2019年一級建筑師《建筑物理與設(shè)備》考點(2)

建筑圍護結(jié)構(gòu)的傳熱原理及計算

一、穩(wěn)定傳熱

在穩(wěn)定溫度場中所進行的傳熱過程稱為穩(wěn)定傳熱。

(一)一維穩(wěn)定傳熱的特點

1.通過平壁內(nèi)各點的熱流強度處處相等;

2.同一材質(zhì)的平壁內(nèi)部各界面溫度分布呈直線關(guān)系。

(二)通過平壁的穩(wěn)定導(dǎo)熱

1.通過單層均質(zhì)平壁的穩(wěn)定導(dǎo)熱

2.通過多層均質(zhì)平壁的穩(wěn)定導(dǎo)熱

3.通過組合壁的導(dǎo)熱熱阻

由兩種以上材料構(gòu)成的同一材料層稱為組合壁，又稱非均質(zhì)材料層。

(三)通過平壁的穩(wěn)定傳熱

2.總熱阻與傳熱系數(shù)的計算

(1)傳熱阻(總熱阻)

傳熱阻是熱量從平壁一側(cè)空間傳至另一側(cè)空間時所受到的總阻力，它是衡量圍護結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定傳熱條件下的一個重要的熱工性能指標，單位：㎡·K/W.

(四)封閉空氣間層的熱阻

1.封閉空氣間層的傳熱機理

封閉空氣間層的傳熱過程與固體材料層內(nèi)的不同，它實際上是在一個有限空間內(nèi)的兩個表面之間的熱轉(zhuǎn)移過程，包括對流換熱和輻射換熱，而非純導(dǎo)熱過程，所以封閉空氣間層的熱阻與間層厚度之間不存在成比例的增長關(guān)系，

2.影響封閉空氣間層熱阻的因素

封閉空氣間層的熱阻與間層表面溫度θ、間層厚度d、間層放置位置(水平、垂直或傾斜)、熱流方向及間層表面材料的輻射系數(shù)有關(guān)。

封閉空氣間層的熱阻值通常可查《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范確定。

(五)平壁內(nèi)的溫度分布

由上式可見，溫度隨距離的變化為一次函數(shù)，所以同一材料層內(nèi)的溫度分布為直線。在由多層材料構(gòu)成的平壁內(nèi)，溫度的分布是由多條直線組成的一條折線。

二、周期性不穩(wěn)定傳熱

(一)周期性不穩(wěn)定傳熱

當(dāng)外界熱作用(氣溫和太陽輻射)隨時間呈現(xiàn)周期性變化時，圍護結(jié)構(gòu)進行的傳熱過程為周期性不穩(wěn)定傳熱。

(二)簡諧熱作用

簡諧熱作用指當(dāng)溫度隨時間的正弦(或余弦)函數(shù)作規(guī)則變化時圍護結(jié)構(gòu)所受到的熱作用。

(三)相對溫度

相對溫度指相對于某一基準溫度的溫度，單位為K或℃。當(dāng)基準溫度為時，相對溫度表示為：

(四)平壁在簡諧熱作用下的傳熱特征

平壁在簡諧熱作用下的三個基本傳熱特征是：

1.室外溫度、平壁表面溫度和內(nèi)部任一截面處的溫度都是同一周期的簡諧波動。

2，從室外空間到平壁內(nèi)部，溫度波動的振幅逐漸減小，這種現(xiàn)象叫做溫度波的衰減。

3.從室外空間到平壁內(nèi)部，溫度波動的相位逐漸向后推進，這種現(xiàn)象叫溫度波的相位延遲。或者說溫度波出現(xiàn)最高溫度的時間向后推遲。

溫度波在傳遞過程中出現(xiàn)的衰減和延遲現(xiàn)象，是由于在平壁升溫和降溫的過程中，材料的熱容作用和熱量傳遞中材料層的熱阻作用造成的。

(五)簡諧熱作用下材料和圍護結(jié)構(gòu)的熱特性指標

1.材料的蓄熱系數(shù)S

材料的蓄熱系數(shù)：當(dāng)某一均質(zhì)半無限大物體一側(cè)受到簡諧熱作用時，迎波面(受到熱作用的一側(cè)表面)上接受的熱流振幅與該表面溫度波動的振幅比。它是表示半無限大物體在簡諧熱作用下，直接受到熱作用的一側(cè)表面，對諧波熱作用敏感程度的一個特性指標。

在同樣的周期性熱作用下，材料的蓄熱系數(shù)越大，表面溫度波動越小，反之波動越大。

通常建筑材料的S值為熱作用周期為24小時的蓄熱系數(shù)，用S24表示，各種材料的蓄熱系數(shù)可查建筑材料熱工指標表得出。

2.材料層的熱惰性指標D

材料層的熱惰性指標：表示具有一定厚度的材料層受到波動熱作用后，背波面上溫度波動劇烈程度的一個指標，它表明了材料層抵抗溫度波動的能力。

(1)均質(zhì)材料層的熱惰性指標

1)單層結(jié)構(gòu)

