一、穩(wěn)定傳熱
在穩(wěn)定溫度場(chǎng)中所進(jìn)行的傳熱過(guò)程稱為穩(wěn)定傳熱。
。ㄒ唬┮痪S穩(wěn)定傳熱的特點(diǎn)
1.通過(guò)平壁內(nèi)各點(diǎn)的熱流強(qiáng)度處處相等;
2.同一材質(zhì)的平壁內(nèi)部各界面溫度分布呈直線關(guān)系。
。ǘ┩ㄟ^(guò)平壁的穩(wěn)定導(dǎo)熱
1.通過(guò)單層均質(zhì)平壁的穩(wěn)定導(dǎo)熱
2.通過(guò)多層均質(zhì)平壁的穩(wěn)定導(dǎo)熱
3.通過(guò)組合壁的導(dǎo)熱熱阻
由兩種以上材料構(gòu)成的同一材料層稱為組合壁,又稱非均質(zhì)材料層。
(三)通過(guò)平壁的穩(wěn)定傳熱
2.總熱阻與傳熱系數(shù)的計(jì)算
。1)傳熱阻(總熱阻)
傳熱阻是熱量從平壁一側(cè)空間傳至另一側(cè)空間時(shí)所受到的總阻力,它是衡量圍護(hù)結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定傳熱條件下的一個(gè)重要的熱工性能指標(biāo),單位:㎡·K/W.
。ㄋ模┓忾]空氣間層的熱阻
1.封閉空氣間層的傳熱機(jī)理
封閉空氣間層的傳熱過(guò)程與固體材料層內(nèi)的不同,它實(shí)際上是在一個(gè)有限空間內(nèi)的兩個(gè)表面之間的熱轉(zhuǎn)移過(guò)程,包括對(duì)流換熱和輻射換熱,而非純導(dǎo)熱過(guò)程,所以封閉空氣間層的熱阻與間層厚度之間不存在成比例的增長(zhǎng)關(guān)系,
2.影響封閉空氣間層熱阻的因素
封閉空氣間層的熱阻與間層表面溫度θ、間層厚度d、間層放置位置(水平、垂直或傾斜)、熱流方向及間層表面材料的輻射系數(shù)有關(guān)。
封閉空氣間層的熱阻值通?刹椤睹裼媒ㄖ䶮峁ぴO(shè)計(jì)規(guī)范確定。
(五)平壁內(nèi)的溫度分布
由上式可見(jiàn),溫度隨距離的變化為一次函數(shù),所以同一材料層內(nèi)的溫度分布為直線。在由多層材料構(gòu)成的平壁內(nèi),溫度的分布是由多條直線組成的一條折線。
二、周期性不穩(wěn)定傳熱
(一)周期性不穩(wěn)定傳熱
當(dāng)外界熱作用(氣溫和太陽(yáng)輻射)隨時(shí)間呈現(xiàn)周期性變化時(shí),圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的傳熱過(guò)程為周期性不穩(wěn)定傳熱。
。ǘ┖(jiǎn)諧熱作用
簡(jiǎn)諧熱作用指當(dāng)溫度隨時(shí)間的正弦(或余弦)函數(shù)作規(guī)則變化時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)所受到的熱作用。
。ㄈ┫鄬(duì)溫度
相對(duì)溫度指相對(duì)于某一基準(zhǔn)溫度的溫度,單位為K或℃。當(dāng)基準(zhǔn)溫度為時(shí),相對(duì)溫度表示為:
。ㄋ模┢奖谠诤(jiǎn)諧熱作用下的傳熱特征
平壁在簡(jiǎn)諧熱作用下的三個(gè)基本傳熱特征是:
1.室外溫度、平壁表面溫度和內(nèi)部任一截面處的溫度都是同一周期的簡(jiǎn)諧波動(dòng)。
2,從室外空間到平壁內(nèi)部,溫度波動(dòng)的振幅逐漸減小,這種現(xiàn)象叫做溫度波的衰減。
3.從室外空間到平壁內(nèi)部,溫度波動(dòng)的相位逐漸向后推進(jìn),這種現(xiàn)象叫溫度波的相位延遲;蛘哒f(shuō)溫度波出現(xiàn)最高溫度的時(shí)間向后推遲。
溫度波在傳遞過(guò)程中出現(xiàn)的衰減和延遲現(xiàn)象,是由于在平壁升溫和降溫的過(guò)程中,材料的熱容作用和熱量傳遞中材料層的熱阻作用造成的。
。ㄎ澹┖(jiǎn)諧熱作用下材料和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱特性指標(biāo)
1.材料的蓄熱系數(shù)S
材料的蓄熱系數(shù):當(dāng)某一均質(zhì)半無(wú)限大物體一側(cè)受到簡(jiǎn)諧熱作用時(shí),迎波面(受到熱作用的一側(cè)表面)上接受的熱流振幅與該表面溫度波動(dòng)的振幅比。它是表示半無(wú)限大物體在簡(jiǎn)諧熱作用下,直接受到熱作用的一側(cè)表面,對(duì)諧波熱作用敏感程度的一個(gè)特性指標(biāo)。
在同樣的周期性熱作用下,材料的蓄熱系數(shù)越大,表面溫度波動(dòng)越小,反之波動(dòng)越大。
通常建筑材料的S值為熱作用周期為24小時(shí)的蓄熱系數(shù),用S24表示,各種材料的蓄熱系數(shù)可查建筑材料熱工指標(biāo)表得出。
