建筑物理基礎(chǔ) | 保溫、傳熱、室內(nèi)熱容量

材料的導(dǎo)熱系數(shù)

材料通過熱傳導(dǎo)對(duì)熱能的傳輸能力是通過導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行度量的。

導(dǎo)熱系數(shù)是指單位厚度的特定材料，兩側(cè)表面溫差為1K時(shí)單位時(shí)間內(nèi)單位面積通過熱傳導(dǎo)傳遞的熱量。

導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)只與特定的材料有關(guān)，不同的材料具有不同的傳熱系數(shù)。通常，同一的材質(zhì)的傳熱系數(shù)與材料的密度有關(guān)，隨著材料密度的增加，導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)有所增加。同時(shí)，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(dǎo)熱系數(shù)。

2 非密閉空氣夾層的等價(jià)導(dǎo)熱系數(shù)

非密閉的空氣夾層對(duì)熱能的傳輸通常包含對(duì)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(duì)流傳熱，其量綱為W/m²·K。

對(duì)流傳熱與空氣層厚度、氣流流動(dòng)方向及對(duì)外開口面積相關(guān)。通常情況下，根據(jù)氣流方向，分別采用公式2~公式4進(jìn)行計(jì)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(duì)于通風(fēng)性較差的空氣夾層（對(duì)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(shí)，對(duì)流傳熱值應(yīng)對(duì)上述計(jì)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(cè)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(gòu)件的熱阻和傳熱系數(shù)

建筑構(gòu)件對(duì)熱能傳輸能力的度量指標(biāo)是傳熱系數(shù)，傳熱系數(shù)除與構(gòu)件的構(gòu)成密切相關(guān)外還取決于構(gòu)件所處的環(huán)境。建筑構(gòu)件的傳熱系數(shù)的定義和計(jì)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(duì)測(cè)試環(huán)境要求各異，同一構(gòu)件的K值和U是不同的，且難以進(jìn)行簡(jiǎn)單的換算、比較。

1 導(dǎo)熱熱阻

導(dǎo)熱熱阻是熱能在物體內(nèi)部以熱傳導(dǎo)方式傳遞時(shí)所遇到的阻力，由均一材質(zhì)材料構(gòu)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(dǎo)熱系數(shù)λ成反比。導(dǎo)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(gòu)件的U值可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

U=(R_si+ΣR_i+R_se)^-1【公式7】

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

R_i為組成該構(gòu)件的第i層材料的導(dǎo)熱熱阻。

對(duì)于組合型構(gòu)件如帶加強(qiáng)肋組合墻板等構(gòu)件，首先應(yīng)分別計(jì)算加強(qiáng)肋位置及保溫填充位置的導(dǎo)熱熱阻并按其所占面積比例加權(quán)平均確定其導(dǎo)熱熱阻的上限值R’_T。

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

構(gòu)件的U值則根據(jù)導(dǎo)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(hù)構(gòu)件的表面換熱阻取值規(guī)則，當(dāng)采用PHPPV9（2015）計(jì)算構(gòu)件的U值時(shí)可通過構(gòu)件、環(huán)境狀態(tài)選項(xiàng)確定構(gòu)件表面換熱熱阻。

[1]外墻指斜度不超過30°的豎向結(jié)構(gòu)，當(dāng)屋面坡度≥60°時(shí)，應(yīng)按外墻進(jìn)行計(jì)算。

表1　建筑構(gòu)件的表面換熱阻取值

3 楔形體構(gòu)件的U值

斜面梯度不超過5%的楔形體構(gòu)件的U值可根據(jù)ISO6946附錄C中的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。ISO6946中給出了三種類型楔形體構(gòu)件的U值計(jì)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(gòu)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(jì)算等效熱阻。

圖5　三角形基底楔形體之一

對(duì)于圖5所示楔形體構(gòu)件，純楔形體部分厚度按圖示取值，并根據(jù)公式14計(jì)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(yīng)根據(jù)公式15進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)圖中示意確定各相關(guān)參數(shù)取值。

對(duì)與不同區(qū)域的組合則可按各區(qū)域面積占比加權(quán)平均：

U=ΣU_i·A_i/A【公式16】

4 U值計(jì)算示例

算例一　勻質(zhì)外墻墻體的U值計(jì)算

勻質(zhì)構(gòu)件的U值可以依據(jù)公式7通過簡(jiǎn)單的構(gòu)件構(gòu)成列表對(duì)構(gòu)件的U值進(jìn)行計(jì)算。

圖7　砌體外墻墻身

圖7為一砌體外墻示例，墻體構(gòu)件的構(gòu)成及熱阻計(jì)算在表2中給出。

也可利用PHPP中U-Value工作表通過對(duì)構(gòu)件類型、環(huán)境狀態(tài)及構(gòu)件構(gòu)成情況等基本參數(shù)的輸入進(jìn)行計(jì)算。圖8為PHPP計(jì)算表格。

表2　墻體熱阻計(jì)算

圖8  使用PHPP墻身U值計(jì)算算例一

算例二　帶加勁肋的木結(jié)構(gòu)外墻墻體的U值計(jì)算

非勻質(zhì)構(gòu)件的U值計(jì)算基本計(jì)算順序如下：

• 計(jì)算各種不同斷面構(gòu)成部分的占比情況。

• 對(duì)不同的斷面構(gòu)成部分分別按勻質(zhì)構(gòu)件的U值計(jì)算方法通過列表方式計(jì)算相應(yīng)的U值（表3、表4）。

