建筑物理基礎 | 保溫、傳熱、室內熱容量

材料的導熱系數(shù)

材料通過熱傳導對熱能的傳輸能力是通過導熱系數(shù)進行度量的。

導熱系數(shù)是指單位厚度的特定材料，兩側表面溫差為1K時單位時間內單位面積通過熱傳導傳遞的熱量。

導熱系數(shù)用希臘字母λ表示，其單位為W/(m·K)。

1 固體材料的導熱系數(shù)

導熱系數(shù)只與特定的材料有關，不同的材料具有不同的傳熱系數(shù)。通常，同一的材質的傳熱系數(shù)與材料的密度有關，隨著材料密度的增加，導熱系數(shù)會有所增加。同時，傳熱系數(shù)且具有方向性，各向異性材料在不同方向具有不同的導熱系數(shù)。

2 非密閉空氣夾層的等價導熱系數(shù)

非密閉的空氣夾層對熱能的傳輸通常包含對流傳熱和輻射傳熱兩種傳輸方式。λ_Air=h_a+h_r)^-1【公式1】

其中，h_a為對流傳熱，其量綱為W/m²·K。

對流傳熱與空氣層厚度、氣流流動方向及對外開口面積相關。通常情況下，根據(jù)氣流方向，分別采用公式2~公式4進行計算：

h_a^向上=Max(1.95,0.025/t)【公式2】

h_a^水平=Max(1.25,0.025/t)【公式3】

h_a^向下=Max(0.12t^-0.44,0.025/t)【公式4】

對于通風性較差的空氣夾層（對于豎向氣流，空氣夾層與外界大氣間開口面積介于500~1500mm²/m、水平氣流空氣夾層與外界大氣間開口面積介于500~1500mm²/m²）時，對流傳熱值應對上述計算值加倍選取。

h_r為輻射傳熱，空氣夾層輻射傳熱熱阻取決于夾層兩側材料的表面輻射率ε_λ，表面輻射率的量綱為m²K/W。

hr=5.1/(ε_λ1^-1+ε_λ2^-1-1)【公式5】

常規(guī)建筑材料的表面輻射率為0.90m²K/W，金屬材料表面輻射率約為0.15m²K/W。

構件的熱阻和傳熱系數(shù)

建筑構件對熱能傳輸能力的度量指標是傳熱系數(shù)，傳熱系數(shù)除與構件的構成密切相關外還取決于構件所處的環(huán)境。建筑構件的傳熱系數(shù)的定義和計算方法在ISO6946中有明確的規(guī)定，在中國，傳熱系數(shù)用K表示，在歐洲，傳熱系數(shù)用U表示。由于K值和U值對測試環(huán)境要求各異，同一構件的K值和U是不同的，且難以進行簡單的換算、比較。

1 導熱熱阻

導熱熱阻是熱能在物體內部以熱傳導方式傳遞時所遇到的阻力，由均一材質材料構成的物體與該材料的在傳熱方向的厚度t成正比，與材料在該方向的導熱系數(shù)λ成反比。導熱熱阻通常由羅馬字母R表示，量綱為m²·K/W：

R=t/λ 【公式6】

2 U值

建筑構件的U值可根據(jù)下式進行計算：

U=(R_si+ΣR_i+R_se)^-1【公式7】

其中，
R_si、R_se為構件內外表面的表面換熱阻，與構件表面所處的環(huán)境有關；

R_i為組成該構件的第i層材料的導熱熱阻。

對于組合型構件如帶加強肋組合墻板等構件，首先應分別計算加強肋位置及保溫填充位置的導熱熱阻并按其所占面積比例加權平均確定其導熱熱阻的上限值R’_T。

其次，通過面積占比加權平均計算加強肋—保溫填充的平均導熱系數(shù)，利用平均導熱系數(shù)確定其導熱熱阻的下限值R”_T。

構件的U值則根據(jù)導熱熱阻上下限的算數(shù)平均值R_T確定。即

U=1/R_T=1/Ave(R’_T,R”_T)【公式8】

U’_T=Σα^J·(R_si+ΣR_i^J+R_se)^-1【公式 9】

R’_T=1/U’_T【 公式10】

R”_T=R_si+Σ?_i+R_se【公式11】

?_i=1/Σ(α^J·λ_i^J)【公式12】

表一給出了PHPP中所定義的各類建筑圍護構件的表面換熱阻取值規(guī)則，當采用PHPPV9（2015）計算構件的U值時可通過構件、環(huán)境狀態(tài)選項確定構件表面換熱熱阻。

