第三節(jié)　建筑圍護結構的傳熱

建筑圍護結構的傳熱是因為室內、室外的空氣溫度不同，太陽照射以及人體在室內的活動和炊事、照明等產生的余熱引起的。在民用建筑中，一般后者量少，且多為規(guī)律性的。表1.2給出了有關常用數(shù)值。

冬季，室內溫度高于室外，因而，就產生了由室內向室外的傳熱過程。大部分通過建筑物的外墻、屋頂、門窗和地面等部分散熱，加上有人體所需新風換氣量和（或）進入室內的冷風滲透量，扣除上述室內活動產生的熱量，形成所謂采暖熱負荷，它需要由供暖設備的熱量來補償。在一般民用建筑中多以供暖加熱空氣解決空氣溫度和濕度的問題。

夏季，在室外氣溫和太陽輻射的綜合作用下，使得若要獲得室內環(huán)境的舒適條件，則必須以空調設備去除這部分余熱。

可見，無論是冬季還是夏季，要提供合格的供暖、空調設備，都涉及建筑圍護結構的傳熱過程。

一、建筑圍護結構傳熱分析

圍護結構是怎樣進行傳熱的呢？讓我們分析一下外墻的傳熱過程。圖1.2所示是厚度為δ的外墻。當室內、室外空氣溫度分別為tr和tw，且tr>tw時，由于溫度差存在，產生了室內向室外的傳熱。它的傳熱過程必然是室內的熱量通過墻的內表面、經(jīng)過墻體而由墻的外表面向室外空氣和物體傳遞。因此，在tr和tw不變的情況下，在傳熱的過程中，溫度是沿途下降的，若τ1和τ2分別代表墻的內、外表面溫度，則tr>τ1>τ2>tw。

在墻身中的傳熱是靠τ1>τ2的溫度差而發(fā)生的。它是由墻體材料的分子熱運動所引起的，這種傳熱方式稱為“導熱”。

室內空氣和物體與外墻內表面的換熱可以分解為兩種方式：一是由于室內空氣溫度tr高于外墻內表面溫度τ1，接觸外墻內表面的熱空氣被冷卻后，失去了一部分熱量，溫度下降，容重增加而下沉，而另一部分離外墻遠一些未被冷卻的熱空氣便自上而下地不斷向墻面補充，如圖1.3所示。這種通過流體的流動把熱量從一處帶到另一處的傳熱方式稱為“對流”。上述的空氣流動是由于空氣各部分溫度不同而引起的，稱為“自然對流”。二是由于室內的其他物體，如內墻、家具等的表面溫度高于外墻內表面溫度，兩個物體雖然沒有接觸但也發(fā)生了傳熱。這種不是靠物體接觸或流體流動，而是靠電磁波發(fā)射能量的傳熱方式稱為“輻射”。太陽的熱能傳到地球上來就是依靠輻射的傳熱方式。

墻外表面?zhèn)鹘o室外空氣和物體的熱量也同樣是依靠對流和輻射兩種傳熱方式進行。但是，室外的空氣流動主要不是由于溫差引起，而是由風力造成，這種在外力作用下發(fā)生的對流傳熱，稱為“受迫對流”。

綜上所述，圍護結構的傳熱是由導熱、對流和輻射三種基本傳熱方式組成的復雜傳熱現(xiàn)象。

二、穩(wěn)定導熱

上述分析圍護結構的傳熱過程時，認為墻壁內、外的空氣溫度是恒定的，不隨時間而變化；墻壁內、外表面溫度也是恒定的，不隨時間而變化。所以，通過圍護結構的傳熱量也不隨時間而變化，這種不隨時間變化的傳熱過程稱為穩(wěn)定傳熱過程。在這種條件下的導熱就是穩(wěn)定導熱。

生活告訴我們，室外溫度總是隨著季節(jié)和時間而變化的，室內、室外的溫度差是隨時間而變化的，因而，通過圍護結構的傳熱量也隨時間而變化。這種隨時間而改變的傳熱過程稱為不穩(wěn)定傳熱過程。

