住宅建筑围护结构内外表面热阻对传热系数的影响.pdf

2 8 0 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 7卷第 2期 2 0 1 1 年 4月 住宅建筑围护结构内外表面热阻对传热系数的影响 王江 丽， 刘长 飞 河南科技大学， 河南 洛阳4 7 1 0 0 3 摘要 冬季通过建筑围护结构传递的热量由3个因素决定 壁体内表面换热阻、 壁体外表面换热阻及壁体材料层的导热系 数。这 3 个因素受室内外热冷源、 风速及材料层的含湿量影响。通过对一使用 1 0年左右住宅建筑的现场测试与理论计算对 比得出 在进行冬季围护结构热工计算时， 应对以上 3个参数根据不同实际情况作相应的修正。 关键词 壁体内表面换热阻； 壁体外表面换热阻； 导热系数 中图分类号 T U 2 4 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 1 9 3 3 2 0 1 1 0 22 8 0 0 3 Th e e ffe c t o f i n t e r a n d o u t e r s ur f a c e r e s i s t a n c e o f r e s i d e n t i a l b u i l d i n g e nv e l o pe t o t he t o t a l t h e r m a l c o nduc t anc e WANG J i a n g l i ， L I U C h a n g f e i H e n a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， L u o y ang 4 7 1 0 0 3 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e h e a t t r a n s f e r t h r o u g h t h e b u i l d i n g e n v e l o p e i n w i n t e r h a v e t h r e e f a c t o rs t h e i n n e r S u r f a c e r e s i s t a n c e o f the w a l l ，t h e o u t e r s u r f a c e r e s i s t a n c e o f the wa l l a n d t h e t h e r ma l c o n d u c t i v i t y o f t h e ma t e r i a1．T h e s e t h r e e f a c t o rs a i c e ff e c t e d b y t h e s o u r c e o f i n d o o r a n d o u t d oo r h o t a n d c o l d，w i n d s p e e d a n d t h e mo i s t u r e o f t h e ma t e r i a l l a y e r ．T e s t i n g a r e s i d e n t i al b u i l d i n g t h a t h a d b e e n u s e d f o r t e n y e a r s a n d c alc u l a ti n g w e c a l l c o n c l u d e dwh e n We d o t h e c a l c ula t i o n o f h e a t t r a n s f e r the o r y o f b u i l d i n g e n v e l o pe i n t h e w i n t e r ， we s h o u l d a me n d t h e a b o v e t h r e e p a r am e t e rs b a s e d o n d i ff e r e n t a c t u a l s i t u a t i o n ． Ke y wo r d s t h e i n n e r s u rf a c e r e s i s t an c e o f t h e w a l l ； t h e o u t e r s u r f a c e r e s i s t a n c e o f t h e wa l l ； t h e the r ma l c o n d u c t i v i t y 1 概述 在房屋建筑中， 当室内外的温度不等时， 外墙和 屋顶等围护结构的高温侧向低温侧传递热量。