第三講：建筑材料的熱工特性和建筑圍護

結構的■EJ傳熱原理及計算3.1建筑圍護結構的傳熱過程?房屋圍護結構時刻受到室內外的熱作用，不斷有熱量通過圍護結構傳進傳出。在冬季室內溫度高于室外，熱量由室內傳向室外；在夏季則正好相反，熱量由室外傳向室內。3.1.1建筑圍護結構熱轉移方式?熱量的傳遞稱傳熱。在自然界中，只要存在著溫差，就會有傳熱現象，而且熱能是由溫度較高的部位傳至溫度較低的部位，其方式有輻射、對流和導熱三種。▲傳導(Conduction)，是固體內熱轉移的主要方式▲對流(Convection)，是流體即液體與氣體內熱轉移的主要方式▲輻射(Radiation)，是自由空間熱轉移的主要方式3.1.2圍護結構的傳熱過程和傳熱量?傳熱有3個基本過程，即：表面感熱、構件傳熱、表面散熱，主要傳熱方式見過程名*主票傳第方式t.-一ifCli陽MM感祺1*1對需、1|妙傳熱過程及傳熱方式表：傳熱過程及傳熱方式▲表面吸熱----冬季內表面從室內吸熱，夏季外表面從室外空間吸熱；▲結構傳熱----熱量由高溫表面傳向低溫表面；▲表面放熱----冬季外表面向室外空間散發熱量，夏季內表面向室內散熱。每一個傳熱過程都是三種基本傳熱方式的綜合過程。表面吸熱和表面放熱的機理是相同的，稱為“表面換熱”

?表面換熱?表面換熱恒定的執作用 ▲表面總換熱量是對流換熱量（qc）與輻射換熱量（qr）之和。即：q=%+%=.（9T）+%（，T）=就。T）式中：q--表面環熱量，表面換熱系數，&=%+[.,"板.目一壁面溫度，C;--室內或室外氣溫，Co?結構傳熱▲在建筑熱工學中，結構傳熱只對平壁傳熱作敘述，平壁不僅包括平直的墻壁、屋頂、地板，也包括曲率半徑較大的墻、穹頂等結構。▲本課程的結構傳熱只討論一個方向的熱流傳遞，即一維傳熱或單向傳熱。▲依據室內外溫度的特點，結構傳熱分為兩種方式：.穩定傳熱（恒定的熱作用）：▲結構兩側（室內和室外）有溫差，且室內溫度和室外溫度不隨時間而改變。▲冬季采暖房屋，外圍護結構的保溫設計，一般按穩定傳熱計算。.不穩定傳熱（周期熱作用）：▲結構兩側有溫差，但溫差方向的溫度不是恒定而是隨時間在變化。▲在建筑上遇到的不穩定傳熱多屬周期性不穩定傳熱，即熱作用和結構內部溫度呈周期性變化。▲按熱作用的情況，不穩定傳熱分為：1）單向周期熱作用（如空調房間的隔熱設計）；2）雙向周期熱作用（如自然通風房間夏季隔熱設計）。3.2導熱系數及材料的熱工特性/3.2導熱系數及材料的熱工特性/*5wk*n材料導熱系數表達圖示材料導熱系數表達圖示?導熱系數是反映材料導熱能力的主要指標。?導熱系數(入)的物理意義：在穩定傳熱狀態下當材料厚度為1m、兩表面的溫度差為1°C(1K)時，在一小時內通過1廊截面積的導熱量?各種物質(氣體、液體、固體)的導熱系數數值范圍和性質有所不同，它還與當時的壓力、溫度、密度、含濕量有關。▲氣體的導熱系數最小，如常溫常壓下空氣的導熱系數為0.029W/(m?K),靜止不動的空氣具有很好的保溫能力。液態的導熱系數大于空氣，如水在常溫常壓下，其導熱系數為0.58W/(m?K),為空氣的20倍。金屬的導熱系數最大，如建筑鋼材導熱系數為58.2W/(m?K)。非金屬固體材料，如大部分建筑材料，導熱系數一般低于金屬材料，介于0.023~3.49W/(m?K)之間。3.2.2導熱系數與溫度、濕度、和密度的關系?溫度的影響▲溫度升高時，分子運動加強，使實體部分的導熱能力提高；同時，空隙中的對流、導熱和輻射能力也加強，從而材料的導熱系數增加。?濕度的影響▲各種材料與潮濕的空氣接觸后，材料總會吸收一些水分，材料受潮后，由于孔隙中有了水分，增加了水蒸氣擴散的傳熱量，還增加了毛細孔中液態水分所傳導的熱量，導熱系數將顯著增大。水和冰的導熱系數分別為0.58W/(m?K)、2.33W/(m?K)都遠大于空氣的導熱系數(0.03W/(m?K))，因此水或冰取代孔隙中的空氣必然使其導熱系數加大。?