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第 vy卷 第 w期u s s s年 z 月
林 业 科 学
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定向结构板复合墙体热特性的评价
周晓燕 华毓坤
k南京林业大学 南京 utssvzl
摘 要 }文中运用有限差分法和积分变换法评价定向结构板复合墙体的热特性 o并将之与传统的砖混结构
进行了比较 ∀研究结果表明 o建筑物的室内热环境状况主要取决于围护结构的组成材料和构造 ~定向结构板
复合墙体的透过热稳定性好 o其对外界扰量k室外气温l的衰减倍数约是砖墙的 z ∗ {倍 ~比普通粘土砖墙厚
度减小一半的定向结构板和玻璃棉板复合墙体对外扰的减弱能力仍大于普通粘土砖墙 ~大空间范围k如体育
馆 !影剧院 !商店等l o采用轻质木质复合材料作内装修 o将有利于空调设备对室内空气温度的调节 ∀
关键词 }定向结构板 o热特性 o有限差分 o积分变换
Ες ΑΛΥΑΤΕ ΟΦ ΤΗΕ ΗΕΑΤ2ΧΟΝ∆ΥΧΤΙΝΓ ΠΡ ΟΠΕΡΤΨ ΟΦ ΟΣΒ ΩΑΛΛΒΟΑΡ ∆
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( Νανϕινγ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Νανϕινγutssvz)
Αβστραχτ : ׫¨ «¨ ¤·2¦²±§∏¦·¬±ª³µ²³¨µ·¼ ²© ’≥… º¤¯ ¥¯²¤µ§ º¤¶ √¨¤¯∏¤·¨§ º¬·«©¬±¬·¨ §¬©©¨ µ¨±¦¨ ° ·¨«²§¤±§¬±·¨µ2
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Κεψ ωορδσ: ’≥…o ‹ ¤¨·2¦²±§∏¦·¬±ª³µ²³¨µ·¼oƒ¬±¬·¨ §¬©©¨ µ¨±¦¨ ° ·¨«²§oŒ±·¨µª¤¯ ·µ¤±¶©²µ°¤·¬²± ° ·¨«²§
木材一直是深受人们喜爱的建筑材料之一 o早在 ws ≅ tsw 年前人们就开始利用木材建造房屋
kŽ¤∏°¤±ot||sl ∀由于木材具有传统建筑材料所无法比拟的保温隔热性能 o目前 o结构类木质人造板 o
如定向结构板 o单板层积材等已在国外的建材市场占有了举足轻重的地位 ∀我国也已在北京 !上海等
地用定向结构板建成了大片别墅区 ∀为了进一步弄清定向结构板作墙体材料的优越性 o并为建筑结构
设计提供有关依据 o笔者系统研究了定向结构板及其复合墙体的热物理特性 ∀本文在前文研究k周晓
燕 ot||{l的基础上 o运用有限差分法和积分变换法评价定向结构板复合墙体的热特性 o并将之与传统
的砖混结构墙体进行了分析比较 ∀
t 研究对象
选择表 t所示的几种围护结构作为研究对象 o其中 „ !… !≤ 为砖混结构 o⁄!∞为定向结构板复合墙
体结构 oƒ !Š为砖与定向结构板及保温材料的混合结构 ∀围护结构材料层从 t至 v或 w的顺序是由室
外到室内的方向 ∀
u 有限差分法分析
211 有限差分法原理
根据传热学理论k翁中杰等 ot|{z ~彦启森 ot|{y ~孙 军 ot||yl o若平面壁板的高度和长度远大于
厚度k{ ∗ ts倍l o以致沿长 !高度方向的端面传热热量 o与同时间内由厚度方向传导的热量相比可以忽
表 1 几种不同围护结构的热物理性能
Ταβ .1 Ηεατ2τρανσφερ προπερτιεσ οφ διφφερεντ ωαλλσ
编号
‘²q
围护结构 • ¤¯¯
图例 ⁄¬¤ªµ¤° 材 料 ¤·¨µ¬¤¯
厚度
׫¬¦®±¨ ¶¶
k°l
热导率
≤²±§∏¦·¬√¬·¼
k • r°#Žl
密度
⁄¨ ±¶¬·¼
k®ªr°vl
比热