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

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

• 使用等效傳熱系數(shù)λ”計(jì)算導(dǎo)熱熱阻下限值R”_T（表7）。

• 根據(jù)公式8確定計(jì)算U值

圖9　木結(jié)構(gòu)外墻墻身

表3　墻體保溫填充部位熱阻計(jì)算

表4　墻體加勁肋部位熱阻計(jì)算

表5　導(dǎo)熱熱阻上限值計(jì)算

表6　等效傳熱系數(shù)計(jì)算

表7　使用等效傳熱系數(shù)的墻體熱阻計(jì)算

即U=1/Ave(6.142,5.847)=0.1668W/m²K

使用PHPP的U-Value工作表進(jìn)行U值計(jì)算較為簡(jiǎn)便，具體計(jì)算表格詳圖10。

圖10　使用PHPP墻身U值計(jì)算算例二

算例三　屋面的U值計(jì)算

圖11　保溫材料找坡屋面的U值

首先，按常規(guī)計(jì)算基礎(chǔ)保溫層的U值U₀及R值R₀：

表8　屋面基礎(chǔ)保溫層熱阻計(jì)算

對(duì)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(duì)于區(qū)域A₂，則根據(jù)公式14進(jìn)行計(jì)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(quán)平均則需通過手工演算。

圖12　使用PHPP進(jìn)行楔形構(gòu)件的U值計(jì)算

熱橋效應(yīng)與無熱橋設(shè)計(jì)

熱橋是熱量通過物體傳輸時(shí)阻力異于周邊時(shí)的傳熱路徑，熱橋可分為幾何熱橋、結(jié)構(gòu)熱橋和重復(fù)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(zhuǎn)部位，結(jié)構(gòu)熱橋源于構(gòu)件構(gòu)造發(fā)生變化的部位，重復(fù)熱橋則發(fā)生在材料搭接部位。

對(duì)于未設(shè)保溫層的建筑物，其外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的U值相對(duì)極高，相對(duì)異常部位對(duì)傳熱的影響微乎其微，熱橋效應(yīng)處于可完全忽略的水平。

隨著外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中保溫層的設(shè)置，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的U值被控制在一定的水平之內(nèi)，傳熱異常部位對(duì)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(duì)于被動(dòng)房來說，熱橋效應(yīng)對(duì)保溫效率的影響成為起決定性作用的關(guān)鍵因素之一。因此，無熱橋設(shè)計(jì)是被動(dòng)房中重點(diǎn)討論的課題之一。

1 熱橋效應(yīng)

（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(diǎn)狀熱橋兩種方式對(duì)額外熱損失進(jìn)行描述，并通過熱橋系數(shù)對(duì)熱橋引起的附加熱損失進(jìn)行定量描述（圖13）。

圖13　熱橋熱損失的描述和計(jì)量

線性熱橋系數(shù)為熱橋分布范圍內(nèi)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(diǎn)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(diǎn)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(gòu)件的熱傳輸總量，需通過有限元分析進(jìn)行計(jì)算；

Q_1Dim   為根據(jù)各構(gòu)件外部尺寸確定的熱傳輸量計(jì)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(zhuǎn)角處的高度；

Δ?  為墻身轉(zhuǎn)角部的內(nèi)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(gòu)件中通常取為1；

G_t    為溫度差的時(shí)間積分。

2 無熱橋設(shè)計(jì)

當(dāng)熱橋系數(shù)Ψ≤0.01W/m·K時(shí)，熱橋?qū)ㄖ氐挠绊懣珊雎圆挥?jì)。在建筑設(shè)計(jì)中，通過構(gòu)造措施將熱橋系數(shù)降低至0.01W/m·K以下的設(shè)計(jì)方法被稱作無熱橋設(shè)計(jì)。

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

透明建筑構(gòu)件的傳熱

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

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

對(duì)于透明構(gòu)件來說，除傳熱系數(shù)之外與構(gòu)件熱物理性能密切相關(guān)的還有太陽能透射比。通過太陽能透射比可以對(duì)構(gòu)件在太陽能輻射下的熱能傳輸能力進(jìn)行評(píng)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(yīng)的幾何參數(shù)可參照?qǐng)D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(gòu)件產(chǎn)品有關(guān)，Ψ_I則取決于門窗構(gòu)件的安裝位置和安裝方式。值得注意的是被動(dòng)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(jì)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(jìn)行計(jì)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(jìn)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(shí)應(yīng)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(duì)窗口熱損失補(bǔ)償?shù)男枨蟆?/span>

玻璃的U值與g值是一個(gè)矛盾體的兩個(gè)方面，在建筑設(shè)計(jì)中需通過能量平衡計(jì)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(nèi)熱容量

熱容量是材料的一種能力，在物理學(xué)中被定義為“材料依靠溫度存儲(chǔ)熱量的能力”。材料的熱容量是通過比熱C進(jìn)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(zhì)具有不同的比熱，同一物質(zhì)在不同物態(tài)下具有不同的比熱。

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

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

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

本文摘自建學(xué)叢書增刊《被動(dòng)式建筑（被動(dòng)房）》，綠色建筑研習(xí)社已取得本書連載授權(quán)，轉(zhuǎn)載必究。建學(xué)建筑與工程設(shè)計(jì)所有限公司致力于綠建及超低能耗建筑設(shè)計(jì)，現(xiàn)已建成和在建PHI認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目共4項(xiàng)。