密度的關系▲密度即單位體積的材料重量，密度小的材料內部孔隙多，由于空氣導熱系數很小，故密度小的材料導熱系數也小，良好的保溫材料多是孔隙多、密度小的輕質材料。但，當密度小到一定程度后，在加大孔隙，大的孔隙中空氣對流作用增強，對流換熱增加，加大了材料的導熱能力。因此，輕型(如纖維)材料有一個最低導熱系數的密度界限。3.2.3隔熱保溫材料----絕熱材料?導熱系數越小，說明材料越不易導熱。工程上常將導熱系數入V0.25W/(m?K)的材料稱為隔熱保溫材料或絕熱材料。如礦棉、泡沫塑料等。?絕熱材料可以歸納為三類：①.輕型成型材絕熱▲輕型成型絕熱材料分為無機材料和有機材料，其的導熱系數及應用見下表(表3-1)化學成分形狀名稱導熱系?數成用無機材料礦棉〔巖棉.礦渣棉）<0.052填充用料于礦榆髓O.G4&-O.052墻、屋頊保溫吟庫隔焦礦棉根-^046冷庫日建筑隔熱玻珥棉圈護綃構...-_粒欽材料膨脹螺石0.04^-0.070填充墻壁、樓板蛭有制品O.D79-D.L襦一根、普食護膨脹珍珠巖0.025-0.048繾熱填充料,珍殊巖制品0.0焚5.87展、根、管圖護結構材料的尋地系敏及應用務孑L發認學形欲 名稀 導熱系藪 成闈成分： .的叫琦？?.?禎「彼詼塑翹"兼萍無癌一‘‘福皿材料的尋地系敏及應用務孑L發認學形欲 名稀 導熱系藪 成闈成分： .的叫琦？?.?禎「彼詼塑翹"兼萍無癌一‘‘福皿1或Q4廠■…屋曲；墻面探潟,曾… uBm- 整庫、隰然、復,硬場榛盆土稀?€!013 SA、夾層等BP，*BBB8f9|.MJ. -■WB!,.夠禎「.群始物.謀源隔律蛟窩板大鴕飯、護墻板服醪軟木林0.037-0.055UENOWl0^2-0.700.15-0,26硬頂橐氮酪.空氣層絕熱(airspaceinsulation)?在沒有對流的條件下，厚邊界空氣膜具有高熱阻性能。常見的形式：▲輕型墻面空氣間層；▲窗簾與墻面空氣間層；▲雙層、三層、四層玻璃間空氣間層。.反射絕熱材料(reflectiveinsulation)?利用磨光金屬表面的高反射性與低發射性減少熱傳遞。▲鋁箔做成單層卷材用作屋頂襯墊和墻布。▲用格網將多層鋁箔隔開做成多層鋁箔絕熱層，安裝后可得到附加的空氣間層。3.2.4封閉空氣間層的熱阻?靜止的空氣介質導熱性很小，在建筑設計中常用封閉間層作為圍護結構的保溫層。空氣間層的傳熱：是有限空氣層的兩個表面之間的熱轉移過程，包括對流換熱和輻射換熱。

垂直間房內不同傳熱?空氣間層的熱阻主要取決于間層兩個表面間的輻射和對流換熱的能力；即取決于表面材料的輻射系數、間層形狀、厚度、設置方向（水平或垂直）及間層所處的環境溫度。垂直間房內不同傳熱▲“2”線~“3”線：間層空氣的輻射換熱量。▲“2”線~“3”線：間層空氣的輻射換熱量。方式的傳熱量的比較▲“1”線：間層空氣靜止態純導熱量。▲“2”線：間層空氣對流換熱量。▲“3”線：間層空氣的總的傳熱量。輻射換熱量占總換熱量的70%。?減少空氣間層傳熱，提高間層熱阻方法：▲將空氣間層布置在維護結構的冷側，降低間層的平均溫度，減少輻射換熱量。▲在間層壁面上涂貼輻射系數小的反射材料，目前建筑中采用的主要是鋁箔。3.3穩定傳熱3.3.1一維穩定傳熱的特征?在單位時間、單位面積上通過平壁的熱量即熱流強度q處處相等。就平壁內任一截面而言，流進流出的熱量相等。?同一材質的平壁內部各界面溫度分布呈直線關系。▲一維穩定傳熱的計算公式： 泌式中：勺-----低溫表面溫度；勺 高溫表面溫度q-----熱流密度，w/m2即單位面積上的熱流量或熱流強度。

