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1、第1.2章 建筑的传热和传湿,本章主要内容：传热的基本方式及传热机理 稳态传热的特点及特性指标 稳态传热的计算及应用 周期性非稳态传热的特点及热特性指标 基本概念:导热系数、热阻、辐射系数、黑度、辐射换热系数、对流换热系数、表面换热系数、总传热系数、蓄热系数、热惰性指标、表面蓄热系数,1.2.1 传热方式,传热：热能的传递、转移现象。温差是热传递的动力。传热方式：有导热、对流和辐射三种。稳定传热过程：传热过程中各点温度不随时间变化。非稳态传热过程：传热过程中各点温度随时间变化。,建筑中的综合热平衡,为取得建筑中的热平衡，让室内处于稳定的适宜温度中，应使得热等于失热。,一、导 热,定义：同一物体
2、内部或直接接触的两物体之间由于有 温度差时，质点作热运动而引起的热能传递过程。导热可在固体、液体和气体中发生，各自的导热机理不同。气体：分子作无规则运动时相互碰撞而导热；液体：通过平衡位置间歇移动着的分子振动引起导热；固体：由平衡位置不变的质点振动引起导热；金属：通过自由电子的转移而导热。绝大多数的建筑材料（密实固体）中的热传递为导热过程。,1.导热的物理机理,如果平壁两侧表面的温度不随时间变化，并且ie，那么单位时间内通过面积为F 的平壁的导热量 Q 为，,单位时间、单位面积平壁的导热量（热流密度）：,-设计依据,:壁体材料导热系数，W/(mK)d:壁体材料厚度,2.导热系数的意义及影响因素
3、,导热系数：指温度在其法线方向的变化率（温度梯度）为1/m时，在单位时间内通过单位面积的导热量。物理意义：在稳定传热状态下当材料厚度为1m两表面的温差为1时，在一小时内通过1m2截面积的导热量。,各种物质的导热系数，均有试验确定。金属的导热系数最大，非金属和液体次之，气体最小。空气与纯银相差 1.56 万倍，空气与水相差 20 倍。气体 0.006 0.6；液体 0.07 0.7；金属 2.2 420；建筑材料和绝热材料 0.025 3。导热系数小于0.3 的材料叫隔热材料(绝热材料)，如石棉制品，泡沫混凝土，不流动的空气等。,导热系数的影响因素：材质、干密度、湿度、温度,材质影响,温度影响,
4、热阻 R=d/，是热流通过壁体时遇到的阻力，反映了壁体抵抗热流通过的能力。,3.热阻,单一材料层壁体热阻：,多层复合壁体总热阻：,复合壁体内流经各层的热流强度：,组合壁体的传热较复杂，采用平均热阻的概念。,二、对流,对流指流体各部分间发生相对运动、相互掺合而传递热量。,对流换热：流体和壁面接触时同时发 生对流和导热的热量传递过程。表面对流换热的机理：固体表面温度 高于流体温度 t 发生传热，对流换热量取决于“边界层”。边界层：指由壁面到气温恒定区之间的区域，包括层流区、过渡区、湍流区。层流区以空气导热传热，呈斜线分布；过渡区和湍流区以空气对流传热，呈抛物线分布。,表面对流换热量取决因素：温度差
5、、壁面位置及热流方向（垂直向上或向下、水平）、气流速度、物体表面状况（形状粗糙度）,对流换热强度的表示式：,对流换热系数c，表征边界层对流换热的能力。c 越大，对流换热能力越强。一般通过实验方法确定。自然对流c 与温差有关，强迫对流c与风速有关。,(a)自然对流和受迫对流,自然对流：由于流体冷热部分的密度不同而引起的流动。空气的自然对流是空气存在温差时，低温密度大的空气与高温密度小的空气之间形成压力差（热压），产生自然对流。,立墙,当平壁处于垂直状态时：,当平壁处于水平状态时：若热流由下而上 若热流由上而下,暖气，地暖,屋顶,(b）对流传热和对流换热,对流传热：只发生在流体之间，流体之间发生相
