傳熱有穩(wěn)定和不穩(wěn)定，一維和多維之分.某一時刻空間所有各點的溫度分布叫做溫度場。一般它是空間坐標x，y，z和時間τ的函數(shù)。即：

　　式(1—16)表示物體的溫度在x，y，z三個方向和在時間上都有變化的三維不穩(wěn)定溫度場。

　　如果溫度場不隨時間變化，稱為穩(wěn)定溫度場，這時t=f(x,y,z)。如果穩(wěn)定溫度場僅和兩個或一個坐標有關(guān)，則稱為二維或一維穩(wěn)定溫度場。一維穩(wěn)定溫度場是溫度場中最簡單也是建筑熱工設(shè)計計算中最常用的一種情況，可表示為：

　　一、穩(wěn)定傳熱

　　具有穩(wěn)定溫度場的傳熱過程叫做穩(wěn)定傳熱。溫度場隨時間變化的傳熱過程叫做不穩(wěn)定傳熱。

　　(一)通過平壁的穩(wěn)定導熱

　　在穩(wěn)定導熱情況下，可以認為各層材料本身既不發(fā)熱也不蓄熱，平壁內(nèi)部既無熱源也無熱匯，由內(nèi)表面進入平壁的熱流密度毫無損耗地通過各個材料層，最后由外表面流出。

　　1.單層均質(zhì)平壁的穩(wěn)定導熱

　　式中θi—單層平壁內(nèi)表面的溫度，℃;

　　θe—單層平壁外表面的溫度，℃;

　　δ—單層平壁的厚度，m;

　　λ—材料的導熱系數(shù)，W/(m·K);

　　R—單層平壁的導熱熱阻，m2·K/W。

　　熱阻是熱流通過平壁時所受到的阻力，是平壁抵抗熱流通過的能力。在同樣溫差下，導熱熱阻越大，通過平壁的導熱熱流密度就越小。反之，導熱熱阻越小，通過平壁的熱流也就越大。增大平壁層導熱熱阻的方法：增大平壁層導熱熱阻的方法有兩個，即加大平壁層的厚度和選擇導熱系數(shù)較小的材料。

　　2.通過多層均質(zhì)平壁的穩(wěn)定導熱

　　θi—多層平壁內(nèi)表面的溫度，℃;

　　θe—多層平壁外表面的溫度，℃;

　　δ1,δ2……δn—各層材料的厚度，m;

　　λ1,λ2……λn—各層材料的導熱系數(shù)，w/(m·K);

　　R1，R2，…Rn—各材料層的導熱熱阻，m2.K/W。

　　3.通過組合壁的穩(wěn)定導熱

　　由兩種以上材料構(gòu)成的材料層稱為組合壁，又叫

　　非均質(zhì)材料層，見圖1—4。包括各種形式的空心砌塊、

　　填充保溫材料的墻體等，但不包括多孔黏土空心磚，

　　其平均熱阻應(yīng)按式(1—21)計算：

　　式中F1，F(xiàn)2…Fn—按平行于熱流方向劃分的各個傳熱面積，m2;

　　Ro,1，Ro,2，…，Ro,n。—各個傳熱部位的傳熱阻，m2·K/W;

　　φ—修正系數(shù)。

　　如果組合壁中出現(xiàn)圓孔，應(yīng)首先將圓孔折算成相等面積的方孔，其他尺寸不變，再按上述方法計算。
　　(二)通過平壁的穩(wěn)定傳熱

　　1.通過多層平壁傳熱的熱流強度

　　式中ti——室內(nèi)溫度，℃;

　　te——室外溫度，℃;

　　Ro——圍護結(jié)構(gòu)的傳熱阻，m2·K/W;

　　n——多層平壁的材料層數(shù)。

　　2.傳熱阻于傳熱系數(shù)的計算

　　維護結(jié)構(gòu)的傳熱阻R0表示維護結(jié)構(gòu)兩側(cè)空氣邊界層共同阻抗熱量傳遞的能力，等于傳熱過程中熱流沿途所受到的阻力之和，即

　　式中Ri——內(nèi)表面的換熱阻m2.K/W，，αi表示內(nèi)表面的換熱系數(shù)，W/(m2·K)，取值間表1-4。

　　Re——外表面的換熱阻m2.K/W，，αe表示外表面的換熱系數(shù)，W/(m2·K)，取值間表1-5。

　　Rj——多層平壁各層的導熱熱阻，m2·K/W。

　　維護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)K0表示維護結(jié)構(gòu)兩側(cè)空氣溫差為1oC，單位時間內(nèi)通過1m2面積傳遞的熱量。單位：W/(m2·K)。數(shù)值上，它等于維護結(jié)構(gòu)傳熱阻的倒數(shù)，即

