建筑物理第二讲建筑热环境基础知识11

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轻型成型材绝热
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轻型成型材绝热
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2.3 对流和表面对流换热
a) 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大，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。 b）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 之间的接触进行导热的过程。
对流换热系数， 见P18公式
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表面对流换热
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。
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2.4 辐射换热
2.4.1辐射换热的特点:
是发射体的热能变为电磁波辐 射能，被辐射的物体又将所接 受的辐射能转换成热能，温度 越高，热辐射愈强烈。
透明物体。建筑材料多数为灰体。
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2.4.3反射系数
•对于多数不透明的 物体来说，对外来 入射的辐射只有吸 收和反射，既吸收 系数与反射系数之 和等于1。吸收系数 越大，则反射系数 越小。
•擦光的铝表面对各种波长的辐射反射系数都很大，黑色表面对
各种波长辐射的反射系数都很小；白色表面对波长为2μm以下
密度界限。（20℃时玻璃棉的密度界限为 50-60kg/m3）
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隔热保温材料----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＜0.3 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：
轻质成型材绝热
空气层绝热
反射绝热
的辐射反射系数很大，波长6 μm以上的辐射反射系数又很小，
接近黑色表面。这种现象对建筑表面颜色和材料的选用有一定
的影响。
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2.4.4）斯蒂芬-波尔兹曼定律
黑体的全辐射力：
黑体不但能将一切波长的外来辐射完全吸 收，也能向外发射一切波长的辐射。在单位表 面积、单位时间以全波段（波长λ=0~∞） 向半球空间辐射的全部能量，称为黑体的全辐 射力。
第二讲：建筑热环境基础 知识
Zhang-Xiuxin
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本讲主要内容：
2.1、 建筑中的传热现象 2.2、围护结构传热方式之一：导热 2.3 、围护结构传热方式之二：对流 2.4 、围护结构传热方式之三：辐射 2.5、建筑围护结构的传热过程
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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
0.34，温度的影响一般可以忽略不计。
•不同表面状况：常温下抛光的黄铜：0.17，
无光泽的表面1.25
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辐射系数： •各种物体的辐射系数是由实验确定的，（可以查表，辐射系 数值和各种物体对太阳辐射的吸收系数值，如红砖、混凝土、 深色油漆辐射系数分别为5.27、4.82、5.39等）。
在一定温度下（长波辐射）， 物体对辐射热的吸收系数在 数值上与其黑度（发射率） 相等，即物体辐射能力越大， 它对外来辐射的吸收能力也 越大；反之若辐射能力越小， 则吸收能力也越小。
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导热系数与温度、湿度、和密度的关系
b）湿度的影响 各种材料与潮湿的空气接触后，材料总会吸收一些
水分，材料受潮后，由于孔隙中有了水分，增加了水 蒸气扩散的传热量，还增加了毛细孔中液态水分所传 导的热量，导热系数将显著增大。 水和冰的导热系数分别为0.58 W/（m ·K）、 2.33, W/（m ·K）都远大于空气的导热系数 （0.03 W/（m ·K） ），因此水或冰取代孔隙中 的空气必然使其导热系数加大。
一个物体对外来的入射辐射可 以有反射、吸收、和透射3种情 况，他们与入射辐射的比值分 别叫作物体对辐射的反射系数 γ、吸收系数ρ、透射系数τ。 以入射辐射为1，则有γ＋ρ＋τ ＝１
不透明的物体τ＝０则有
γ＋ρ＝１
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太 阳 辐 射 的 电 磁 波
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太阳辐射的电 磁波，其中， 可见光区段的 辐射能约占总 辐射能的52%。
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c）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
qc ct
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隔热保温材料----绝热材料
绝热材料的选用 主要性能达到以下指标： •导热系数不易大于 0.25W/(m.K) •表观密度不宜大于
600Kg/m3 •抗压强度不低于0.3MPa •耐久性
常用的绝热材料
•有机材料 绝热性能好，耐热性
差，易腐朽。
•无机材料
纤维材料、粒状材料和 多孔材料。
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a)轻型成型材绝热
max
2898 T
单色辐射力为最大值的波长，
•黑体的温度越高，其最大辐射力的波长愈短，如太阳相当于温 度为6000K的黑体辐射，其最大辐射力波长为0.5μm ；而16℃ 左右的常温物体发射的最大辐射力波长约在10 μm 。 33
黑体辐射的光谱曲线
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2.4.6）灰体 黑度
灰体的辐射特性与黑体近似，但在同温度下其全辐射 力低于黑体。工程上为了便于计算，将多数建筑材料 视为灰体。
用 E b表示黑体的全辐射力, 单位W/m2 ；
Eb
Cb
Tb
4
100
Cb 5.68W/ m2 •K4
（黑体的辐射系数）
T 黑体表面的绝对温度，K 32 b
2.4.5）普朗克定律
•该定律表明了黑体的单色辐射力 与其绝对温度和波长之间的函数 关系。黑体单色辐射力的最大值 随着黑体温度升高而向波长较短 一边移动，对应于这一辐射力为 最大值的波长与黑体绝对温度的 关系用公式表示：
