第二讲：建筑热环境基础知识

4、导热系数
• 导热系数是反映材料导热能力的主要指标。 • ●导热系数（λ）的物理意义：在稳定传热 状态下当材料厚度为1m、两表面的温度差 为1℃（1K）时，在一小时内通过1截面积 的导热量 • • ●各种物质（气体、液体、固体）的导热 系数数值范围和性质有所不同，它还与当 时的压力、温度、密度、含湿量有关。
• 2.2.2 导热 • ●导热：直接接触的物体由于有温度差时， 质点作热运动而引起的热能传递过程。 • ●在固体、液体、气体中都存在导热现象。 其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（固体）中的热传 递为导热过程 • ▲温度场 温度梯度 热流密度
• 气体的导热系数最小，如常温常压下空气 的导热系数为0.029 W/（m· K），静止不动 的空气具有很好的保温能力。液态的导热 系数大于空气，如水在常温常压下，其导 热系数为0.58 W/（m· K），为空气的20倍。 金属的导热系数最大，如建筑钢材导热系 数为58.2 W/（m· K）。非金属固体材料， 如大部分建筑材料，导热系数一般低于金 属材料，介于0.023~3.49 W/（m· K）之间。
5、绝热材料
• • • • • • • • • • • • • • 绝热材料 ●导热系数越小，说明材料越不易导热。工程上常将导热系数λ＜0.25 W/（m· K）的材 料称为隔热保温材料或绝热材料。如矿棉、泡沫塑料等。 ●绝热材料可以归纳为三类： ①.轻型成型材绝热 ▲轻型成型绝热材料分为无机材料和有机材料，其的导热系数及应用见下表（表3-1） ②.空气层绝热（air space insulation ） ●在没有对流的条件下，厚边界空气膜具有高热阻性能。常见的形式： ▲轻型墙面空气间层； ▲窗帘与墙面空气间层； ▲双层、三层、四层玻璃间空气间层。 ③.反射绝热材料（reflective insulation） ●利用磨光金属表面的高反射性与低发射性减少热传递。 ▲铝箔做成单层卷材用作屋顶衬垫和墙布。 ▲用格网将多层铝箔隔开做成多层铝箔绝热层，安装后可得到附加的空气间层。
• A）温度场：在某一时刻物体内各点的温度分布。 • ▲热量传递与物体内部温度的分布密切相关。温 度 t是空间坐标x y z和时间τ的函数即 • ▲不稳定温度场：温度分布随时间而变 • ▲稳定温度场：温度分布不随时间而变 • ▲一维温度场：温度只沿x一个坐标轴发生变化 • B）温度梯度 • ▲等温面：温度场中同一时刻有相同温度各点连 成的面。 • ▲温度梯度：温度差△t与沿法线方向两等温面之 间距离△n的比值的极限。
• 表面对流换热
第二章重点
• 1 、建筑围护结构的传热过程 • ●房屋围护结构时刻受到室内外的热作用， 不断有热量通过围护结构传进传出。在冬 季室内温度高于室外，热量由室内传向室 外；在夏季则正好相反，热量由室外传向 室内。
• 2、建筑围护结构热转移方式 • ●热量的传递称传热。在自然界中，只要存在着 温差，就会有传热现象，而且热能是由温度较高 的部位传至温度较低的部位，其方式有辐射、对 流和导热三种。 • ▲传导（Conduction），是固体内热转移的主要 方式 • ▲对流（Convection），是流体即液体与气体内 热转移的主要方式 • ▲辐射（Radiation），是自由空间热转移的主要 方式
• 用公式表示： • q－－单位时间、单位面积上通过的热量， 又称热流密度或热流强度 • －－等温面温度在其法线方向上的变化率 叫温度梯度 • λ－－表示材料导热能力的系数，称导热系 数 • 负号是因为热流有方向性，是以从高温向 低温方向流动为正值;温度也是一个向量， 以从低到高为正，二者相反。
• 导热系数 • ●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。导热 系数大，表明材料的导热能力强。 • ●其物理意义：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1截面积的导热量。 • ●各种物质的导热系数，均由实验确定。以金属的导热系 数最大，非金属和液体次之，气体最小。 • ●各种材料的λ值大致范围是：气体为0.006~0.6；液体为 0.07~0.7；建筑材料和绝热材料为0.025~3；金属为 2.2~420。 导热系数小于0.25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。 • ●影响导热系数数值的因素：物质的种类（液体、气体、 固体）、结构成分、密度、湿度、压力、温度等。
第二讲：建筑热环境基础知识