　　3.平壁內(nèi)的溫度分布

　　在一維穩(wěn)定傳熱條件下，通過平壁內(nèi)各點的熱流強度處處相等;同一材質(zhì)的平壁內(nèi)部各界面溫度分布呈直線關(guān)系。同一材料層內(nèi)任意一點的溫度為：

　　式中θ1,θ2——維護結(jié)構(gòu)材料層內(nèi)、外界面溫度，oC;

　　x——任意一點至界面1的距離，m;

　　d——該材料層的厚度，m

　　由上式可見，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。溫度曲線見圖1-5

　　在穩(wěn)定傳熱條件下圍護結(jié)構(gòu)溫度分布有以下幾個特征：

　　(1)因室內(nèi)外空氣溫度是一定的，故空氣溫度分布是平直線;

　　(2)表面邊界層內(nèi)的溫度分布是曲線，當空氣溫度高于表面溫度時曲線向上凸，反之，則曲線向下凹;

　　(3)內(nèi)部各個均質(zhì)材料層本身的溫度分布則是一條從高溫界面坡向低溫界面的折線，折點就在材料層的界面上，且各個折線段的坡度大小與材料的導熱系數(shù)成反比。材料層的導熱系數(shù)越小，在該層內(nèi)的溫度降落或升高的幅度就越大，該段折線也就越陡;反之，導熱系數(shù)越大，該材料層內(nèi)的溫度降落或升高的幅度就越小，該段折線也就越平緩。
　　(三)封閉空氣間層的熱阻

　　空氣層是一種特殊的構(gòu)造形式。它廣泛存在于墻體、屋頂、門窗和地面等構(gòu)造之中，發(fā)揮其保溫、隔熱、防潮等作用。圍護結(jié)構(gòu)中的空氣層厚度一般在5～300mm之間�？諝鈱拥膫鳠徇^程和材料層導熱或表面換熱過程有著本質(zhì)區(qū)別。

　　1.封閉空氣間層的傳熱機理

　　對于封閉空氣層來說，兩個表面之間的傳熱過程同時包括了導熱、對流與輻射三種傳熱方式。如圖1—6所示為封閉的垂直空氣層傳熱情況。對于常溫下一般的空氣層傳熱而言，三種傳熱方式中，輻射換熱占的比例最大，通常為總傳熱量的70%以上，對流和導熱共占30%以下。

　　2.影響空氣間層熱阻的因素

　　空氣層熱阻的大小主要受到空氣層的表面溫度、表面材料的輻射系數(shù)、厚度、放置位置(水平、垂直或傾斜)、密閉性的影響。在空氣層的構(gòu)造尺度范圍內(nèi)，輻射換熱不受空氣層厚度變化影響，只取決于空氣層表面的輻射性質(zhì)。但導熱和對流卻與輻射情況截然不同，對于很薄的如厚度小于20mm的空氣層，熱阻隨厚度呈直線上升;而當厚度大于20mm以后，空氣層的熱阻也就不再隨厚度的增大而增大了。水平空氣層熱流向上時的熱阻小于熱流向下時的熱阻。

　　3.提高空氣層熱阻的措施

　　在空氣層的表面上粘貼輻射系數(shù)小(即黑度小)、反射系數(shù)大的材料，比較典型的就是工程上常用的鋁箔，但一般可作為保溫用途的空氣層多處于低溫或負溫條件下，為了不使空氣層冷表面溫度過低而發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象，鋁箔通常是粘貼到熱表面上。理論和實踐還證明，空氣層雙面貼鋁箔與單面貼鋁箔相比，對于提高熱阻作用不大。

　　二、周期性不穩(wěn)定傳熱

　　(一)周期性熱作用的概念

　　圍護結(jié)構(gòu)受到的室內(nèi)外環(huán)境的熱作用，都是隨時間變化的。這決定著圍護結(jié)構(gòu)的溫度和傳熱量也要隨著時間而變化。這種傳熱過程稱為不穩(wěn)定傳熱。若外界熱作用隨時間呈現(xiàn)周期性變化，則叫做周期性不穩(wěn)定傳熱。當溫度隨時間的正弦(或余弦)函數(shù)作規(guī)則變化時，圍護結(jié)構(gòu)所受到的熱作用為簡諧熱作用，一般用余弦函數(shù)表示。