׫¨µ°¤¯ ¦¤³¤¦¬·¼
k®r®ª#Žl
„ t抹面层k石灰 !水泥复合砂浆l ≥∏µ©¤¦¨k¯¬°¨o¦¨ ° ±¨·°²µ·¤µl
s qsu s q{z tzss t qsx

u普通粘土砖砌体
…µ¬¦®¶
s quw s q{t t{ss t qsx

v抹面层k石灰 !水泥复合砂浆l
≥∏µ©¤¦¨k¯¬°¨o¦¨ ° ±¨·°²µ·¤µl
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… t
抹面层k石灰 !水泥复合砂浆l
≥∏µ©¤¦¨k¯¬°¨o¦¨ ° ±¨·°²µ·¤µl
s qsu s q{z tzss t qsx

u普通粘土砖砌体
…µ¬¦®¶
s qtu s q{t t{ss t qsx

v加气混凝土
„ µ¨²¦²±¦µ¨·¨
s qtu s qt| xss t qsx

w抹面层k石灰 !水泥复合砂浆l
≥∏µ©¤¦¨k¯¬°¨o¦¨ ° ±¨·°²µ·¤µl
s qsu s q{z tzss t qsx

≤ 结构同上 o但材料层次顺序相反 o加气混凝土层置于普通粘土砖层的外侧 ∀׫¨ ¶·µ∏¦·∏µ¨ ²©·«¨ º¤¯¯¬¶·«¨ ¶¤°¨¤¶¤¥²√¨o¥∏·¬± ²³³²¶¬·¨ ²µ§¨µº«¬¦«¤¨µ²¦²±¦µ¨·¨¬¶²∏·¶¬§¨ ²©¥µ¬¦®¶q
⁄ t定向结构板 ’≥…
s qsv s qtwy ysu t qzw

u玻璃棉板
Š¯ ¤¶¶º²²¯
s quu s qsxs zs t quu

v定向结构板
’≥…
s qsv s qtwy ysu t qzw

∞ 结构同上 o但中间层玻璃棉板厚度减小至 s1s{ ° o围护结构总厚度为 s1tw ° ∀׫¨ ¶·µ∏¦·∏µ¨ ²©·«¨ º¤¯¯¬¶·«¨ ¶¤°¨¤¶¤¥²√¨o¥∏··«¨ ·«¬¦®±¨ ¶¶²©ª¯¤¶¶º²²¯ ¬¶s qs{° q
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抹面层k石灰 !水泥复合砂浆l
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u普通粘土砖砌体
…µ¬¦®¶
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v玻璃棉板
Š¯ ¤¶¶º²²¯
s qtt s qsx zs t quu

w定向结构板
’≥…
s qsv s qtwy ysu t qzw

Š 结构同上 o但材料的层次顺序相反 o定向结构板和玻璃棉保温层置于外侧 ∀׫¨ ¶·µ∏¦·∏µ¨ ²©·«¨ º¤¯¯¬¶·«¨ ¶¤°¨¤¶¤¥²√¨o¥∏·¬± ²³³²¶¬·¨ ²µ§¨µº«¬¦« ’≥… ¤±§ª¯¤¶¶º²²¯ ¤µ¨ ²∏·¶¬§¨ ²©¥µ¬¦®¶q
略不计 o则可以认为导热只沿平板厚度方向进行 o即可按一维导热处理 ∀因此 o建筑物围护结构k墙体l
的不稳定传热通常可按一维导热计算 o即墙体的不稳定传热过程可用导热微分方程式ktl和傅立叶定
律解析式kul来描述 }
9τ( ξ , Σ)
9Σ = α
9uτ( ξ , Σ)
9ξu (t) ; θ( ξ , Σ) = − Κ
9τ( ξ , Σ)
9ξ (u)
式中 }τ( ξ , Σ) , θ( ξ , Σ)分别表示壁体任何部位 ξ处 ,任何时刻 Σ时的温度和热流量 ; α表示壁体材料的
热扩散系数 , Α = ΚχΘ ;Κ表示壁体材料的热导率 ; χ表示壁体材料的比热 ; Θ表示壁体材料的密度 ∀
利用这 u个方程式 o根据所给定的边界条件k墙体两侧的温度或放吸热量变化状况l o运用有限差
分法可得出各时刻墙体各部位的温度和热流的近似数值解 ∀
令计算时间 Σ = µ # ∃Σ( µ = s ,t ,u , ,) , ∃Σ为时间步长(时间增量) ,由外至内将墙体分为若干个
