建筑物理1chapter-thermal-1 (2).ppt

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1、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授课教师：葛 坚l 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。l 传热的基本方式 导热、对流、辐射第2 章 传热基本知识第1 节 传热方式1.导热2.（1）导热的机理3.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。4.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 单位面积、单位时间的热流量，也叫热流密度，；材料的导热系数，材料的厚度，m 壁面的温

2、度，定义 称材料的导热热阻，则单位（3）材料的导热系数 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 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（b）导热系数受材料干密度的影响l 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。l 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l 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

3、佳干密度 最佳干密度，即在该干密度时，材料的导热系数最小。（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l 对流是温度不同的流体发生相对运动而引起的热能传递。l 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 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。对流换热量的计算流体：运动发生的原因、

4、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 对流换热强度，；对流换热系数，流体主体部分的温度，壁面的温度，对流换热热阻对流换热系数 的影响因素平壁水平（1）自然对流（2）强制对流（中等粗糙度）对流换热系数的简化计算平壁垂直热流由下而上热流由上而下外表面内表面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0.4-40 um 范围的电磁波，照射到物体上热效应特别显著，称 热射线 热射线，包括可见光及红外线的短波部分。热射线的传播过程叫 热辐射 热辐射。通过热射线传播热能的方式叫 辐 辐射传热 射传热。辐射传热的特点

5、l（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l（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。l（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被吸收的辐射能被反射的辐射能被透射的辐射能总入射辐射能两边同时除以 吸收系数反射系数 透射系数l 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。l 绝对白体将辐射热全部反射的物体l 绝对黑体将辐射热全部吸收的物体l 绝对透明体（透热体）将辐射热全部透过的物体l 建筑工程中，绝大多数材料都是非透明体，即 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

6、本领、辐射系数、黑度l 辐射本领物体对外放射辐射能的本领。l 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,l 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，l 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l 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。l 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 黑度。建筑材料大多可看成灰体。l 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

7、；2-灰体；3-选择性辐射体斯蒂芬波尔兹曼定律l 黑体的全辐射本领l 绝对黑体全辐射本领，绝对黑体的绝对温度，K 绝对黑体的辐射系数，常数 5.68 l 灰体的全辐射本领 灰体的全辐射本领，灰体的绝对温度，K 灰体的辐射系数，l 同一物体的辐射本领随着温度的升高而急剧增加。l 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l 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。l 黑度灰体的全辐射本领与同温度下黑体的全辐射本领的比值，表示了灰体接近于黑体的程度。其值处于0-1 之间。l 黑体黑度为1

8、，与同温度的其他灰体相比，辐射能力最强。黑体 灰体定义 为灰体的黑度克希荷夫定律l 一定温度下，物体对于热辐射的吸收系数在数值上等于其黑度，即物体辐射能力越大，它对外来辐射的吸收能力也越大；反之，辐射能力越小，吸收能力也越小。l 但是，建筑围护结构对太阳辐射的吸收系数并不等于其黑度，因为太阳表面的温度远高于普通物体，其辐射能主要集中在短波范围。常用建筑材料的辐射黑度、系数、对太阳辐射的吸收系数玻璃的温室效应l 普通玻璃对可见光的透过率很高，相当于是透明体，而对红外线等长波辐射却是不透明体。因此，利用这种玻璃制成的温室，能透入大量的太阳辐射热而阻止室内的长波辐射向外透射，即产生温室效应。（4）辐

9、射换热的计算l 物体之间的辐射换热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表面的相对位置。l 在建筑热工中，计算某一表面与其他相应表面及室内外空间之间的辐射换热，常用 辐射换热强度，；辐射换热系数，壁面1，2 的温度，辐射换热热阻辐射换热系数 的影响因素：两表面的辐射系数、面积、温度、相对位置等综上所述l 传热的基本方式为：导热、对流、辐射l 掌握各种传热方式的机理、条件和简化计算方法。l 实际工程中，传热并非单一的传热方式，而往往是两种或者两种以上的组合。第2 节 平壁的稳定传热1.平壁传热过程（一维稳定传热）三个阶段（1）内表面的吸热（2）平壁材料的导热（3）外表面的散热稳定传

