第二节　建筑传热基本知识

在进行建筑节能工程设计、施工和管理的过程中，除了熟悉以上有关建筑节能的名词和术语外，掌握必要的建筑传热过程和建筑传热学的基础知识也是非常重要的。

一、建筑传热过程

在建筑物的设计中常用围护结构作为保温层，以此与外界环境隔开，并通过室内采暖和空气调节，在室内创造出一定的热湿环境和空气条件。

由于外界气候的不断变化，建筑物在整个使用过程中，其内部的热环境必然要受到室外环境的影响，如空气的温度、湿度、风力、风向、太阳辐射程度等因素。这些因素通过围护结构和空气交换从而影响室内的热湿状态。

建筑物围护结构主要指外墙、屋顶、地面、门窗等；空气交换主要指为保持室内空气卫生指标，而主动的开窗、开门通风换气和正常使用条件下门窗缝隙的室气渗漏。外界因素通过围护结构的热传递，以不同的传热方式，对室内热湿环境产生影响。

外界因素对室内的影响程度，不仅与外界的各种影响因素的变化有关，而且也与建筑围护结构的型式、尺寸、材料、质量等方面有关。因此，建筑传热是一个非常复杂的建筑传热学问题。

二、建筑传热方式

传热是指物体内部或物体与物体之间热能发生转移的现象。凡是一个物体的各个部分或者物体与物体之间存在着一定温度差，就必然有热能的传递、转移现象发生。热方式是指热量从一处传至另一处所采取的方式和方法。

根据传热的基本原理不同分为3种，即导热传热、对流传热和辐射传热。导热传热（Conduction）是固体内部或固体接触时热转移的方式；对流传热（Convection）是流体内部或流体间的热转移方式；辐射传热（Radiation）是不接触物体间的热转移的方式。这3种不同的传热方式分别具有不同的特点。

1.导热传热

导热是物体内温度不同的质子在热运动中引起的热能传递现象。分子、原子及自由电子等微观粒子处于不断的热运动中，运动的强弱与温度有关。如果温度分布不均匀（存在温度场），微观粒子之间就会发生能量的交换，热量从温度较高的部分传递到温度较低的部分。

在传热学中，傅立叶定律是传热方面的一个基本定律。即在导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量，与垂直于该界面方向上的温度变化率和截面面积成正比，而热量传递的方尚则与温度升高的方向相反。

材料试验表明，在固体、液体和气体中均能产生导热现象，但其传热的机理却并不相同。固体导热是由于相邻分子发生的碰撞和自由电子迁移所引起的热能传递；在液体中的导热是通过平衡位置间隙移动着的分子振动引起的；在气体中则是通过分子无规则运动时互相碰撞而导热。单纯的导热只能在密实的固体中发生，对于建筑围护结构，导热主要发生的墙体材料的内部。

2.对流传热

依靠流体微团的宏观运动而进行的热量传递，这是热量传递的3种基本方式之一。对流是由于温度不同的各部分流体之间发生相对运动、互相掺合而传递热量，是依靠流体分子的随机运动和流体整体的宏观运动，将热量从一处传递到另一处。

按流体在传热过程中有无相态变化，对流传热分为2类。

（1）无相变对流传热　流体在换热过程中不发生蒸发、凝结等相态的变化，如水的加热或冷却。

（2）有相变对流传热　流体在与壁面换热过程中，本身发生了相态的变化，这一类对流传热包括冷凝传热和沸腾传热。

对流传热主要发生在流体之中或者表面和其紧邻的运动流之间。对流传热的强弱主要取决于层流边界层内的换热与流体运动发生的原因、流体运动状况、流体与固体壁面温差、流体的物性、固体壁面形状、大小及位置等因素。对于建筑物而言，对流主要发生在散热器与室内空气换热、室内冷热空气对流换热、墙体内表面与室内空气换热和墙体外表面与室外空气对流换热。

3.辐射传热

物体在向外发射辐射能的同时，也会不断地吸收周围其他物体发射的辐射能，并将其重新转变为热能，这种物体间相互发射辐射能和吸收辐射能的传热过程称为辐射传热。

辐射是是依靠物体表面对外发射电磁波而传递热量的现象。任何物体只要其温度大于绝对零度，都会由于物体原子中的电子振动对外界空间辐射出电磁波，并且不需要直接接触和传递介质，当辐射电磁波遇到其他物体时，将有一部分转化成热量，物体的辐射随着温升的升高而增大。