薄层 ,每个薄层的厚度为 ∃ξκ(κ = t ,u ,v , ν) , ∃ξκ为空间步长(空间增量) ∀对于均质材料通常按等厚
度划分 ∀对于由多层材料复合而成的墙体 ,设各层材料接触良好 ,互相接触的表面具有相同的温度 , 可
sy 林 业 科 学 vy卷
图 t 有限差分法示意图
Φιγ .t Φινιτε διφφερενχε εθυατιονσ
作类似于均质材料的处理 ∀墙体任意时刻各部位的温度 τ( ξ , Σ) 可表示为
τµκ ,即 µ 时刻(经过 µ # ∃Σ时间后)墙体第 κ个薄层的中心温度(或者说
是第 κ层的平均温度) ,如图 t所示 ∀墙体内外表面的空气边界层可认为是
空间步长等于零的薄层即 ∃ξs = s , ∃ξν+t = s , µ 时刻外表面温度和内表
面温度分别用 τµs 和 τµν+t表示 ∀
µ 时刻从第(κ − t)层中心部位至第 κ层中心部位和从第 κ层中心部
位至第(κ + t) 层中心部位的温度梯度可分别表示为 : τ
µκ − τµκ−t
t
u ( ∃ξκ−t + ∃ξκ)
,
τµκ+t − τµκ
t
u ( ∃ξκ + ∃ξκ+t)
则墙体一维导热微分方程的差分形式为 }
u∃Σ
χκΘκ∃ξκ ∃ξκΚκ +
∃ξκ−t
Κκ−t
τµκ−t − u∃ΣχκΘκ∃ξκ
t
∃ξκ
Κκ +
∃ξκ−t
Κκ−t
+ t∃ξκ
Κκ +
∃ξκ+t
Κκ+t
+ t τµκ + u∃Σ
χκΘκ∃ξκ ∃ξκΚκ +
∃ξκ+t
Κκ+t
τµκ+t = − τµ−tκ
以上导热差分方程式可写为 }ακ , κ−t τµκ−t + ακ , κτµκ + ακ , κ+tτµκ+t = βκ
对每个时刻 °构成一个墙体导热差分方程组 }
αs ,s τµs + αs ,t τµt = βs
αt ,s τµs + αt ,t τµt + αt ,u τµu = βt
σ
αν , ν−t τµν−t + αν , ντµν + αν , ν+t τµν+t = βν
αν+t , ντµν + αν+t , ν +tτµν+t = βν+t
212 有限差分法分析围护结构传热特性
运用有限差分法分析在室外大气温度k外扰l昼夜周期变化的作用下k室湿恒定l o表 t所示各种围
护结构的传热特性 ∀取等空间步长 ∃ξκ € s .st ° o取时间步长 ∃Σ € t «∀以实测的室外大气温度为外
边界条件 o恒定的室内温度为内边界条件 o采用计算机分析计算 ∀以夏季 ⁄型围护结构为例 o外界大气
温度实际测量而得 o室内温度假设为 ux ε o结果如图 u ov ∀
从图 u中可看出 o当室温恒定 o外温呈周期变化时 o墙体内外表面和结构内部某些部位的温度变化
都呈周期变化 o而且 o距外表面越远 o温度变化的幅度越小 ∀此外 o任一时刻墙体内部温度也呈周期变
化的曲线分布 ∀夏季室外气温高于室内温度 o热流通过墙体从室外传向室内 o由于墙体外表面感受到
的温度变化不能立即影响到墙体内部 o所以 o室外空气温度上升阶段k图 v中从 y }ss至 tu }ssl o围护结
构内部温度分布曲线呈下凹形 ~室外空气温度下降阶段k图 u2ut中从 tw }ss至 uw }ssl围护结构内部温
度分布曲线呈上凸形 ∀
图 u ⁄型围护结构在外扰作用下各时刻某些断面上的温度分布
ƒ¬ªqu ׫¨ ·¨°³¨µ¤·∏µ¨ §¬¶·µ¬¥∏·¬²±¬± ¦µ²¶¶¶¨¦·¬²± ²© • ¤¯¯ ⁄
ty 第 w期 周晓燕等 }定向结构板复合墙体热特性的评价
图 v ⁄型围护结构各断面某些时刻的温度分布
ƒ¬ªqv ׫¨ ·¨°³¨µ¤·∏µ¨ §¬¶·µ¬¥∏·¬²± º¬·«·¬°¨¬± ¦µ²¶¶¶¨¦·¬²± ²© • ¤¯¯ ⁄
由于室外空气温度的波动 o直接影响围