导热系数： 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1m2截面积的导热量。 导热系数大，表明材 料的导热能力强。
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导热系数（ λ ）
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。可查书后附表
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太阳辐射的电磁波，其中，可见光区段的辐射能约占
总辐射能的52%。
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2.4.2 黑体 白体 灰体
为了方便研究，在理论上分为黑体、白体、 灰体。
黑体：对外来辐射全吸收的物体，ρ＝１ 白体：对外来辐射全反射的物体， γ＝１ 透明体：对外来辐射全透过的物体τ＝１ 灰体：自然界中介于黑体与白体之间的不
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砖砌体和加气混凝土的导热系数与湿度的关系
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导热系数与温度、湿度、和密度的关系
c）密度的关系 密度即 单位体积的材料重量，密度小的材料
内部孔隙多，由于空气导热系数很小，故密度小 的材料导热系数也小，良好的保温材料多是孔隙 多、密度小的轻质材料。但，当密度小到一定程 度后，再加大孔隙，大的孔隙中空气对流作用增 强，对流换热增加，加大了材料的导热能力。因 此，轻型（如纤维）材料有一个最低导热系数的
就会有传热现象，热能由高温部位传至低 温部位---围护结构的传热。 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.
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辐射 对流 导热
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：
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） （空气的2000倍），门窗铝合金则大到162，是聚苯乙烯泡沫塑料 （导热系数为0.042）的5400倍。
用公式表示： q t
n
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
t －－等温面温度在其法线方向上的变化率叫温度梯度
n
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。
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导热系数
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
tfx,y,z, .
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
t f x
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b）温度梯度
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2Fra Baidu bibliotek1.3 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。
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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。
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。
Iimt t n0 n n
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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(m2 )，单位时间内 通过的热量为dQ(w)
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2.4.7）玻璃的温室效应
常用的普通玻璃一般为透明材料，它只对波长为 0.3~2.5μm的可见光和近红外线有很高的透过率， 而对波长为4μm以上的远红外辐射的透过率却很 低。
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。
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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。
a）温度的影响 温度升高时，分子运动加强，使实体
部分的导热能力提高；同时，空隙中的 对流、导热和辐射能力也加强，从而材 料的导热系数增加。
灰体的全辐射力计算公式：
E C T
4
100
E——灰体全辐射力，
C——灰体的辐射系数 W / m 2
T——灰体的绝对温度，WK/ m 2 • K 4
黑度：黑度又称发射率，是物体辐射系数与黑体辐射系数之 比。黑体的黑度为1，其他物体黑度均小于1。用公式表示：
C
Cb
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辐射系数: C ，单 W /m 位 2k4 ：
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。
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•太阳辐射照射的热量， 有20~30%被反射
• 暖气片辐射热，与空气接触 传热，被加热的空气变轻产生 对流，通过对流将热量传向室 内各处。
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
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1） 温度场 温度梯度 热流密度
•辐射系数：可以表征物体向外发射辐射热能力的高低。各 种物体（灰体）的辐射系数均小于黑体。其数值大小取决 于材料的种类、表面温度和表面状况。辐射系数只与发射 辐射热的物体本身有关，而与外界条件无关。
•不同种类材料：常温下白色大理石：5.39，
镀锌铁皮：1.30
•不同温度同一材料：抛光的铝50℃为0.23， 500℃为
如果热流密度在面积F上均 匀分布则热流量为右式。
q dQ W /m dF
dQ qdF
Q F qdF
Q qF
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2） 傅立叶定律
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：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。