方向建筑材料的熱工特性各種建筑材料的λ值相差很大，就是同一材料的“λ”值，還要受溫度、濕度和密度等因素的影響

溫度的影響

濕度的影響密度的影響

建筑材料的熱工特性絕熱材料的選用主要性能達(dá)到以下指標(biāo)：導(dǎo)熱系數(shù)不宜大于0.23W/(m·K)表觀密度不宜大于600kg/m3抗壓強(qiáng)度不低于0.3MPa耐久性建筑材料的熱工特性常用的絕熱材料有機(jī)材料絕熱性能好，耐熱性差，易腐朽。無(wú)機(jī)材料分為纖維材料、粒狀材料和多孔材料。建筑材料的熱工特性化學(xué)成分形狀名稱導(dǎo)熱系數(shù)（W/(m·K)）應(yīng)用無(wú)機(jī)材料纖維材料礦棉（巖棉、礦渣棉）<0.052填充用料礦棉氈0.048~0.052墻、屋頂保溫冷庫(kù)隔熱礦棉板>0.046冷庫(kù)、建筑隔熱玻璃棉>0.035圍護(hù)結(jié)構(gòu)粒狀材料膨脹蛭石0.046~0.070填充墻壁、樓板蛭石制品0.079~0.1磚、板、管圍護(hù)結(jié)構(gòu)膨脹珍珠巖0.025~0.048絕熱填充料珍珠巖制品0.058~0.87磚、板、管圍護(hù)結(jié)構(gòu)建筑材料的熱工特性化學(xué)成分形狀名稱導(dǎo)熱系數(shù)（W/(m·K)）應(yīng)用無(wú)機(jī)材料多孔材料泡沫混凝土0.082~0.186圍護(hù)結(jié)構(gòu)加氣混凝土0.093~0.164圍護(hù)結(jié)構(gòu)微孔硅酸鈣0.047管道、圍護(hù)結(jié)構(gòu)泡沫玻璃0.06~0.13冷庫(kù)隔熱建筑材料的熱工特性化學(xué)成分形狀名稱導(dǎo)熱系數(shù)（W/(m·K)）應(yīng)用有機(jī)材料泡沫塑料聚苯乙烯0.031~0.047屋面、墻面保溫，冷庫(kù)、隔熱、復(fù)合板、夾層等硬質(zhì)聚氯乙稀<=0.043硬質(zhì)聚氨酯0.037~0.055脲醛0.028~0.041多孔板軟木板0.052~0.70冷庫(kù)隔熱木絲板0.11~0.26天花板、護(hù)墻板蜂窩板結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)、保溫隔聲建筑材料的熱工特性空氣層絕熱（airspaceinsulation）在沒(méi)有對(duì)流的條件下，厚邊界膜具有高熱阻性能。

1.墻面空氣間層

2.窗簾

3.雙層、三層、四層玻璃建筑材料的熱工特性反射絕熱材料（reflectiveinsulation）利用磨光金屬表面的高反射性與低發(fā)射性減少熱傳遞。建筑用RFL：1.鋁箔做成單層卷材用作屋頂襯墊和墻布。2.用格網(wǎng)將多層鋁箔隔開(kāi)做成多層鋁箔絕熱層，安裝后可得到附加的空氣間層。Theend.Thanks！建筑材料的熱工特性建筑的體型與圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)（墻、屋頂、門窗）的作用圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫設(shè)計(jì)原理

建筑的體型

與

圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

建筑的體型與圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的作用

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫設(shè)計(jì)原理

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的作用圍護(hù)結(jié)構(gòu)

墻、屋頂、門窗、地面

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的作用

保溫隔熱通風(fēng)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫設(shè)計(jì)原理在我國(guó)大約有占全國(guó)總面積60％的地區(qū)冬季室內(nèi)需要供暖。這些地區(qū)的建筑在設(shè)計(jì)上既要考慮保證良好的室內(nèi)熱環(huán)境，還要注意節(jié)省采暖的能耗和建造費(fèi)用，即注意建筑保溫問(wèn)題。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫設(shè)計(jì)原理建筑保溫設(shè)計(jì)考慮的不利情況是在冬季陰天。室外為穩(wěn)定低溫，并且晝夜溫度波動(dòng)較小，室內(nèi)是由供暖設(shè)備保持一定溫度，熱量持續(xù)由室內(nèi)流向室外，因此冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳效可以粗略地主要按穩(wěn)定傳熱計(jì)算。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫設(shè)計(jì)原理圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱過(guò)程和傳熱量

