第一節(jié) 傳熱的基本知識(shí)
熱量的傳遞稱(chēng)為傳熱。在自然界中，只要存在溫差就會(huì)出現(xiàn)傳熱現(xiàn)象。
一、傳熱的基本概念
(一)溫度
溫度是表征物體冷熱程度的物理量，溫度使用的單位為K或℃。
(二)溫度場(chǎng)
某一瞬間，物體內(nèi)所有各點(diǎn)的溫度分布稱(chēng)為溫度場(chǎng)。溫度場(chǎng)是空間某點(diǎn)坐標(biāo)x，y，z與時(shí)間f的函數(shù)，公式表達(dá)為：
(1)穩(wěn)定溫度場(chǎng)：溫度場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間變化。
(2)不穩(wěn)定溫度場(chǎng)：溫度場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)溫度隨時(shí)間發(fā)生變化。
在建筑熱工設(shè)計(jì)中，主要涉及的是一維穩(wěn)定溫度場(chǎng)t=f(x)和一維不穩(wěn)定溫度場(chǎng)t=f(x， )中的傳熱問(wèn)題。在一維穩(wěn)定溫度場(chǎng)中，溫度僅沿一個(gè)方向(如圍護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度方向)發(fā)生變化;而在一維不穩(wěn)定溫度場(chǎng)中，溫度不僅沿一個(gè)方向發(fā)生變化，而且各點(diǎn)的溫度還隨著時(shí)間發(fā)生改變。
(三)輻射
輻射指物體表面對(duì)外發(fā)射熱射線(xiàn)在空間傳遞能量的現(xiàn)象。凡是溫度高于絕對(duì)零度(0K)的物體都能發(fā)射輻射能。
1.物體對(duì)外來(lái)輻射的反射、吸收和透射
(1)反射系數(shù)rh：被反射的輻射能Ir，與入射輻射能I的比值。
2.白體、黑體和完全透熱體
(1)白體(絕對(duì)白體)：能將外來(lái)輻射全部反射的物體，rh=1.
(2)黑體(絕對(duì)黑體)：能將外來(lái)輻射全部吸收的物體，=1;
(3)完全透熱體：能將外來(lái)輻射全部透過(guò)的物體，=1.
3.物體表面的輻射本領(lǐng)
(1)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/㎡，
(2)單色輻射力乩(單色輻射本領(lǐng))：在單位時(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/㎡·μm.
(3)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：
4)非灰體(選擇性輻射體)：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)
(5)黑度ε(輻射率)：灰體的輻射本領(lǐng)E;與同溫度下黑體的輻射本領(lǐng)E的比值。
4.影響材料吸收率，反射率、透刺率的因素
材料吸收率、反射率、透射率與外來(lái)輻射的波長(zhǎng)、材料的顏色、材性、材料的光滑和平整程度有關(guān)。
注意，材料表面對(duì)外來(lái)輻射的反射、吸收和透射能力與外來(lái)輻射的波長(zhǎng)有密切的關(guān)系。根據(jù)克希荷夫定律，在給定表面溫度下，表面的輻射率(黑度)與該表面對(duì)來(lái)自同溫度的投射輻射的吸收系數(shù)在數(shù)值上相等。
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。
6，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)。
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。
三、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱過(guò)程
(一)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱過(guò)程
通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱要經(jīng)過(guò)三個(gè)過(guò)程：
(1)表面吸熱：內(nèi)表面從室內(nèi)吸熱(冬季)或外表面從室外空間吸熱(夏季)。
(2)結(jié)構(gòu)本身傳熱：熱量由結(jié)構(gòu)的高溫表面?zhèn)飨虻蜏乇砻妗?/font>
(3)表面放熱;外表面向室外空間放熱(冬季)或內(nèi)表面向室內(nèi)空間放熱(夏季)。
(二)表面換熱
熱量在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面和室內(nèi)空間或在外表面和室外空間進(jìn)行傳遞的現(xiàn)象稱(chēng)為表面換熱。
表面換熱由對(duì)流換熱和輻射換熱兩部分組成。
1.對(duì)流換熱
對(duì)流換熱是指流體與固體壁面在有溫差時(shí)產(chǎn)生的熱傳遞現(xiàn)象。它是對(duì)流和導(dǎo)熱綜合作用的結(jié)果。如墻體表面與空氣間的熱交換。
對(duì)流換熱熱流密度qc的計(jì)算：
式中αc——對(duì)流換熱系數(shù)，W/(㎡·K);
θ——固體壁面溫度，K;
t——流體主體部分溫度，K.