[1]外墻指斜度不超過30°的豎向結構，當屋面坡度≥60°時，應按外墻進行計算。

表1　建筑構件的表面換熱阻取值

3 楔形體構件的U值

斜面梯度不超過5%的楔形體構件的U值可根據(jù)ISO6946附錄C中的規(guī)定進行計算。ISO6946中給出了三種類型楔形體構件的U值計算方法。

圖4　矩形基底楔形體

圖4為矩形基底的楔形截面構件，其U值可通過下部長方體熱阻R₀及上部純楔形的最大熱阻R₁=d₁/λ₁，根據(jù)公式13計算等效熱阻。

圖5　三角形基底楔形體之一

對于圖5所示楔形體構件，純楔形體部分厚度按圖示取值，并根據(jù)公式14計算等效熱阻。

圖6　三角形基底楔形體之二

圖6所示三角形基底的楔形體等效熱阻則應根據(jù)公式15進行計算，并根據(jù)圖中示意確定各相關參數(shù)取值。

對與不同區(qū)域的組合則可按各區(qū)域面積占比加權平均：

U=ΣU_i·A_i/A【公式16】

4 U值計算示例

算例一　勻質外墻墻體的U值計算

勻質構件的U值可以依據(jù)公式7通過簡單的構件構成列表對構件的U值進行計算。

圖7　砌體外墻墻身

圖7為一砌體外墻示例，墻體構件的構成及熱阻計算在表2中給出。

也可利用PHPP中U-Value工作表通過對構件類型、環(huán)境狀態(tài)及構件構成情況等基本參數(shù)的輸入進行計算。圖8為PHPP計算表格。

表2　墻體熱阻計算

圖8  使用PHPP墻身U值計算算例一

算例二　帶加勁肋的木結構外墻墻體的U值計算

非勻質構件的U值計算基本計算順序如下：

• 計算各種不同斷面構成部分的占比情況。

• 對不同的斷面構成部分分別按勻質構件的U值計算方法通過列表方式計算相應的U值（表3、表4）。

• 根據(jù)公式9計算面積加權組合值U’T并根據(jù)公式10確定導熱熱阻上限值R’_T（表5）。

• 根據(jù)面積占比情況計算各非均質層的等效傳熱系數(shù)λ”（表6）。

• 使用等效傳熱系數(shù)λ”計算導熱熱阻下限值R”_T（表7）。

• 根據(jù)公式8確定計算U值

圖9　木結構外墻墻身

表3　墻體保溫填充部位熱阻計算

表4　墻體加勁肋部位熱阻計算

表5　導熱熱阻上限值計算

表6　等效傳熱系數(shù)計算

表7　使用等效傳熱系數(shù)的墻體熱阻計算

即U=1/Ave(6.142,5.847)=0.1668W/m²K

使用PHPP的U-Value工作表進行U值計算較為簡便，具體計算表格詳圖10。

圖10　使用PHPP墻身U值計算算例二

算例三　屋面的U值計算

圖11　保溫材料找坡屋面的U值

首先，按常規(guī)計算基礎保溫層的U值U₀及R值R₀：

表8　屋面基礎保溫層熱阻計算

對于區(qū)域A₁，根據(jù)公式13有：

U_A1=0.4500×Ln(1+2.222/4.584)=0.1779W/m²·K

對于區(qū)域A₂，則根據(jù)公式14進行計算：

U_A2=2×0.4500×[(1+4.584/2.222)×Ln(1+2.222/4.584)-1]=0.1895W/m²·K

根據(jù)公式16有：

U=[(2×28m²)×0.1779W/m²·K+(8×8m²)×0.1895W/m²·K]/120m²=0.1841W/m²·K

使用PHPP的U-Value工作表中的小工具可以一次性確定各區(qū)域的U值，根據(jù)面積加權平均則需通過手工演算。

圖12　使用PHPP進行楔形構件的U值計算

熱橋效應與無熱橋設計

熱橋是熱量通過物體傳輸時阻力異于周邊時的傳熱路徑，熱橋可分為幾何熱橋、結構熱橋和重復熱橋。通常，幾何熱橋源于幾何形體發(fā)生變化的位置，如表面折轉部位，結構熱橋源于構件構造發(fā)生變化的部位，重復熱橋則發(fā)生在材料搭接部位。

對于未設保溫層的建筑物，其外圍護結構的U值相對極高，相對異常部位對傳熱的影響微乎其微，熱橋效應處于可完全忽略的水平。

隨著外圍護結構中保溫層的設置，外圍護結構的U值被控制在一定的水平之內，傳熱異常部位對保溫層作用的影響逐步顯現(xiàn)，并隨保溫層厚度的增加而有所增加。

對于被動房來說，熱橋效應對保溫效率的影響成為起決定性作用的關鍵因素之一。因此，無熱橋設計是被動房中重點討論的課題之一。

1 熱橋效應

（1）熱橋系數(shù)

根據(jù)熱橋的分布形式，熱橋可通過線性熱橋和點狀熱橋兩種方式對額外熱損失進行描述，并通過熱橋系數(shù)對熱橋引起的附加熱損失進行定量描述（圖13）。

圖13　熱橋熱損失的描述和計量

線性熱橋系數(shù)為熱橋分布范圍內單位長度的附加熱損失，采用希臘字母Ψ表示，線性熱橋系數(shù)的單位為W/m·K。

點狀熱橋系數(shù)為熱橋引起的附加熱損失，采用希臘字母χ表示，點狀熱橋系數(shù)的單位為W/K。

（2）線性熱橋系數(shù)