傳熱的3個(gè)基本過(guò)程及每個(gè)過(guò)程的主要傳熱方式

表面感熱

構(gòu)件傳熱表面散熱

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫設(shè)計(jì)原理表面感熱

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面主要通過(guò)對(duì)流和輻射方式從室內(nèi)得到熱量,內(nèi)表面單位面積上在單位時(shí)間從室內(nèi)得到的熱量，即到達(dá)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的熱流密度可用下式計(jì)算：

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫設(shè)計(jì)原理內(nèi)表面換熱系數(shù)的定義為：當(dāng)內(nèi)表面與室內(nèi)空氣之間的溫差為

IK（

IC）時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位表面積的傳熱量。內(nèi)表面換熱系數(shù)應(yīng)為內(nèi)表面輻射換熱系數(shù)（

αri）與內(nèi)表面對(duì)流換熱系數(shù)（αci）之和。

αi＝αri＋αci

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫設(shè)計(jì)原理內(nèi)表面換熱系數(shù)的倒數(shù)稱為內(nèi)表面換熱阻（Ri）。即Ri＝1/αi或。αi＝1／R圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫設(shè)計(jì)原理按照穩(wěn)定傳熱計(jì)算，平壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)各材料層在單位時(shí)間、單位面積上的傳熱量為

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫設(shè)計(jì)原理λ1／d1，λ2／d2，λ3／d3，分別代表圍護(hù)結(jié)構(gòu)各材料層的傳熱能力，又稱為該材料層的“熱導(dǎo)”。熱導(dǎo)的倒數(shù)稱為“構(gòu)件熱阻”

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫設(shè)計(jì)原理構(gòu)件熱阻（R）表示圍護(hù)結(jié)構(gòu)中備材料層對(duì)熱流的阻擋能力，熱阻愈大則通過(guò)的熱流密度（q）愈小。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫設(shè)計(jì)原理多層構(gòu)造的圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)為各層材料熱阻之和

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫設(shè)計(jì)原理表面散熱

表面散熱和表面感熱在傳熱機(jī)理上相同，都是表面與周圍環(huán)境和空氣之間通過(guò)輻射和對(duì)流進(jìn)行熱交換

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫設(shè)計(jì)原理ae——外表面換熱系數(shù)外表面換熱系數(shù)（

αe）的倒數(shù)稱為外表面換熱阻

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫設(shè)計(jì)原理圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)、傳熱阻

一般構(gòu)造的傳熱系數(shù)及傳熱阻計(jì)算穩(wěn)定傳熱條件下，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的3個(gè)傳熱過(guò)程中，其單位時(shí)間、單位面積的傳熱量均相等。

qi=qn=qe=q

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫設(shè)計(jì)原理qi=qn=qe=q圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫設(shè)計(jì)原理“K”稱為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，它的意義是當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)溫度差

1℃（

1K）時(shí)，在單位時(shí)間里通過(guò)平壁單位面積的傳熱量「W／（m2·K）」。物理量R0為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱阻（過(guò)去稱為總熱阻），是傳熱系數(shù)K的倒數(shù)，表示熱量從圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一側(cè)空間傳至另一側(cè)空間所受到的總阻力。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫設(shè)計(jì)原理

圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱阻R0的計(jì)算式為：

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫設(shè)計(jì)原理對(duì)面積為F的圍護(hù)結(jié)構(gòu)在單位時(shí)間內(nèi)的傳熱量，可用公式表示為：

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫設(shè)計(jì)原理

在實(shí)際應(yīng)用中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)有時(shí)是用兩種或兩種以上的材料組合而成的組合結(jié)構(gòu)，如空心接板或帶肋的填充墻等，由于構(gòu)件部分的熱阻不同，局部存在著二維傳熱。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫設(shè)計(jì)原理封閉空氣間層的熱阻

在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中設(shè)封閉空氣間層是常見(jiàn)的保溫措施。空氣間層中的傳熱和在固體材料中不同，它不是以導(dǎo)熱為主，而是有輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)3種方式，其中輻射傳熱約占總傳熱量的60％～

70％而傳導(dǎo)只占

10％左右。因此，空氣間層的熱阻主要取決于間層兩個(gè)表面間的輻射和對(duì)流換熱的能力；

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫設(shè)計(jì)原理幾種不同表面的垂直空氣間層熱阻

1未加反射材料2一個(gè)表面加反射材料3