第一章 建筑熱工學(xué)

　　第一節(jié) 建筑熱工學(xué)基本原理

　　一、傳熱方式

　　熱量的傳遞稱(chēng)為傳熱。

　　根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，傳熱的基本方式分為導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射。

　　(一)導(dǎo)熱(熱傳導(dǎo))

　　導(dǎo)熱是指溫度不同的物體各部分或溫度不同的兩物體直接接觸而發(fā)生的傳熱現(xiàn)象

　　1.傅立葉定律

　　導(dǎo)熱基本定律，均質(zhì)材料物體內(nèi)各點(diǎn)的熱流密度與溫度梯度成正比，即：

　　(1-1)

　　式中 q――熱流密度(熱流強(qiáng)度)，單位時(shí)間內(nèi)，通過(guò)

　　等溫面上單位面積的熱量，單位為W/m2

　　――溫度梯度，溫度差△t與沿法線(xiàn)方向兩個(gè)等溫面

　　之間距離△n的比值的極限，單位為K/m

　　λ――材料的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m?K)

　　圖1-1 等溫面示意圖

　　式(1-1)中的負(fù)號(hào)表示熱量的傳遞方向和溫度梯度的方向相反。

　　2.導(dǎo)熱系數(shù)

　　導(dǎo)熱系數(shù)是表征材料導(dǎo)熱能力大小的物理量。它的物理意義是，物體中單位溫度降度(即1m厚的材料的兩側(cè)溫度相差1oC時(shí))，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積所傳導(dǎo)的熱量。

　　應(yīng)該熟悉經(jīng)常使用的建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)。各種材料導(dǎo)熱系數(shù)入的大致范圍是：

　　氣體： 0.006～0.6

　　液體： 0.07～0.7

　　金屬： 2.2～420

　　建筑材料和絕熱材料：0.025～3

　　影響導(dǎo)熱系數(shù)的因素：物質(zhì)的種類(lèi)(液體、氣體、固體)、密度、濕度、壓力、溫度等。

　　而影響導(dǎo)熱系數(shù)主要因素是材料的密度和濕度。

　　密度。一般情況下，密度小的材料導(dǎo)熱系數(shù)就小，反之就大。但是對(duì)于一些密度較小的保溫材料，特別是某些纖維狀材料和發(fā)泡材料，當(dāng)密度低于某個(gè)值以后，導(dǎo)熱系數(shù)反而會(huì)增大。在最佳密度下，該材料的導(dǎo)熱系數(shù)最小。

　　濕度。建筑材料含水后，水或冰填充了材料孔隙中空氣的位置，導(dǎo)熱系數(shù)將顯著增大，在建筑保溫、隔熱、防潮設(shè)計(jì)時(shí)，都必須考慮到這種影響。

　　溫度。大多數(shù)材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大，工程計(jì)算中，導(dǎo)熱系數(shù)常取使用溫度范圍內(nèi)的算術(shù)平均值，并當(dāng)作常數(shù)。

　　熱流方向。各向異性材料(如木材、玻璃纖維)，平行于熱流方向時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)較大，垂直于熱流方向時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)較小。

　　(二)對(duì)流

　　對(duì)流傳熱之發(fā)生在流體(液體、氣體)中，是指因溫度不同的各部分流體之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，互相摻合而傳熱的現(xiàn)象。

　　由于引起流體流動(dòng)的動(dòng)力不同，對(duì)流的類(lèi)型可分為：

　　1.自由對(duì)流：由于溫度的不同引起的對(duì)流換熱。

　　2.受迫對(duì)流：由外力作用形成的對(duì)流。受迫對(duì)流在傳遞熱量的強(qiáng)度方面要大于自由對(duì)流。

　　在建筑熱工中所涉及的主要是空氣沿圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面流動(dòng)時(shí)，與壁面之間所產(chǎn)生的熱交換過(guò)程。這種表面的對(duì)流換熱的基本計(jì)算式為牛頓冷卻公式：

　　(1-2)

　　式中 qc――對(duì)流換熱強(qiáng)度，W/m2

　　αc――對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2?K)

　　t――流體主體部分溫度，K

　　θ――固體壁面溫度，K

　　對(duì)流換熱量取決因素：溫度差、物體表面狀況等。

　　(三)輻射

　　由于自身溫度或熱運(yùn)動(dòng)的原因而激發(fā)產(chǎn)生的電磁波傳播稱(chēng)為熱輻射。

　　1.熱輻射的本質(zhì)和特點(diǎn)

　　(1)不依靠物質(zhì)的接觸而進(jìn)行熱量傳遞。

　　(2)輻射換熱過(guò)程伴隨著能量形式的兩次轉(zhuǎn)化，即物體的部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電磁波能發(fā)射出去，當(dāng)此電磁波能射到另一物體表面而被吸收時(shí)，電磁波能有轉(zhuǎn)化成內(nèi)能。

