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双坡屋顶等效传热系数的计算问题

教学资源|题库|学习文库-「普洱教育」来源: https://www.puerjy.cn 2020-04-07 17:24公式大全 207283 ℃
传热公式
双坡 摘要:本文分析了冬季采暖房间双坡屋顶的传热问题,通过运用组合材料法和热量平衡法,推导出双坡屋顶等效传热系数的计算公式,并进行了实例分析,结果表明:坡屋顶中的空气层对屋顶的保温影响不明显。 关键字:等效传热系数 坡屋顶 平屋顶 空气层 Calculation of equivalent heat transfer coefficient of double sloping roof Abstract: In this paper, the heat transfer mechanism of double sloping roof of heating room in winter is analyzed. By using built-up materials method and heat balance method, the formula of equivalent heat transfer coefficient of double sloping roof is introduced. Furthermore, the example analysis is also made. The conclusion is that the air space has little effort on heat preservation in the sloping roof. Key word: equivalent heat transfer coefficient sloping roof flat roof air space 随着国民经济的发展,居民生活水平的提高,人们对于居住质量的要求也越来越高。其中平屋顶建筑顶部的冬冷夏热,已成为一个不可忽视的问题。
如何在原有建筑的基础上加以改造,或采用新型的屋顶形式,在改善室内热环境的同时,达到美观、节能的目的,正成为一个新的研究方向。
目前解决此类问题的常规做法是设置坡屋顶。本文主要对冬季采暖房间双坡屋顶的等效传热系数的计算问题进行了讨论,推导出双坡屋顶等效传热系数的计算公式。 一 原理 根据建筑围护结构的传热原理,冬季采暖房间室内、外温度的计算模型为恒定热作用类型,即室内温度和室外温度在计算期间不随时间而变。设室内温度为ti,室外温度为te,内表面换热系数为i,外表面换热系数为e,传热系数为K0,传热面积为F0,传递热量为Q,材料层的厚度为d,其相应的导热系数为。一维稳态传热的计算公式为: Q1itited1K0(tite)F0

(1) e假设在一建筑体中截取一长度L为10米,宽B为5米,屋顶坡度为i的部分作为计算单元(见图1)。 1 图1 计算单元 图2 传热通路 二 屋顶热状况分析

1、传热通路(见图2)。
冬季热流首先由顶棚向空气层内部传递,再通过空气层经屋顶传向室外。但在建筑物的两端,由于山墙的存在,其传递路径稍有不同。
即热量除由屋顶散失外,还由山墙传递出去。本文未详细研究此情况。

2、空气层对屋顶热工性能的影响 假定屋顶坡度i=10°、30°、45°、60° , h为三角形屋顶的高(见表1)。 表1 不同坡度的屋顶高度 坡度i 高度h(m) 10° 0.44 30° 1.44 45° 2.5 60° 4.33 由表一可知,当坡度为较缓的10°时,空气层的平均厚度已经为0.22m。
国标对于不同厚度的空气间层的热阻有明确的规定。对于不同位置、热流情况和材料特性的空气间层,随着空气间层厚度的增加,空气间层的热阻基本上也是增加的,但这种增加并非正比关系。当空气间层厚度达到60mm以上时,由于对流换热的增加,空气间层的热阻将趋于稳定不变的状态。因此,坡屋顶的上部空间可近似地认为是一个充满空气的大空间。 图3 坡屋顶折算为平屋顶的折算简图 三 坡屋顶等效传热系数公式 坡屋顶的传热系数可通过两种方法计算得到。

1、 多层组合材料计算法 将坡屋顶折算成平屋顶,简化后的整个坡屋顶体系,可看成是一个由屋顶层和顶棚层组成的组合材料层。其传热系数可根据组合材料层热阻的计算方法进行计算。 ⑴将坡屋顶按其投影面积折算为平面。 若设原坡屋面传热系数为K1,面积为F1;折算后的屋顶的传热系数为K1,面积为F1,T为温度 2 差。根据通过的热流量相等,即Q1Q2(见图3)。 K1F1TK1F1T

(2) K1K1F1

(3) F1F1F11cosi1

(4) 即K1K1 由公式可知,坡屋顶折算后的传热系数增大,热阻减小。 表2 不同坡度传热系数增大倍数 坡度 系数增大倍数 10° 1.01 30° 1.154 45° 1.414 60° 2 由表2可知,坡屋顶折算为平屋顶时,传热系数增大很多。
因此若坡屋顶内无其他功用,通常坡屋顶坡度取30°左右时,从施工、经济等方面较为合理,不易起坡过大。 ⑵公式推导 设坡屋顶的传热系数为K1,坡屋顶的面积为F1,热阻为R1;顶棚层的传热系数为K2,面积为F2,热阻为R2(见图3)。
R11F1F2 R21 K1K1F1K1F1K2总热阻: R总R1R2F1总传热系数: K1F11K2F2K1F11K2

(5) K总1F21K1F1K2

(6)

2、热量平衡法 建筑物为一维稳态传热,则由顶棚传至空气层的热量Q3等于由空气层传至坡屋顶的热量Q4。即Q3Q4。
室内温度为ti,室外温度为te,空气层的温度为tair。
Q3K1F1(tairte)