• 2.1 建筑中的传热现象 • 2.1.1 传热：热量的传递 • ●在自然界中，只要存在温差就会有传热现象，热能由高 温部位传至低温部位。 • 2.1.2传热方式 • ●有三种:辐射、对流和导热。建筑物的传热大多是三种 方式综合作用的结果. • ▲辐射：把热量以电磁波的形式从一个物体传向另一个物 体的现象。凡温度高于绝对零度的物体，都可以发射同时 也可以接受热辐射。 • ▲对流：流体与流体之间、流体与固体之间发生相对位移 时所产生的热量交换现象。 • ▲导热：同一物体内部或相互接触的两物体之间由于分子 热运动，热量由高温处向低温转移的现象。
2.2.3 对流和表面对流换热
• ①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。空气的自然对流是由于空气温度愈高密 度愈小，当环境中存在空气温差时，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。 • ▲受迫对流：由于外力作用（如风吹泵压）而迫 使流体产生对流。外力愈大，对流速度愈大。 • ②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。
③表面对流换热
• ▲表面对流换热：在空气温度与物体表面的温度不等时， 由于空气沿壁面流动而使表面与空气之间所产生的热交换。 • ▲表面对流换热量取决因素：温度差、热流方向（从上到 下或从下到上，或水平方向）、气流速度、物体表面状况 （形状粗糙程度）等。 • ▲表面对流换热量的表示式：－－牛顿公式 ▲对平壁表 面，当空气温度t与壁表面温度θ一定时，表面对流换热量 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、紊流区。 • ▲在层流区内以空气导热传递热量。
• 3、 围护结构的传热过程和传热量 • ●传热有3个基本过程，即：表面感热、构件传热、表面 散热，主要传热方式见表： • ▲表面吸热----冬季内表面从室内吸热，夏季外表面从室 外空间吸热； • ▲结构传热----热量由高温表面传向低温表面； • ▲表面放热----冬季外表面向室外空间散发热量，夏季内 表面向室内散热。 • 每一个传热过程都是三种基本传热方式的综合过程。 • 表面吸热和表面放热的机理是相同的，称为“表面换热”
• • • • • • • • 2.2.1 建筑中的热平衡 ●建筑的得热和失热主要包括十个方面 ●得热部分有五个方面: 1)通过墙和屋顶的太阳辐射得热 2)通过窗的太阳辐射得热 3)居住者的人体散热 4)电灯和其他设备散热 5)采暖设备散热
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●失热部分有五个方面: 6)通过外围护结构的传热和对流辐射向室外散热 7)空气渗透和通风带走热量 8)地面传热 9)室内水分蒸发，水蒸汽排出室外所带走的热量 10)制冷设备吸热 ▲为取得建筑中的热平衡，让室内处于稳定的适 宜温度中，在室内达到热舒适环境后应以上各项 得热总和等于失热总和。即： 1+2+3+4+5=6+7+8+9+10
• C）热流密度（q） • ▲导热不能沿等温面进行，必须穿过等温面。 • ▲热流密度(q）：单位时间内，通过等温面上单 位面积的热量。等温面上面积元dF()，单位时间 内通过的热量为dQ(w) • ●导热基本方程－－傅立叶定律： • ●物体内导热的热流密度的分布与温度分布有密 切关系。 • ●傅立叶定律内容：匀质材料内各点的热流密度 与温度梯度的大小成正比。 或：描述成一个物体 在单位时间、单位面积上传递的热量与在其法线 方向的温度变化率成正比。
辐射、对流和导热传热方式 示意图
2.1.3 人的热传递
• ●为了保持体温，人体不间断的向周围环 境散发热量。 • ●人体与室内环境的换热也是同时以辐射、 对流、导热三种方式进行。 • ●人体的散热量决定于：室内空气温度、 风速、围护结构内表面温度。
不同活动的人体体温变化
2.2围护结构传热方式
结构传热
• ▲在建筑热工学中，结构传热只对平壁传热作叙述，平不仅包括平 直的墙壁、屋顶、地板，也包括曲率半径较大的墙、穹顶等结构。 • ▲本课程的结构传热只讨论一个方向的热流传递，即一维传热或单向 传热。 • ▲依据室内外温度的特点，结构传热分为两种方式： • • ①.稳定传热（恒定的热作用）： • ▲结构两侧（室内和室外）有温差，且室内温度和室外温度不随时间 而改变。 • ▲冬季采暖房屋，外围护结构的保温设计，一般按稳定传热计算。 • ②.不稳定传热（周期热作用）： • ▲结构两侧有温差，但温差方向的温度不是恒定而是随时间在变化。 • ▲在建筑上遇到的不稳定传热多属周期性不稳定传热，即热作用和结 构内部温度呈周期性变化。