建筑物理—建筑热工—第二章：传热基本知识

建筑物理（I）
— 建筑热工、建筑光学
浙江大学 建筑工程学院 建筑学系 建筑技术科学研究所
第2章 传热基本知识
第1节 传热方式
传热—物体内部或者物体之间热能转移的现象。凡有温度 差，就必然有热能的传递和转移显现。
传热的基本方式— 导热、对流、辐射
1.导热
（1）导热的机理
温度不同的质点（分子、原子、自由电子）在热运动 中引起的热能传递的现象。
Eb
Cb
( Tb )4 100
Eb ——绝对黑体全辐射本领， W / m2 Tb ——绝对黑体的绝对温度，K Cb ——绝对黑体的辐射系数，常数 5.68 W /(m2 K 4 )
灰体的全辐射本领 E C( T )4 100
E —— 灰体的全辐射本领， W / m2 T ——灰体的绝对温度，K C ——灰体的辐射系数，W /(m2 K 4 )
t —— 流体主体部分的温度，K
—— 壁面的温度，K
R ——对流换热热阻 (m2 K) /W c
对流换热系数 c 的影响因素
1 R
c c
流体：运动发生的原因、流体的运动状况、流体的物理性质、流 体与壁面的温差
壁面：壁面的形状、材质、大小、位置关系
对流换热系数的简化计算
（1）自然对流
平壁垂直 c 24 t
平壁水平
热流由下而上 c 2.54 t 热流由上而下 c 1.34 t
（2）强制对流（中等粗糙度）
外表面 c (2.5 ~ 6.0) 4.2v
内表面 c 2.5 4.2v
3. 辐射
（1）辐射的本质与特点 所有温度高于绝对零度（K）的 物体，都会发射电磁波。
波长在0.4-40um范围的电磁波， 照射到物体上热效应特别显著， 称热射线，包括可见光及红外线 的短波部分。
材质的不同，导热系数就有差别。 工程上常把导热系数小于0.3 W /(m K) 的材料称为绝热材料，用于 保温、隔热。 常温下，空气的导热系数 0.026 W /(m K )
（b）导热系数受材料干密度的影响
材料的干密度越大，材料越密实，导热性能越强，导热系数越大。 反之，材料干密度越小，材料孔隙越大，导热系数越小—多孔绝热材料 但是，某些材料，当干密度下降到某一程度后，如果继续降低干密度， 其导热系数不再变小，反而增大—最佳干密度，即在该干密度时，材料的 导热系数最小。
同一物体的辐射本领随着温 度的升高而急剧增加。
温度升高时，短波辐射所占 的比例逐渐增多，最大单色 辐射本领向短波方向移动— 维恩位移定律
当温度较低时，辐射能主要 集中在长波范围，可见光的 辐射可以忽略；当温度提高 到一定程度，红外线和可见 光部分逐渐增多。
热射线的传播过程叫热辐射。 通过热射线传播热能的方式叫辐 射传热。
辐射传热的特点
（a）辐射传热过程中伴随着能量形式的转化。物体内 能—电磁能—内能
（b）电磁波的传播不需要中间介质，也不需要冷热物体 的直接接触。
（c）辐射传热是物体间相互辐射的结果。
（2）辐射能的吸收、反射和透射
根据能量守恒定律
灰体—辐射光谱的形状与 黑体相似，单色辐射本领 比黑体在同一波长下的单 色辐射本领小，但是两者 之比是一个小于1的常数， 称为黑度。建筑材料大多 可看成灰体。
选择性吸收体—只能吸收 和发射某些波长的辐射能。
物体的辐射光谱 1-黑体；2-灰体；3-选择性辐射体
斯蒂芬—波尔兹曼定律
黑体的全辐射本领
固体
导电固体——自由电子移动 非导电固体——相邻分子碰撞
液体——分子振动（平衡位置间歇移动） 气体——分子无规则运动时的相互碰撞
（2）平壁的导热
一维稳态导热的傅利叶公式
q 1 2
d
1
2
q —— 单位面积、单位时间的热流量，也叫热流
密度，W / m2 ；
—— 材料的导热系数，W /(m K )
d —— 材料的厚度，m
1,2 —— 壁面的温度，K
定义 单位
Rd
称材料的导热热阻，则
q
1
2
R
传热的动力 (
材料非常重要的热物理参数，直接反映了材料的导热能力的大小 各种材料在一定的条件下，都有确定的导热系数(附录I)
导热系数的影响因素 （a）导热系数主要受到材质的影响
I Ir I I0
I ——被吸收的辐射能 I r ——被反射的辐射能 I ——被透射的辐射能 I 0 ——总入射辐射能
两边同时除以 I 0
h
I I0
吸收系数
I Ir I 1 I0 I0 I0
rh
Ir I0
反射系数
h
I I0
透射系数
各种物体对辐射热的吸收、反射 和透射，取决于材料本身，还取 决于辐射波长。
绝对白体—将辐射热全部反射的 物体
绝对黑体—将辐射热全部吸收的 物体
绝对透明体（透热体）—将辐射 热全部透过的物体
建筑工程中，绝大多数材料都是 非透明体，即
h 0 rh h 1
因此，对辐射能反射越强的物体， 对辐射能的吸收越少。
（3）辐射本领、辐射系数、黑度
辐射本领—物体对外放射辐 射能的本领。
（c）材料含湿量的影响 随着含湿量增大，导热系数明显增加—工程中须注意材料的防潮
砖砌体导热系数与重量湿度的关系
（d）温度对导热系数的影响 温度对材料的导热系数略有影响。在建筑热工中，该变化可以忽略不计。
2. 对流
对流是温度不同的流体发生相对运动而引起的热能传递。 发生在流体之中，或者固体表面与其紧邻的运动流体之间。
层流边界层——层流状态，导热为 主，温度分布为倾斜的直线状。
过渡区——层流边界层与紊流核心 区间的过渡，温度分布呈抛物线状
紊流核心区——紊流状态，温度分 布均匀，呈水平直线状。
对流换热量的计算
q ( t) ( t)
c
c
R
c
qc —— 对流换热强度，W / m2 ； c —— 对流换热系数，W /(m2 K )
全辐射本领—单位时间单位 物体表面上辐射的所有波长 的总能量，E, W / m2
单色辐射本领—单位时间单 位物体表面上辐射的某一波 长的能量，E W / m2 um
辐射光谱—物体在同一温度 下不同波长的单色辐射本领。
物体的辐射光谱 1-黑体；2-灰体；3-选择性辐射体
黑体—能吸收一切外来辐 射，同时能够辐射一切波 长的辐射能，在同温度下， 黑体的辐射本领最大。