2015一级建筑师考试《建筑物理与设备》考点复习（3）
发布时间：2011/11/11 10:07:25 来源：城市学习网 编辑：ziteng
一、稳定传热
具有稳定温度场的传热过程叫做稳定传热。温度场随时间变化的传热过程叫做不稳定传热。
（一）通过平壁的稳定导热
在稳定导热情况下，可以认为各层材料本身既不发热也不蓄热，平壁内部既无热源也无热汇，由内表面进入平壁的热流密度毫无损耗地通过各个材料层，最后由外表面流出。
1.单层均质平壁的稳定导热
热阻是热流通过平壁时所受到的阻力，是平壁抵抗热流通过的能力。在同样温差下，导热热阻越大，通过平壁的导热热流密度就越小。反之，导热热阻越小，通过平壁的热流也就越大。
增大平壁层导热热阻的方法：
①加大平壁层的厚度
②选择导热系数较小的材料。
2.通过多层均质平壁的稳定导热
3.通过组合壁的稳定导热
由两种以上材料构成的材料层称为组合壁，又叫
非均质材料层，见图1—4.包括各种形式的空心砌块、
填充保温材料的墙体等，但不包括多孔黏土空心砖，
其平均热阻应按式（1—21）计算：
式中F1，F2…Fn—按平行于热流方向划分的各个传热面积，㎡；
Ro，1，Ro，2，…，Ro，n.—各个传热部位的传热阻，㎡·K/W；
φ—修正系数。
如果组合壁中出现圆孔，应首先将圆孔折算成相等面积的方孔，其他尺寸不变，再按上述方法计算。 [NextPage] （二）通过平壁的稳定传热
1.通过多层平壁传热的热流强度
2.传热阻于传热系数的计算
维护结构的传热阻R0表示维护结构两侧空气边界层共同阻抗热量传递的能力，等于传热过程中热流沿途所受到的阻力之和，即
3.平壁内的温度分布
在一维稳定传热条件下，通过平壁内各点的热流强度处处相等；同一材质的平壁内部各界面温度分布呈直线关系。同一材料层内任意一点的温度为：
由上式可见，温度随距离的变化为一次函数，所以同一材料层内的温度分布为直线。在由多层材料构成的平壁内，温度的分布是由多条直线组成的一条折线。
在稳定传热条件下围护结构温度分布有以下几个特征：
（1）因室内外空气温度是一定的，故空气温度分布是平直线；
（2）表面边界层内的温度分布是曲线，当空气温度高于表面温度时曲线向上凸，反之，则曲线向下凹；
（3）内部各个均质材料层本身的温度分布则是一条从高温界面坡向低温界面的折线，折点就在材料层的界面上，且各个折线段的坡度大小与材料的导热系数成反比。材料层的导热系数越小，在该层内的温度降落或升高的幅度就越大，该段折线也就越陡；反之，导热系数越大，该材料层内的温度降落或升高的幅度就越小，该段折线也就越平缓。 （三）封闭空气间层的热阻
空气层是一种特殊的构造形式。它广泛存在于墙体、屋顶、门窗和地面等构造之中，发挥其保温、隔热、防潮等作用。围护结构中的空气层厚度一般在5～300mm之间。空气层的传热过程和材料层导热或表面换热过程有着本质区别。
1.封闭空气间层的传热机理
对于封闭空气层来说，两个表面之间的传热过程同时包括了导热、对流与辐射三种传热方式。
对于常温下一般的空气层传热而言，三种传热方式中，辐射换热占的比例最大，通常为总传热量的70%以上，对流和导热共占30%以下。
2.影响空气间层热阻的因素
空气层热阻的大小主要受到空气层的表面温度、表面材料的辐射系数、厚度、放置位置（水平、垂直或倾斜）、密闭性的影响。在空气层的构造尺度范围内，辐射换热不受空气层厚度变化影响，只取决于空气层表面的辐射性质。但导热和对流却与辐射情况截然不同，对于很薄的如厚度小于20mm的空气层，热阻随厚度呈直线上升；而当厚度大于20mm以后，空气层的热阻也就不再随厚度的增大而增大了。水平空气层热流向上时的热阻小于热流向下时的热阻。
3.提高空气层热阻的措施
在空气层的表面上粘贴辐射系数小（即黑度小）、反射系数大的材料，比较典型的就是工程上常用的铝箔，但一般可作为保温用途的空气层多处于低温或负温条件下，为了不使空气层冷表面温度过低而发生结露现象，铝箔通常是粘贴到热表面上。理论和实践还证明，空气层双面贴铝箔与单面贴铝箔相比，对于提高热阻作用不大。 [NextPage] 二、周期性不稳定传热