2.材料層的熱惰性指標(biāo)D
材料層的熱惰性指標(biāo):表示具有一定厚度的材料層受到波動(dòng)熱作用后,背波面上溫度波動(dòng)劇烈程度的一個(gè)指標(biāo),它表明了材料層抵抗溫度波動(dòng)的能力。
。1)均質(zhì)材料層的熱惰性指標(biāo)
1)單層結(jié)構(gòu)
2)多層結(jié)構(gòu):由多層材料構(gòu)成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性指標(biāo)為各層材料熱惰性指標(biāo)之和。
。2)組合壁的熱惰性指標(biāo)
3.材料層表面的蓄熱系數(shù)
對(duì)有限厚度的單層或多層平壁,當(dāng)材料層受到周期波動(dòng)的熱作用時(shí),其表面的溫度波動(dòng),不僅與本層材料的蓄熱系數(shù)有關(guān),還與邊界條件有關(guān),即在順著溫度波前進(jìn)的方向,其后與該材料層接觸的另一種材料的熱阻、蓄熱系數(shù)或表面的熱轉(zhuǎn)移系數(shù)有關(guān)。為此,對(duì)有限厚度的材料層,使用材料層表面的蓄熱系數(shù)表示各材料層界面處熱流的振幅與表面溫度波的振幅比,從本質(zhì)上說(shuō),材料層表面的蓄熱系數(shù)的定義與材料的蓄熱系數(shù)的定義是相同的。
根據(jù)溫度波前進(jìn)的方向,材料層表面的蓄熱系數(shù)分為材料層內(nèi)、外表面的蓄熱系數(shù)。
當(dāng)某層材料的熱惰性指標(biāo)D≥1時(shí),材料層表面的蓄熱系數(shù)可近似按該層材料的蓄熱系數(shù)取值,即Y=S.
。囟炔ǖ恼穹p和相位延遲
1.室外溫度諧波傳至平壁內(nèi)表面的總衰減度和總相位延遲
。1)總衰減度(總衰減倍數(shù))
總衰減度:室外溫度諧波的振幅與由其引起的平壁內(nèi)表面溫度諧波的振幅比。
式中Ae——室外空氣溫度諧波的振幅。
Aif,e——在外側(cè)溫度諧波的作用下引起的內(nèi)表面溫度諧波的振幅。
。2)總相位延遲φif—e
總相位延遲:在室外溫度諧波作用下,平壁內(nèi)表面出現(xiàn)最高溫度值時(shí)的相位與室外溫度諧波出現(xiàn)最高溫度值時(shí)的相位差。
式中φc——室外空氣溫度諧波出現(xiàn)最高溫度值時(shí)的相位,deg;
Φif,e——在室外溫度諧波作用下,平壁內(nèi)表面出現(xiàn)最高溫度值時(shí)的相位,deg.
。3)總延遲時(shí)間知
總延遲時(shí)間:在室外溫度諧波作用下,平壁內(nèi)表面出現(xiàn)最高溫度值的時(shí)間與室外溫度諧波出現(xiàn)最高溫度值的時(shí)間差。在建筑熱工設(shè)計(jì)中,更習(xí)慣于用總延遲時(shí)間評(píng)價(jià)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性。
2.室內(nèi)溫度諧波傳至平壁內(nèi)表面的衰減度和相位延遲
(1)室內(nèi)溫度諧波傳至平壁內(nèi)表面的衰減度yi
室內(nèi)溫度諧波傳至平壁內(nèi)表面的衰減度:室內(nèi)空氣溫度諧波的振幅與由其引起的平壁內(nèi)表面溫度諧波的振幅比。
式中Ai——室內(nèi)空氣溫度諧波的振幅,℃;
Aif,i——在室內(nèi)溫度諧波的作用下引起的內(nèi)表面溫度波動(dòng)的振幅,℃。
(2)室內(nèi)溫度諧波傳至平壁內(nèi)表面的相位延遲νi
室內(nèi)溫度諧波傳至乎壁內(nèi)表面的相位延遲:在室內(nèi)溫度諧波的作用下,平壁內(nèi)表面出現(xiàn)最高溫度值時(shí)的相位與室內(nèi)溫度諧波出現(xiàn)最高溫度值時(shí)的相位差。
式中φi——室內(nèi)空氣溫度諧波出現(xiàn)最高溫度值時(shí)的相位,deg;
Φif,i——在室內(nèi)溫度諧波作用下,平壁內(nèi)表面出現(xiàn)最高溫度值時(shí)的相位,deg.
。3)室內(nèi)溫度諧波傳至平壁內(nèi)表面的延遲時(shí)間扎
室內(nèi)溫度諧波傳至平壁內(nèi)表面的延遲時(shí)間:在室內(nèi)溫度諧波作用下,平壁內(nèi)表面出現(xiàn)最高溫度值的時(shí)間與室內(nèi)溫度諧波出現(xiàn)最高溫度值的時(shí)間差。
當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計(jì)完成后,即可根據(jù)組成圍護(hù)結(jié)構(gòu)各材料層的厚度、材料的熱阻、材料的蓄熱系數(shù)計(jì)算出圍護(hù)結(jié)構(gòu)的衰減度、相位延遲和延遲時(shí)間。