10、热传热过程中，各部分的温度不随时间变化，处于稳定状态。（稳态传热）（1）内表面的吸热l 内表面从室内空气获得热量的过程（对流+辐射）内表面的吸热强度，；内表面通过对流方式的换热强度，内表面通过辐射方式的换热强度，内表面的对流换热系数 内表面的辐射换热系数 室内空气和其他表面的温度，内表面的温度，内表面的换热系数（2）平壁材料的导热假设单层匀质材料，导热系数为，厚度为d,两侧的温度为平壁的导热强度，平壁内外表面的温度，（3）外表面的散热 外表面的放热强度，；外表面通过对流方式的换热强度，外表面通过辐射方式的换热强度，外表面的对流换热系数 外表面的辐射换热系数 室外空气温度，外表面的温度，外表面的

11、换热系数（4）综上所述l 围护结构的一维稳态传热包括了3 个过程：内表面的吸热 平壁材料的导热 外表面的散热 由于是稳态过程消去中间量令称平壁的 总热阻 总热阻，令称平壁的 总传热系数 总传热系数，因此热流密度传热的动力（温度差）/传热的阻力（热阻）2.封闭空气间层的传热封闭空期间层内的传热，是在有限封闭空间内两个表面之间进行的热转移过程，是导热、对流和辐射三种传热方式的综合作用的结果。导热由于空气的导热系数相当小，所以封闭空期间层中的导热量基本可以忽略。主要在接近壁面的层流边界层中。对流换热强度主要与间层的厚度、位置、形状等因素有关。辐射换热取决于间层表面材料的辐射系数（黑度）和间层中间的温

12、度状态。曲线-1 静止空气的纯导热 曲线-2 间层内存在自然对流曲线-2 与3 之间 间层的辐射换热量 曲线-3 空气间层的总换热量曲线-4 间层的一个表面敷贴铝箔时的总换热量曲线-5 间层的两个表面敷贴铝箔敷贴铝箔时的总换热量可以看出，辐射换热占了总换热量的70%以上。要减少空气间层的换热量，必须重点减少辐射换热量。在间层表面涂贴反射材料，贴在间层温度较高的一侧为宜，防止间层结露。可以看出（1）在建筑围护结构中采用封闭的空气间层可以增加热阻，省材料，质量轻，是一种有效而经济实用的技术措施。（2）在围护结构中用一个厚的空气间层不如用几个薄的空气间层。（3）为了减少间层的辐射传热量，可以在间层表

13、面涂贴反射材料，以贴在间层的高温侧为宜。3.平壁总热阻的计算称平壁的 总热阻 总热阻为内表面换热阻、平壁导热阻 及外表面换热阻 之和。（1）内表面换热阻内表面换热系数（2）外表面换热阻外表面换热系数（3）平壁导热阻（a）单一材料层的热阻材料层的厚度，m材料的导热系数，（b）多层匀质材料层的热阻各材料层的厚度，m各材料的导热系数，（c）组合材料层的热阻内表面换热系数，取0.11垂直于热流方向的总传热面积，各种不同材料的传热面积，各种不同材料的总传热阻，修正系数外表面换热系数，取0.04（A）当围护结构中有圆孔时，先把圆孔折合成同面积的方孔；（B）当围护结构由两种材料组成时，取较小值 取较大值；（

14、C）当围护结构由三种材料组成时，按 求取。仍取较大值（4）封闭空气间层的热阻l 按照表查取例1 计算图示平屋顶的总热阻4。平壁内部温度的确定l 围护结构内表面温度和内部温度是评价热工性能的重要指标，也是检验是否会产生凝结水的必须指标。再对平壁整体列稳定传热方程式先列平壁内表面吸热方程式由于所以，可得同样，先列平壁第一层传热方程式，再列平壁整体传热方程式，可得依此类推，外表面，第3 节 平壁的周期性传热1.简谐热作用温度随时间呈正弦或者余弦函数的规律变化。不稳定传热受到的热作用，通过的热流量以及温度分布都随着时间而变动。周期性不稳定传热外界的热作用随时间呈周期性变化。在 时刻介质的温度一周期内介

15、质平均温度温度波的振幅温度波的周期，h时间，h温度波的初相位，deg也可以写成角速度2.半无限厚平壁在简谐热作用下的传热特点l 半无限厚平壁 一侧由一个平面所限制，另一侧延伸到无限远处，不能确定其厚度的壁体。（地层、地下室的侧壁。）l 半无限厚平壁在简谐热作用下的传热特点（1）周期相同 周期相同平壁表面以及内部任何一点x处的温度，都会出现和介质温度周期Z 相同的简谐波动，（2）振幅衰减 振幅衰减从介质到壁体表面到平壁内部，温度波动的振幅逐渐减少，也叫温度波的衰减。（3）相位延迟 相位延迟从介质到壁体表面到平壁内部，温度波的相位逐渐向后推移，也就是出现最高温度的时间向后推移。振幅衰减度（从介质到