2)多層結(jié)構(gòu)：由多層材料構(gòu)成的圍護結(jié)構(gòu)的熱惰性指標為各層材料熱惰性指標之和。

(2)組合壁的熱惰性指標

3.材料層表面的蓄熱系數(shù)

對有限厚度的單層或多層平壁，當(dāng)材料層受到周期波動的熱作用時，其表面的溫度波動，不僅與本層材料的蓄熱系數(shù)有關(guān)，還與邊界條件有關(guān)，即在順著溫度波前進的方向，其后與該材料層接觸的另一種材料的熱阻、蓄熱系數(shù)或表面的熱轉(zhuǎn)移系數(shù)有關(guān)。為此，對有限厚度的材料層，使用材料層表面的蓄熱系數(shù)表示各材料層界面處熱流的振幅與表面溫度波的振幅比，從本質(zhì)上說，材料層表面的蓄熱系數(shù)的定義與材料的蓄熱系數(shù)的定義是相同的。

根據(jù)溫度波前進的方向，材料層表面的蓄熱系數(shù)分為材料層內(nèi)、外表面的蓄熱系數(shù)。

當(dāng)某層材料的熱惰性指標D≥1時，材料層表面的蓄熱系數(shù)可近似按該層材料的蓄熱系數(shù)取值，即Y=S.

(六)溫度波的振幅衰減和相位延遲

1.室外溫度諧波傳至平壁內(nèi)表面的總衰減度和總相位延遲

(1)總衰減度(總衰減倍數(shù))

總衰減度：室外溫度諧波的振幅與由其引起的平壁內(nèi)表面溫度諧波的振幅比。

式中Ae——室外空氣溫度諧波的振幅。

Aif，e——在外側(cè)溫度諧波的作用下引起的內(nèi)表面溫度諧波的振幅。

(2)總相位延遲φif—e

總相位延遲：在室外溫度諧波作用下，平壁內(nèi)表面出現(xiàn)最高溫度值時的相位與室外溫度諧波出現(xiàn)最高溫度值時的相位差。

式中φc——室外空氣溫度諧波出現(xiàn)最高溫度值時的相位，deg;

Φif，e——在室外溫度諧波作用下，平壁內(nèi)表面出現(xiàn)最高溫度值時的相位，deg.

(3)總延遲時間知

總延遲時間：在室外溫度諧波作用下，平壁內(nèi)表面出現(xiàn)最高溫度值的時間與室外溫度諧波出現(xiàn)最高溫度值的時間差。在建筑熱工設(shè)計中，更習(xí)慣于用總延遲時間評價圍護結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性。

2.室內(nèi)溫度諧波傳至平壁內(nèi)表面的衰減度和相位延遲

(1)室內(nèi)溫度諧波傳至平壁內(nèi)表面的衰減度yi

室內(nèi)溫度諧波傳至平壁內(nèi)表面的衰減度：室內(nèi)空氣溫度諧波的振幅與由其引起的平壁內(nèi)表面溫度諧波的振幅比。

式中Ai——室內(nèi)空氣溫度諧波的振幅，℃;

Aif，i——在室內(nèi)溫度諧波的作用下引起的內(nèi)表面溫度波動的振幅，℃。

(2)室內(nèi)溫度諧波傳至平壁內(nèi)表面的相位延遲νi

室內(nèi)溫度諧波傳至乎壁內(nèi)表面的相位延遲：在室內(nèi)溫度諧波的作用下，平壁內(nèi)表面出現(xiàn)最高溫度值時的相位與室內(nèi)溫度諧波出現(xiàn)最高溫度值時的相位差。

式中φi——室內(nèi)空氣溫度諧波出現(xiàn)最高溫度值時的相位，deg;

Φif，i——在室內(nèi)溫度諧波作用下，平壁內(nèi)表面出現(xiàn)最高溫度值時的相位，deg.

(3)室內(nèi)溫度諧波傳至平壁內(nèi)表面的延遲時間扎

室內(nèi)溫度諧波傳至平壁內(nèi)表面的延遲時間：在室內(nèi)溫度諧波作用下，平壁內(nèi)表面出現(xiàn)最高溫度值的時間與室內(nèi)溫度諧波出現(xiàn)最高溫度值的時間差。

當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計完成后，即可根據(jù)組成圍護結(jié)構(gòu)各材料層的厚度、材料的熱阻、材料的蓄熱系數(shù)計算出圍護結(jié)構(gòu)的衰減度、相位延遲和延遲時間。