1.3建筑围护结构传热基础知识

大学建筑物理

§1.3建筑围护结构传热基础知识 只要有温差，就会有热量的传递。 热量总是从高温物体传至低温物体，或从 物体的高温部分传至低温部分，温差是传 热的动力。 如：冬天,T室内>T室外，所以，室内 夏季，白天，室外 夜间，室内热能 高温和太阳辐射作用 热流 室外气温下降 热能

室外

室内 室外

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热量的传递称传热，其方式有辐射、对流和 导热三种。 建筑物的传热并非某一种传热方式单独进行， 而大多是辐射、对流、导热三种方式综合作 用的结果。 自然界中的传热过程无论对么复杂和多种多 样，都是这三种方式的不同组合。首先分别 研究这三种方式各自传热机理和规律，再考 虑它们的一些典型组合过程。

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1.3.1 导热 导热是指物体中有温差时，由于直接接触 的物质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。 纯粹的导热现象仅发生在理想的密实固体 中。在热工计算中，可以认为在固体建筑 材料中的热传递仅仅是导热过程。

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1)温度场、温度梯度和热流密度

①一般情况下，温度t是空间坐标x、y、z和 时间τ 的函数,即t = f(x,y,z,τ ) (1-10)

温度场：在某一时刻物体内各点的温度分布。 (1-10)式为温度场的数学表达式。

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a) t随τ 变，不稳定温度场。b) t不随τ 变，稳定温度场，t = f(x,y,z,) c) 一维稳定温度场：温度只沿x一个坐标轴 发生变化，t = f (x)。 d) 二维稳定温度场：t = f (x,y)。

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②等温面：温度场中同一 时刻有相同温度各点连成 的面。 等温面性质：ⅰ.等温面 上各点温度相同；ⅱ.温 度不同的等温面不相交。

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③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。叫做温度梯度。 表示为： t t lim n n 0 n

(1-11)

④由上，导热不能沿等温面进行，必须穿过 等温面，即沿着等温面的法线方向 。

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⑤ 热流密度

单位时间内，通过等温面上单位面积的热 量称为热流密度。dQ q (W / m 2) dF

(1-12)

由式(1-12)得dQ qdF 或 Q qdFF

W

(1-13)

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如果热流密度在面积F上均匀分布，则热流量 为： Q = q ·F (1-14)

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3)傅立叶定律

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，即 t q n W/m 2

(1-15)

λ—表示材料导热能力的系数，称导热系数， 恒为正。 负号——热流有方向性。

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4)导热系数 由(1-15)式q [W /( m K )] t n

(1-16)

导热系数大，表明材料的导热能力强。 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。

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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的材料叫保温材料(绝热 材料),如石棉制品，泡沫混凝土，不流 动的空气等。 空气的导热系数很小，不流动的空气就是 一种很好的绝热材料。

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如果材料含有气隙或气孔，λ值降低；含水性大， λ值增大。 导热系数还与温度有关，实验证明，大多数材料 的λ值与温度的关系近似直线关系，即λ=λ0+bt (1-17)

式中 λ 0——0℃时的导热系数；b——实验测定的 常数。 工程计算中，导热系数常取使用温度范围内的算 术平均值，并把它作为常数看待。

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1.3.2 对流

定义：对流只发生在流体中，是因温度不 同的各部分流体之间发生相对运动，互相 掺合而传递热能的。 促使流体产生对流的原因： 1.本来温度相同的流体，因其中某一部分 受热(或冷却)而产生温度差，形成对流 运动，称为“自然对流”。 2.因受外力作用(如风吹、泵压等)迫使 流体产生对流，称为“受迫对流”。

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自然对流的程度主要决定于各部分之间的 温度差。温差愈大则对流愈强。 受迫对流取决于外力的大小，外力愈大， 则对流愈强。 建筑热工中所涉及主要是空气沿围护结构 表面流动时，与壁面之间所产生的热交换 过程。→表面“对流换热” (空气流动引 起的对流、空气分子间和空气分子与壁面 分子之间的导热)。

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当流体沿壁面流动时，一 般情况下在壁面附近也就 是边界层内，纯在着层流 区、过渡区和紊流区三种 流动情况，如图所示。

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为确定表面对流换热量，可利用牛顿公式：

qC C (t )

(1-18)

式中 qc——对流换热强度，W/m2; t——流体的温度，℃; α c——对流换热系数，W/(m2· K); θ ——固体表面温度，℃。

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α C值取决于很多因数，是一个复杂的物理量。为简化起 见，在建筑热工学中，根据空气流动情况(自然对流或 受迫对流),结构所在位置(垂直、水平或倾斜),壁 面状况(有利或不利空气流动)采用一定的实用经验计 算公式。

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1.3.3 辐射 凡是温度高于绝对零度(0K即-273.15℃)的物体， 表面就会不停地向四周发射电磁波，同时又不断 地吸收其他物体投射来的电磁波。 如果这种辐射的波长范围为0.4~40μ m,就会有明 显的热效应。这种辐射与吸收的过程就造成了以 辐射形式进行的物体间的能量转移——辐射传热。 辐射传热与导热和对流有本质区别：以电磁波传 递热能。

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