16、平壁表面）在谐波作用下，物体内部的温度呈指数规律衰减。3.简谐热作用下材料和围护结构的热特性指标（1）材料蓄热系数半无限厚物体表面热流波动的振幅与温度波动的振幅的比值。物理意义：表面对谐波作用的敏感程度 表面对谐波作用的敏感程度。在同样的热作用下，材料的蓄热系数越大，其表面的温度波动越小；反之，如果材料的蓄热系数越小，表面的温度波动越大。在简谐热作用下，材料内部的温度分布、振幅衰减以及相位延迟的程度，都和材料的热特性指标有关。单位如果周期Z 为24h，则（2）材料层的热惰性指标令则物理意义：D 表示围护结构在谐波作用下反抗温度波动的能力。D 越大，离开表面x处的温度波动就越小，即温度波的振幅衰

17、减越大。D 即为厚度为x的材料层的热惰性指标。在谐波作用下，物体内的温度呈指数规律衰减。多层围护结构的热惰性指标为各分层材料的热惰性指标的和。空气的蓄热系数接近0，所以空气间层的热惰性指标也忽略不计。若某层为两种以上的材料组成时，先算平均导热系数和平均蓄热系数，然后求该层的平均热惰性指标。（3）材料层表面蓄热系数l 在工程实践中，绝大多数围护结构都是有限厚度的。l 与该材料层接触的材料的热物理性能和换热条件都对材料表面的温度波动有影响。l 假设，当某材料内部的温度振幅衰减度大于等于2 时，可以忽略边界层的影响。也就是热惰性指标D 大于等于1 时。l 材料层表面蓄热系数 Y 有限厚度的材料的表面

18、的热流波动振幅与表面温度波动振幅的比值。Y 与S 物理意义相同。当边界条件可以忽略不计时，Y 与S 在数值上相等。材料层表面蓄热系数Y 的计算计算方向：逆着温度波传播的方向当温度波由外向内时，外表面的蓄热系数 要从内侧第一层算起，逐次向外计算。1）材料层外表面蓄热系数的计算第一层，当 时，当 时，从第二层开始以后任意一层，当 时，最外一层表面的蓄热系数，就是平壁外表面的蓄热系数2）材料层内表面的蓄热系数的计算计算方向：逆着温度波传播的方向当温度波由内向外时，外表面的蓄热系数 要从外侧第一层算起，逐次向内计算。第n 层，当 时，从第n-1层开始以后任意一层m，当 时，最内一层的内表面的蓄热系数，

19、即平壁内表面的蓄热系数，若平壁的，则4.有限厚平壁在简谐热作用下的传热外侧简谐热作用内侧简谐热作用把整个过程分解为3 个分过程（1）在外侧和内侧的空气平均温度，作用下的稳定传热过程，即算出内表面的平均温度（2）外侧简谐波，内侧平均温度，计算在外侧简谐波作用下的内表面的温度波动；（3）内侧简谐波，外侧平均温度，计算在内侧简谐波作用下的内表面的温度波动；然后把这三个过程的结果叠加，得到内表面的温度为内表面在 时刻的温度内表面的平均温度室外空气温度波动引起的平壁内表面的温度波动室内空气温度波动引起的平壁内表面的温度波动室内空气温度波动引起的平壁内表面的温度波动的振幅室外空气温度波动引起的平壁内表面的

20、温度波动的振幅室外空气温度波动引起的平壁内表面的温度波动的相位延迟室内空气温度波动引起的平壁内表面的温度波动的相位延迟引入衰减度的概念，室外空气温度波传至平壁内表面时温度波的振幅总衰减度室内空气温度波传至平壁内表面时温度波的振幅总衰减度于是，因此，必须计算出谐波的衰减度 和相位延迟。5.温度谐波在有限厚度平壁内的振幅衰减和相位延迟的计算采用近似计算法（1）室外温度波传至内表面时的总衰减度和总相位延迟的计算平壁的总热惰性指标，为各层材料的热惰性指标之和。由内到外各层材料的蓄热系数；空气间层取0由内到外各层材料的外表面蓄热系数；平壁内外表面的换热系数常用延迟时间来表示相位的延迟平壁外表面的蓄热系数平壁内表面的蓄热系数（2）室内温度波传至内表面时的衰减度和相位延迟的计算