材料试验表明，凡是温度高于绝对零度的一切物体，不论它们的温度高低都在不间断地向外辐射不同波长的电磁波，由此可见，辐射传热是物体之间互相辐射的结果。当两个物体的温度有差异时，高温物体辐射给低温物体的能量，必然大于低温物体辐射给高温物体的能量，这样高温物体的能量就传给了低温物体。在建筑物上，辐射与对流往往是同时进行的。

建筑节能工程上考虑传热的出发点有两个：一个是要采取保温措施，主要针对降低严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区的采暖能耗和提高居住环境的热舒适性；另一个是采取隔热措施，主要针对降低夏热地区、夏热冬冷地区的空调制冷能耗和提高居住环境的质量。

保温和隔热措施实质上都是为了提高居住环境的热舒适度，使居住者有一个良好的生活环境，虽然在建筑设计、施工和评价指标等方面都不同，但这两个出发点都有一个共同的要求和结果，都是要提高围护结构的热阻，即降低其传热系数。

三、建筑稳定传热

在房屋建筑工程中，当室内外温度不相等时，在外墙、门窗和屋顶等围护结构中就会有传热现象发生，热量总是从温度较高的一侧传向较低的一侧，这是热量传导的规律。如果室内外气温都不随着时间而改变，围护结构的传热就属于稳定传热过程。

热工试验证明，在建筑物围护结构中，散热主要发生在墙体、屋顶、门窗和地面等部位。其中墙体、屋顶和地面等都是在建筑物建造过程中形成的，材料应用量大，变化因素多；而门窗一般是定型产品，其形状在使用前后不会发生大的变化，热工性能基本上是一个定值。由此可见，建筑物围护结构的传热，应主要研究墙体、屋顶和地面。

在建筑热工学中，为了简化计算，墙体、屋顶和地面是同一个问题——平壁稳定传热，这时墙体的传热由墙体内表面吸热、墙体自身的导热、墙体外表面散热3个过程组成。

1.墙体内表面吸热

在冬季由于室内温度大于室外温度，室内的热量通过墙体向室内传递，这样必然形成室内温度、墙体内表面温度、墙体自身温度、墙体外表面温度和室内温度依次递减的温度状态，墙体内表面在向外侧传递热量的同时，必须从室内空气中得到相等的热量，否则就不可能保持墙体内表面温的稳定。在这一吸热的过程中，既有与室内空气的对流换热，同时也存在着内表面与室内空间各相对表面约辐射换热。

2.墙体自身的导热

墙体自身导热是一个非常复杂的问题，很难进行精确的计算。为了简化计算，设墙体为单层匀质材料，导热系数为λ、墙体厚度为d，墙体两侧的温度分别为θ₁和θ₂，且θ₁>θ₂。墙体内表面吸热后通过墙体向外表面传递，根据导热公式可求得单位时间内通过单位面积墙体的导热量q_λ：

q_λ=λ（θ₁-θ₂）/d　　        （2-1）

3.墙体外表面散热

在冬季由于墙体外表面温度θ₂高于室外室气温度t₂，墙体外表面向室外空气和环境散热。与内表面换热基本相同，外表面的散热同样是对流换热和辐射换热的综合，所不同的是换热的条件发生改变。因此，其换热系数也随之发生变动。散热量可按式（2-2）进行计算：

q_e=α_e（θ₂ - t₂）　　        （2-2）

式中　q_e——单位时间内单位面积墙体外表面散出的热量，W/m²；

        α_e——墙体外表面换热系数，W/（m²·K）；

        θ₂——墙体外表面温度，℃；

        t₂——室外空气温度，℃。

4.墙体的传热系数

根据以上所述，当室内气温高于室外气温时，建筑物围护结构经过以上3个阶段向外传热。当处于稳定状态时，3个传热量必然相等，即

q_λ=q_e= q_i=q　　        （2-3）

式中　q_i——墙体内表面单位时间内单位面积的吸热量，W/m²；

        q——墙体的传热量，W/m²。

经过一系列数学变换可得式（2-4）

q=（t_i- t₂）/（R_i+R+R₂）= （t_i- t₂）/R₀=K（t_i- t₂）　　        （2-4）

式中　t_i——室内空气及其他表面的温度，℃；

        R_i——墙体内表面换热阻，m²·K/W；

        R——墙体自身的热阻，m²·K/W；

        R₂——墙体内表面换热阻，m²·K/W；

         R₀——墙体的传热阻，m²·K/W；

        K——墙体的传热系数，W/（m²·K）。

在进行建筑节能工程检测和评价中，墙体自身的热阻R和墙体的导热系数K是非常重要的两个参数，也是必须进行检测的项目。