护结构外表面的得热或放热 o而围护结构内
表面的温度波动 o影响着围护结构向室内散
出的热量 o或从室内吸取的热量 o直接影响人
体的舒适感 o因为人体发散的热量大约 |s h
是通过辐射k希尔德 ot|{zl o因此 o围护结构
的内表面温度的变化对于人体的热平衡显得
十分重要 ∀从图 u中看出 o围护结构对室外空
气温度波动产生衰减和延迟两个重要作用 ∀
周期性外扰k室外气温l与围护结构内表面温
度变化的关系 ) ) ) 衰减倍数 o是衡量围护结
构传热特性的重要指标k叶 歆 ot||yl ∀
由图 u可见 o在以 uw «为一个周期的室
外大气温度的作用下 o围护结构各层的温度
波动振幅由外向内逐层递减 o建筑热物理学
上将这种现象称为温度波的衰减 ∀围护结构减弱温度波幅的能力 o用衰减倍数k一个周期内室外大气
温度的波幅与相应周期内围护结构表面温度的波幅的比值l表示 o它反映了围护结构抵抗外扰波动的
能力 ∀在相同外扰的作用下 o衰减倍数越大的围护结构其内表面的温度波动越小 o即围护结构的保温
隔热性能愈好k山田雅士 ot|{zl ∀
图 w 各围护结构的衰减倍数
ƒ¬ªqw × «¨ §¨¦¤√ ¦²¨ ©©¬¦¬¨±·²©§¬©©¨ µ¨±·º¤¯ ¶¯
表 t中各围护结构的衰减倍数见图 w ∀从图中可
知 o无论冬季还是夏季 o在厚度相同的前提下 o各围护
结构对相同的外扰波动的抵抗能力大小的顺序为 ⁄
Š  ƒ  ∞  ≤  …  „ ∀可见 o在 ⁄型围护结构k定向
结构板与玻璃棉板复合墙l的作用下室外大气温度对
室内热状况的影响程度最小 o即由其构成的居室冬季
保温 !夏季隔热性能最好 o其衰减倍数约是抵抗外扰波
动能力最小的 „型围护结构k普通粘土砖墙l的 z ∗ {
倍 ∀
当 ⁄型围护结构的厚度减小一半时k∞型围护结
构l o其衰减倍数也是 „ 型围护结构的 u ∗ v倍左右 o
说明比普通粘土砖墙厚度小一半的定向结构板和玻璃
棉板复合墙体对外扰的减弱能力远大于普通粘土砖
墙 o由此可见 o用定向结构板和玻璃棉板复合板作墙体不仅能起到的良好的保温隔热作用 o而且在达到
相同的建筑热工设计要求的前提下 o相对于传统的粘土砖墙能减轻建筑物的自重 o增加建筑物的实际
使用面积 o是一种优良的轻质节能类型墙体材料 ∀
从图 w中还可得出 o对于传统砖墙结构用保温材料加以改进可大大提高其保温隔热性能 ∀加气混
凝土作为现代新型保温材料在建筑上应用较为广泛 o比较 „ 型与 … !≤ 型围护结构的衰减倍数可知 o对
于普通的 uws砖墙 o若改成 tus砖和加气混凝土复合结构 o后者对室外大气温度的衰减能力约是前者
的 u倍 o说明加气混凝土的使用起到了良好的保温隔热作用 ∀如果用玻璃棉与定向结构板复合结构替
代加气混凝土 o其保温隔热性能将更好 ∀比较 „ 型 !… !≤ 型与 ƒ !Š型围护结构的衰减倍数可知 oƒ !Š
型围护结构k普通粘土砖 n玻璃棉板 n ’≥…l的衰减倍数是 … !≤ 型围护结构k普通粘土砖 n加气混凝
土l的 u倍左右 o是 „型围护结构k普通粘土砖墙l的 x ∗ y倍 ∀此外 o围护结构材料层次的顺序对其的
衰减倍数有影响 o如 …型和 ≤ 型围护结构以及 ƒ 型和 Š型围护结构 o材料组成一致 o但轻质保温材料
的放置顺序不同 o其对外扰波动的衰减能力也不同 ∀ ≤ !Š型围护结构k加气混凝土 !定向结构板与玻璃
棉板置于室外侧l对外扰的衰减能力大于 … !ƒ型围护结构k加气混凝土 !定向结构板与玻璃棉板置于室
内侧l ∀可见 o从考察建筑围护结构保温隔热性能的角度出发 o轻质保温材料层置于室外侧时 o室内温
uy 林 业 科 学 vy卷
度受外扰波动的影响较小 o即保温隔热性能较好 ∀
v 积分变换法分析
用有限差分法分析围护结构的不稳定传热问题 o只能得到唯一数字结果 o不能定性地看出围护结