　　周期性熱作用并不是嚴格按照余弦函數(shù)的規(guī)律

　　變化的，太陽輻射造成的圍護結(jié)構(gòu)表面溫度的周期

　　性波動、室外空氣的溫度波動等都是如此。但經(jīng)過

　　數(shù)學上的級數(shù)展開和諧量分析，這種周期性的溫度

　　波動情況常用余弦函數(shù)的形式描述，見圖1—7。此

　　時，溫度隨時間變化情況表示為：

　　式中tτ——τ時刻的溫度值，℃;

　　——在一個周期內(nèi)的平均溫度值，℃;

　　At，——在一個周期內(nèi)的最高溫度與平均溫度之差，稱為溫度波幅，℃;

　　T——溫度波的周期，h;

　　τ——溫度波經(jīng)歷的時間，h;

　　φ——溫度波的初始相位角，度。
　　(二)半無限大物體周期性傳熱的特征

　　半無限大物體，是指物體的一側(cè)為一個平面，而另一側(cè)可以延展到無限遠的領(lǐng)域。比如大地的傳熱問題就是一個典型的半無限大物體傳熱，見圖1—8。半無限大物體在周期性熱作用下，其溫度波的變化過程具有以下幾個基本特征：

　　(1)空氣溫度te、表面溫度θf、物體內(nèi)部溫度θx三者都是以同樣的周期(T)波動。

　　(2)從空氣溫度te到表面溫度θf再到物體內(nèi)部溫度θx，溫度波幅是依次減小的，即有Ae>Af>Ax，而在物體的內(nèi)部，溫度波幅Ax又是隨著深度x的增加按照指數(shù)函數(shù)規(guī)律減小。

　　(3)從空氣溫度te到表面溫度θf再到物體內(nèi)部溫度θx，在溫度波的傳播方向上各點的溫度波相位是依次向后推延的。

　　(三)有限厚度平壁周期性傳熱的特征

　　相對于無限大物體來說，有限厚度物體的周期性傳熱規(guī)律會稍微復雜些，見圖1—9。一個子壁在室外周期熱作用下表現(xiàn)出以下幾個特征：

　　(1)空氣溫度te，外表面溫度亂θef、內(nèi)表面溫度θif三者都是以同樣的周期(T)波動。

　　(2)從空氣溫度te到外表面溫度θef再到內(nèi)表面溫度θif，溫度波幅是依次衰減的，即有Ae>Aef>Aif

　　(3)從室外空氣溫度te到平壁外表面溫度θef再到平壁內(nèi)表面溫度θif，沿著溫度波的傳播方向，各位置上的溫度波相位是依次向后延遲的，即有φe<φef<φif。

　　溫度波傳遞過程中出現(xiàn)的衰減和延遲現(xiàn)象，是由于在平壁升溫和降溫過程中，材料的熱容作用和熱量傳遞中材料層的熱阻作用造成的。

　　(四)圍護結(jié)構(gòu)周期性傳熱過程的認識

　　圍護結(jié)構(gòu)一般都可以認為是有限厚度的平壁，如果按照室內(nèi)外空氣溫度波動情況區(qū)分，則當室內(nèi)空氣溫度保持恒定時(如空調(diào)房間)，圍護結(jié)構(gòu)只是外側(cè)受到周期波動的熱作用，即單向諧波作用;當室內(nèi)外的空氣溫度都做周期波動時(如自然通風房間)，圍護結(jié)構(gòu)的兩側(cè)都要受到周期波動的熱作用，即雙向諧波作用。不論在哪種情況之下，整個周期傳熱過程都可分解成三個單一的傳熱過程，即單純的穩(wěn)定傳熱過程、單純的外側(cè)諧波作用過程和單純的內(nèi)側(cè)諧波作用過程，對其分別計算，再把各個單一傳熱過程的計算結(jié)果疊加起來，就可得到周期熱作用的綜合結(jié)果。建筑熱工設(shè)計主要關(guān)心的是圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度狀況。

　　(1)單純的穩(wěn)定傳熱過程：是在圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)、外側(cè)空氣平均溫度作用下所完成的穩(wěn)定傳熱過程，其在內(nèi)表面上形成的平均溫度的計算方法按穩(wěn)定傳熱計算;