可見，穩(wěn)定傳熱過程是有條件的、特殊的、暫時的傳熱情況；而不穩(wěn)定傳熱過程是絕對的、普遍的傳熱情況，它是符合客觀現(xiàn)實的。但是在計算上前者簡單，后者復雜。在工程上通常選擇以能滿足實際需要的某一穩(wěn)定傳熱過程來代替實際的不穩(wěn)定傳熱過程。因此，研究穩(wěn)定傳熱過程是重要的。

1.單層平壁導熱

設一單一材料砌成的外墻，其厚度為δ（m），面積為F（m2），內表面溫度為τn（℃），外表面溫度為τw（℃），且τn>τw。如圖1.4所示，因τn>τw，熱量將從墻內表面?zhèn)飨驂ν獗砻妗?/p>

實踐證明，每小時通過墻壁的熱量Q（kJ）與壁面積F和兩壁面的溫度差（τn-τw）成正比，而與壁的厚度δ成反比。如用數(shù)學式表達即為：

　　 （1.5） 　　

式（1.5）反映了導熱的規(guī)律，故通常稱它為平壁的導熱公式。式中，λ為比例系數(shù)，它隨著壁體材料的不同而變化。當取F=1m2，Δt=τn-τw=1（℃）和δ=1（m）時，則得λ=Q。這說明了比例系數(shù)λ的物理意義為：當沿著導熱的方向每米長度上溫度降落為1℃時，每小時、每平方米面積的平壁所能通過的熱量。它表示了壁體材料的導熱能力，故稱λ為熱導率。各種材料的熱導率λ值的大小相差是很大的，如紫銅管λ=398W/（m·℃），磚砌體λ=0.81W/（m·℃），泡沫塑料λ=0.042W/（m·℃）。說明金屬材料導熱性好，而多孔材料導熱性差。關于材料的熱導率將在表1.3中詳細說明。

注：摘自李元哲主編，清華大學出版社1993年3月出版的《被動式太陽房熱工設計手冊》。

式中的值表示沿熱的傳播方向上每米長度上溫度降落的多少，叫作溫度降度。若相反的情況，沿熱的傳播方向上其溫度是升高的，即值，則稱為溫度梯度?？梢姡瑴囟忍荻群蜏囟冉刀仍诜较蛏鲜遣煌摹囟忍荻鹊姆较蚩偸浅鴾囟壬叩囊幻?。

式中的稱為材料層熱阻，以R表示，即。它表示材料層阻止導熱的能力。因此，導熱公式（1.5）也可以用式（1.6）表示：

　　 （1.6） 　　

在冬季，我們常常見到這樣的情況：當室溫較高而室外溫度較低時，玻璃窗上往往出現(xiàn)滴水甚至結冰現(xiàn)象。這是由于室內熱空氣與玻璃冷表面接觸時溫度降到了露點溫度以下，把空氣中的水分凝結出來了。若這種情況出現(xiàn)在墻身內部，將會使墻體材料受潮，甚至結凍，就會破壞圍護結構的保暖作用和結構強度。為此，有時需了解壁內溫度，以檢查其溫度是否過低，以便事先發(fā)現(xiàn)和采取消除措施。那么壁內溫度怎么求呢？

我們可從F=1m2的墻壁中任取一薄層dx（圖1.4），薄層兩側的溫差為dτ，在穩(wěn)定傳熱的情況下，通過薄層的熱量和通過整個墻壁的熱量是相等的。因此，通過這薄層的導熱公式應為：

　　 （1.7） 　　

式中，q為單位面積的傳熱量，又稱熱流量；為薄層內的溫度梯度；“-”表示傳熱量和溫度梯度的方向相反。

把式（1.7）分離變量后，可得：

qdx=-λdτ

將上式積分，由于當x=0時，τ=τn；當x=x0時，τ=τx，則得：

qx=-λ（τx-τn）

移項并整理后得：

　　 （1.8） 　　

式中，τx為墻壁內部任意位置上的溫度。式（1.8）的形式與數(shù)學中的直線方程y=ax+b相同，所以，平壁中的溫度分布是直線形的。

　　 若把 　　

代入，則式（1.8）的形式可寫成：

　　 （1.9） 　　

2.多層平壁的導熱

外墻通常并非單層的平壁，一般建筑物的外墻除磚為墻體外，內表面都有抹灰，有時外表面還有抹灰或水刷石。有些特殊用途的建筑，為了減少傳熱量，在墻身內部還加一層或幾層保溫材料。屋頂和地板也很少是單一材料組成的結構。下面將以三層不同材料組成的外墻為例來說明多層平壁導熱的規(guī)律。