构材料热物理特性的变化对结构传热的影响 o可以运用积分变换法求解墙体不稳定传热的偏微分方程
组的定解问题 ∀
311 积分变换法原理
根据拉普拉氏变换定义式 } Λ[ τ( ξ , Σ)] Σ = Θ
]
s
τ( ξ , Σ) ε− ξΣδΣ = Τ( ξ , σ) o对导热偏微分方程式kt o
ul中的空间变量 ξ和时间变量Σ进行拉普拉氏变换 o将原偏微分方程变换为常微分方程 o得出围护结构
任何部位的温度及热流变化与边界状态的关系式 }
Τ( ξ , σ) = χη( σ/ αξ) Τ(s , σ) − tΚ σ/ αση( σ/ αξ) Θ(s , σ)
Θ( ξ , σ) = − Κ σ/ αση( σ/ αξ) Τ(s , σ) + χη( σ/ αξ) Θ(s , σ)
(v)
根据已知的边界条件 τ(s , Σ) 和 θ(s , Σ) ,可求得围护结构任一部位温度和热流的拉普拉氏变换 ,再对
Τ( ξ , σ)和 Θ( ξ , σ)进行拉普拉氏逆变换 o得出围护结构任一部位任一时刻的温度及热流 ∀但是 o由于
围护结构传热的边界条件是随机变化的 o难以用比较简单的函数表示 o所以 o对于这种复杂的边界条
件 o通常将随时间连续变化的扰量k即边界条件l曲线离散为按时间序列分布的单元扰量k在墙体不稳
定传热计算中常以等腰三角波作为单元扰量l o通过积分变换求出墙体对单位单元扰量的反应k即反应
系数l o再利用求得的反应系数通过叠加积分计算出最终结果k如单位面积墙体的逐时传热得热量等l
k彦启森 ot|{yl ∀
图 x 等腰三角波离散扰量
ƒ¬ªqx Œ¶²¶¦¨¯¨ ¶·µ¬¤±ª¯¨√¤µ¬¤±¦¨
采用等腰三角波离散边界条件是将连续曲线与横坐标之间所包括
的面积分解为部分重叠的许多等腰三角形 o三角形底边为 u ∃Σ o高等于
各对应时间的扰量值k函数值l o如图 x中等腰三角形 ( ν − t) ψ τνξ ψ
( ν + t)等 ,各等腰三角形扰量作用的总和 ,等于把时间 Σ = ϕ∃Σ(ϕ = s ,
t ,u , , , ν , ν + t , , ,)各点所对应的扰量 τϕξ 用直线相连所形成的折
线扰量的作用 o相当于将原扰量曲线用折线代替 o即将原扰量离散为等
腰三角形的单元扰量 o每个单元扰量等于 τϕξ 个高为 t的等腰三角波单
位单元扰量 ∀
对单位单元扰量的函数表达式进行拉普拉氏变换 o根据方程式kvl
和已知的边界条件 o即可求得在该单位单元扰量作用下的围护结构的
传热或吸热反应系数表达式如下 }
传热反应系数 Ψ(ϕ) 为 : Ψ(ϕ) = − Ε
]
ϕ= t
Βι
∃Σ(t − ε
αι∃Σ)u ε−(ϕ−t) αι∃Σ
外表面吸热反应系数 Ξ(ϕ) 为 : Ξ(ϕ) = − Ε
]
ϕ= t
Αι
∃Σ(t − ε
αι∃Σ)u ε−(ϕ−t) αι∃Σ
内表面吸热反应系数 Ζ(ϕ) 为 : Ζ(ϕ) = − Ε
]
ϕ= t
Χι
∃Σ(t − ε
αι∃Σ)u ε−(ϕ−t) αι∃Σ
式中 :系数 Αι = − Α(− αι)αuιΒχ(− αι) ; 系数 Βι = −
t
αuιΒχ(− αι) ; 系数 Χι = −
∆(− αι)
αuιΒχ(− αι) ;
αι ) ) ) 正实数 ,双曲函数 Β(σ) = s的负实根 , σι = − αι , ι = t ,u , ,
式中 : Α(σ) , Β(σ) , ∆(σ) 是围护结构热力系统的传递矩阵[ Γ] = Α(σ) − Β(σ)− Χ(σ) ∆(σ) 的元素 ,它表征
着围护结构的热特性 ,而与输入或输出参数无关 ,即与围护结构两侧的温度与热流无关 ∀
vy 第 w期 周晓燕等 }定向结构板复合墙体热特性的评价
[ Γ] = Α(σ) − Β(σ)− Χ(σ) ∆(σ) =
χη( σ/ αλ) − ση( σ/ αλ)Κ σ/ α
− Κ σ/ αση( σ/ αλ) χη( σ/ αλ)
