第二章建筑圍護結構的

傳熱原理及計算

新疆大學建筑工程學院

2010年9月第二章建筑圍護結構的

傳熱原理及計算第一節穩定傳熱第二節周期性不穩定傳熱

根據建筑保溫和隔熱設計中所考慮的室內外熱作用的特點可將室內外溫度的計算模型歸納為兩種：1、恒定的熱作用2、周期性熱作用第一節穩定傳熱一、一維穩定傳熱特征通過平壁的熱流強度處處相等同一材質的平壁內部各個界面溫度分布呈直線關系第一節穩定傳熱二、平壁內的導熱過程熱工計算中，通過圍護結構材料層的傳熱過程，均按導熱過程考慮。常見的圍護結構有：單一材料層多層材料層組合材料層封閉空氣間層等第一節穩定傳熱1、單層均指平壁的導熱ＸdＱＦ第一節穩定傳熱2、經過多層平壁的導熱λ1λ2λ3

d1d2d3θiθe——通過平壁的導熱量w/m2——平壁外表面的溫度℃第一節穩定傳熱3、通過組合壁的導熱組合壁：在建筑工程中，維護結構內部個別材料層常出現兩種以上材料組成的組合材料層。F----是各部分在垂直熱流方向的表面積m2

Φ----修正系數θiθe第一節穩定傳熱

注:（1）當圍護結構由兩材料組成時，λ1應取較大值;

（2）當圍護結構由三種材料組成，或有兩種厚度不同的空氣間層時，λ2取較小值，λ1取較大值;

（3）當圍護結構存在圓孔時，將其折成同面積方孔計算。修正系數φ值0.860.930.960.980.10~0.190.20~0.390.40~0.690.70~0.99φ

λ2/λ1

或(λ2+λ3)/2λ1第一節穩定傳熱三、平壁的穩定傳熱過程傳熱過程——室內外熱環境通過圍護結構而進行的熱量交換，包含導熱、對流以及輻射換熱方式溫度場不隨時間變化的傳熱過程——穩定傳熱過程設:ti>te傳熱過程經歷三個階段λ

1λ2λ3d1d2d3第一節穩定傳熱1、內表面吸熱ti>θi,內表面以對流和輻射的方式吸熱λ1λ2λ3

d1d2d3titeθi第一節穩定傳熱

內表面換熱阻Ri

0.13

7.6有肋狀突出物的頂棚（h/s>0.3）

0.11

8.7墻面、地面、表面平整或有肋狀突出物的頂棚（h/s￡0.3）Ri(m2?K)/W)aiW/(m2?K)表面特性第一節穩定傳熱2、平壁材料層的導熱λ1λ2λ3

d1d2d3tite——通過平壁的導熱量w/m2——平壁外表面的溫度℃θiθe第一節穩定傳熱3、外表面換熱θe>te,外表面把熱量以對流和輻射的方式傳給室外的空氣——外表面的散熱量，w/m2

——外表面的換熱系數，w/（m2K)0.0519.0外墻和屋頂夏季0.176.0外墻上無窗的不采暖地下室上面的樓板0.0812.0悶頂、外墻上有窗不采暖地下室上面樓板0.0617.0與室外空氣相通的不采暖地下室上面樓板0.0423.0外墻、屋頂、與室外空氣直接接觸的表面冬季Reae表面特征季節qeae第一節穩定傳熱對于一維穩定傳熱過程上式聯立:q—通過平壁的傳熱量w/m2

R0—平壁的總傳熱阻表示熱量從平壁一側傳到另一側是所受到的總阻力（m2K/w）第一節穩定傳熱

K0—平壁的傳熱系數物理含義：當ti-te=1℃時，單位時間內通過平壁單位表面積的傳熱量w/（m2K)第一節穩定傳熱四、封閉空氣間層的熱阻建筑設計中常用封閉空氣層作為圍護結構的保溫層?？諝鈱又械膫鳠岱绞剑簩帷α骱洼椛渲饕菍α鲹Q熱和輻射換熱封閉空氣層的熱阻取決于間層兩個

界面上的邊界層厚度和界面之間的輻射換熱強度。熱阻的大小與間層厚度不成正比例關系第一節穩定傳熱在有限空間內的對流換熱強度與間層的厚度、間層的設置方向和形狀、間層的密閉性等因素有關。垂直空氣間層中，θ1>θ2當間層厚度較薄時熱氣流和冷氣流相互干擾，

形成局部環流，使邊界層減薄。當間層厚度很薄時(d<0.5cm)氣流的流動困難，氣流近似為靜

止，對流換熱很弱當間層厚度增加(d>10cm)上升氣流和下降氣流干擾程度逐漸減小

當厚度達到一定程度時，就與自然對流

情況類似。第一節穩定傳熱當熱面在上方時，間

層內可視為不存在對

流。當熱面在下方時，熱

氣流的上升和冷氣流

的下沉相互交替形成

自然對流，此時自然

對流換熱最強。第一節穩定傳熱通過間層的輻射換熱量與間

層表面材料的輻射性能和間

層的平均溫度高低有關。1—純導熱換熱量2—對流換熱量3—總換熱量4—間層內有一表面貼有鋁箔5——間層內兩表面都貼有鋁箔可見：普通空氣間層的傳熱

量中輻射換熱占很大比例，

要提高空氣間層的熱阻須減

少輻射傳熱量。垂直間層內不同傳熱方式的比較第一節穩定傳熱增大空氣層熱阻的措施:減小輻射換熱量（1）貼鋁箔(若單面貼，應貼在高溫一側);（2）將空氣層設在低溫側?？諝忾g層熱阻R（m2·K/W）

