课题：典型建筑墙体的稳态传热分析
课题：典型建筑墙体的稳态传热分析
22级明月2班 20224546 许晶华
一、背景介绍
建筑墙体作为建筑的重要组成部分，在维护室内舒适温度和能源效率方面起着重要作用，研究其作用及在传热过程中的特性对生态建筑的可持续发展具有重要的指导意义。发展生态节能建筑最终的目标就是要在满足室内居住者的热舒适基础上降低建筑的能耗，对实际居住者而言较关注的是如何以较低的能耗获得舒适的建筑室内热环境。考虑到当前大部分大型公共建筑、工业建筑与高层住宅的主要承重构件包括梁、板、柱等均采用钢筋混凝土结构，因此本文将着重针对此种结构简化模型的传热过程进行分析。
稳态传热是指传热系统中各点的温度仅随位置而变化，不随时间而改变的传热过程，对于这一传热过程的分析有助于评估墙体在不同环境条件下的隔热性能，其中一个关键参数是环境空气流速。本研究旨在分析单位面积上典型建筑墙体的稳态散热过程，特别关注墙体散热量随环境空气流速的变化关系。
二、物理模型
钢筋混凝土墙体结构的物理模型如下图1、2、3所示。
图1：钢筋结构图解
图2：墙体结构物理模型
图3：墙体处传热物理模型
在上述简化模型中，选取房间中心为坐标原点，定义有如下参数：
（1）室内方墙高宽比为Ar=L/H；
（2）模型左端设有厚度为s的墙体；
（3）墙体内侧空气流速为V1，墙体外侧空气流速为V2；
（4）墙体内侧温度为Tf1，墙体外侧温度为Tf2，且由于研究室内散热过程，默认Tf1>Tf2；
（5）钢筋混凝土结构内表面温度为Tw1，钢筋混凝土结构外表面温度为Tw2，且由于研究室内散热过程，默认Tw1>Tw2。
注意：模型中方腔右侧墙体及上、下墙体均为绝热且不考虑厚度。
三、传热过程分析
该简化传热过程主要可以分为以下三个环节：
（1）墙体内侧的对流换热
该过程为热对流过程，由牛顿冷却公式可得：单位面积墙体上的对流传热量Q1=hΔT1
其中，h为表面对流换热系数，通过查询相关文献与手册（《民用建筑热工设计规范》 GB 50176-2016)可得，当Ar=L/H<=0.3时，空气在钢筋混凝土内表面的对流换热系数约为8.7W/m^2-K；当Ar=L/H>0.3时，空气在钢筋混凝土内表面的对流换热系数约为7.6W/m^2-K（如图4所示）。ΔT1为室内空气温度Tf1与钢筋混凝土内表面的温度Tw1之差。
图4:内表面换热系数αi和内表面换热阻Ri
（2）通过墙壁的导热（散热）过程
该过程为热传导过程，由傅里叶定律可得：单位面积墙体上的传导热量Q2=λΔT2/Δx
其中，λ为钢筋混凝土结构的导热系数，通过查询相关文献与手册（《民用建筑热工设计规范》 GB 50176-2016)可得其值约为1.74W/m-K；ΔT2为钢筋混凝土内外表面两侧的温度差，由于传热总是自发由高温向低温处进行，故此处特别定义为Tw1-Tw2；Δx则为墙体厚度s。
（3）墙体外侧的对流换热
该过程为热对流过程，由牛顿冷却公式可得：单位面积墙体上的对流传热量Q3=hΔT3
其中，h为表面对流换热系数，通过查询相关文献与手册（《民用建筑热工设计规范》 GB 50176-2016)可得，冬季时，空气在钢筋混凝土外表面的对流换热系数约为23.0W/m^2-K；夏季时，空气在钢筋混凝土外表面的对流换热系数约为19.0W/m^2-K（如图5所示）。ΔT3为钢筋混凝土外表面温度Tw2与室外空气温度Tf2之差。
图5:外表面换热系数αe和外表面换热阻Re
全热路过程分析
在分别考虑上述三个传热过程环节后，针对整个完整的传热过程，通过查阅相关文献资料（详见《民用建筑热工设计规范》 GB 50176-2016：3.4 基本计算方法），有如下公式：
单位面积墙体上的散热量Q=Q1+Q2+Q3=KΔT；
其中ΔT为室内与室外的温度差值Tf1-Tf2；K为该传热过程的传热系数；
传热系数K=1/R0，R0为整个结构的传热阻值；
R0=Ri+R+Re，其中Ri为内表面换热阻，R为钢筋混凝土材料的热阻，Re为外表面换热阻；
Ri,Re的一般数值均可查表获得，如上图4、5所示；
通过查阅资料，钢筋混凝土结构的热阻计算可采用公式R=δ/λ，其中δ即为墙壁厚度s，λ查表可得约为1.74W/m-K。
至此即可在给定的条件下计算出单位面积墙体稳态散热量（传热方程与热路图如下图6、7所示）。
图6:传热方程——单位面积墙体稳态散热量的定量表达式
图7:典型建筑墙体稳态传热过程的简化热路图
如需要计算夏季Ar=L/H>0.3的房屋（钢筋混凝土结构），厚度s=0.5m的单位面积墙体稳态散热量，则依据上述数据，取Ri=0.13m^2-K/W,Re=0.05m^2-K/W,λ=1.74W/m-K,则可计算得出总热阻R0≈0.467m^2-K/W，传热系数K≈2.141W/m^2-K，若室内外温差为10K，则可计算得出此时单位面积上墙体的散热量Q约等于21.41W。
值得注意的是，上述数据均取自于实际的民用建筑热工设计规范标准，因此较接近于大部分情况下建筑墙体的实际情况。但事实上，表面对流换热系数的数值与换热过程中流体的物理性质、换热表面的形状、部位以及流体的流速等都有密切关系。物体表面附近的流体的流速愈大，其表面对流换热系数也愈大，一般采用经验公式进行计算。目前相关的参考资料较少，无法给出针对该典型建筑墙体结构的准确的定量计算公式衡量对流换热系数与流体流速之间的数值对应关系，只能进行定性分析与查表获取一般情况。
四、结论
通过对于上述分析所得到公式的整理与总结，综合可能影响墙体的表面对流换热系数等关键参数的因素，可以得出如下结论：
- 墙体导热系数λ和墙体厚度s(δ）的增加都会导致墙体散热量减小。
- 外部环境空气流速V的增加会增加墙体散热量，尤其是在寒冷的条件下，但暂时无法给出定量的公式分析，不同的场景下该因素对于散热量的影响不同。
- 对流换热系数h的增加会显著增加墙体散热量，这取决于墙体表面特性和空气性质。
因此，我们可以根据这些分析结果来优化建筑墙体的隔热性能，选择合适的材料、厚度和对流措施，以提高能源效率并确保室内舒适度。在寒冷气候下，特别要注意增加对流传热（可以通过加快内外空气对流的方式）以减少能源损失。
课题：典型建筑墙体的稳态传热分析
