外墙和屋顶如何影响室内热量传递？

1.室外空气设计参数

室外空气通过墙、窗和屋顶与室内空气有热量交换，造成室内冷热负荷。室外空气状态在一年中、一月中及一天中都是变化着的，采用什么状态作为空调设计依据就成为问题。以夏季空调为例，采用当地的最高室外空气温度（干球和湿球）进行负荷计算，似乎是最安全的。但是，这样做是不合理的，因为最高干湿球温度往往很多年才会出现一次。而且即使出现，其延续时间也往往很短（几个小时）。按最高干湿球温度设计空调系统，使选定的设备容量偏大，往往长时间内不会满负荷运行，造成一定的浪费。所以，通常不是按最不利条件来确定室外空气设计参数，即使偶尔出现超出设计条件的时刻，可以采取一些临时措施，使空调设备适应需要。如错开室内发热设备的使用时间；临时减少室内人员，从而减少新风量等。

表6-6列出由《采暖通风与空气调节设计规范》规定的、若干城市的空调室外空气设计参数。

表6-6 空调室外空气设计参数

表6-6给出的夏季室外空气计算干球温度，是设计日的最高温度，通常可以认为这一最高温度出现在下午3时（当地时间）。如果要知道设计日其他时刻的空气温度，可以用下式算得：

t_w，τ=t_w，max-α_τΔt_w （6-3）

式中 t_w，τ——设计日在时刻τ（当地时间）的室外空气温度（℃）；

t_w，max——室外计算温度（℃）。t_w，max可从表6-6查得；

Δt_w——设计日室外最高温度与最低温度之差（又称日较差），Δt_w可查表6-7获得；

α_τ——与时刻τ有关的系数。可从表6-8查取。

表6-7 Δt_w值 （单位：℃）

表6-8 α_τ值

【例6-5】 求上海的夏季空调设计日中午12时（当地时间）的室外空气温度。

解 从表6-6查得上海的夏季室外计算干球温度t_w，max为34.0℃。从表6-7查得上海的设计日日较差Δt_w=7.1℃。从表6-8查得中午12时的α_τ=0.14。于是利用式（6-3）可算得：

t_w，12=（34.0-0.14×7.1）℃=33.0℃

计算太阳辐射热或计算任一时刻的室外空气温度时，用的时间都应当是当地时间。当地时间与北京时间的关系是

当地时间=北京时间+Δτ （6-4）

【例6-6】 求与西安当地时间中午12时相当的北京时间。

解 从表6-6查得西安的地方经度是东经108°56′（108.93°），用公式（6-5）算得

代入式（6-4），求得相当于西安当地时间中午12时的北京时间为

北京时间=（12+0.738）h=12.738h=12h44′

2.室内外温差传热

在自然界，热量总是从高温处传向低温处。当室外空气温度高于室内空气温度时，热量就从室外通过外墙、窗或屋顶（常称为围护结构）传入室内。这一传热量与室内外温度差成正比。此外，它们的构造（面积、厚度、材料性质、内外表面空气流动情况等）也影响传热量的大小。

用公式表示，在稳定传热条件下，通过围护结构的传热量为

Q=KA（t_w-t_n） （6-6）

式中 Q——通过围护结构自室外传入室内的热量（W）；

A——围护结构的传热面积（m²）；

t_w——室外空气温度（℃）；

t_n——室内空气温度（℃）；

K——围护结构的传热系数〔W/（m²·K）〕。

传热系数K反映了围护结构的传热特性。K值愈高，围护结构在同样的外界条件下传热量愈多。表6-9列出了几种常见围护结构的传热系数K值。表6-10列出了几种玻璃窗的传热系数K值。

表6-9 几种常见围护结构的传热系数K

（续）

（续）

表6-10 几种玻璃窗的传热系数K

在实际工程设计中，往往不能简单应用式（6-6）计算，因为该式只能用于t_w和t_n都不变的条件。t_n是室内要求的温度，通过空调系统的调节作用，可以做到其值恒定。但是要使t_w不变，却无法做到，原因如下：

1）室外空气温度随时都有变化。对设计日它是按式（6-3）的规律变化。对非设计日（即平时的运行期），这一变化没有固定的规律。

2）太阳照射在围护结构上，影响其表面温度，从而影响到室内外的传热量。而且太阳辐射强度也是随时变化的，使得通过围护结构的传热过程很复杂。

以上两点说明，经围护结构的是非稳定传热过程，这一传热过程的计算方法远比式（6-6）所表示的要复杂。为了使实用计算简化，事先考虑了上述诸复杂因素，利用计算机作详细的计算。得到了计算结果后，用一个当量室外温度（冷负荷计算温度t_lf）来替代室外空气温度，而且可以用公式（6-6）的型式来计算。这使得计算非常方便。具体公式是