6、对运动 传递热能。对流换热：包括流体之间的对流传热，也包括流体与固 体之间的导热过程。,太阳能集热器,三、辐 射,辐射及热辐射：辐射指物体通过电磁波来传递能量的方式。热辐射是因温度原因发生辐射能的现象。,不同波长的电磁波可产生不同的效应。0.8600m的红外线具有热效应；0.440m的热射线，热效应很显著。热射线的传播过程叫做热辐射；热射线传播热能称为辐射传热 热射线短波=0.38-4um；长波=4-40um。,1.辐射换热的特点 伴随着能量形式的转化，内能电磁波辐射能内能；不需要任何中间介质，也无须物体间直接接触；T0K的物体都有热辐射，温度越高，热辐射愈 强烈。2.物体对入射辐射的反射、吸
7、收和透射 吸收系数h、反射系数rh和透射系数h 满足：不透明的物体h0，则有：,绝对黑体：全部吸收辐射热(h=1)；绝对白体：全部反射辐射热(rh=1)；绝对透热体：全部透射辐射热(h=1)；灰体：介于黑体与白体之间的非透明体。,黑体白体灰体,不同物体对辐射热的吸收、反射和透射能力不同，影响因素有：热辐射波长，表面材料的材质、分子结构、光洁度和颜色。,运动时身体各部分温度的分布,温度与感官视觉,红外热辐射测温仪,斯蒂芬波尔兹曼定律,黑体的全辐射本领 黑体不但能将一切波长的外来辐射完全吸收，也能向外发射一切波长的辐射。在单位表面积、单位时间以全波段向半球空间辐射的全部能量，称为黑体的全辐射本领
8、Eb；某一波长的辐射能称为单色辐射本领 E b。则黑体的全辐射本领E b(单位 W/m2)为，,绝对黑体的辐射系数Cb=5.68W(m2K4)；黑体的绝对温度Tb,黑体向外辐射一切波长的辐射能，但不同波长的单色辐射能力分布不同，同温度下黑体较其它物体的辐射能力最强。,3.辐射本领、辐射系数和黑度,黑体辐射的光谱曲线,特点温度越高，最大辐射波长愈短；太阳相当于6000K的黑体，最大辐射力波长为0.5m，而16的常温物体最大辐射波长约在10m。,灰体,灰体的辐射特性与黑体近似，但在同温度下其全辐射本领低于黑体。多数建筑材料视为灰体。灰体的全辐射本领计算公式：,E灰体全辐射本领 C灰体的辐射系数 T
9、灰体的绝对温度,辐射体类型,辐射系数可以表征物体向外发射辐射的能力。实际物体C小于黑体，C=05.68W(m2K4)，其大小取决于物体表层的化学性质、光洁度、颜色等。,不同物体的辐射特性,温度对辐射本领的影响：温度升高，辐射本领急剧增加；随温度升高，短波辐射比例增加，最大单色辐射本领向短波移动。,在一定温度下，物体对辐射热的吸收系数h=黑度，即物体辐射能力越大，它对外来辐射的吸收能力也越大。,又称发射率，表征物体辐射本领与黑体接近的程度，是物体辐射系数与黑体辐射系数之比，黑体=1，灰体 1。,注意：黑度反映物体的长波辐射能力，故对常温物体辐射的吸收率=黑度；对太阳辐射的吸收率黑度。,实际物体的
10、黑度灰体辐射性能参数,玻璃的特性温室效应,玻璃是与一般建筑材料性能不同的特殊材料。对常温物体辐射的吸收率大，透过率小；对太阳辐射的吸收率小，透过率大。,普通玻璃对波长为0.22.5m的可见光和近红外线有很高的透过率；对波长为4m以上的远红外的透过率很低。玻璃对一般常温物体发射的辐射透过率很低。如净片平板玻璃对可见光的透过率高达85，反射率仅7，通过玻璃获取大量太阳辐射而使室内温度升高，但室内构件发射的远红外辐射很难透过玻璃，因而提高室内温度。,入射,0.8,可见光,近红外线,长波红外线,不同厚度玻璃对辐射的透射选择性,低透,高透,中透,玻璃房的温室效应,节能设计,温室实验室,辐射能的利用-日光
11、塔可发电，可供热,辐射能的利用-太阳能烤箱,4.辐射换热的计算,物体表面间的辐射换热量主要取决于各个表面的温度、发射和吸收辐射热的能力以及它们之间的相对位置。,两近似作为互相平行的无限大灰体平面,单位面积的净辐射换热量为：,一般位置的两灰体间的辐射换热量为，,围护结构的表面和其他表面的辐射换热量，,其中辐射换热系数，,1.2.2 平壁的稳定传热,“平壁”不仅是指平直的墙体，还包括地板、平屋顶及曲率半径较大的穹顶、拱顶等结构。-围护结构,冬季按稳定传热计算夏季按周期传热计算,1.平壁传热过程,由外向内,稳定传热温度恒定，与时间无关，能量守恒，任意封闭空间 Q进=Q出；传热形式导热、对流和辐射相伴