（一）周期性热作用的概念
围护结构受到的室内外环境的热作用，都是随时间变化的。这决定着围护结构的温度和传热量也要随着时间而变化。这种传热过程称为不稳定传热。若外界热作用随时间呈现周期性变化，则叫做周期性不稳定传热。当温度随时间的正弦（或余弦）函数作规则变化时，围护结构所受到的热作用为简谐热作用，一般用余弦函数表示。
周期性热作用并不是严格按照余弦函数的规律变化的，太阳辐射造成的围护结构表面温度的周期性波动、室外空气的温度波动等都是如此。
（二）半无限大物体周期性传热的特征
半无限大物体，是指物体的一侧为一个平面，而另一侧可以延展到无限远的领域。比如大地的传热问题就是一个典型的半无限大物体传热，见图1—8.半无限大物体在周期性热作用下，其温度波的变化过程具有以下几个基本特征：
（1）空气温度te、表面温度θf、物体内部温度θx三者都是以同样的周期（T）波动。
（2）从空气温度te到表面温度θf再到物体内部温度θx，温度波幅是依次减小的，即有 Ae>Af>Ax，而在物体的内部，温度波幅Ax又是随着深度x的增加按照指数函数规律减小。
（3）从空气温度te到表面温度θf再到物体内部温度θx，在温度波的传播方向上各点的温度波相位是依次向后推延的。
（三）有限厚度平壁周期性传热的特征
相对于无限大物体来说，有限厚度物体的周期性传热规律会稍微复杂些，一个子壁在室外周期热作用下表现出以下几个特征：
（1）空气温度te，外表面温度乱θef、内表面温度θif三者都是以同样的周期（T）波动。
（2）从空气温度te到外表面温度θef再到内表面温度θif，温度波幅是依次衰减的，即有Ae>Aef>Aif
（3）从室外空气温度te到平壁外表面温度θef再到平壁内表面温度θif，沿着温度波的传播方向，各位置上的温度波相位是依次向后延迟的，即有φe<φef<φif.
温度波传递过程中出现的衰减和延迟现象，是由于在平壁升温和降温过程中，材料的热容作用和热量传递中材料层的热阻作用造成的。
（四）围护结构周期性传热过程的认识
围护结构一般都可以认为是有限厚度的平壁，如果按照室内外空气温度波动情况区分，则当室内空气温度保持恒定时（如空调房间），围护结构只是外侧受到周期波动的热作用，即单向谐波作用；当室内外的空气温度都做周期波动时（如自然通风房间），围护结构的两侧都要受到周期波动的热作用，即双向谐波作用。不论在哪种情况之下，整个周期传热过程都可分解成三个单一的传热过程，即单纯的稳定传热过程、单纯的外侧谐波作用过程和单纯的内侧谐波作用过程，对其分别计算，再把各个单一传热过程的计算结果叠加起来，就可得到周期热作用的综合结果。建筑热工设计主要关心的是围护结构内表面温度状况。
（1）单纯的稳定传热过程：是在围护结构内、外侧空气平均温度作用下所完成的稳定传热过程，其在内表面上形成的平均温度的计算方法按稳定传热计算；
（2）单纯的外侧谐波作用过程：假定室内侧的温度不变，单纯计算因外侧空气温度的波动量引起的内表面温度的波动量；
（3）单纯的内侧谐波作用过程：假定室外侧的温度不变，单纯计算因内侧空气温度的波动量引起的内表面温度的波动量。 （五）谐波作用下材料和围护结构的热特性指标
1.材料的蓄热系数
对匀质半无限大物体，一侧的空气温度作周期性的波动，那么，材料层表面的温度和热流也都要随之作同样周期的波动，此时用表面上的热流波幅Aq与表面温度波幅Aθ之比来表示材料蓄热能力的大小，称为材料的蓄热系数。蓄热系数是材料在周期性热作用下得出的一个热物理量，用S表示，单位是W/（㎡·K）。
2.热惰性指标D
材料层的热惰性指标是用来说明材料层抵抗温度波动能力的一个参量，用D表示，是一个无量纲的量。对于单一的材料层，其定义式为：
D=S·R（1—28）
式中D——材料层的热惰性指标；
S——材料层的蓄热系数，W/（㎡·K）；
R——材料层的热阻，㎡·K/W.