圖1.5所示是一面積為F的外墻，其各層材料的熱導率分別為λ1、λ2、λ3，各層的材料厚度分別為δ1、δ2、δ3，而壁兩側的表面溫度分別為τn和τw，且τn>τw。

設第一層和第二層交界處的壁面溫度為τ1，第二層和第三層交界處的壁面溫度為τ2。根據(jù)穩(wěn)定傳熱的特點，即通過各層的熱量等于通過整個平壁的熱量。所以，各層的傳熱量可用下列公式表示：

　　 （1.10） 　　

　　 （1.11） 　　

　　 （1.12） 　　

那么，各層的溫度差應分別為：

　　 （1.13） 　　

　　 （1.14） 　　

　　 （1.15） 　　

把式（1.13）、式（1.14）和式（1.15）相加得：

　　 則 　　

 （1.16）

把式（1.16）和式（1.6）比較一下就會發(fā)現(xiàn)，多層平壁導熱和單層平壁導熱在本質上是一樣的，只是在分母中把各材料層熱阻相加而已。根據(jù)這個規(guī)律，可得到任意數(shù)目的多層平壁導熱公式為式（1.17）所示的通用公式：

　　 （1.17） 　　

一些常用材料的熱導率和其他熱物性見表1.3。

三、穩(wěn)定傳熱

在上述穩(wěn)定導熱計算中都假設平壁兩側的表面溫度是已知的，但在實際工程中，壁面溫度往往是未知的，而平壁兩側外的空氣溫度，即室內溫度tr和室外溫度tw才是容易知道的。因此，單用導熱規(guī)律來計算傳熱量是不夠的。

前文中提到，室內向圍護結構內表面上的傳熱和它的外表面向室外的傳熱是通過對流和輻射兩種傳熱方式。我們把這類傳熱過程叫換熱過程。因為它可以分為放熱過程和受熱過程兩種。對壁面來說，接受熱量的換熱過程稱為受熱過程，放出熱量的換熱過程稱為放熱過程。

研究結果認為，壁面所接受或放出的熱量與壁的面積F和空氣與壁面的溫度差（t-τ）成正比。用數(shù)學公式表示為：

Q=αF（t-τ）　?。?.18）

式中，α為換熱系數(shù)。它表示沿傳熱的方向，在1m2的壁面上，當空氣和壁面溫度差為1℃時，空氣與壁面的對流換熱以及周圍環(huán)境對壁面的輻射換熱的總傳熱量。

