建筑物理第三讲：建筑围护结构的传热计算与应用

qc 24 Z qH / H c 1 2 qc 采暖耗煤量指标（k g m 2）标准煤
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3.4 周期性不稳定传热

在建筑实践中真正的稳定传热是不存在的，围 护结构所受到的环境热作用是随时间变化的， 尤其是室外环境因不能进 行人工调节，所以 每时每刻都在变化。 外界热随时间发生变化时，维护结构内部的温 度和通过维护结构的热流量也将发生变化。若 外界热作用随时间出现周期性变化，这种传热 过程叫周期性不稳定传热。
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3、建筑物耗热量指标计算：
qH qH .T qINF qI . H qH .T - -单位建筑面积通过围护结构的传热耗热量 qINF - -单位建筑面积的空气渗透耗热量 qI .H - -单位建筑面积的建筑物内部得热(包括炊事、照明 家电和人体散热)，住宅建筑取3.80 W / m 2） （

d
e

1
K 0 ti te
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3.2.4） 封闭空气间层的热阻

静止的空气介质导热性很小，在建筑设计中常 用封闭间层作为围护结构的保温层。 空气间层的传热：是有限空气层的两个表面之 间的热转移过程，包括对流换热和辐射换热。 空气间层的热阻主要取决于间层两个表面间的 辐射和对流换热的能力；即取决于表面材料的 辐射系数、间层形状、厚度、设置方向（水平 或垂直）及间层所处的环境温度。
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3.4.1 谐波热作用

在周期性波动的热作用中，最简单最基本的是谐波热作用： 即温度随时间的正弦或余弦函数作规则变化。一般用余弦 函数表示，如下式： 360 t t At cos
z t t At z
在τ时刻的温度， 在一周期内的平均温度
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结构传热

在建筑热工学中，结构传热只对平壁传热作叙 述，平壁不仅包括平直的墙壁、屋顶、地板， 也包括曲率半径较大的墙、穹顶等结构。 本教材的结构传热只讨论一个方向的热流传递， 即一维传热或单向传热。依据室内外温度的特 点，结构传热分为两种方式： 1）稳定传热； 2）不稳定传热。
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结构传热的两种方式
辐射（Radiation），是自由空间热转移的主要 方式。
4
3.பைடு நூலகம்.2 围护结构的传热过程和传热量
传热的3个基本过程及每个过程的主要传热方式 表面感热、构件传热、表面散热
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传热的三个其本过程




表面吸热----冬季内表面从室内吸热，夏季外 表面从室外空间吸热； 结构传热----热量由高温表面传向低温表面 ； 表面放热----冬季外表面向室外空间散发热量， 夏季内表面向室内散热。 每一个传热过程都是三种基本传热方式的综合 过程。 表面吸热和表面放热的机理是相同的，称为 “表面换热”
if




3）从室外空间到平壁内部，温度波的相位逐渐向后推延， 即：室外温度波的初相位（ Φe ）＜平壁外表面温度波的初 相位（ Φ eｆ）＜平壁内表面温度波的初相位（ Φiｆ ）。
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谐波热作用的传热特征
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单向周期性热作用的外围护结构的内部温 度变化情况
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3.4.3 谐波热作用下材料和围护 结构的热特性指标

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3.4.2 谐波热作用的传热特征

平壁在谐波热作用下具有以下几个基本传热特性： 1）室外温度和平壁表面温度、内部任意截面处的温度都是 同一周期的谐波动，都可用 余弦函数表示。 2）从室外空间到平壁内部，温度波动振幅逐渐减小，即： 室外温度波的振幅（Ａe）＞平壁外表面温度波的振幅（Ａe ｆ）＞平壁内表面温度波的振幅（Ａiｆ），这种现象叫做温 度波的衰减。 （niu） Ae 传热衰减的程度，即为平壁的总衰减度，用 0 表示 0 A

在周期性传热过程中，传热量的多少与材料、材料层的蓄热 系数及材料层的热惰性有关。 1）材料的蓄热系数（S）:一匀质半无限大壁体，在其一侧 受到周期性波动热作用，迎波面（即直接受到外界热作用的 一侧表面）上接受的热流振幅A q与材料表面温度波动的振 幅Aθ之比，叫材料的蓄热系数。
S Aq A
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平壁内部温度的计算