12、随；热阻导热热阻、对流热阻和 辐射热阻,传热过程可分为三个阶段：,(1)壁体内表面吸热,既有对流换热，同时也存在辐射换热,(2)平壁材料层导热,(3)壁体外表面散热，效果同(1),稳态传热，平衡时有：,平壁的热阻和传热系数,热阻的实验测定,热阻的非稳定性,传热系数K0与结构,K0,2.封闭空气间层的传热,建筑设计中常用封闭空间层作为围护结构的保温层。空气层的传热方式是导热、对流和辐射综合作用的结果，主要是对流和辐射换热。对流换热的强度与间层的厚度、位置、形状等有关。,与间层表面材料的辐射性能和间层温差有关；辐射换热量占总传热量的70%以上，建材的辐射系数为 4.655.23 W/(m2K4)而
13、铝箔的辐射系数比较小，为 0.291.12W/(m2K4)。,封闭空间层的辐射换热：,减小辐射换热的方法：,将封闭空气间层布置在围护结构的冷侧，降低间层平均温度；在间层壁面涂贴辐射系数小的反射材料。,须注意的几个问题：,在建筑围护结构中采用封闭空气间层可以增加热阻，有效而经济；“厚”的空气间层不如用几个“薄”的(4cm)，方便施工且经济；为减少间层的辐射传热，可在间层一侧的高温面涂贴反射材料。,Low-e film,热阻取决于间层界面的边界层厚度和界面间的辐射换热强度。,3.平壁总热阻的计算,围护结构总热阻,围护结构热阻越大，温度降落也越大，即两边温差越大。,组合平壁的平均热阻,平均热阻是按照
14、沿热量传递方向各部分热阻所占横向面积进行加权平均求出。,F 是各部分在垂直热流方向的表面积,4.平壁内部温度的确定,为了检验内表面和内部是否会产生凝结水以及内表面温度对室内热环境的影响，都需要对所设计的围护结构内部进行温度核算。根据 q=qi=qm=qe，有,式中：m=1，2，3，n,平壁内温度的分布是一条连续的折线，热阻越大，温度降越大,壁体内部温度的图解法,式中 ti、R0、Ri、te 为常数，,则m 是变量 Rm-1的一次函数，以热阻为横坐标，温度为纵坐标，则温度分布为一直线。,例：若室内气温为15，室外气温为-10，试求墙体的热流强度以及内部温度分布（单位：mm）。,墙体总热阻,通过墙
15、体的热流强度,墙体内的温度分布,1.2.3 平壁的周期性传热,24 墙,外,里,围护结构内部的温度和热流量会随着时间的变化而变化，是不稳定传热的一种特例。,1.谐波热作用周期性热作用中最简单最基本的是谐波热作用。它可以表示为：初相位：温度出现最大值时的相位；周期 Z：一般为24小时；温度波振幅 At：最高温度与平均温度之差；相对温度：某时刻实际温度t与平均温度之差。,Q,为简单，先假设仅有室外的热作用，谐波热作用下平壁传热的特征有：(1)室外温度、外壁面温度和内壁面温度都是周期 相同的谐波函数；,2.半无限厚平壁在谐波热作用下的传热特征,(2)从室外到平壁的内部，温度波动的振幅逐渐衰减。,(3
16、)从室外到平壁的内部，温度波动的相位逐渐延迟。,总延迟时间：,总延迟相位：,温度波的衰减倍数：,温度波的衰减和延迟是材料的热容量和热阻的共同作用造成的壁体的热惰性，取决于材料与构造。,由于热惯性的存在，通过围护结构的传热量和温度的波动幅度与外扰温度波振幅之间存在衰减和延迟的关系。衰减和滞后的程度取决于围护结构的蓄热能力。,蓄热能力大,蓄热能力小,冬季,春、秋季,3.谐波作用下，材料和围护结构的热特性指标,(1)材料蓄热系数 S,物理意义：半无限厚物体在谐波热作用下，表面对热作用的敏感程度。材料蓄热系数越大，其表面温度波动越小，密度大的重型材料或结构蓄热性能好、热稳定性好。,（空气近于零）,定义
