第十四章章  建筑热工与节能

建筑热工学的主要任务是以热物理学、传热学和传质学作为理论基础，应用已揭示的传热、传质规律，通过规划和建筑设计上的手段有效地防护和利用室内、外气候因素，合理地解决建筑设计中围护结构的保温、隔热和防潮等方面的间题，以创造良好的室内气候条件，节约能源并提高围护结构的耐久性

第一节  传热的基本知识

一、传热方式

热量的传递称为传热。根据传热机理的不同，传热的基本方式分为导热、对流和辐射。

(一)导热(热传导)

导热是指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体直接接触而发生的传热现象

1．傅立叶定律

导热基本定律，即傅立叶定律的数学表达式为：

          （1-1）

式中  q——热流密度（热流强度），单位时间内，通过等温面上单位面积的热量，单位为w/m²温度梯度，温度差△t与沿法线方向两个等温面之间距离△n的比值的极限，单位为k/m

      λ——材料的导热系数，单位为w/(m·k) 均质材料物体内各点的热流密度与温度梯度成正比， 但指向温度降低的方向。式(1-1)中的负号表示热量的传递方向和温度梯度的方向相反。

图1-1  等温面示意图

 

2．导热系数

表征材料导热能力大小的量是导热系数，单位是w/（m·k）。其数值是物体中单位温度降度（即1m厚的材料的两侧温度相差1^oc时），单位时间内通过单位面积所传导的热量。

各种材料导热系数入的大致范围是：

    气体：    0.006～0.6 w/（m·k）

    液体：   0.07～0.7 w/（m·k）

    金属：    2.2～420 w/（m·k）

建筑材料和绝热材料：0.025～3 w/（m·k）

空气在常温、常压下导热系数很小，所以围护结构空气层中静止的空气具有良好的保温能力。

 

材料的导热系数不但因物质的种类而异，而且还和材料的温度、湿度、压力和密度等因素有关。而影响导热系数主要因素是材料的密度和湿度。

（1）密度。一般情况下，密度小的材料导热系数就小，反之就大。但是对于一些密度较小的保温材料，特别是某些纤维状材料和发泡材料，当密度低于某个值以后，导热系数反而会增大。在最佳密度下，该材料的导热系数最小。

（2）湿度。建筑材料含水后，水或冰填充了材料孔隙中空气的位置，导热系数将显著增大，在建筑保温、隔热、防潮设计时，都必须考虑到这种影响。

（3）温度。大多数材料的导热系数随温度的升高而增大，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。

（4）热流方向。各向异性材料（如木材、玻璃纤维），平行于热流方向时，导热系数较大，垂直于热流方向时，导热系数较小。

 

对流

(二)对流

对流传热只发生在流体(液体、气体)中，它是因温度不同的各部分流体之间发生相对运动，互相掺合而传热能的。由于引起流体流动的动力不同，对流的类型可分为自然对流和受迫对流：

（1）自然对流：由于温度的不同引起的对流换热。

（2）受迫对流：由外力作用形成的对流。受迫对流在传递热量的强度方面要大于自然对流。

在建筑热工中所涉及的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，也包括空气分子之间和相互接触的空气分子与壁面分子之间的导热过程。这种对流与导热的综合过程称为表面的“对流换热”。它的基本计算式为牛顿冷却公式：

                           （1-2）

式中    q_c——对流换热强度，w/m²

        α_c——对流换热系数，w/(m²·k)

          t——流体主体部分温度，k

        θ——固体壁面温度，k

对流换热量取决因素：温度差、物体表面状况等。

空气同屋顶和墙壁的表面之间的稳定相差越大，对流换热量越多；表面越光滑，对流越顺畅，换热量越多。

 

辐射

(三)辐射

   由于自身温度或热运动的原因而激发产生的电磁波传播称为热辐射。

1．热辐射的本质和特点

（1）辐射换热与导热、对流换热不同，它不依靠物质的接触而进行热量传递。

（2）辐射换热过程伴随着能量形式的两次转化，即物体的部分内能转化为电磁波能发射出去，当此电磁波能射到另一物体表面而被吸收时，电磁波能有转化成内能。

（3）一切高温物体只要温度绝对零度（0k），都会不断发射热射线，当物体有温差时，高温物体辐射给低温物体的能量多于低温物体辐射给高温物体的能量。

 