式中 :λ表示墙体厚度 ; α表示壁体材料的热扩散系数 ;Κ表示壁体材料的热导率
围护结构的传热或吸热反应系数的含义是 :当室内温度保持为 s ,室外侧作用一个单位单元扰量
时 ,从作用时刻算起 ,单位面积围护结构外表面逐时吸收的热量 ,称为围护结构外表面的吸热反应系数
Ξ(ϕ) ;通过单位面积围护结构逐时传入室内的热量 ,称为围护结构传热反应系数 Ψ(ϕ) ∀与上述情况相
反 ,当室外侧温度保持为 s ,室内侧有一个单位等腰三角形的温度扰量作用时 ,从作用时间算起 ,单位面
积围护结构内表面逐时所吸收的热量 ,称为围护结构内表面吸热反应系数 Ζ(ϕ) ∀
312 积分变换法分析围护结构传热特性
v1u1t 围护结构的传热及吸热反应系数 运用计算机计算分析表 t所示围护结构的传热和吸热反应
系数 o结果如图 y oz ∀从图中可以看出 o围护结构的传热反应系数 Ψ(ϕ)值(ϕ = s ,t ,u , , ,表示单位单
元扰量作用时刻以后 ϕ∃Σ小时的反应系数的数值) ,从作用时刻起 ,随着时间的推移 ,其值从 s增至最
大 ,再逐渐减小 ,直至趋于 s ,数值均为正值 ∀而围护结构外表面或内表面吸热反应系数 ,在单位单元扰
量作用时刻的数值最大 ,而且是正值 ;作用时刻以后 ∃Σ小时 ,即扰量作用一旦停止 , Ξ(ϕ)或 Ζ(ϕ)值直
趋最小 ,然后逐渐增大 ,直至趋于 s ,其数值均为负值 ∀因为在扰量作用下 ,围护结构表面温度必然有所
升高 ,作用时刻 ϕ = s时 ,扰量数值最大 ,围护结构吸热量也最大 ,其值为正 ;而 ϕ = ∃Σ时 ,扰量刚刚消
失 ,所以反向散热值最大 ,随着时间的推移 ,围护结构温度逐渐降低 ,反向散热量将逐渐减少 ,并渐趋于
s ∀不同材料组成的围护结构 ,其传热和内外表面吸热反应系数数值变化规律均如上述(彦启森 ,t|{y) ∀
图 y ⁄型围护结构k定向结构板与玻璃棉板复合墙体l
的传热反应系数与吸热反应系数
ƒ¬ªqy ‹ ¤¨·¦²±§∏¦·¤±¦¨ ¤±§¤¥¶²µ³·¬²±
µ¨¶³²±¶¨ ¦²¨ ©©¬¦¬¨±·²© • ¤¯¯ ⁄
图 z 各种类型的围护结构的传热反应系数
ƒ¬ªqz ‹ ¤¨·¦²±§∏¦·¤±¦¨ µ¨¶³²±¶¨ ¦²¨ ©©¬¦¬¨±·²© º¤¯ ¶¯



在单位等腰三角波扰量的作用下 o比较各种类型的围护结构的传热反应系数可知 }⁄型k’≥… n玻
璃棉板 n ’≥…l !ƒ型和 Š型k粘土砖 n玻璃棉 n ’≥…l围护结构的传热反应系数远小于 „ 型k普通粘土
砖l !…型和 ≤ 型k粘土砖 n加气混凝土l 围护结构的传热反应系数 ∀其中 o⁄型围护结构的传热反应系
数的最大值约是 „型围护结构的 trw o说明在 ⁄型围护结构的作用下 o室内温度受到外扰波动的影响
较小 ∀而且 o当将 ⁄型围护结构的厚度减小一半时k∞型l o其传热反应系数也小于 „ 型结构的传热反
应系数 ∀此外 o…型和 ≤ 型 !ƒ 型和 Š型围护结构的组成材料相同 o但由外至内材料的排列次序不同 o
其传热反应系数稍有差异 o变化不大 ∀但是 o采用不同的保温层对围护结构的传热反应系数有一定影
响 ∀从图 z得出 oƒ和 Š型围护结构k粘土砖 n玻璃棉板 n ’≥…l的传热反应系数是 …型和 ≤ 型围护结
构k普通粘土砖 n加气混凝土l的 trv左右 ∀分析得所结果与有限差分法一致 ∀
围护结构的吸热反应系数反映了围护结构表面的蓄热性能 ∀在同等数量扰量的作用下 o吸热反应
系数越大 o围护结构表面的吸热量越大 o表面温度随周围环境温度的变化越小 ∀围护结构外表面蓄热
wy 林 业 科 学 vy卷
性能对室内热环境的影响是间接的 o即外表面从室外大气中吸收的热量 o还需通过围护结构各层材料
的衰减才能作用于内表面 o进而影响室内空气温度 o所以不能用围护结构外表面的吸热反应系数直接