0.860.350.500.810.380.500.730.380.490.630.370.460.490.340.390.300.250.270.160.150.151.010.570.710.940.560.690.840.550.650.710.520.590.560.450.490.340.290.310.180.170.18熱流向下（水平、傾斜）熱流向上（水平、傾斜）垂直空氣間層雙面鋁箔空氣間層0.540.280.370.520.300.370.480.300.360.440.290.340.370.280.310.250.200.220.150.140.150.640.430.500.600.420.490.570.420.470.510.400.440.430.350.390.280.260.260.160.160.16熱流向下（水平、傾斜）熱流向上（水平、傾斜）垂直空氣間層單面鋁箔空氣間層0.150.130.150.160.130.150.160.130.140.150.130.140.150.130.140.120.110.120.090.090.090.200.170.180.200.170.180.190.170.180.180.160.170.170.150.160.140.140.140.100.100.10熱流向下（水平、傾斜）熱流向上（水平、傾斜）垂直空氣間層一般空氣間層>6050403020105>6050403020105間層厚度（mm）間層厚度（mm）夏季狀況冬季狀況位置、熱流狀況及材料特性第一節穩定傳熱[例2-1]求鋼筋混凝土圓孔板冬季的熱阻（設熱流為自下而上）[解]將圓孔折算成等面積正方孔，則：b=0.079m計算各部分的熱阻值第一節穩定傳熱計算兩種材料的導熱系數比，求修正系數

鋼筋混凝土：λ1=1.74W/（m·k)

空氣間層的當量導熱系數λ2=0.079/0.17=0.46W/（m·k)

λ2/λ1=0.46/1.74=0.267

φ=0.93第一節穩定傳熱五、平壁內部溫度的計算第一節穩定傳熱[例2-2]已知室內氣溫為15℃，室外氣溫為-10℃，試計算通過下圖所示的磚墻和鋼筋混凝土預制板屋頂的熱流量和內部溫度分布。Ri=0.115m2·K/W，Re=0.043m2·K/W；1.鋼筋混凝土2.水泥砂漿3.兩氈三油防水層4.白灰粉刷5.磚砌體第一節穩定傳熱解：已知ti=15℃,te=-10℃,Ri=0.11,Re=0.04由附錄1查得，磚砌體的λ=0.81，石灰粉刷的λ=0.81，鋼筋混凝土的λ=1.74，水泥砂漿的λ=0.93，油氈屋面的λ=0.17由式得磚墻的總熱阻:鋼筋混凝土屋頂的總熱阻:第一節穩定傳熱（1）求熱流量

由公式得出通過磚墻的熱流量:

通過鋼筋混凝土屋頂的熱流量第一節穩定傳熱（2）求內部溫度

磚墻結構：

鋼筋混凝土屋頂：第二節周期性不穩定傳熱一、諧波熱作用第二節周期性不穩定傳熱二、諧波熱作用下的熱特征室外溫度和平壁表面溫度、內部任意截面處的溫度都是同一周期的諧波動;

從室外空間到平壁內部，溫度波動振幅逐漸減小

——溫度波動的衰減度;從室外空間到平壁內部，溫度波動的相位逐漸向

后推延——溫度波動的相位延遲第二節周期性不穩定傳熱三、諧波熱作用下材料和圍護結構的熱特征指標（1）材料的蓄熱系數（S）:指均質半無限大體，在一側受諧波熱作用時，迎波面上熱流振幅與溫度振幅的比值：（2）材料層的熱惰性指標（D）：表征材料從受到波動熱作用后，背波面上溫度波動劇烈程度的指標：第二節周期性不穩定傳熱(3)材料層表面的蓄熱系數Y

在近似計算中，當材料層的熱惰性指標D≥1.0時，則可認為材料層表面溫度的波動主要與本身材料的熱物理性能有關，這時刻近似取Y=S。當材料層的熱惰性指標D＜1.0時，則材料層背波面的邊界條件對迎波面溫度的波動有不可忽略的影響，此時Y與S在數值上不等材料層表面的蓄熱系數Y的計算方法步驟：

計算順序逆著熱流波方向：第二節周期性不穩定傳熱（1）當溫度波由外向內時：（2）當溫度波由內向外時：第二節周期性不穩定傳熱四、諧波熱作用下平壁的傳熱計算 如果平壁兩側受到的諧波作用分別為：外側:內側:則綜合過程可分解為三個過程:在室內平均溫度和室外平均溫度作用下的穩定傳熱過程在室外諧波熱作用下的周期性傳熱過程在室內諧波熱作用下的周期性傳熱過程第二節周期性不穩定傳熱五、溫度波在平壁內的衰減和延遲計算1、室外溫度諧波傳至平壁內表面時的衰減倍數和延遲時間的計算當周期Z=24小時，則：第二節周期性不穩定傳熱2、室內溫度諧波傳至平壁內表面時衰減和延遲計算當周期Z=24小時，則：第二節周期性不穩定傳熱例：某建筑西墻構造如圖，使求其衰減度ν0及延遲時間ξ0

（1）計算各層熱阻R

和熱惰性指標D

505080鋼筋混凝土鋼筋混凝土巖棉板0.9317.2

S1.1630.49

D=R?S1.250.0287

R=d/λ0.0641.74