17、：把某一匀质半无限大壁体一侧受到谐波热作用时，迎波面上接受的热流振幅 Aq 与该表面的温度振幅 Af 之比称为材料的蓄热系数。,(2)材料层的热惰性指标 D,厚度为 x,多层围护结构,D 越大，其离表面 x 处温度波动越小-热迟钝,表征材料层受到波动热作用后，背波面上温度波动剧烈程度的一个指标，也是说明材料层抵抗温度波动能力的一个特性指标。,其大小取决于材料层迎波面的抗波能力和波动作用传至背波面时所受到阻力。,(3)材料层表面蓄热系数 Y,Y 与S 的物理意义是相同的，一般两者在数值上也可视为相等。,封闭空气层：S=0 D=0,组合材料层：,对有限厚度的材料层，考虑到与其接触的介质的热物理性质
18、和散热条件对材料层的影响，引入了材料层表面的蓄热系数Y。,沿着与热流相反的方向，逐层计算。如某层的厚度较大（D 1），则该层：Y=S（内表面的蓄热计算到此层为止，以外的其他层不用计算）,计算方法：,对维护结构两侧同时受到周期性的热作用的情况，可以将综合的过程分解为三个单一的过程：,4.有限厚度平壁在谐波作用下的传热,(1)室内外平均温度作用下的稳定传热过程；(2)在室外相对温度作用下的周期性传热过程；(3)在室内相对温度作用下的周期性传热过程。分别求出单一过程的计算结果后再进行叠加，从而求出完整过程的最终结果。内表面的温度,围护结构内表面的温度：,内表面的最高温度：,室外温度谐波传至平壁内表面
19、时的衰减和延迟计算,室内温度谐波传至平壁内表面时的衰减 和延迟计算,内,外,1.2.4 建筑传湿防止结构表面结露和内部受潮,大气层中存在大量的水分，渗入建筑围护结构，材料受潮后，能导致强度降低、变形、腐烂、脱落。保温材料受潮，将使其导热系数增大，保温能力降低。还会孳生木菌、霉菌和其他微生物，危害环境卫生和人体健康。,外围护结构的湿状况主要决定于下列因素：,1.用于结构中的材料的原始湿度；2.施工过程中进入结构材料的水分；3.由于毛细管作用，从土壤渗透到围护结构中的水分；4.由于受雨、雪的作用渗透到围护结构中的水分；5.使用管理中的水分；6.由于材料的吸湿作用，从空气中吸收的水分；7.空气中的水
20、分在围护结构表面和内部发生冷凝。,1.湿空气的物理性质,由道尔顿分压定理,水蒸汽含量达到极限值时的空气称为饱和空气，极限值的大小却随空气的温度和压力而变。,湿空气,干空气,水蒸汽,饱和湿度与空气温度有关,潮湿程度的表达：相对湿度(RH),含水量,压力,获取方式：实测与查表,湿度仪,相对湿度反映了空气在某一温度时所含水蒸汽分量接近饱和的程度。小，表示空气干燥，容湿能力较强；大，空气较潮湿，容湿能力较弱。,在含湿量不变的情况下，冷却到相对湿度为100时所对应的温度，称为该状态下空气的露点温度，以 td 表示。如果继续降温，空气中的水蒸汽就有一部分液化成水珠析出，温度降得愈低，析出的水愈多。这种由于
21、温度降到露点温度以下，空气中水蒸汽液化析出的现象称为冷凝。,饱和是一种动态平衡,时，空气绝对干燥；时，空气达到饱和；值可直接判断空气的干、湿程度。,相对湿度与水蒸汽液化析出,可见，温度越高空气含水能力越高，冬季较夏季普遍要干燥；,饱和线,露点,冷凝析出量,降温,露点温度 某一状态的空气，在含湿量不变的情况下，冷却到它的相对湿度100%时所对应的温度。,相对湿度反映了在某一温度时所含水量,100,聚脂,材料的等温吸湿曲线,材料的吸湿机理：低湿度时以单分子吸湿为主；中等湿度时以多分子吸湿为主；高湿度时以毛细吸湿为主。,材料的吸湿和传湿,3.围护结构的蒸汽渗透,蒸汽渗透：围护结构的两侧当存在水蒸汽分压力差时，就会产生渗透扩散。,蒸汽渗透强度，即渗透量,总蒸汽渗透阻,蒸汽渗透系数表明材料的蒸汽渗透能力，与材质、密实程度、温度、相对湿度有关，计算中采用的是平均值。,湿,干,平壁,d1,d2,d3,湿迁移：水蒸气的扩散和水分的毛细渗透,围护结构内，任一层内界面上的水蒸汽分压力为,围护结构内、外表面附近的空气边界层的蒸汽渗透阻与结构层的相比是很微小，计算总蒸汽渗透阻时可不计-空气中的湿压即表面处的。,线性关系,