来衡量围护结构的热特性 ∀围护结构内表面的蓄热能力 o对室内热环境的影响较大 o而且 o具有两重性 o
即既具有积极的作用 o又可能有负面的影响 ∀例如 o对于空调房间k冬季采暖 !夏季制冷l o利用外部设
备k空调l对房间内的温度进行调节时 o内表面吸热反应系数很大的围护结构 o因为具有较强的蓄热k或
蓄冷l能力 o其内表面温度随室内温度上升或下降的速度和幅度比内表面吸热反应系数小的围护结构
要小得多 o而前文论述过 o人体保持热平衡的方式主要是辐射 o即人体对周围环境的冷热感觉主要来自
于围护结构内表面的热辐射k取决于内表面温度l ∀因此对于设有空调设备的房间 o围护结构内表面的
吸热反应系数越小 o内表面对周围环境热作用的敏感程度越大 o相对能耗较小 o特别是对于空间较大的
场所 o如体育馆 !商店等的采暖和制冷更为有利 ∀当房间内供暖及供冷较为稳定时 o内表面吸热反应系
数小的围护结构对人体的舒适感比较有利 o但当供暖供冷不稳定时k如突然停电等原因l o对人体的舒
适感将会有负面影响 ∀因此 o对于不同的场合应采用不同围护结构的内表面材料 ∀
分析表 u中各种围护结构的内外表面吸热反应系数ks时刻l可知 }密度越大的材料层 o其表面的吸
热反应系数越大 o相对吸势量也大 ∀外表面吸热反应系数大于内表面吸热反应系数 o而且 o材料密度的
差异对外表面吸热系数的影响较大 o相对对内表面吸热反应系数的影响较小 ∀
表 2 各围护结构内外表面吸热反应系数
Ταβ .2 Ηεατ αβσορπτιον ρεσπονσε χοεφφιχιεντ οφ ωαλλσ
围护结构类型
×¼³¨ ¶²© º¤¯ ¶¯ „ … ≤ ⁄ ∞ ƒ Š
s时刻外表面吸热反应系数 tu qut{ tu quty ts qsyx x qyuw x qyuw tu quts x qyuv
‹ ¤¨·¤¥¶²µ³·¬²± µ¨¶³²±¶¨ ¦²¨ ©©¬¦¬¨±·²©²∏·¶¬§¨ ¶∏µ©¤¦¨
s时刻内表面吸热反应系数 y qxxz x q||u y qxxz w qtuy w qtuy w qtuy y qxxz
‹ ¤¨·¤¥¶²µ³·¬²± µ¨¶³²±¶¨ ¦²¨ ©©¬¦¬¨±·²©¬±¶¬§¨ ¶∏µ©¤¦¨
v1u1u 围护结构对整个扰量的响应 利用单位单元扰量作用下的反应系数通过叠加法 o可得围护结
构对整个扰量的响应k传热量l ∀若设室内空气温度保持 s ε o ν时刻通过围护结构从室外向室内传递
的热量为 ΗΓ( ν) = Ε
]
ϕ= t
Ψ(ϕ) τν+t− ϕξ
假设以夏季测定的某一时段的室外大气温度作为扰量 o同时作用于上述各种围护结构的外侧 o内
侧温度保持为 s ε o运用上述公式计算某一时刻通过围护结构的传热量 ∀以 ⁄型围护结构为例 o结果
列于表 v和图 {中 ∀
表 3 ⁄型围护结构各时刻的传热量
Ταβ .3 Ηεατ χονδυχτανχε ωιτη τιµε οφ Ωαλλ ∆ k • r°ul
室外扰量 „¬µ·¨°³¨µ¤·∏µ¨ 时 间 ׬°¨
时间 ׬°¨ 温度 ר°³¨µ¤·∏µ¨ { }ss | }ss ts }ss tt }ss tu }ss tv }ss
{ }ss u{ qzv s qst|u s qs{yz s qvwts s qys{z s qzwyw s qzxuz
| }ss u| q{| s qsuss s qs|su s qvxwz s qyvvv s qzzyx
ts }ss vt qvy s qsuts s qs|wz s qvzuu s qyywx
tt }ss vu qv| s qsutz s qs|z{ s qv{ww
tu }ss vv qz{ s qsuuy s qtsus
tv }ss vw qvt s qsuu|
传热量 ‹ ¤¨·¦²±§∏¦·¤±¦¨ k • r°ul s qst|u s qtsyz s qwxuu t qsz|{ t q{zuv u qzsvs