1）求壁体内表面温 度。 n 1 Ri R j 2）计算多层平壁内 j 1 任一层的内表面温度。 t ti te n i Ro 3）求壁体外表面温 度 Ro Re e ti ti te 计算公式如右式： R
Ri i ti ti te Ro
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垂直封闭空气间层辐射与对流传热量的比较




“2”线~”3”线：间层空 气的辐射换热量。 如图： “1”线：间层空气静止态 纯导热量。 “2”线：间层空气对流换 热量 “3”线：间层空气的总的 传热量。辐射换热量占总换 热量的70%
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减少空气间层传热，提高间层热阻


方法： 1）将空气间层布置在维护结构的冷侧， 降低间层的平均温度，减少辐射换热量。 2）在间层壁面上涂贴辐射系数小的反 射材料，目前建筑中采用的主要是铝箔。

o
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3.2 建筑保温与节能的计算

在寒冷和严寒地区，采暖建筑物耗热量指标是建筑围护结 构热工性能权衡判断的依据，又是评价采暖建筑节能设计 的重要指标。 建筑物耗热量指标：是指在采暖期室外平均温度条件下， 采暖建筑为保持室内计算温度，单位建筑面积在单位时间 内消耗的、需由室内采暖设备供给的热量，单位瓦每平米。 建筑物耗热量指标由通过围护结构的传热耗热量和通过门 窗缝隙的空气渗透、空气调节耗热量三部分组成。
平均热阻 -----与热流方向垂直的总传热面积 按平行于热流方向划分的各个传热面积 各个传热面部位的传热组
F1 , F2 Fn Ri Re
R0.1 , R0.2 Ro.n
内表面换热阻，取0.11. 内表面换热阻，取0.04 修正系数，查课本表2-1
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间层壁面加反射材料可提高空气 间层热阻
几种不同表面的垂直空气层 热阻
1.未加反射材料 2.一个表面加反射材料 3.两个表面加反射材料
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3.2.5 平壁内部温度的计算

平壁内部温度的计算包括 三方面：


1）求壁体内表面温度。 2）计算多层平壁内任一 层的内表面温度。 3）求壁体外表面温度



稳定传热（恒定的热作 用）： 结构两侧（室内和室 外）有温差，且室内温 度和室外温度不随时间 而改变。 冬季采暖房屋外围护 结构的保温设计，一般 按稳定传热计算。
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结构传热的两种方式



不稳定传热（周期热作用）： 结构两侧有温差，但温差方向的温度不是 恒定而是随时间在变化。 在建筑上遇到的不稳定传热多属周期性不稳 定传热，即热作用和结构内部温度呈周期性变 化。 按热作用的情况，不稳定传热分为：1）单项 周期热作用（如空调房间的隔热设计）；2） 双向周期热作用（如自然通风房间夏季隔热设 计）。

在实际应用中围护结 构有时是两种或两种 以上的 材料组合而 成的复合结构，如空 心楼板、带肋的填充 墙等。 如图
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多种材料组合成的平壁导热

求组合壁的导热量q ，关键是求组合壁的平均热阻R，其 R的计算公式如下：
F0 R Ri Re Fn F1 F2 R0.1 R0.2 Ro.n R F0

3.3周期性不 稳定传热
2
3.1 建筑围护结构的传热过程

房屋围护结构时刻受到室内外的热作用， 不断有热量通过围护结构传进传出。在 冬季室内温度高于室外，热量有室内传 向室外；在夏季则正好相反，热量由室 外传向室内。
3
3.1.1建筑围护结构热转移方式
热转移方式有三种： 传导（Conduction），是固体内热转移的主要 方式； 对流（Convection），是流体即液体与气体内 热转移的主要方式
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不稳定传热
周期性不稳定传热作用：即热作用和物体内部温度呈周期性变 化。
（a）单项周期热作用；
（b）双向周期热作用
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3.2 稳定传热

q

d
i e
3.2.1 一维稳定传热的 特征
a）在单位时间、单位面积 上通过平壁的热量即热流强 度q处处相等。就平壁内任 一截面而言，流进流出的热 量相等。 b）同一材质的平壁内部各 界面温度分布呈直线关系。
i e
1