(7) Q4K2F2(titair)

(8) Q5K总F2(tite)

(9)

(7)式和

(8)式联立,解得 tair将

(10)式代入

(9)式,解得 K1F1teK2F2ti

(10) K1F1K2F23 F21K1F1K21两种方法得到相同的计算公式,即 K总 F21K1F1K2四 坡屋顶构造做法 本文所讨论的坡屋顶根据其用途及构造的不同,可分为两种:

1、应用于已建平屋顶住宅的改建工程。南北斜坡,不利用阁楼,纯粹为美化屋顶目的,坡屋顶仅起防水、架空隔热作用。
这种坡屋顶骨架为轻钢龙骨框架,在上面铺一层板材,再铺防水卷材,然后铺设玻纤沥青瓦或其他新型屋面材料,如多彩复合玻纤瓦、彩色PVC瓦、彩色沥青油毡瓦、彩色水泥瓦及彩色压型钢板瓦以及彩钢夹芯屋面板等。
优点:施工方便,造价低,防水性能好,不易漏水。缺点:阁楼空间小,不易利用,浪费了阁楼面积。

2、应用于新建建筑。坡屋顶构造通常为钢筋混凝土基层屋面板,上铺保温材料,一般多采用发泡聚苯板或挤塑聚苯板再铺防水卷材,最后铺设新型屋面材料,同类型1。
其屋面坡度根据所使用材料的不同分别选用。 五 实例分析 建 筑 类 型做 法

1、4mm厚彩色油毡瓦

2、1.5mm厚水泥聚合物防水涂膜

3、20mm厚
1:2.5坡屋顶水泥砂浆找平层

4、60mm厚发泡聚苯板

5、100mm厚现浇钢筋混凝土屋面板新 建建 筑

1、水泥砂浆保护层

2、1.5mm厚水泥同材质的聚合物防水涂膜

3、20mm厚
1:2.5水平屋顶泥砂浆找平层

4、60mm厚发泡聚苯板

5、100mm厚现浇钢筋混凝土屋面板

1、10mm厚两毡三油防水层

2、20mm平 改原平屋顶厚水泥砂浆

3、100mm厚钢筋混凝土预制板坡 建筑加设坡屋

1、60mm彩钢夹心屋面板

2、轻钢骨架顶传热系数做法

1、25mm厚水泥砂浆

2、100mm厚钢筋混凝土板传热系数表3 不同做法的屋顶传热系数的分析比较 K总1 坡 屋 顶 部 分 (平 屋 顶)顶 棚 部 分总传热系数百分比%0.6964.2670.5980.830.603//0.6033.47///3.47286.90.52/0.452 西安地区一坡屋顶建筑,取计算单元,长为10米,宽为5米,坡度i为30°。
冬季室内温度ti=16℃,室外温度te=0.9℃,内表面换热阻Ri取0.11(m2· k )/ w,外表面换热阻Re取0.04(m2·k )/ w。 由表查得:钢筋混凝土的λ=1.74 w /(m· k ),水泥砂浆的λ=0.93 w /(m· k ),发泡聚苯板λ=0.042 w /(m· k ),混合砂浆的λ=0.87w /(m· k )。
比较结果见表3。 4 六 结论和建议 ⑴使用建筑的常规做法,在冬季采暖房间内,整个坡屋顶体系的等效传热系数的计算公式为: K总1F21K1F1K2 K
1: 坡屋顶的传热系数 K
2: 顶棚层的传热系数 F
1: 坡屋顶的面积 F
2: 顶棚层的面积 Ri: 内表面换热阻 Re: 外表面换热阻 ⑵由公式和实例分析可知,在冬季采暖房间,其坡屋顶中的空气层对屋顶的保温作用不明显。因此,仅从保温角度考虑,同材质的平屋顶和坡屋顶的保温效果基本相同。但若原有建筑为未保温屋顶,则加设坡屋顶后其传热系数将明显降低,能大大地改善建筑顶部的室内热环境。
⑶对于要满足夏季隔热要求的建筑,由于围护结构受周期谐波热作用的影响,空气层对温度波有相位延迟和振幅衰减的作用,其影响作用不可忽略。在设计坡屋顶时,应在满足本地区最小传热系数限值的保温要求的基础上,考虑夏季隔热的要求。
⑷在旧建筑的改造中,若其上部空间无特殊功用,则在满足功能、美观的基础上,不易起坡过大。 ⑸本文讨论的是封闭的空气层,综合利用坡屋顶,可在其上设置可开启的通气窗,则坡屋顶的保温隔热效果会更好。
冬季关闭以保证内部空气温度,夏季开启加强自然通风降温。 参 考 文 献 〔1〕《建筑物理》 西安建筑科技大学 刘加平 主编 中国建筑工业出版社 〔2〕《建筑节能技术》 房志勇 等编著 中国建材工业出版社 〔3〕《建筑热物理学》 B·H·巴格斯罗夫斯基著 单寄平 译 5 传热公式。
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