多層平壁導熱組合構件熱組計算 ?單層勻質平壁的導熱：多層平壁導熱▲熱阻定義：穩定傳熱計算公式中，d/入定義為熱阻，用R表示。▲單層勻質平壁的穩定導熱方程:▲單層勻質平壁的穩定導熱方程:其中熱組:?多層平壁的導熱多層平壁由幾層不同材料組成的平壁，見右圖。如雙面抹灰的磚砌墻體。▲多層平壁導熱計算公式：Z一E十珞十包五i+為+良&乾分別為第一第二第三層的熱阻對n層多層平壁的導熱計算公式為：▲多層平壁的總熱阻等于各層熱組的總和?多種材料組合成的平壁導熱在實際應用中圍護結構有時是兩種或兩種以上的材料組合而成的復合結構，如空心樓板、帶肋的填充墻等。如圖▲求組合壁的導熱量q，關鍵是求組合壁的平均熱阻，其R的計算公式如下:式中：R--平均熱組,（期"? 研乩--與熱流方向垂直的總傳熱面積，狀％F1,F2-Fn--按平行于熱流方向劃分的各個待熱面積，妒;彘.薩關…電個傳熱面部位的傳熱組，（妒?尺）泌-內表面換熱組,取0.13偵）泌Re--外表面換熱組?KVW修正系數，可查表。3.3.3平壁的穩定傳熱過程?內表面吸熱"有M一第*&-圳件+冬+冬'?平壁材料層的導熱幻： 5為幻k= -頊?外表面的散熱^：?一維穩定傳熱過程應該有：心=K。通過平壁的傳熱量q為:^0=—+2-+—陶孔叫叫作平壁的傳熱系數，其物理意義：當溫差為1°C時，在單位時間內通過平壁單位面積的傳熱量，單位是附血'"）。假如把該式寫成熱阻形式，則有:比較兩式，可得或假如把該式寫成熱阻形式，則有:比較兩式，可得或其中內外表面的換熱組、內外表面的換熱系數分別見表:內表面換熱系數叫和換熱阻坊（表3-2）表面特性耳血K)/W]墻面、地面、表面平整或有肋狀突出物的頂棚印呂京.3）8.70.1l有肋狀突出物的頂棚。岳＞°?3）7.60.13外表面換熱系數弓及外表面換熱阻乩值（表3-3）適用季節表面特征電陽（m、助］氏[(m3.K)JW]冬季外墻、屋頂、與室外空氣直接接觸的表面23.00.04與室外空氣相通的不米暖地下室上面的樓板17.00.06悶頂、外墻上有窗的不米暖地下室上面的樓板12.00.08外墻上無窗的不米暖地下室上面的樓板6.00.17夏季外墻和屋頂19.00.05▲求壁體內表面溫度。多層平壁導熱3.3.4平壁內部溫度的計算?平壁內部溫度的計算包括三方面:▲計算多層平壁內任一層的內表面溫度。▲▲求壁體內表面溫度。多層平壁導熱3.3.4平壁內部溫度的計算?平壁內部溫度的計算包括三方面:▲計算多層平壁內任一層的內表面溫度。▲求壁體外表面溫度。?計算公式如下式:壁體內表面溫度耳:對于多層平壁內任一層的內表面溫度&，可寫成根據q=%=%得出外表面的溫度"3.4周期性不穩定傳熱?在建筑實踐中真正的穩定傳熱是不存在的，圍護結構所受到的環境熱作用是隨時間變化的，尤其是室外環境因不能進行人工調節，所以每時每刻都在變化。

?外界熱環境隨時間發生變化時，圍護結構內部的溫度和通過圍護結構的熱流量也將發生變化。若外界熱作用隨時間出現周期性變化，這種傳熱過程叫周期性不穩定傳熱。3.4.1諧波熱作用諧波熱作用<deg>?在周期性波動的熱作用中，最簡單最基本的是諧波熱作用；即溫度隨時間的正弦或余弦函數作規則變化（見圖）。一般用m余弦函數表示，如下式：諧波熱作用<deg>36Qt其中：史---在丁時刻的介質溫度，°C；」在一周期內的平均溫度，c；----溫度波的振幅，即最高溫度與平均溫度之差，C；----溫度波的周期，h。對室外溫度波，一般以24h為一周期;----以某一指定時刻（如從午夜零點）起算的計算時間，h.；°-----溫度波的初相角，度，即從起算時刻（一般為午夜零點）到溫度波達到最高點的時間差，以角度計（如以24小時為一周期即360C，則1小時相當于15C）。若起算時刻區在溫度出現最大值處則^=03.4.2諧波熱作用的傳熱特征?平壁在諧波熱作用下具有以下幾個基本傳熱特性：▲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，都可用余弦函數表示。▲從室外空間到平壁內部，溫度波動振幅逐漸減小，艮"室外溫度波的振幅（月日）＞平壁外表面溫度波的振幅（^）＞平壁內表面溫度波的振幅（攻『），這種現象叫做溫度波的衰減。