表面對流換熱係數

隨着城市人口不斷增加和城市用地的逐步減少，高層建築已成為新建建築的主流，各大中城市高層建築鱗次櫛比。對於高層建築而言，同一立面沿高度方向風速可能發生很大的變化，加之風向的影響，使得高層建築表面對流換熱係數與低層或多層建築可能存在很大的差異。

建築表面長時間暴露在隨時間不斷隨機變化的環境條件下，是一個複雜並且有很多因素干擾的動態過程，使得建築表面在測試和推算對流換熱係數時較難準確得到。到目前為止，還沒有系統的研究建築外圍護結構的對流換熱係數 ^[2]  。

在自然界、人類生活和生產活動中存在大量的對流換熱現象。研究對流換熱係數，我們先要理解對流換熱的定義。對流換熱是指固體壁面與環境流體直接接觸時所發生的熱量傳遞過程，它發生在緊靠固體表面的邊界層中。如果流體的流動是外力推動而形成的，則由此引起的對流換熱為強迫對流；如果流體的流動是有緊靠熱表面的受熱流體的浮力運動而引起，則這種對流換熱稱為自然對流。為了便於分析研究，通常總把傳熱現象看作是熱傳導、熱對流和熱輻射三種最基本形式在其體場合下的不同組合。熱傳導，是指物體各部分之間沒有相對位移或者不同物體直接接觸時依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運動而進行的熱量傳遞現象。由於直接接觸而發生能量傳遞的現象。

通常對流換熱的研究方法分以下四種：

分析法。在相應描述邊界條件和一類對流換熱的數學問題求解偏微分方程取得解析速度場和温度場。由於數學計算條件的限制，目前對於個別簡單的求解問題可以分析對流換熱係數，如二維邊界層的層流流動。當然，分析法的最大優點是能深刻揭示物理量之間的依變關係，也是其他評價方法的基礎理論依據。

實驗法。實驗法依然是求解對流換熱問題的重要的方法，由於對流換熱問題是個複雜動態的過程，尤其是對於在真實環境下建築外圍護結構的複雜換熱情況，進行一個準確的實驗方案是解決這類複雜問題的唯一途徑。

比擬法。以能量守恆和動量守恆定律為基礎，建立換熱係數與阻力系數之間的關係式，再利用測定的阻力系數計算出表面傳熱係數。在傳熱學早期發展中，這一方法曾是計算湍流換熱等問題的求解方法。隨着實驗設備的完善、測試技術的迅速發展以及計算機對於流體的分析日益強大，近年來這一方法也使用較少。

數值法。隨着計算機應用數值計算的普及和發展，對流換熱過程的數值分析逐漸成為一種主要的求解方法，其結果可信性也逐步提高。數值模擬方法類似於用計算機來做有針對性的實驗，可以形象再現流體在大環境下的運動情況，能更加有效地解決實驗不能解決的問題，對於分析問題有很大幫助。

建築外圍護結構的換熱過程屬於複雜的過程。受到太陽短波輻射、大氣長波輻射以及圍護結構和其周圍物體之間的輻射換熱的共同作用；有自由空氣與建築表面間的對流換熱；還有水蒸發於建築表面所引起相變帶來的潛熱換熱。當計算換熱係數時，理論上是要把上述三類傳熱現象全部反映出來。

通常，房屋的屋頂、牆體、地板等部分與周圍空氣接觸進行熱交換，其熱量以導熱和對流的方式傳遞。通過流體流動帶走或者引入熱量而發生熱量傳遞的現象稱為對流換熱。對流換熱的強弱取決於固體表面的形狀、粗糙度、傾斜度和物理性質，流體的狀態，以及固體表面與流體間的温差等諸多因素的影響。由於影響對流換熱的因素太多，故常用無因次解析法來表示換熱係數。對於建築物來説，其周圍的流體通常都是空氣，而且大多是處於常温狀態下，所以在實用上可以採用以實驗方法求得的經驗公式。當強制進行空氣流動，傳熱的流速會受較大的影響，而且還要考慮牆壁表面的粗糙度，粗糙表面的熱傳遞將對熱交換量影響更大 ^[2]  。