ν时刻的传热量不仅与 ν时刻的扰量有关 o而且与 ν时刻以前若干时刻的扰量也有关 o所以 oν 时
刻围护结构的传热量应为该时刻及以前的某几个时刻的扰量与对应时刻围护结构的传热反应系数乘
积的总和 ∀例如上述分析 o考察 ⁄型围护结构在 tv }ss时的传热量 o则应从 { }ss时的传热开始计算起
k甚至可从更早的时刻开始计算l otv }ss时的传热量为 }
ΗΓ(tv) = Ψ(t) τ(tv) + Ψ(u) τ(tu) + Ψ(v) τ(tt) + Ψ(w) τ(ts) + Ψ(x) τ(|) + Ψ(y) τ({)
根据上述方法 o比较夏季的 t天内各围护结构的最大传热量 }假设从凌晨 t }ss时开始记时 o即扰
量k室外大气温度l从 t }ss时作用于各围护结构 o用计算机算出各围护结构各个时刻的传热量 o得出各
xy 第 w期 周晓燕等 }定向结构板复合墙体热特性的评价
图 { 各围护结构一天内的最大传热量
ƒ¬ªq{ ׫¨ °¤¬¬°∏° «¨ ¤·¦²±§∏¦·¤±¦¨ ¬± ¤§¤¼ ²©
¤¯¯·¼³¨ ¶²© º¤¯ ¶¯
围护结构 t天内的最大传热量如图 { ∀由图可知 o„型围护
结构的最大传热量最大 o依次是 …型 !≤ 型 !∞型 !ƒ 型 !Š
型 o⁄型围护结构的最大传热量最小 ∀在冬季采暖和夏季
制冷期内 o围护结构的传热量越小 o其能耗也越低 ∀在上述
围护结构中 ⁄型围护结构的传热量最小 o说明其保温隔热
性能最好 o其次是 ƒ型 !Š型 ∀ ∞型围护结构的总厚度仅为
„型的一半 o而其最大传热量也仅为 „型的一半 o说明采用
∞型围护结构将其厚度减小一半 o仍能达到良好的保温隔
热性能 ∀对于组成材料相同 o而排列次序不同的 … !≤ 型及
ƒ !Š型围护结构 o其最大传热量的差异较小 o相对而言 o将
保温层材料置于室外侧 o最大传热量较小 ∀
w 结论
在外扰k即室外热环境l一定的前提下 o建筑物的室内
热环境状况主要取决于围护结构的组成材料和构造 ∀在表
t所列的围护结构中 o⁄型围护结构k定向结构板与玻璃棉板复合墙体l的透过热稳定性最好 ∀在 ⁄型
围护结构的作用下 o室外大气温度对建筑物室内热状况的影响程度较小 o衰减倍数约是 „ 型围护结构
k普通粘土砖墙l的 z ∗ {倍 ∀在相同外扰量的作用下 o⁄型围护结构的传热量最小 ∀比普通粘土砖厚
度小一半的定向结构板与玻璃棉板复合墙体对外扰的减弱能力仍大于普通粘土砖墙 ∀围护结构不同
材料层的不同排列次序对围护结构的透过热稳定性的影响较小 o但对围护结构的表面热稳定性有较大
的影响 ∀对于使用空调的房间 o尤其是大空间范围k如体育馆 !影剧院 !商店等l o采用轻质木质复合材
料作内装修 o将有利空调设备对室内温度的调节 ∀
参 考 文 献
孙 军 编 q热工理论基础 q北京 }中国林业出版社 ot||y
翁中杰 o程惠尔 o戴华淦 编著 q传热学 o上海交通大学出版社 ot|{z
彦启森 o赵庆珠 合编 q建筑热过程 o北京 }中国建筑工业出版社 ot|{y
叶 歆 编著 q建筑热环境 q北京 }清华大学出版社 ot||y
周晓燕 o华毓坤 q定向结构板热物理特性的研究 q木材工业 ot||{ otukvl }tw ∗ t{
周晓燕 o华毓坤 q木质复合材料与现有墙体材料热物理性能的比较 o林业科技开发 ot||{ okwl }vu ∗ vw
∞1 希尔德 等著 q岳文英 等译 q建筑环境物理学 ) ) ) 在建筑设计中的应用 q北京 }中国建筑工业出版社 ot|{z
Ž¤∏°¤± • Š ετ αλ. • ²²§¶¦¬¨±¦¨ ¬°³µ²√ ¶¨·«¨ ∏´¤¯¬·¼ ²© ¬¯©¨ qt||s ouw }t ∗ ty
山田雅士 著 o景贵琴 译 q建筑绝热 q中国建筑工业出版社 ot|{z
yy 林 业 科 学 vy卷