　　(3)凡是溫度高于絕對(duì)零度(0K)的物體都能發(fā)射輻射能。

　　2.物體的輻射特性

　　物體按其輻射特性分為黑體、灰體和選擇性輻射體(非灰體)三大類(lèi)。

　　黑體：能發(fā)射全波段的熱輻射，在相同的溫度條件下，輻射能力最大。

　　灰體：如果―個(gè)物體在每一波長(zhǎng)下的單色輻射力與同溫度、同波長(zhǎng)下黑體的單色輻射力的比值為―常數(shù)，這個(gè)物體稱(chēng)為灰體。一般建筑材料均可看作為灰體?；殷w的輻射本領(lǐng)Eλ與同溫度下黑體的輻射本領(lǐng)Eλ，b的比值稱(chēng)為黑度(發(fā)射率)ε。

　　(1-3)

　　選擇性輻射體 (非灰體)：此類(lèi)物體的單色輻射力與黑體、灰體截然不同，有的只能發(fā)射某些波長(zhǎng)的輻射線(xiàn)。

　　全輻射力E(輻射本領(lǐng)，全輻射本領(lǐng))：在單位時(shí)間內(nèi)、從單位表面積上以波長(zhǎng)0～ 的全波段向半球空間輻射的總能量，單位：W/┫，

　　黑體的全輻射能力Eb(斯蒂芬―波爾茲曼定律)，可表示為：

　　(1-4)

　　式中 Tb――黑體的絕對(duì)溫度，K。

　　σb―黑體輻射常數(shù)，5.68x10―8W/(┫.K4)，

　　Cb一一黑體輻射系數(shù)，5.68W/(┫，K4)

　　灰體的輻射能力E

　　(1-5)

　　式中 T――灰體的絕對(duì)溫度，K;

　　C――灰體輻射系數(shù)，W/(┫，K4);

　　ε――灰體的黑度。

　　輻射系數(shù)C表示物體表面的輻射能力，一般粗造的表面輻射力大，光滑的表面輻射力小。

　　(5)單色輻射力Eλ(單色輻射本領(lǐng))：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)從單位表面積向半球空間輻射出的某一波長(zhǎng)的能量，單位：W/(m2?μm)。

　　3.物體對(duì)外來(lái)輻射的反射、吸收和透射

　　圖1-2 物體對(duì)輻射熱的吸收、反射和透射示意圖

　　(1)反射系數(shù)r：被反射的輻射能Ir與入射輻射能Io的比值。

　　(1-6)

　　(2)吸收系數(shù)ρ：被吸收的輻射能Iρ，與入射輻射能Io的比值。

　　(1-7)

　　(3)透射系數(shù) ：被透射的輻射能I 與入射輻射能Io的比值。

　　(1-8)

　　顯然， (1-9)

　　我們還可以用三個(gè)系數(shù)定義黑體、白體、透明體。

　　黑體(絕對(duì)黑體)：能將外來(lái)輻射全部吸收的物體，ρ=1;

　　白體(絕對(duì)白體)：能將外來(lái)輻射全部反射的物體，r=1。

　　透明體：能將外來(lái)輻射全部透過(guò)的物體，τ=1。

　　4. 影響材料吸收率、反射率、透射率的因素

　　材料吸收率、反射率、透射率與物體的性質(zhì)、溫度和表面狀況有關(guān)，還和透射能量按波長(zhǎng)的分布有關(guān)。

　　注意，對(duì)于任一特定的波長(zhǎng)，材料表面對(duì)外來(lái)輻射的吸收系數(shù)與其自身的發(fā)射率或黑度在數(shù)值上相等，即ρ=ε，所以材料的輻射能力越大，它的吸收能力也越大。

　　物體對(duì)不同波長(zhǎng)的外來(lái)輻射的反射能力不同，對(duì)短波輻射，顏色起主導(dǎo)作用;但對(duì)長(zhǎng)波輻射，材性(導(dǎo)體還是非導(dǎo)體)起主導(dǎo)作用。例如，在陽(yáng)光下，黑色物體與白色物體的反射能力相差很大，白色反射能力強(qiáng);而在室內(nèi)，黑、白物體表面的反射能力相差極小。

　　常溫下，一般材料對(duì)輻射的吸收系數(shù)可取其黑度值，對(duì)來(lái)自太陽(yáng)的輻射，材料的吸收系數(shù)并不等于物體表面的黑度。

　　玻璃作為建筑常用的材料屬于選擇性輻射體，其透射率與外來(lái)輻射的波長(zhǎng)有密切的關(guān)系。易于透過(guò)短波而不易透過(guò)長(zhǎng)波是玻璃建筑具有溫室效應(yīng)的原因。

　　5.輻射換熱量

　　物體之間，以輻射形式進(jìn)行熱量交換稱(chēng)為輻射換熱。兩表面間的輻射換熱量主要與表面的溫度、表面發(fā)射和吸收輻射的能力、表面的幾何尺寸與相對(duì)位置有關(guān)。

　　在不計(jì)兩表面之間的多次反射，僅考慮第一次吸收的前提下，任意兩表面的輻射換熱量的通式為

　　(1-10)

　　式中 q1-2――輻射換熱熱流密度，W/┫;

　　θ1――表面1的溫度，K;

　　θ2――表面2的溫度，K;

　　αr――輻射換熱系數(shù)，W/(┫?K)。

　　輻射換熱系數(shù)αr取決于表面的溫度、表面發(fā)射和吸收輻射的能力、表面的幾何尺寸與相對(duì)位置。

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