2．物体的辐射特性

物体按其辐射特性分为黑体、灰体和选择性辐射体（非灰体）三大类。

（1）黑体：能发射全波段的热辐射，在相同的温度条件下，辐射能力最大。

（2）灰体：如果—个物体在每一波长下的单色辐射力与同温度、同波长下黑体的单色辐射力的比值为—常数，这个物体称为灰体。一般建筑材料均可看作为灰体。灰体的辐射本领e_λ与同温度下黑体的辐射本领e_λ，b的比值称为黑度（发射率）ε。

                               （1-3）

 

（3）选择性辐射体 (非灰体)：此类物体的单色辐射力与黑体、灰体截然不同，有的只能发射某些波长的辐射线。

（4）全辐射力e(辐射本领，全辐射本领)：在单位时间内、从单位表面积上以波长0～∞的全波段向半球空间辐射的总能量，单位：w／㎡，

黑体的全辐射能力e_b(斯蒂芬—波尔兹曼定律)，可表示为：

                            （1-4）

式中  t_b——黑体的绝对温度，k。

      σ_b——黑体辐射常数，5.68x10^—8w／(㎡·k⁴)，

      c_b——黑体辐射系数，5.68w／(㎡·k⁴)

灰体的辐射能力e

           （1-5）

  式中  t——灰体的绝对温度，k；

        c——灰体辐射系数，w／(㎡，k⁴)；

        ε——灰体的黑度。

物体表面向外辐射热量的多少，是物体的表面温度和辐射能力来决定的。表面温度越高，辐射的热量越多，辐射能力越强。辐射系数c表示物体表面的辐射能力，一般粗造的表面辐射力大，光滑的表面辐射力小。

（5）单色辐射力e_λ（单色辐射本领）：单位时间内从单位表面积向半球空间辐射出的某一波长的能量，单位：w/(m²·μm)。

 

3.物体对外来辐射的反射、吸收和透射

图1-2  物体对辐射热的吸收、反射和透射示意图

 

(1)反射系数r：被反射的辐射能ir与入射辐射能i_o的比值。

                               （1-6）

(2)吸收系数ρ：被吸收的辐射能i_ρ，与入射辐射能i_o的比值。

                               （1-7）

(3)透射系数 ：被透射的辐射能i 与入射辐射能i_o的比值。

                                   （1-8）

显然，                                          （1-9）

 

如果物体能全部吸收外来射线，即ρ=1则这种物体被定义为黑体(绝对黑体)；如果物体能全部反射外来射线，即r=1，不论是镜面反射还是漫反射，均称为白体(绝对白体)； 如果物体能将外来辐射全部透过，即τ＝1。则称透明体4.

 影响材料吸收率、反射率、透射率的因素材料的吸收系数、反射系数、透射系数是物体表面的辐射特性，与物体的性质、温度及表面状况有关，还和投射能量的波长分布有关。对于任一特定的波长，材料表面对外来辐射的吸收系数与其自身的发射率或黑度在数值上是相等的，即ρ=ε，所以材料的辐射能力越大，它对外来辐射的吸收能力也越大。常温下，一般材料对辐射的吸收系数可取其黑度值，对来自太阳的辐射，材料的吸收系数并不等于物体表面的黑度。物体对不同波长的外来辐射的反射能力不同，对短波辐射，颜色起主导作用；但对长波辐射，材性(导体还是非导体)起主导作用。在阳光下，黑色物体与白色物体的反射能力相差很大，白色反射能力强；而在室内，黑、白物体表面的反射能力相差极小。对于建筑物来说，外围护的外表面涂成白色或浅色，而且做的光滑，可以减少对太阳辐射热的吸收，对防热是有好处的。玻璃作为建筑常用的材料属于选择性辐射体，其透射率与外来辐射的波长有密切的关系。易于透过短波而不易透过长波是玻璃建筑具有温室效应的原因。

 

5.辐射换热量

物体之间，以辐射形式进行热量交换称为辐射换热。如散发的热量多于接受的热量，物体表面温度就下降，反之得多于失，表面温度就上升。两表面间的辐射换热量主要与表面的温度、表面发射和吸收辐射的能力、表面的几何尺寸与相对位置有关。

若不计两表面之间的多次反射，仅考虑第一次吸收的前提下，任意两表面的辐射换热量的通式为

     （1-10）

 

    式中  q_1－2——辐射换热热流密度，w／㎡；

          θ₁——表面1的温度，k；

          θ₂——表面2的温度，k；

          α_r——辐射换热系数，w／(㎡·k)。

辐射换热系数α_r取决于表面的温度、表面发射和吸收辐射的能力、表面的几何尺寸与相对位置。

上述三种基本传热方式，在建筑传热过程中，都会以二种或者三种方式同时出现。不过，在一定条件下以某种传热方式为主。