　　(2)單純的外側(cè)諧波作用過程：假定室內(nèi)側(cè)的溫度不變，單純計算因外側(cè)空氣溫度的波動量引起的內(nèi)表面溫度的波動量;

　　(3)單純的內(nèi)側(cè)諧波作用過程：假定室外側(cè)的溫度不變，單純計算因內(nèi)側(cè)空氣溫度的波動量引起的內(nèi)表面溫度的波動量。

　　(五)諧波作用下材料和圍護結(jié)構(gòu)的熱特性指標
　　1.材料的蓄熱系數(shù)

　　對勻質(zhì)半無限大物體，一側(cè)的空氣溫度作周期性的波動，那么，材料層表面的溫度和熱流也都要隨之作同樣周期的波動，此時用表面上的熱流波幅Aq與表面溫度波幅Aθ之比來表示材料蓄熱能力的大小，稱為材料的蓄熱系數(shù)。蓄熱系數(shù)是材料在周期性熱作用下得出的一個熱物理量，用S表示，單位是W/(m2·K)。其定義式為：

　　式中S——材料蓄熱系數(shù)，W/(m2·K);

　　λ——材料的導熱系數(shù)，W/(m·K);

　　c——材料的比熱容，kJ/(kg·K);

　　ρ——材料的密度，kg/m3;

　　T——熱作用的周期，s。

　　通常建筑材料以24h為周期的蓄熱系數(shù)用S24表示。‘

　　蓄熱系數(shù)越大，材料的熱穩(wěn)定性越好，材料表面的溫度波幅就小;反之亦然。材料蓄熱系數(shù)的大小取決于導熱系數(shù)λ、比熱容c、密度ρ以及熱流波動的周期T。

　　密度大的材料，其蓄熱性能好;密度小的材料，蓄熱性能差。因此，重型圍護結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性好，而輕型圍護結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性差�？諝忾g層的蓄熱系數(shù)S=0。

　　材料受潮或含水后蓄熱系數(shù)就會增大，材料蓄熱系數(shù)隨濕度變化的規(guī)律與導熱系數(shù)相似。

　　2.熱惰性指標D

　　材料層的熱惰性指標是用來說明材料層抵抗溫度波動能力的一個參量，用D表示，是一個無量綱的量。對于單一的材料層，其定義式為：

　　D=S·R(1—28)

　　式中D——材料層的熱惰性指標;

　　S——材料層的蓄熱系數(shù)，W/(m2·K);

　　R——材料層的熱阻，m2·K/W。

　　如果圍護結(jié)構(gòu)是由多層材料組成的，則其熱惰性指標是由各材料層的熱惰性指標相加而得出。如果圍護結(jié)構(gòu)的某層由幾種材料組合時，則需先求出該材料層的平均熱阻和平均蓄熱系數(shù)，再計算熱惰性指標。

　　熱惰性指標的大小也能夠很好地表明圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度波幅衰減的快慢程度。D值越大，溫度波幅衰減越快。重型圍護結(jié)構(gòu)抵抗外界空氣溫度波動的能力要比輕型結(jié)構(gòu)強。空氣層的D=0。
　　3.圍護結(jié)構(gòu)材料層表面的蓄熱系數(shù)計算

　　圍護結(jié)構(gòu)在周期性熱作用下表面溫度的波動，不僅與材料本身的蓄熱系數(shù)S有關(guān)，而且與邊界條件有關(guān)，即在溫度波前進的方向上，該材料層所接觸的另一種材料或空氣的熱物理性能和散熱條件，對其表面溫度的波動也有影響。因此，對于有限厚度的材料層，用材料層的表面蓄熱系數(shù)Y來表征材料表面對溫度波動的反應(yīng)。所謂材料層表面蓄熱系數(shù)，系指在周期性熱作用下，材料層表面溫度升高或降低loC時，在單位時間內(nèi)，單位面積表面儲存或釋放的熱量。表面蓄熱系數(shù)Y和蓄熱系數(shù)S的定義式是相同的，都等于材料層表面的熱流振幅與表面溫度振幅之比。

　　根據(jù)溫度波的前進方向，材料層表面的蓄熱系數(shù)分為材料層內(nèi)表面的蓄熱系數(shù)Ym，i以及外表面的蓄熱系數(shù)Yme

　　當某一材料層的熱惰性指標Dm≥1時，材料層表面的蓄熱系數(shù)可近似按該材料層的蓄熱系數(shù)取值，即Y=S。