圖14　確定線性熱橋的參照尺寸

參照外部尺寸的線性熱橋系數(shù)可描述如下：

其中:

Q_2Dim  為構件的熱傳輸總量，需通過有限元分析進行計算；

Q_1Dim   為根據(jù)各構件外部尺寸確定的熱傳輸量計算值：

Q_1Dim=ΣA_i·U_i·Δ?_i 【公式18】

L   為線性熱橋的長度，在圖14示例中為墻身轉角處的高度；

Δ?  為墻身轉角部的內外溫差。

線性熱橋的熱橋損失可根據(jù)公式19得出：

Q_T=L·Ψ·f_T·Gt【公式19】

其中：

Q_T    為線性熱橋的熱橋損失；

L  為線性熱橋的長度；

Ψ  為線性熱橋系數(shù)；

f_T    為環(huán)境折減系數(shù)，取決于周圍大氣環(huán)境，在建筑各構件中通常取為1；

G_t    為溫度差的時間積分。

2 無熱橋設計

當熱橋系數(shù)Ψ≤0.01W/m·K時，熱橋對建筑保溫的影響可忽略不計。在建筑設計中，通過構造措施將熱橋系數(shù)降低至0.01W/m·K以下的設計方法被稱作無熱橋設計。

值得注意的是熱橋系數(shù)Ψ及χ的取值可以是負值，即熱橋處保溫性能高于周邊構件的保溫性能，如保溫外墻的凸角部位。

透明建筑構件的傳熱

建筑物中，除非透明構件外，存在大量的透明構件，如玻璃門窗、玻璃幕墻等。與非透明建筑構件不同，分析透明建筑構件的熱能傳輸時，除熱傳導外還需考慮輻射方式的熱傳輸。

透明構件以熱傳導方式進行熱能傳輸時與非透明構件類似，采用傳熱系數(shù)U、熱橋系數(shù)Ψ及χ等指標進行度量，通常要通過構件各個組分的U值、Ψ值等指標計算出與計入全部熱損失后的綜合傳熱系數(shù)作為能量平衡計算的基本依據(jù)。

對于透明構件來說，除傳熱系數(shù)之外與構件熱物理性能密切相關的還有太陽能透射比。通過太陽能透射比可以對構件在太陽能輻射下的熱能傳輸能力進行評判。

1 玻璃門窗U值的確定

圖15給出了確定玻璃門窗傳熱的基本保溫參數(shù)，相應的幾何參數(shù)可參照圖十六取值。

圖15　玻璃門窗的基本保溫參數(shù)

其中，U_g、U_f及Ψ_g與構件產(chǎn)品有關，Ψ_I則取決于門窗構件的安裝位置和安裝方式。值得注意的是被動式門窗的安裝方式與常規(guī)門窗的差異。

圖16　玻璃門窗的基本幾何參數(shù)

計入全部熱損失后，玻璃門窗的傳熱系數(shù)U_W可按公式20進行計算。

U_W=(A_g·U_g+A_f·U_f+L_g·Ψ_g+L_I·Ψ_I)/(A_g+A_f)

【公式20】

2  玻璃的太陽能透射比g

玻璃外窗允許陽光直接或間接進入窗口，太陽能透射比g值表示正常入射角的太陽輻射的透射比例。為在冬季提供正的能量平衡，通常在玻璃選用時應滿足：

U_g－1.6W/m²K·g≤0。

滿足這一條件，意味著通過窗口的太陽能集熱超出了對窗口熱損失補償?shù)男枨蟆?/span>

玻璃的U值與g值是一個矛盾體的兩個方面，在建筑設計中需通過能量平衡計算和采光需求分析綜合考慮確定滿足需求的U值和g值。

室內熱容量

熱容量是材料的一種能力，在物理學中被定義為“材料依靠溫度存儲熱量的能力”。材料的熱容量是通過比熱C進行度量，國際單位制中，比熱的基本量綱為J/kg·K。比熱的基本定義為：

不同的物質具有不同的比熱，同一物質在不同物態(tài)下具有不同的比熱。

通常，同一物質在同一物態(tài)下的比熱不隨質量、形態(tài)的變化而變化，但會隨溫度的變化產(chǎn)生微小的波動，這一波動在通常情況下可以被忽略。

建筑物中，作為一種熱能的存儲形式，一定的室內熱容量可以通過熱能的存儲、釋放過程緩解室溫的波動，起到一定的節(jié)能效果。

但通過高熱容材料增加室內熱容時往往會在采暖季節(jié)出現(xiàn)反效果:高熱容材料的使用會導致采暖負荷的增加——高熱容材料通常具有較高的含水量，在室內相對干燥的采暖期，高熱容材料通過水分的蒸發(fā)與室內空氣保持濕度平衡，水分蒸發(fā)引起的能耗無疑會對節(jié)能效果產(chǎn)生一定的影響。

本文摘自建學叢書增刊《被動式建筑（被動房）》，綠色建筑研習社已取得本書連載授權，轉載必究。建學建筑與工程設計所有限公司致力于綠建及超低能耗建筑設計，現(xiàn)已建成和在建PHI認證標準項目共4項。