對于受熱過程又稱受熱系數(shù)，放熱過程又稱放熱系數(shù)。

在穩(wěn)定傳熱的情況下，受熱過程、放熱過程和壁體的導熱過程的傳熱量是相等的。

下面分別討論平壁和不規(guī)則壁的傳熱。

1.平壁傳熱

如圖1.6所示，設一平壁面積為F，厚度為δ，其壁的內、外空氣溫度分別為tn和tw，且tn>tw。

先假定平壁內表面溫度為tn，平壁外表面溫度為tw。顯然，tn>τn>τw>tw，熱量從平壁的內側向外側傳遞。

利用換熱公式（1.18）求解壁面溫度如下。

平壁內表面的受熱過程，其傳熱量為：

Q=αnF（tn-τn）　　（1.19）

　　 則 　　 　　 （1.20）

平壁外表面的過程，其傳熱能量：

Q=αwF（τw-tw）　　（1.21）

　　 （1.22） 　　

式中，αn和αw分別為內表面的受熱系數(shù)和外表面的放熱系數(shù)。

將式（1.20）和式（1.22）代入導熱公式（1.17）則得：

把上式加以整理便得到平壁傳熱的普遍公式（1.23）為：

　　 （1.23） 　　

或　　Q=kFΔt　?。?.24）

式中　　Δt=tn-tw

式中，k為傳熱系數(shù)。它的物理意義是：在單位時間內，當壁兩側空氣的溫度差為1℃時，從一側通過1m2壁面?zhèn)鹘o另一側的熱量。

在圍護結構的傳熱計算中，有時也把和稱為表面熱阻，即總熱阻為：

這樣，平壁的傳熱公式也可以寫為：

　　 （1.25） 　　

換熱系數(shù)αn和αw也和熱導率一樣，是由實驗得到的。如外墻，在冬季αn=8.7W/（m2·℃），αw=23W/（m2·℃）。關于換熱系數(shù)下面將詳細介紹。

2.圓筒壁的傳熱

上面所述的平壁，其受熱面積和放熱面積是相等的。但在實際工作中有時會遇到一些不規(guī)則的壁面，如圓形的結構，它的內表面積和外表面積是不相等的。對于這類不規(guī)則的壁面用平壁公式來計算是不準確的。

設有一任意形態(tài)的壁，它的內表面積為Fn，外表面積為Fw，當tn>tw時，傳熱的方向是垂直于壁面的。

其內、外表面的溫度仍可以用換熱公式（1.18）來得到：

壁內表面的受熱過程，其傳熱量為：

Q=αnFn（tn-τn）　?。?.26）

　　 則 　　 　　 （1.27）

壁外表面的放熱過程，其傳熱量為：

Q=αwFw（τw-tw）　?。?.28）

　　 （1.29） 　　

但由于壁兩側的面積不同，壁體內各層的熱流（單位面積所通過的熱量）是不等的，因此，其導熱計算不能用上述的平壁導熱公式，而必須用積分來求解。

若在壁內取一薄層dx，它與內表面的距離很小，則這薄層（無限薄的層）的兩側面積可以認為是一樣的，以f來表示，而其兩側的溫差應為dτ。這樣，導熱公式應為：

　　 （1.30） 　　

將公式分離變數(shù)后，則得：

　　 （1.31） 　　

顯然，當x=0時，f=Fn，τ=τn；當x=δ時，f=Fw，τ=τw。

這樣，在x=0到x=δ的范圍內積分則得：

　　 （1.32） 　　

再將式（1.27）和式（1.29）與式（1.32）聯(lián)立，并加以整理便得到不規(guī)則壁面?zhèn)鳠岬钠毡楣剑?/p>

　　 （1.33） 　　

對于平壁則Fn=Fw=F，而

　　 代入上式得： 　

這個公式就是單層平壁的傳熱公式，可見，平壁傳熱僅是不規(guī)則壁面?zhèn)鳠峁降奶乩T了。

對于圓筒壁，設內徑為Dn，外徑為Dw。如圖1.7所示。

則　　Fn=πDnH

Fw=πDwH

在中，f是x的函數(shù)。

當時，即f=（Dn+2x）πH

　　 所以，

把上面的分項結果代入式（1.33），并加以整理則得圓筒壁傳熱公式：

　　 （1.34） 　　

若為多層圓筒體，根據(jù)熱阻疊加原理，則：

　　 （1.35） 　　

四、對流換熱

在上文講到換熱系數(shù)時，曾經(jīng)指出，它包括空氣與壁面的對流換熱和環(huán)境物體與壁面的輻射換熱兩個部分。它們與哪些因素有關？用什么方法來得到它們的數(shù)值？下面將分別加以討論。本節(jié)先討論對流換熱。

1.對流換熱的流動狀態(tài)

實踐證明，在流體和固體壁面的換熱中，對流不能單獨存在，總是伴隨著導熱過程發(fā)生的。這種對流和導熱的綜合作用就叫作對流換熱。

為什么在流體中會發(fā)生導熱？

因為，既然流體沿著壁體流動，它們的運動狀態(tài)就受到固體壁面的約束，流體的狀態(tài)在流體力學中已被區(qū)分為層流和紊流兩種狀態(tài)。當流體沿壁面的流動速度較小時，它的各部分是一層一層地平行向前移動的，我們把這種移動叫作層流，如圖1.8所示。當流體的速度增大后，流體的運動是不規(guī)則的、混摻的，發(fā)生了許多漩渦，這種流動狀況叫作紊流。但在紊流時，貼近壁面處仍有一薄層部分由于受壁面的摩擦而保持著層流狀態(tài)，這一薄層部分叫作層流底層，如圖1.9所示。