若室 内、 外的气温都不随时间而变， 围护结构的传热就属 于稳定传热过程。 2 一维稳态平壁传热原理 假设有一由均质材料组成的平壁 ， 其长和宽的 尺度都远大于壁体的厚度 d ， 壁体材料的导热系数 为 A， 并假定室内空气温度 t i 高于室外气温 ， 则整 个传热过程分为以下 3个阶段。 1 壁体 内表面吸热 该过程是 内表 面从室内空气获得热量的过程。 在这一过程中， 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 间各相表面的辐射换热 ， 该 传热过程表示为 收稿 日期 2 0 0 9 - 0 4 - 0 8 作者简介 王江丽 1 9 7 8一 ， 女， 河南荥 阳人 ， 硕士 ， 讲 师 ， 主要从 事 建筑设计及节 能教学与研究 。 Ema i l w j I - h k d 1 2 6 ． c o n l q i i t i 一0 i 1 式中q i 壁体内表面单位时间、 单位面积的吸 热量 W／ m ； i 壁体内表面换热系数[ W／ m K ] ； t i 室 内空气温度 c C ； 0 i 壁体 内表面温度 ℃ 。 2 平壁材料层导热 当平壁是单层均质材料 ， 传热过程表示为 、 q 号 0 i 一 0 。 2 U 式中 q 单位时间内通过单位面积平壁的导热 量 W／ m ； A 单层均质材料的导热系数 [ w／ m K ] ； d 单层均质材料层厚度 m ； 壁体外表面温度 ℃ ； 0 i 壁体内表面温度 ℃ 。 3 壁体外表面散热 该过程是平壁外表 面向室外空气和环境散热。 与内表面换热类似 ， 外表面的散热同样是对 流换热 与辐射换热的综合， 传热过程与内表面吸热过程相 似， 为 王江丽， 等 住宅建筑围护结构内外表面热阻对传热系数的影响 2 8 1 q 。 0 一t 。 3 式 中g 壁体外表 面单位时 间、 单位 面积 的散 热量 W／ m ； 壁体外表面换热系数 [ W／ m K ] ； t e 室外空气温度 ℃ ； 壁体外表面温度 ℃ 。 综上所述， 当室内气温高于室外气温时 ， 围护结 构经过上述 3个 阶段 向外传热 。由于假定为一维稳 定传热状态， 各界面的比热流量应相等。即 g ig q g 4 变换 为 1 q 丁 ￡ i 一￡ e 5 一 十 i A 或 gK ￡ i 。 6 即 1 丁 7 O L i A O L e K即平壁的传热系数 ， 表示在稳定传热条件下 ， 平壁两侧空气温度相差 1 K 1 ℃ 时 ， 在单位时问内 通过单位面积平壁所传 出 的热量。由式 7 可知 ， 平壁的传热系数 同平壁 内、 外表面的换热 系数与材 料层的导热系数呈正 比。 材料的导热系数反映了材料的导热能力 ， 表征 材料单位厚度的两侧表面温度差为 1 K 1 q C 时 ， 在 1 h内通过 1 m 面积的热量 。材料的导热系数在一 定条件下是定值 ， 但它会随环境因素的变化而改变 ， 尤其是材料含湿量增加时 ， 导热系数会增大。 平壁 内、 外表面的换热系数是同时考虑平壁表 面对流换热系数和辐射换热系数 的综合值 。 民用 建筑热工设计规范 G B 5 0 1 7 6 9 3列 出冬季外墙 内 表面换热系数为 8 ． 7 W／ m K ， 外表面换热系数 为 2 3 ． 0 w／ m K 。 目前的墙体节能热工计算 ， 多以此两数据作为已知值 。但 实际上墙体 内、 外表 面的对流换热会受室内、 外空气温度、 气流速度等热 环境因素影响 ， 从 而在不 同状况下具有不 同的表面 换热系数值 。 3 实例计算 例一住宅墙 体 由 2 0 m m厚石灰砂 浆 内粉刷 [ A0 ． 8 1 W／ m K ] ， 2 4 0 m m 厚粘 土砖 [ A 0 ． 8 1 W／ m K ] 和 2 0 m m厚水泥砂浆外粉刷 [ A 0 ． 9 3 W／ m K ] 3层构成 。室 内外表面换热系 数分别按 民用建筑热 工设计规 范 规定 ， 取 i 8 ． 7 W／ I n ‘ K， 。 2 3 ． 0 W／ m -K 。将 以上 数据带人公式 7 ， 得 K _ 『 1 一8 ． 7 万 2 ． 0 2 8 W／ m K 8 但住宅墙体多被窗、 梁等分割 ， 不能看作是无限 大平壁 ； 而室内外热参数随热源和室外气候的变化 必定影响墙内、 外表 面换热系数 ； 另外 ， 建筑在使用 过程 中， 无论是外界雨雪还是 内部生活产生的水蒸 气都将影响材料层的含湿量 ， 导致导热系数值增大。 因此 ， 理论数据存在一定偏差 。 4 现场测试 针对 以上问题 ， 对河南开封一栋住宅建筑进行 现场测试 ， 希望通过测试数据 ， 研究建筑在使用过程 中围护结构传热系数与理论值的偏差 。 测试对象是建于 1 9 9 8年的 5层砖混建筑 ， 室内 有采暖 ， 墙体构造与上例相似。