通过非透光围护结构的传热过程在线视频

下面我们来分析一下

通过非透光围护结构的传热过程

典型的围护结构就是建筑的实体墙

大家都会发现墙体厚实的建筑物

夏天不会有那么热

冬天不会有那么冷

而且你也会发现

房间内最热的时候往往不是在中午

而是在下午

这是由于热惰性的存在

通过围护结构的传热量

和温度的波动幅度

与外扰波动幅度之间

存在衰减和延迟的关系

衰减和滞后的程度

就取决于围护结构的蓄热能力的大小

下面这张图中给出了夏季的时候

通过重型墙体和轻型墙体

向室内的传热量

与室外空气温度之间的关系

这些曲线都呈现出正弦曲线的形状

室外空气温度

在下午3点左右达到最高

轻型墙体的传热量

是下午5点的时候达到最高

重型墙体的传热量

是晚上9点多钟的时候才达到最高

轻型墙体传热量曲线的波幅

要显著大于重型墙体传热量曲线的波幅

前面那张图只能反映墙体传热量的波峰

对室外气温波峰的延迟

以及重型墙体传热波幅

与轻型墙体相比的衰减作用

而现在这张图

就直接给出了墙体内表面温度

与室外气温之间的关系

很明显

这是一个冬季没有采暖的房间

墙体的情况

我们可以看到

由于墙体的热惰性作用

墙体内表面温度对室外气温的

衰减和延迟的幅度变化

墙体的热传导过程

是非均质板壁的一维不稳定导热过程

这就是这个不稳定导热过程的表达式

显示了墙体内各处温度t随时间τ的变化

由于在时间和一维空间x方向上

温度都存在着变化

所以表现为偏微分方程的形式

其中墙体厚度为δ

x=0是室外侧

x=δ是室内侧

墙体材料的物性在x方向上有变化

其中a(x)就是在x位置上的

墙体材料的导温系数

室外侧的边界条件表示的是

外墙面接受到的对流换热量

太阳辐射量和对外长波辐射量之和

等于通过墙体外表面的导热量

而室内侧的边界条件则表现的是

内墙面上的对流换热量

与室内各表面的长波辐射量

以及接收到的室内短波辐射量之和

等于通过内墙表面的导热量

墙体内各位置当时间为0的时候

它的温度分布f(x)

就是这个导热方程的初始条件

在外边界条件中

墙体外表面获得的热量

完全可以利用室外空气综合温度

来进行简化

把太阳辐射和长波辐射

与室外空气温度综合在一起

这个边界条件

就变成了下面这个表达形式

看上去简单多了

太阳辐射落到外墙面上

除了被反射掉的那部分以外

有一部分以长波辐射形式发射出去

一部分与空气进行了对流换热

剩下的部分 一是被墙体本身吸收

使得墙体内温度升高

体现在∂t/∂τ这一项内了

还有一部分被传到了内表面

传到内表面的热量

就可以用这个式子来表达

这部分热量就会以对流换热

和长波辐射的形式向室内传播

其中只有对流换热部分

直接进入了室内空气

从这张图中

可以看到一天中墙体内各层温度

随室外空气温度的变化情况

这也是一个冬季没有采暖的

房间墙体的情况

所以各层温度多数在零下

但是距离墙体外表面越远的位置

温度波动幅度越小

平均温度越高

尽管室外最高和最低气温之差

达到了9度

但是墙体内表面的温度几乎接近稳定

波动幅度不超过1度

而且比室外空气平均温度

要高了3度左右

这体现出室内热源的作用

求解非均质板壁的

一维非稳态导热方程

也会得出类似的结果

在之前我们就看到过这个

通过非透光围护结构

传入室内的热量的表达式

板壁内表面的这个温度t

同时受室内空气温度 室内辐射热源

和其它表面的温度的影响

从而影响这个总传热量Qwall,cond

气象和室内气温

对板壁传热过程的影响比较确定

是比较容易求得的

但是内表面辐射对传热过程的影响

就比较复杂了

因为还涉及与室内其他表面之间的角系数

以及室内其他表面的温度

那么 室内其他表面温度

是如何影响外墙的传热的呢

我们看看这堵墙

在室外空气综合温度tout

和室内空气温度ta,in的共同作用下

在墙体内形成了红色曲线的温度分布

那么通过内墙表面进入室内的热量是

Qwall.cond

如果室内出现了一个辐射热源

把辐射热直接打在这个外墙的内表面上

那么就会改变墙体内的温度分布

提升到蓝色曲线的这个水平

由于墙的内表面附近的温度梯度减小

所以通过导热进入到室内的热量减少了

同时由于外表面

与室外空气的温差也减少了

所以通过外表面

进入到墙体的热量也变少了

但是由于内表面温度升高

因此内表面的对流换热量增加了

但那只是因为内表面

吸收了室内辐射源的热量又放出来了

而从室外进来的热量反而少了

简单总结一下

仅仅是因为室内辐射热源

照射到这面外墙上

就导致通过这面外墙

从室外传进来的热量减少了

如果室内的这个辐射源

没有投射到这面外墙上

而是投射到其他室内表面上

那么通过墙体从室外传进来的热量

就不会受到影响

如果更夸张一点

室内的辐射热源非常强烈

以至于把外墙内表面的温度

顶到比室外温度还要高

那么尽管室外空气综合温度

比室内空气温度要高

但是通过墙体的热流方向

却是由内而外的

因此 我们可以得出这样的结论

即便室外气象参数

与室内空气温度是确定的

实际通过非透光围护结构

进入到室内的热传导量也是不确定的

因为它会受到其他壁面温度的高低

与室内辐射热源方向的影响

甚至即便室内外完全没有温差

通过非透光围护结构

进入到室内的热传导量也不一定是零

讨论完通过非透光围护结构的热传递后

我们来讨论一下通过围护结构的湿传递

也就是通过围护结构的潜热得热

首先我们应该牢记

湿传递的动力是浓度差

比如水蒸气分压力的差

尽管湿传递的机理很复杂

但是 墙体中水蒸气的传递过程

与墙体中的热传递过程相类似

可以通过水蒸气渗透系数

与室内外水蒸气分压力差的乘积来求得

就像显热传热量

等于传热系数乘以温差一样

而这个水蒸气渗透系数的算法

也跟传热系数的算法类似

我们看看这个式子的形式 是不是很眼熟

如果跟显热传热类比的话

在这里 散湿系数类比对流换热系数

蒸气渗透系数类比导热系数

当墙体内实际水蒸气分压力

高于饱和水蒸气分压力时

就可能出现凝结或冻结

影响墙体保温能力和强度

从这面外墙我们可以看到

当材料的蒸气渗透作用

形成的墙体内

某个局部的实际水蒸气分压力

高于该局部温度对应的

饱和水蒸气分压力时

这个地方就会出现结露

如果这个局部的温度在零下

那么就会出现冻结