第二章建筑围护结构的传热原理及计算

➢ 对 h h 讨h论 1
h、 h、 h分别 0，且 1 h 1， h h 0 能将辐射热全部反射的物体称为绝对白体 h 1， h h 0 能全部吸收的称为绝对黑体 h 1， h h 0 能全部透过的则称为绝对透明体或透热体
在自然界中并没有绝对黑体、绝对白体及绝对透明体。在应用科学 中，常把吸收系数接近于1的物体近似地当作黑体。而在建筑工程中， 绝大多数材料都是非透明体，对辐射能反射越强的材料，其对辐射能的 吸收、透射就越少；反之亦然。
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1.3.4 辐射换热计算
以上仅是对单一物体热辐射能力的讨论，由于通常情况下自然 界的物体都在进行不同程度的热辐射，而物体之间都在相互作用。 辐射换热实际上是物体之间热辐射相互作用下的综合结果。
A. 两黑体间的辐射换热
1 2
模型: 设有面积和温度分别为F1、T1和F2、T2的两 个处于任意位置的黑体1、2 根据S—B定律，两黑体向外辐射的热量为：
➢ 选择性辐射体：只能吸收和发射某些波长辐射能的物体，并且其单色辐 射本领总小于同温度黑体同波长的单色辐射本领。
物体辐射本领的量化
德国科学家斯蒂芬—波尔兹曼（Stafan-Beltzmamn)对黑体进行了分析
研究，得出:
Eb
C
b
Tb 100
4
E b 黑体的全辐射本领，w / m 2 ; Tb 黑体的绝对温度，K；
Qb1
E b1
F1
C
b
T1 100
4
F1
Qb2
Eb2
F2
C
b
T2 100
4
F2
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显然，
在黑体1辐射的热量Qb1中,只有一部分投射到黑体2上 , 设为Q12
在黑体2辐射的热量Qb2中,也只有一部分投射到黑体1上, 设为Q 21
在一定条件下( 位置一定),Q12 、Q21 是一个定值。 Qb1 Qb2
C 物体热辐射本领的取决因素：表面温度、辐射能力、组成与构造、颜 色光洁度等
“三体”的辐射光谱比较
同温度不同物体的热辐射光谱 1—黑体；2—灰体；3—选择性辐射体
➢ 黑体：能吸收一切波长辐射的物体， 同时还能向外发射一切波长的辐射能， 在同温度下其辐射本领最大。“黑体” 并不是指物体的颜色。 ➢ 灰体：辐射特性和辐射光谱曲线的形 状与黑体辐射光谱曲线形状相似，且单 色辐射本领不仅小于黑体同波长的单色 辐射本领的物体。大多数建筑材料都可 近似地看作灰体。
电磁波的波长可从10-6m到数公里，不同波长的电磁波落到物体上可 产生各种不同的效应：
红外线：波长范围0.8-600μm 热射线：波长范围0.4-40μm
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特点:
（1）辐射换热中伴随有能量形式的转化： 物体的内能→电磁波→另一物体的内能
（2）电磁波可在真空中传播，故辐射换热不需要有任何中间介质，也不 需要冷热物体直接接触 （3）一切物体，不论温度高低都在不停地对外辐射电磁波，辐射换热是 两个物体互相辐射的结果。
Cb 黑体的辐射系数，w / m 2 K 4
即黑体的全辐射本领与其绝对温度的四次幂成正比,这一规律称为
斯—波定律。
S—B定律的实质：说明黑体的辐射本领与其绝对温度的关系。
且黑体的辐射本领随温度的升高而增加。
Tb Eb
Tb
E
的最大值（峰值）向短波偏移。
b
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我们用牛顿公式确定表面对流换热量：
qc c ( t)
式中 qc——对流换热强度，W/m2 αc——对流换热系数，W/(m2*K) θ——壁面温度，℃ t——流体温度，℃
注意，这里的对流换热系数，不是固定不变的常数。
1.2.2 对流换热系数的确定
对流换热系数包含了影响对流换热强度的一切因素。建筑热工学中 常遇到的对流换热问题都是指固体壁面与空气的换热，具体情况见下 表：
S—B定律的延伸（对灰体）
灰体的辐射本领： E C T 4
100 E 灰体的辐射本领，w / m 2 ; T 灰体的绝对温度，K ; C 灰体的辐射系数，取决于灰体本身，有实验或计算确定。
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灰体与黑体辐射本领的比较
E Eb
C T
4
100 C 常数
平壁传热 对流换热 辐射换热
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1.1 平壁传热