如果围护结构是由多层材料组成的，则其热惰性指标是由各材料层的热惰性指标相加而得出。如果围护结构的某层由几种材料组合时，则需先求出该材料层的平均热阻和平均蓄热系数，再计算热惰性指标。
热惰性指标的大小也能够很好地表明围护结构内部温度波幅衰减的快慢程度。D值越大，温度波幅衰减越快。重型围护结构抵抗外界空气温度波动的能力要比轻型结构强。空气层的D=0. [NextPage] 3.围护结构材料层表面的蓄热系数计算
围护结构在周期性热作用下表面温度的波动，不仅与材料本身的蓄热系数S有关，而且与边界条件有关，即在温度波前进的方向上，该材料层所接触的另一种材料或空气的热物理性能和散热条件，对其表面温度的波动也有影响。因此，对于有限厚度的材料层，用材料层的表面蓄热系数Y来表征材料表面对温度波动的反应。所谓材料层表面蓄热系数，系指在周期性热作用下，材料层表面温度升高或降低loC时，在单位时间内，单位面积表面储存或释放的热量。表面蓄热系数Y和蓄热系数S的定义式是相同的，都等于材料层表面的热流振幅与表面温度振幅之比。
根据温度波的前进方向，材料层表面的蓄热系数分为材料层内表面的蓄热系数Ym，i以及外表面的蓄热系数Ym…
当某一材料层的热惰性指标Dm≥1时，材料层表面的蓄热系数可近似按该材料层的蓄热系数取值，即Ym·e.
4.围护结构衰减倍数和延迟时间的计算
（1）室外温度波传到围护结构内表面时的衰减倍数γ0和延迟时间ξ0的计算
室外空气温度波传到围护结构内表面，要经历外表面空气边界层和各层材料层（包括空气间层）的振幅衰减和时间延迟过程。
衰减倍数：室外空气温度谐波的波幅Ae，与由其引起的平壁内表面的温度波幅Aif之比，称为温度波的穿透衰减倍数，简称为平壁的衰减倍数，用v0表示。
相位延迟：在室外空气温度谐波的作用下，平壁内表面出现最高温度值时的相位φif，e与室外温度谐波出现最高温度值时的相位φe之差，用φe-if表示。
延迟时间：在室外空气温度谐波的作用下，平壁内表面出现最高温度值的时间与室外温度谐波出现最高温度值的时间差，用ξ0表示。在建筑热工学中，习惯于用延迟时间评价围护结构的热稳定性。
（2）室内温度波传到围护结构内表面时的衰减倍数v0和延迟时间ξif的计算
室内空气温度波传到围护结构内表面，只经历一个内表面边界层的振幅衰减和时间延迟过程。
衰减倍数：室内空气温度谐波的波幅Ai与由其引起的平壁内表面的温度波幅Aif，i之比：
相位延迟φi-if：在室内空气温度谐波的作用下，平壁内表面出现最高温度值时的相位与室内温度谐波出现最高温度值时的相位差
延迟时间ξif：在室内空气温度谐波的作用下，平壁内表面出现最高温度值的时间与室内温度谐波出现最高温度值的时间差