實踐證明，一般在層流或層流底層中，在與流體流動方向x相垂直的y方向上，各層流體之間沒有互相摻混，所以，傳熱主要是靠導熱。可見，導熱現(xiàn)象不僅存在于固體之中，在流體中也會存在。從圖1.8和圖1.9中可以看出，在層流底層內的x方向上，才是靠流體的運動以對流的方式把熱量帶走。在旋渦區(qū)，由于旋渦擾動，x和y方向上都以對流方式傳熱，使傳熱大大增加。

由前述已知，流體的熱導率小于固體的熱導率，因此，在層流或層流底層中，其熱阻是比較大的，溫度梯度也是比較大的。而在紊流區(qū)，其傳熱靠對流進行，溫度幾乎是一致的。如圖1.10所示。

由圖1.10可見，層流底層的厚度是對流換熱時的一個主要熱阻，是影響對流換熱的一個主要因素。既然層流底層是對流換熱的主要矛盾，那么它與哪些因素有關？

2.影響對流換熱強弱的因素

（1）流體的速度　在一定條件下，可認為流體的速度將決定流體是層流或紊流。在紊流中的層流底層厚度是隨著流速的增大而減薄。因此，流體的速度增大，層流底層減薄，則對流換熱增強；反之則減弱。

（2）流體流動的動力　前面也講過對流分自然對流和受迫對流兩種。對于自然對流，它的流體的流動是由溫差產生的，即壁面和流體的溫度差的大小決定了流體流速的大小，所以，壁面和流體的溫度差是影響自然對流換熱的主要因素。但是，它與固體壁面放置位置也有關。例如，對水平放置的熱平板附近的空氣，當冷空氣在平板上時，由于壁面和流體的溫度差所造成的空氣運動不受限制，被加熱的空氣能自由上升，被冷卻的空氣能自由地降到壁面加熱，因此，使對流換熱增強。如圖1.11（a）所示。當冷空氣在平板下面時，則是相反的情況，冷空氣僅在貼近熱板處的一薄層流動，低于這一層，冷空氣是靜止的，如圖1.11（b）所示。

這是因為空氣被加熱后的運動受熱板的限制，熱空氣只能沿熱板做緩慢移動所致。因此，使對流換熱減弱。在受迫對流時，其流體的流動主要是靠外力的作用，所以固體壁面位置的影響則是次要的。

（3）流體的物理性質　流體的種類（如空氣、水或油）及其溫度的高低也影響著對流換熱的大小。這是由于不同的流體動黏度不同和本身的導熱性不同所致。對于空氣，在一般溫度下動黏度的變化是極小的，其影響是可以不予考慮的。

3.對流換熱系數(shù)

通過上面的分析，可以認為，對于某種流體和壁面的對流換熱大小首先是取決于流體流動的狀況和層流底層厚度的大小。在受迫對流時，流體的流速是主要因素，在自然對流時，壁面和流體的溫度差是主要因素。

但是，由于因素復雜，層流底層厚度通過理論計算得到是很困難的，通過實驗獲得它的厚度也很困難，因此，對流換熱的換熱系數(shù)是由實驗得到，傳熱量用換熱公式計算，即：

Q=αdF（τ-t）　?。?.36）

式中，αd為對流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；F為壁面面積，m2；τ為壁面溫度，℃；t為流體溫度，℃。