测试时间为 2 0 0 9年 1月 2 3日0 0 0 3 0 0， 每小时记录一次数据。测 点选在北 向房间外围护结构 内、 外表面并均匀分布 ， 以多测点均值克服测量误差。测试结果如图 1 ， 2所 示。将测试数据加以整理， 得出壁体内、 外表面温度 平均值 、 通过壁体热流密度平均值及室 内、 外空气温 度平均值 ， 见表 1 。 图 1 各壁体表 面温 度及 空气 随时间变化 曲线 Fi g． 1 Va r i at i o n c u rv e of e a c h s ur f ac e t e mpe r a t ur e o f wa l l a nd a i r t e m p e r at ur e de pe n de nc e o f t he t i me 表 1 测试 数据整理 结果 Tab l e 1 M e a s u r e e ffe c 壁体内表面 壁体外表面壁体热流 室内空气 室外空气 平均温度 平均温度密度平均值 温度平均值 温度平均值 ／ ℃ ／ ℃ ／f W／ m ／ ℃ ／ ℃ 墙体 l 3 7 5 - 3 7 2 一 l 5 ．8 7 ． 2 窗玻璃 1 1 ． 1 6 ． 2 9 3 ． 9 2 8 2 四川建筑科学研究 第 3 7卷 } 鬟 蕻 0 2 4 6 8 l 0 l 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 时间 ／ h 图 2 各壁体热流 密度 随时问变化 曲线 F i g ． 2 V a r i a ti o n c u r v e o f t h e t h e r ma l fl u x d e p e n d e n c e oft h e t im e 将表 1中结果带入公式 1 ， 2 ， 3 可得 ， 3 4 ． 6 W／ n l K， 理 3 8 ． 2 W／ i n 。 K ， R 0 ． 2 6 w／ m K ， 代人公式 7 得 了 T3 ． 1 2 5 W／ m 。 K 9 上 O L i Ot 。 5结论 对 比实测数据与理论数据发现 1 测量 1 3 为冬季阴天 ， 全天无太阳直射辐射 ， 且室内 2 4 h供暖 ， 室 内外空气温度基本保持不变 ， 外墙的传热可近似为稳态传热过程 。 2 由于室内暖气片 的辐射影响， 墙体 内表面 换热系数大幅度增加， 增强室 内空气与墙体 内表面 的换热过程。 3 建筑在使用过程中墙体材料受潮或结构内 部凝结水的影响， 导致材料的导热性能增加， 热阻由 0 ． 3 4 W／ m K 降低到 0 ． 2 6 w／ I n K ， 增加了 墙体的导热性能。 4 测试 当天室外 温度较低 ， 并且有北风直吹 被测墙体 ， 增强了墙体外表面与室外空气的对流换 热， 因此， 测得的墙体外表面换热系数也较 民用建 筑热工设计规范 中提供的高。 5 被测建筑围护结构墙体的传热系数实测值 是理论计算值的 1 5 0 ％ 。 本次测试仅对冬季全阴天、 室外北风、 室内持续 稳定供暖的工况进行测试， 该工况是最接近稳态传 热的假设。但在整个采暖季 ， 情况复杂多变 室外气 候以 1 2月、 1 月最恶劣 ， 温度低 ， 日照少 ， 并伴有大 风或雨雪天气 ， 但 1 1月、 2月及 3月温度相对较高， 13照多 ； 室内供暖也不是定值， 采暖季初期和后期较 弱 ， 中期最强。尤其近几年来 ， 分户计量入户 ， 用户 可 自行调节供暖量 ， 这些都会对围护结构内外表面 换热系数产生不同的影响。围护结构传热系数在整 个采暖季不再是定值。 建筑围护结构的传热系数是控制建筑能耗的重 要参数 ， 因此 ， 在做相关计算时 ， 应充分考虑室内热 环境 、 室外气候参数及建筑围护结构材料性能的改 变对它的影响， 这将更利于提高它的精确性 ， 准确分 析建筑能耗， 真正意义上做到建筑节能。 参 考 文 献 [ 1 ] 柳孝图． 建筑物理 [ M] ． 北京 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 2 ] 刘加平． 建筑物理 [ M] ． 北京 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 3 ] 刘加平 ， 戴天兴． 建筑物理实验 [ M] ． 北京 中国建 筑工业出版 社 。 2 0 0 6 ． 欢 迎订阅 四川建 筑科学研究 杂志 国 内 统 一 连 续 出 版 物 号 CN51 1 l 4 2 ／T U 国 际 标 准 连 续 出 版 物 号 I S S N 1 0 0 81 9 3 3 国 内 邮 发 代 号 6 21 2 国 内 订 价 1 2 ． 0 0元 ∞ ∞ ∞ 舳 ∞ ∞ 0