傳熱衰減的程度，即為平壁的總衰減度，用此表示 為▲從室外空間到平壁內部，溫度波的相位逐漸向后推延，艮即室外溫度波的初相位（戒）V平壁外表面溫度波的初相位（心）V平壁內表面溫度波的初相位（郊）。3.4.3諧波熱作用下材料和圍護結構的熱特性指標在周期性傳熱過程中，傳熱量的多少與材料、材料層的蓄熱系數及材料層的熱惰性有關。材料的蓄熱系數（S）:一勻質半無限大壁體，在其一側受到周期性波動熱作用，迎波面（即直接受到外界熱作用的一側表面）上接受的熱流振巾幅寸與材料表面溫度波動的振幅凡之比，叫材料的蓄熱系數，用，表示，。￡=*=阮伽.副、材料的導熱系數，比熱，密度。▲材料的蓄熱系數（，）反映了材料對波動熱作用反應的敏感程度，在同樣波動熱作用下，蓄熱系數大的材料，表面溫度波動較小，即熱穩定性好。▲當波動周期為24小時，得以24小時為周期的材料蓄熱系數&4,并可按下式計算。即："頑序股偵5圍護結構內表面蓄熱系數▲當房間內供暖不穩定、具有周期性變化時，通過圍護結構的熱流量也必不穩定，圍護結果內表面的溫度必將隨之而產生周期性變化，通過圍護結構內表面熱流波動的振幅可與內表面溫度波動振幅孔之比，稱為圍護結構內表面蓄熱系數匕，以公式表示如下：材料房表面蓄熱系數的計算▲內表面蓄熱系數尊表示在周期性熱作用下，直接受到熱作用一側的表面對周期性熱作用反應敏感程度特性的指標。越大，表明在同樣的周期性熱作用下，內表面溫度波動越小，即溫度越穩定。圍護結構內表面蓄熱系數區i值反映了圍護結構內表面的熱穩定性。▲內表面蓄熱系數的數值和圍護結構各層材料的性質及厚度有關，大致可分為兩種情況加以考慮：當圍護結構內表面有較厚的一種材料組成時，內表面蓄熱系數可用這層材料的材料蓄熱系數（時值來表示。當圍護結構內表面材料層不很厚時，如由多層材料構成的屋頂或外墻，其內表面溫度的波動振幅不僅與面層材料的物理性質有關，而且與其后面材料的性能有關，即在順著熱流波動前進的方向與該材料相接觸的介質（另一種材料或空氣）的熱物理性能和散熱條件對內表面的波動也有影響。TOC\o"1-5"\h\z?圍護結構內表面蓄熱系數的計算： W+&對各層編號是從波動熱作用方向的反向編起的； '41+艮吊構造層中某一層為厚層時，該層的F=￡，內表面蓄熱3 1+￥系數可從該層算起，后面各層就不再計算 y_眼+莽▲計算方法為：依照圍護結構的材料分層，逐層計算。 二"B1+5 1+秘圍護結構的熱惰性指標?當圍護結構的表面受到周期性熱作用后，溫度波將向結構內部傳遞，同時不斷衰減，直到背波面（如波動熱作用在外側，則指內表畫。熱惰性指標是表明背波面上溫度波衰減程度的一個主要數值，它表明圍護結構抵抗周期性溫度波動的能力。▲對單一材料圍護結構，熱惰性指標為材料熱阻與材料蓄熱系數的乘積。表示為：▲對多層材料的圍護結構，熱惰性指標為各材料層熱惰性指標之和：反、&分別為各材料層的熱阻和蓄熱系數。▲圍護結構中空氣層的蓄熱系數（￡）為0，該層熱惰性指標口為0。?溫度波的衰減與熱惰性指標的關系。材料層的熱惰性指標愈大，說明溫度波在期間的衰減愈大。溫度波的衰減與材料層的熱惰性指標是呈指數函數關系。式中:J-溫度波在x層處的衰減度（衰減倍數）；凡----波動熱作用表面的溫度波動振幅，°C；丹----x層的溫度波動振幅，C。舀----自然對書的底，召=2.71828。?溫度振幅衰減倍數達到2時，稱這層材料為“厚”層，或“劇烈波動層”，如衰減倍數為2,則D值需等于1，由此得出以熱惰性指標D是否大于1作為材料層是否為“厚”層的判斷。如200mm厚加氣混凝土D值為3.263,370mm厚的磚墻D值為4.856，在同樣條件下，后者的內表面溫度波動小，溫度較穩定。3.4.4諧波熱作用下平壁的傳熱計算?計算要解決的問題：?當圍護結構一側或兩側同時受到周期波動的熱作用情況下，計算要解決的問題是：求圍護結構內表面的溫度。內表面的溫度是熱工設計主要關心的問題。▲如果平壁兩側（室內、外）分別受到諧波熱作用，其熱作用分別用下式表示：TOC\o"1-5"\h\z-- （360t=八+孔?