顯然，對流換熱系數(shù)表示了沿傳熱方向在1m2的壁面上，當壁面和流體的溫差為1℃時，空氣和壁面的對流換熱的傳熱量。

因此，對流換熱的實驗研究的主要任務是求得對流換熱系數(shù)。國外在這方面研究很多，介紹的公式不少，但由于各自的實驗研究條件的不同，其結果往往有較大的出入。

對于建筑物圍護結構的內表面與室內空氣的對流換熱，一般是自然對流的情況，實驗結果往往整理成式（1.37）的形式：

αd=AΔtn　?。?.37）

式中，Δt為壁面和空氣的溫度差，℃；A為系數(shù)，它和溫度有關；n為指數(shù)，它和流體的運動狀態(tài)有關。

試驗結果表明，對于平壁，其值與豎壁相比有如下結果：熱面朝上時，增大30％；熱面朝下時，減少30％。

對于建筑圍護結構的外表面與室外空氣的對流換熱，由于風力作用，一般屬于受迫對流的情況。實驗結果往往整理成如下形式：

目前在風速v<5m/s的情況下，常采用αd=20W/（m2·℃），當風速很大或以一定角度沖擊壁面時，對計算結果再進行修正。

五、輻射換熱

前面已經(jīng)指出，物體表面互相不接觸，但由于它們之間存在著溫度差，也發(fā)生傳熱現(xiàn)象，這就是輻射換熱。一切物體不論處于任何溫度之下，物質內部原子中的電子都在激烈地運動著，向外界發(fā)射輻射能，這種輻射能就是電磁波的傳送。它的波長為0.8～40μm，是不可見的。

1.熱輻射的基本概念

前面已經(jīng)指出物體表面相互不接觸，但由于它們之間存在溫差，也發(fā)生傳熱現(xiàn)象，這就是輻射換熱。這是由于一切物體無論在何種溫度下，其物質內部原子中的電子都在激烈地振動，并向外界發(fā)射能量，它的波長在0.8～40μm，是不可見光，屬于電磁波的長波范疇，稱長波輻射或紅外線，這種輻射落到物體表面即化為熱能，而和可見光物性一樣，這種射線在物體表面上將一部分被吸收，一部分被反射，甚至在有些物體上還能透過一部分。

設外來射線的總能量為Q，其中反射出去的一部分能量為QR，被物體吸收的一部分能量為QA，透過的一部分能量為QD，如圖1.12所示。

則：　　QA+QR+QD=Q

若把上式等號左右的各項除以Q，則成為以總能量的百分數(shù)來表示的公式，即：

　　 （1.38） 　　

也可寫成：A+R+D=1

式中，，為材料的吸收率；，為材料的反射率；，為材料的穿透率。

A、R、D是三個沒有單位的數(shù)值，它們分別說明物體所能吸收、反射和穿透的能量占總能量的百分數(shù)；因此，它們的數(shù)值都只能在0～1。一般工程材料，如磚、混凝土等建筑材料，都是不透明體，即D=0；它們對于外來射線，只有吸收和反射的作用，即A+R=1，或A=1-R。

上式說明，凡是善于反射的材料（R較大）就一定不能很好地吸收（A必然較?。?；反之亦然。

2.熱輻射的基本定律

前面只講物體對外來輻射能具有吸收、反射和穿透的特點。但物體能輻射出多少能量？它與什么因素有關？

研究結果表明，任何物體，只要具有-273℃（t+273=T，t是以攝氏度為單位的溫度，T稱為熱力學溫度）以上的溫度都具有輻射的能力。我們把物體本身在1m2表面上所具有的單位時間的輻射能力叫作輻射力。這個輻射力的大小與物體本身溫度的大小有關。