1
2
d2

d3 3
q
1
i

ti t e d
e

1
K 0 ti te
平壁的传热系数，其物理 意义：当温差为1℃时， 在单位时间内通过平壁单 位面积的传热量。
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计算平壁稳定传热的 几个物理量 t t
q
i
e
1



i 可以查表的量： αi 平壁内表面的换热系数 R i 平壁内表面的换热阻 R e 平壁外表面的换热阻 αe 平壁外表面的换热系数 计算的量 R 0 平壁的传热阻 K0 平壁的传热系数，


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一维稳定传热的计算公式



式中： t2 -低温表面温度 t1 -高温表面温度 q -热流密度，w/m2 即单位面积上的热流 量或热流强度。 d -单一实体材料的厚 度。
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3.2.2平壁内的导热过程

a）单层匀质平壁的导热： 计算公式中d/λ 定义为热阻，用 R表示 热阻定义：是热量由平壁内表面（θi）传至外 表面（θe）过程中的阻力，表示平壁抵抗热流 通过的能力。热阻越大，通过材料的热量越小， 围护结构的保温性能越好。
• 当建筑物耗热量指标小于《民用建筑节能设计标准》 JCJ26-95所规定值，判断建筑符合建筑围护结构热工设计 性能要求
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3.2.2 建筑采暖耗煤量
•采暖耗煤量是指在采暖期室外平均温度条件下，为保持 室内计算温度，单位建筑面积在一个采暖期内消耗的标准 煤量，单位：kg/m2 •一般用建筑采暖耗煤量指标来衡量建筑物是否达到节能 标准要求，或用来计算比较节能节煤的具体成效。
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3.2.1 建筑物耗热量计算
1、计算单位建筑面积通过围护结构的传热耗热量：
m q H .T ti te i .ki .Fi / A0 i 1 A0 - -建筑面积。 Fi - -围护结构的面积。


2、计算单位建筑面积的空气渗透耗热量：
qINF ti te C p . .N .V / A0

材料的蓄热系数（S）反映了材料对波动热作用反应的敏感 程度，在同样波动热作用下，蓄热系数大的材料，表面温度 波动较小，即热稳定性好。
第三讲： 第2章：建筑围护结构的传热计 算及应用
Zhang-Xiuxin
1
本讲主要内容：

3.1.1建筑围护结构热转移方式 3.1.2围护结构的传热过程和传热量 3.1.3结构传热的两种方式


3.1 建筑围护结构的传热过程
3.2 稳定传热
3.2.1）一维稳定传热特征 3.2.2）单层平壁的导热和热阻 3.2.3）平壁的稳定传热过程 3.2.4） 封闭空气间层的热阻 3.2.5）平壁内部温度的计算
温度波的振幅，即最高温度与平均温度之差
温度波的周期，h。对室外温度波，一般以24h为一周期 以某一指定时刻（如从午夜零点）起算的计算时间，h. 温度波的初相角，度，即从起算时刻（一般为午夜零点）到温度波 达到最高点的时间差，以角度计（如以24小时为一周期即360℃， 则1小时相当于15 ℃）。若起算时刻区在温度出现最大值处则φ=0
3.2.3 平壁的稳定传热过程



a）内表面吸热 q I：qi i ti i d q / b）平壁材料层的导热 qλ ： c）外表面的散热 q e： qe e e te 一维稳定传热过程 q i= qλ =q e 通过平壁的传热量 q为：
单层匀质平壁的稳定导热方程：
q
i e
d
热组： R
d


m 2 K / W


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b)多层平壁的导热
多层平壁： 由几层不同材料组成 的平壁。如双面抹 灰的砖砌墙体。

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多层平壁的导热

多层平壁导热计算公式：
多层平壁的总热阻等于各层热 组的总和
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c)多种材料组成的组合材料层的平壁导热