定义：指通过围护结构材料的传热 。在这里介绍经过单层平壁导热和经 过多层平壁导热。这里的“平壁”指 表面较为平整，面积比厚度大得多的 围护结构。
1.1.1 单层平壁导热
设一单层匀质平壁如图：厚度为d的平壁 内外温度分别为θi 、θe（设θi >θe，且 均不随时间变化）。热流方向垂直于平壁。
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综合上述分析，如果设传导的总热量为Q，则：
Q
d
(i
e )F
式中 Q：导热的总热量，W F：壁体的截面积，m2 θi和θe：分别为壁体两侧表面温度，℃ d：壁体的厚度，m λ：壁体材料导热系数，W/m*k τ：导热时间，h
为了比较围护结构的导热能力，当取单位面积、单位时间分析 围护结构导热时，即围护结构的导热热流强度为：
C
b
Tb 100
4
Cb
C （常数）称为“黑度”，表示灰体相对黑体的辐射能力。 Cb 0 1
根据克希科夫定律:在一定温度下物体对辐射热的吸收系数在数值上
等于其黑度。即物体的辐射能力愈大,它对外来辐射热的吸收能力也愈大。 反之，物体的辐射能力愈小，对辐射热的吸收能力也愈小。
第二章 建筑围护结构的传热原理及计算
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C 干密度 它反映材料的密实程度，干
密度越大材料的内部空隙越少， 导热性能也就越强。例如泡沫混 凝土、加气混凝土等多孔材料。 但是某些材料例外，当干密度降 低到某一程度后，如再继续降低 ，其导热系数不仅不随之变小， 反而会增大。显然，这类材料存 在着一个最佳表干密度，即在该 干密度时，其导热系数最小。
j1
i
q( d1
1
d2
2
dj
jHale Waihona Puke Baidu
)
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1.2 对流换热
层流边界层：由于摩擦力作用，在紧贴固体壁面处有一平行于固体壁 面流动的流体薄层称为层流边界层。
1.2.1 对流换热量
当流体沿壁面流动时，一 般情况下在壁面附近也就是 在边界层内，存在着层流区 、过渡区和紊流区三种流动 情况，如右图：
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q
d
(i
e )
i
e
d
i
e
R
我们将上式中的R=d/λ称为热阻，单位m2*K/W。热阻是热流通过壁体 时受到的阻力，反映了壁体抵抗热流通过的能力。
说明： 1）在同样的温差条件下，热阻越大，通过壁体的热量就越少，如 果要增加热阻，可以加大平壁的厚度d，或者选用导热系数小的材料 2）导热系数λ 它反映了壁体材料的导热能力，当材料层单位厚度 内的温差为1摄氏度时，在单位时间内通过1m2表面积的热量 3）影响材料导热系数的因素：
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D 湿度 在一般的情况下，一般非金属
建筑材料并非绝对干燥，而是在不 同程度上含有水分，材料中的水分 占据了孔隙的一定体积。含湿量愈 大，水分所占有的体积愈多。水的 导热性能约比空气高20倍，因此， 材料含湿量的增大必然使导热系数 值增大。
砖砌体导热系数与重量湿度的关系
在这里，我们可以将多层壁看成三个 单层壁，分别算出通过每层壁的热流强度
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q1
1
d1
(i
2)
q2
2
d2
(2
3)
q3
3
d3
(3
e )
对于多层复合壁体而言，由于每一层都是由单一材料组成的，在壁体两
侧稳定温度场的作用下，流经各层材料的热流强度都是相等的：
由上面四式可得：
q=q1=q2=q3
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A 温度 实验证明，大多数材料的λ值与温度的关系近似直线关系： λ=λ0+bt 式中 λ0是材料在0度条件下的导热系数 b是经过实验测定的常数
B 材质 由于不同材料的组成成分或结构不同，其导热性能也就各不相同，并
有不同程度的差异。就常用非金属建筑材料而言，其导热系数值的差异 非常明显，如矿棉、泡沫塑料等材料的值比较小，而砖砌体、钢筋混凝 土等材料的值就比较大。至于金属建筑材料,如钢材、铝合金等,导热系 数更大。
维护结构的传热模型
1、稳定传热
室内、室外温度及结构内部温度 分布不随时间变化。
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2、非稳定周期性传热过程
