建筑圍護結構的傳熱原理及計算

一、穩定傳熱

在穩定溫度場中所進行的傳熱過程稱為穩定傳熱。

(一)一維穩定傳熱的特點

1.通過平壁內各點的熱流強度處處相等;

2.同一材質的平壁內部各界面溫度分布呈直線關系。

(二)通過平壁的穩定導熱

1.通過單層均質平壁的穩定導熱

2.通過多層均質平壁的穩定導熱

3.通過組合壁的導熱熱阻

由兩種以上材料構成的同一材料層稱為組合壁，又稱非均質材料層。

(三)通過平壁的穩定傳熱

2.總熱阻與傳熱系數的計算

(1)傳熱阻(總熱阻)

傳熱阻是熱量從平壁一側空間傳至另一側空間時所受到的總阻力，它是衡量圍護結構在穩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的不同，它實際上是在一個有限空間內的兩個表面之間的熱轉移過程，包括對流換熱和輻射換熱，而非純導熱過程，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有關。

封閉空氣間層的熱阻值通常可查《民用建筑熱工設計規范確定。

(五)平壁內的溫度分布

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

二、周期性不穩定傳熱

(一)周期性不穩定傳熱

當外界熱作用(氣溫和太陽輻射)隨時間呈現周期性變化時，圍護結構進行的傳熱過程為周期性不穩定傳熱。

(二)簡諧熱作用

簡諧熱作用指當溫度隨時間的正弦(或余弦)函數作規則變化時圍護結構所受到的熱作用。

(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部，溫度波動的振幅逐漸減小，這種現象叫做溫度波的衰減。

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

溫度波在傳遞過程中出現的衰減和延遲現象，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構的熱特性指標

1.材料的蓄熱系數S

材料的蓄熱系數：當某一均質半無限大物體一側受到簡諧熱作用時，迎波面(受到熱作用的一側表面)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，用S24表示，各種材料的蓄熱系數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)均質材料層的熱惰性指標

1)單層結構

2)多層結構：由多層材料構成的圍護結構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

對有限厚度的單層或多層平壁，當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有關，還與邊界條件有關，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、蓄熱系數或表面的熱轉移系數有關。為此，對有限厚度的材料層，使用材料層表面的蓄熱系數表示各材料層界面處熱流的振幅與表面溫度波的振幅比，從本質上說，材料層表面的蓄熱系數的定義與材料的蓄熱系數的定義是相同的。

根據溫度波前進的方向，材料層表面的蓄熱系數分為材料層內、外表面的蓄熱系數。

當某層材料的熱惰性指標D≥1時，材料層表面的蓄熱系數可近似按該層材料的蓄熱系數取值，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表面的總衰減度和總相位延遲

(1)總衰減度(總衰減倍數)

總衰減度：室外溫度諧波的振幅與由其引起的平壁內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——在外側溫度諧波的作用下引起的內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，平壁內表面出現最高溫度值時的相位與室外溫度諧波出現最高溫度值時的相位差。

式中φc——室外空氣溫度諧波出現最高溫度值時的相位，deg;

Φif，e——在室外溫度諧波作用下，平壁內表面出現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，平壁內表面出現最高溫度值的時間與室外溫度諧波出現最高溫度值的時間差。在建筑熱工設計中，更習慣于用總延遲時間評價圍護結構的熱穩定性。

2.室內溫度諧波傳至平壁內表面的衰減度和相位延遲

(1)室內溫度諧波傳至平壁內表面的衰減度yi

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

式中Ai——室內空氣溫度諧波的振幅，℃;

Aif，i——在室內溫度諧波的作用下引起的內表面溫度波動的振幅，℃。

(2)室內溫度諧波傳至平壁內表面的相位延遲νi

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

式中φi——室內空氣溫度諧波出現最高溫度值時的相位，deg;

Φif，i——在室內溫度諧波作用下，平壁內表面出現最高溫度值時的相位，deg.

(3)室內溫度諧波傳至平壁內表面的延遲時間扎

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

當圍護結構的構造設計完成后，即可根據組成圍護結構各材料層的厚度、材料的熱阻、材料的蓄熱系數計算出圍護結構的衰減度、相位延遲和延遲時間。