實驗結果證明，黑體的輻射力與該黑體所處的熱力學溫度T的四次方成正比，即：

E0=σ0T4　?。?.39）

式中，σ0為黑體輻射的比例常數(shù)，或稱黑體輻射常數(shù)。經(jīng)過實驗得到：σ0=5.67×10-8W/（m2·K4）。

為了簡化運算，我們在工程計算中常把式（1.39）寫成如下形式：

　　 （1.40） 　　

式（1.40）是計算黑體輻射力的基本公式，通常稱它為黑體輻射四次方定律。式中，C0為黑體的輻射系數(shù)，C0=5.67W/（m2·K4）。

對于灰體的輻射力實驗發(fā)現(xiàn)，灰體的輻射力E與該灰體所處的熱力學溫度T的四次方成正比，即：

　　 （1.41） 　　

式中，C為灰體的輻射系數(shù)。不同的物體，輻射系數(shù)C不同，它取決于物體的性質和表面情況。但是，C值永遠小于C0值，在0～5.67的范圍內變化。

在工程中，為了鑒別各種物體的輻射力大小，往往與黑體在同一溫度下的輻射力作比較。即：

　　 （1.42） 　　

或　　C=εC0=5.67×ε　?。?.43）

式中，ε表示灰體的輻射力接近于黑體的程度，通常稱為灰體的黑度。ε值的變化范圍在0～1，顯然，ε=1就是黑體。

在自然界中，絕對的黑體材料是不存在的，但接近黑體的材料是找得到的，如燈黑或乙炔燃燒時在冷壁面上積成的一層炭黑，它們的ε值都接近于1（ε=0.98）。各種常用材料在0～200℃時的黑度列在表1.4中。

3.物體之間的輻射換熱

上一節(jié)只解決物體本身輻射力的大小，但是，任何物體都不是孤立存在的，兩個不同溫度物體的相互輻射就發(fā)生輻射換熱。

對于平行的黑體壁面的輻射換熱的計算是比較簡單的。假如兩個黑體平壁的面積很大，或者其間距與面積比較是很小的，以至任一壁面所發(fā)射的輻射熱幾乎都被另一壁所吸收，如圖1.13所示。

（1）平行平壁（間隔不大時）之間黑體的輻射換熱

在此情況下，一個壁面所發(fā)出的輻射量，幾乎都被另一個壁面所吸收，如圖1.13所示，設Ⅰ壁和Ⅱ壁的面積為F1、F2，且F1=F2，它們的溫度分別為T1和T2。所以，壁Ⅰ傳給壁Ⅱ的輻射熱量是Q1-2。因此，Ⅰ、Ⅱ之間的輻射換熱量就是它們發(fā)射出來的輻射換熱量之差，即：

Q1-2=Q1-Q2=F1E1-F2E2

　　 （1.44） 　　

式中，T1為物體Ⅰ的表面熱力學溫度，K；T2為物體Ⅱ的表面熱力學溫度，K；F1為物體Ⅰ的表面積，F1=F2。

（2）實際物體之間的輻射熱交換

實際物體都不是黑體而是灰體，它們在一定溫度下，既有向外的輻射量，又有吸收外來物體的輻射，并反射一部分回去的能力，過程是無數(shù)次的吸收、反射的復雜過程。

另一方面，它們彼此之間的方位也不同，所以，彼此吸收、反射多少也因相對位置的不同而不同。所以，物體之間的輻射熱交換，除如上所述和物體的表面積、溫度有關外，還和物體的黑度、形狀、相對位置、距離等因素有關。

綜合實際物體之間的輻射、吸收、反射能力及物體的狀態(tài)、相對位置、距離等因素，可以把物體1與物體2之間的輻射熱交換量以式（1.45）表示，即：

　　 （1.45） 　　

式中，Q1-2為物體1與物體2之間的輻射熱交換量，W；5.67×10-8為黑體輻射常數(shù)，W/（m2·K4）；F1為物體1向物體2輻射的表面積，m2；T1、T2為物體1、物體2的熱力學溫度，K；εxt為系統(tǒng)黑度，它是輻射物體之間的空間位置、幾何尺寸及表面物性，即黑度的函數(shù)。

針對建筑供冷、暖中的常見問題，給出以下三種情況的算式。

①當輻射換熱的物體為平行平壁時（間距相對面積小得多）：

　　 （1.46） 　　

②當輻射換熱的物體Ⅰ被物體Ⅱ包圍時，如地板（或天花板）向房間內各其他表面或物體輻射時的情形：

　　 （1.47） 　　

③當輻射物體Ⅰ相對物體Ⅱ的面積很小，即F1/F2趨近于0時：

εxt=ε1　　（1.48）

這相當于在房間里掛一塊小輻射板，或取暖爐向周圍輻射的情況。

需要說明的是，應用上述公式時，輻射物體Ⅰ沒有凹陷的表面。其次，物體Ⅰ、Ⅱ的輻射指紅外線波長范圍內的黑度，物體Ⅰ、Ⅱ不是透明體。