Q=KA（t_lf-t_n） （6-7）

式中 Q——在太阳辐射和室外空气温度综合作用下造成的室内冷负荷（W）；

K——围护结构的传热系数〔W/（m²·K）〕；

A——围护结构的传热面积（m²）；

t_lf——冷负荷计算温度（℃）；

t_n——室内空气温度（℃）。

t_lf值可从表6-11和表6-12查取。此两表的数据适用于具有中等质量和中等保温情况的围护结构。另外，它们是按北京地区的室外条件计算得到的，对其他地区应该用表6-13中的t_d值对t_lf作修正。修正方法是(www.xing528.com)

还要注意，t_lf值已经考虑了房间的蓄热或放热作用。换句话说，式（6-8）算得的是冷负荷，不是得热量。

【例6-7】 一个位于上海的空调房间，它有一南向外墙，此墙是一砖半（厚370mm），内表面有20mm白灰粉刷的结构。墙的传热面积是28.0m²。试计算在设计条件下，由于室内外温差和太阳辐射造成的、在下午3时的通过该墙的传热量所造成的冷负荷，室内温度t_n=24.0℃。

解 从表6-9查得此种外墙的传热系数K=1.55W/（m²·K）。从表6-11查得南向外墙下午3时的冷负荷计算温度t_lf=32.9℃。从表6-13查得对上海地区的修正值t_d=-0.8℃。利用式（6-8），可算得该外墙造成的下午3时的冷负荷值为

表6-11 外墙（中等热容）冷负荷计算温度t_lf （单位：℃）

表6-12 屋顶（中等热容）冷负荷计算温度t_lf （单位：℃）

表6-13 t_lf的修正值t_d （单位：℃）

（续）

3.传热系数K的计算方法

图6-1表示一单层围护结构，其两侧的空气温度分别是t₁和t₂。设t₁＞t₂，则必定有热量Q从t₁侧通过围护结构传向t₂侧。如果t₁、t₂和两侧的环境条件不变，Q值也就不变。这种传热称稳定传热。

图6-1 单层围护结构

现以t_1b和t_2b分别表示该围护结构两侧的表面温度，在稳定传热条件下，必定存在以下的关系：

t₁＞t_1b＞t_2b＞t₂ （6-9）

根据式（6-9）表达的特性，可以将整个传热过程分解成三个阶段：

1）从t₁侧空气传向表面（温度为t_1b）的热量Q₁

Q₁=α₁A（t₁-t_1b） （6-10）

式中 α₁——t₁侧表面传热系数〔W/（m²·K）〕；

A——传热面积（m²）。

2）从一侧表面（温度为t_1b）传向另一侧表面（温度为t_2b）的热量Q2

式中 λ——围护结构材料的热导率〔W/（m·K）〕，表6-14列出若干种材料的λ值；

δ——围护结构的厚度（m）。

表6-14 若干种材料的物理性质

（续）

3）从表面（温度为t_2b）传向另一侧空气（温度为t₂）的热量Q₃

Q₃=α₂A（t_2b-t₂） （6-12）

在稳定传热的条件下，Q₁、Q₂和Q₃相等，并使之等于Q，即

Q₁=Q₂=Q₃=Q （6-13）

根据式（6-13）的关系和式（6-10）、式（6-11）及式（6-12），得

令

则式（6-14）可改写为

Q=KA（t₁-t₂） （6-16）

式中 K——围护结构的传热系数〔W/（m²·K）〕。

式（6-16）中的t₁用室外温度t_w代替，t₂用室内温度t_n代替，则就成为式（6-6）的型式。K的计算式应改写成

式中 α_w——围护结构外表面的表面传热系数〔W/（m²·K）〕，可查表6-15；

α_n——围护结构内表面的表面传热系数，通常可取α_n=8.7W/（m²·K）。

表6-15 室外表面传热系数αw

注：室外平均风速值可在表6-6中查得。

以上研究的是单层围护结构。在实际工程中，更多遇到的是多层的、由不同材料组成的围护结构（图6-2）。这时式（6-16）还是可用，但是传热系数应当用下式计算：

图6-2 多层围护结构