温度随时间变化，且呈现周期性变化特点。即认为在外围结 构的一侧或两侧有周期性的热作用。
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第1节 维护结构的传热过程 维护结构的传热有三种：
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1.3.2 热辐射的传播——吸收、反射和透射
当热辐射能投射到一物体的表面时，其中一部分被物体表面吸收 (absorption) ；另一部分被物体表面反射(reflection) ；还有一部 分可能透过物体(transmission)。
辐射热的吸收、反射与透射
不同材料表面对辐射热的反射系数
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1.3.3 物体的热辐射本领及其规律
凡温度高于绝对零度的物体都具有向外辐射能量的本领。为此，用“辐射本领 ”来表示物体的热辐射能力。
A 全辐射本领：单位时间内在物体单位表面积上辐射的波长从0到∞范围的总能 量，称作物体的全辐射本领，通常用E表示。
B 单色辐射本领：单位时间内在物体单位表面积上辐射的某一波长的能 量称为单色辐射本领，通常用E表示。
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设有能量为I0的热射线投射到物体表面，如左图，则其中Ir被反射， Iα被吸收，Iτ透过物体。
由能量守恒：I0=Ir+Iα+Iτ 或 Ir/I0+Iα/I0+Iτ/I0=1
反射系数
h
Ir I0
吸收系数
h
I I0
h h h 1
透射系数
h
I I0
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1 热传导过程及其影响因素分析
围护结构在稳定温度场中，由于两壁面存在热传导的动力即温差， 所以有热量将从围护结构内表面通过围护结构传导至围护结构外表面。
温差θi-θe：温差越大，热传导动力就越强，传导的热量就越多 厚度d：厚度越大，热流传导过程中的路径就越长，遇到的阻力就越 大，传导的热量就越少。 面积F：围护结构面积越大，传导的热量就越多。 时间τ：时间越长，传导热量积累就越多。 材料种类：材种不同，导热能力则不同。表征此能力的热工量即导 热系数λ。
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维护结构的实际传热过程
吸
传放
热
热热
表面吸热 结构传热 表面放热
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表面热转移： 主要是对流换热和辐射 换热，而对流换热包括 导热和对流。
结构本身传热：
实体材料以导热为主； 空气层以辐射为主。
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令：Q12 Qb1
12、QQb221
q i e i e
d1 d2 d3 R1 R2 R3
1 2 3
这样我们就能得到n 多层壁的导热计算公 式：
q
i
n
e
Rj
j 1
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那么围护结构内部各层接触面的温度为：
2
i
q
d1
1
3
2
q d2
2
i
q( d1
1
d2 )
2
………… 多层壁内第j层与第j+1层之间接触面温度：
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不同状态的物质导热系数相差很大
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1.1.2 多层平壁导热
以三层材料组成的多层壁为例，如图，各 种材料层之间紧密配合，各层厚度分别为 d1、d2、d3，导热系数分别为λ1、λ2、 λ3，平壁内外温度为θi、θe，并设： θi＞θe，且不随时间变化，用θ2、θ3 表示层间接触面的温度。
第二章 建筑围护结构的传热原理及计算
第二章 建筑围护结构的传热原理及计算
1.2.3 对牛顿对流换热计算公式的变形处理
qc c ( t)
1
t
c
t
Rc
这里的Rc=1/αc为对流换热热阻。
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1.3 辐射换热
1.3.1 辐射换热的本质和特点
凡是温度高于绝对零度(K)的物体，由于物体原子中的电子振动或激 动，向外界空间辐射电磁波。辐射传热与导热、对流有着本质的区别。