2.2 围护结构的稳态传热在线视频

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农业生物环境工程幕课的学习

今天

我们将进行第二部分

第二节

围护结构稳态传热的学习

在这里呢

我将给大家分这样4个方面的内容

首先我们介绍几个相关的基本概念

一是围护结构

所谓的围护结构

就是指分隔建筑室内与室外空间

以及建筑内部使用空间的建筑部件

比如说墙体

屋顶

门窗等等

对于分隔室内与室外空间的围护结构

通常我们称为外围护结构

这是我们保温

隔热设计

重点关注部位

二是传热的基本方式

我们知道

自然界的传热

主要有三种方式

即导热

对流和辐射

那么在我们围护结构的传热过程中呢

这种三种方式都会发生

三是一维导热

如果墙体

屋顶等围护的结构平面尺寸

相对于厚度尺寸要大得多

比如在十倍以上的话

那么在这种情形下

我们就可以认为

在内外温差作用下

其温度仅沿厚度方向发生变化

即可以起简化为一维导热问题

这样问题就可以得到简化

说到导热我们就离不开一个系数

即导热系数

所谓导热系数

是指在稳态传热条件下

当材料层厚度是一米

两面温差为1度时候

在一秒时间内

通过一平米截面积的导热量

导热系数表征了材料层的导热能力

这是我们常用建筑材料的导热系数

那么从这个表中可以看出

铸铁等金属类材料导致系数最高

其次是厚重的大理石

钢筋混凝土等材料

而岩棉

聚苯乙烯泡沫等

一些轻质材料的导热系数则比较低

这也就是生产中

我们通常会采用岩棉板

聚乙烯泡沫板等

做保温材料的原因

还有两个概念

就是非稳态传热和稳态传热

所谓非稳态传热

是指围护结构中各点的温度

随时间而改变的导热过程

通常有周期性非稳态传热

和非周期性非稳态传热

如在夏季热环境分析过程中

室外的空气温度

太阳辐射等致热因素

都会随着时间而发生剧烈的波动

所以是一种典型的

周期性的非稳态传热过程

与之相对

当围护结构中各点的温度

仅随位置变化

不随时间而改变的导热过程

我们称之为稳态传热过程

围护结构处于大气环境中

严格地说

都处于非稳态传热的状态

但是

在一些特定的情况或特定的时间内

我们可以进行简化

将复杂的非稳态传热过程

简化为稳态传热过程

这样呢会给计算带来很大的方便

比如在我们北方的冬季

室内常保持

10到20度较高的温度水平

这时

建筑围护结构两侧的温差

相对来讲比较大

而昼夜温差与此相比呢

则相对较小

围护结构两侧的温差变化

比较慢

于是呢

我们就可以将传热过程

视为稳态传热过程来进行分析

那么下面

我们就来分析一下

围护结构的一维稳态传热问题

我们以冬季的墙体为例来进行分析

在这个示意图中

我们假设墙体的左侧

是室内的高温环境

右侧是室外的低温环境

我们分别用ti和to来表示

室内外的空气温度

用θi和θo

来表示墙体内外表面的温度

用q表示从室内到室外

也就是

从高温一侧向低温一侧的热流量

我们知道

在室内和室外墙体的表面

对流

辐射和导热三种传热方式都会存在

但是以对流和辐射为主

而在墙体结构内部

则主要是导热方式

于是

根据传热学

我们就可以写出墙体结构内表面

外表面

以及结构层内部的热流量计算公式

即所有的热流量

都等于温差

乘以一个系数的形式

下面

我们就来具体分析一下传热量和热阻

首先分析墙体表面

与空气之间的对流换热作用

实际上

在空气和墙体表面之间

对流和导热都两种方式都会存在

但是很难区分

所以我们就将二者的综合作用

统一用对流换热的方式来进行分析

如果定义αc为对流换热系数

tw和ta分别为

墙面与周围空气的温度

那么

我们就可以写出这样的

对流换热量的计算公式来

对流换热系数是一个复杂的物理量

它与壁面的气流状况

围护结构的安装位置

以及壁面的粗糙程度

热流方向等因素有关

同样

如果我们用qr表示辐射换热量

用αr表示辐射换热系数的话

那么我们也可以写出辐射换热量的

计算公式

将对流换热和辐射换热的公式相加

我们就可以得到围护结构表面

与周围空气之间的总的换热量

我们用αf来表示对流换热系数

与辐射换热系数之和

那么αf就是我们所说的

表面换热系数

表面换热系数

表示了围护结构表面和

与之相接触的空气之间

通过对流和辐射换热形式

在单位温差作用下

单位时间内

通过单位面积的换热量

不同围护结构表面换热系数的取值

可参考相关规范

下面我们来分析一下围护结构

在一维稳态传热条件下的热流量

假设这是一个围护结构的示意图

中间有多层材料构成

在室内空气温度

高于室外空气温度的条件下

热量是从高温的室内一侧

传向低温的室外一侧

那么

我们就可以分别写出在围护结构内表面

围护结构中间

以及围护结构外表面

热流量的计算公式

因为是一维稳态传热

这些热流量都相等

那么这个公式比较复杂

我们希望能用室内空气温度ti

和室外空气温度to

来简单表示这个热流量

那么我们分别写出每一段的热流量

然后对公式进行变换

左右相加进行推导

于是我们就得到了这样的计算形式

从这个公式中

我们可以看出

分母项越大

意味着传热量就越小

所以分母项

实际上是起到阻碍传热的作用

这就是我们所说的热阻

这个热阻

包括了三项

分别是

表示内表面换热的热阻

外表面换的热阻

以及中间材料层的热阻

下面我们一一来做分析

首先分析内外表面

内外表面的这种阻碍传热的作用

我们称之为换热阻

即表面换热阻

它是表征物体表面层

在对流换热和辐射换热过程中

阻碍传热能力的物理量

它与表面换热系数互为倒数

其次是围护结构层的热阻

围护结构层的热阻

是由所有材料层的热阻累加而得到的

它是表征围护结构的

材料阻抗传热能力的物理量

因此热阻越高

意味着结构的保温性能越好

所以增加围护结构材料层的热阻

通常是提高围护结构

保温性能的基本方法

根据前面不同部位的热阻的分析

我们就可以得到围护结构的总热阻

我们称之为围护结构的传热阻

它包括了围护结构内表面换热阻

外表面换热阻

以及围护结构层的热阻

传热阻是表征围护结构本身

及两侧空气边界层

作为一个整体条件下

阻抗传热的能力的物理量

它体现了热量从围护结构一侧

传至另一侧所受到的总的阻力

所以在相同条件下

传热阻越大

通过围护结构整体的热流量就越少

即保温性越好

在热阻的基础上

还有一个相关的参数

我们也经常用到的传热系数

围护结构的传热系数

为围护结构传热阻的倒数

它表示当室内外温差为一度时候

在单位时间内

通过单位面积平壁的热流量

于是我们也可以得用传热系数表示

热流量计算公式

即通过围护结构的热流量

等于围护结构的传热系数

乘以结构两侧的空气温差

由此我们可以看出

传热系数越大

意味着围护结构的传热量越大

即保温性能越差

以上是我们这节课的主要内容

下面我们做一下简单的小结

在这次课中

我们介绍了围护结构

传热的基本方式

导热系数

一维稳态传热

非稳态传热等基本概念

以及在一维稳态传热条件下

围护结构的传热量

表面换热阻

材料层热阻

围护结传热阻

和传热系数

等参数的

物理意义及计算方法

这是我们进行建筑保温隔热设计的

重要基础

希望大家能够理解掌握

好

这次课就讲到这里

谢谢大家