在建筑熱工中，對(duì)流換熱系數(shù)主要與氣流的狀況、結(jié)構(gòu)所處的部位、壁面狀況和熱流方向有關(guān)。
2.表面換熱系數(shù)和表面換熱阻
(1)表面換熱系數(shù)
內(nèi)表面的換熱系數(shù)使用αi表示，W/(㎡·K);
外表面的熱轉(zhuǎn)移系數(shù)使用αe表示，W/(㎡·K)。
(2)表面換熱阻
內(nèi)表面的換熱阻使用Ri表示，㎡·K/W;
外表面的換熱阻使用Re表示，㎡·K/W.
四、濕空氣
�。ㄒ唬窨諝�、未飽和濕空氣與飽和濕空氣
濕空氣是干空氣和水蒸氣的混合物。
在溫度和壓力一定的條件下，一定容積的干空氣所能容納的水蒸氣量是有限度的，濕空氣中水蒸氣含量未達(dá)到這一限度時(shí)叫未飽和濕空氣，達(dá)到限度時(shí)叫飽和濕空氣。
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空氣濕度是表示空氣干濕程度的物理量。在表示空氣的濕度時(shí)，可使用以下方式。
1.絕對(duì)濕度
絕對(duì)濕度是每立方米空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量，單位為g/m3.
未飽和濕空氣的絕對(duì)濕度用符號(hào)f表示，飽和濕空氣的絕對(duì)濕度用fmax表示。
2.水蒸氣分壓力P
濕空氣中含有的水蒸氣所呈現(xiàn)的壓力稱(chēng)為水蒸氣分壓力，單位為Pa.
未飽和濕空氣的水蒸氣分壓力用符號(hào)P表示，飽和蒸汽壓用Ps表示。
標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，不同溫度對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓值可查表取得。溫度越高，飽和蒸汽壓值越大。
(三)等溫面
溫度場(chǎng)中同一時(shí)刻由溫度相同的各點(diǎn)相連所形成的面。使用等溫面可以形象地表示溫度場(chǎng)內(nèi)的溫度分布。
不同溫度的等溫面絕對(duì)不會(huì)相交。
(四)溫度梯度
溫度差與沿法線(xiàn)方向兩個(gè)等溫面之間距離Δt的比值的極限叫做溫度梯度。表示為：
(五)熱流密度(熱流強(qiáng)度)
熱流密度是在單位時(shí)間內(nèi)，通過(guò)等溫面上單位面積的熱量，單位為W/㎡.若單位時(shí)間通過(guò)等溫面上微元面積dF的熱量為dQ，則熱流密度定義式為：
二、傳熱的基本方式 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)熱指物體中有溫差時(shí)由于直接接觸的物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)作熱運(yùn)動(dòng)而引起的熱能傳遞過(guò)程。 1.傅立葉定律 傅立葉定律指出，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： 式中 ——材料的導(dǎo)熱系數(shù)。 由于熱量傳遞的方向(由高溫向低溫)和溫度梯度的方向(由低溫向高溫)相反，因此，上式中用負(fù)號(hào)表示。 注意，傅立葉定律在不同的溫度場(chǎng)中可以有其形式不同的表達(dá)式。 2.材料的導(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，單位為W/(m·K)。它的物理意義是，當(dāng)材料層厚度為lm，材料層兩表面的溫差為1K時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)1㎡面積的導(dǎo)熱量。 材料的導(dǎo)熱系數(shù)可查閱有關(guān)的建筑材料熱工指標(biāo)表獲得，應(yīng)該熟悉經(jīng)常使用的建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)。 (二)對(duì)流 對(duì)流指由流體(液體、氣體)中溫度不同的各部分相互混合的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的熱傳遞現(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：由溫度差形成的對(duì)流。 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。
