建筑物理基础 | 保温、传热、室内热容量

材料的导热系数

材料通过热传导对热能的传输能力是通过导热系数进行度量的。

导热系数是指单位厚度的特定材料，两侧表面温差为1K时单位时间内单位面积通过热传导传递的热量。

导热系数用希腊字母λ表示，其单位为W/(m·K)。

1 固体材料的导热系数

导热系数只与特定的材料有关，不同的材料具有不同的传热系数。通常，同一的材质的传热系数与材料的密度有关，随着材料密度的增加，导热系数会有所增加。同时，传热系数且具有方向性，各向异性材料在不同方向具有不同的导热系数。

2 非密闭空气夹层的等价导热系数

非密闭的空气夹层对热能的传输通常包含对流传热和辐射传热两种传输方式。λ_Air=h_a+h_r)^-1【公式1】

其中，h_a为对流传热，其量纲为W/m²·K。

对流传热与空气层厚度、气流流动方向及对外开口面积相关。通常情况下，根据气流方向，分别采用公式2~公式4进行计算：

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】

对于通风性较差的空气夹层（对于竖向气流，空气夹层与外界大气间开口面积介于500~1500mm²/m、水平气流空气夹层与外界大气间开口面积介于500~1500mm²/m²）时，对流传热值应对上述计算值加倍选取。

h_r为辐射传热，空气夹层辐射传热热阻取决于夹层两侧材料的表面辐射率ε_λ，表面辐射率的量纲为m²K/W。

hr=5.1/(ε_λ1^-1+ε_λ2^-1-1)【公式5】

常规建筑材料的表面辐射率为0.90m²K/W，金属材料表面辐射率约为0.15m²K/W。

构件的热阻和传热系数

建筑构件对热能传输能力的度量指标是传热系数，传热系数除与构件的构成密切相关外还取决于构件所处的环境。建筑构件的传热系数的定义和计算方法在ISO6946中有明确的规定，在中国，传热系数用K表示，在欧洲，传热系数用U表示。由于K值和U值对测试环境要求各异，同一构件的K值和U是不同的，且难以进行简单的换算、比较。

1 导热热阻

导热热阻是热能在物体内部以热传导方式传递时所遇到的阻力，由均一材质材料构成的物体与该材料的在传热方向的厚度t成正比，与材料在该方向的导热系数λ成反比。导热热阻通常由罗马字母R表示，量纲为m²·K/W：

R=t/λ 【公式6】

2 U值

建筑构件的U值可根据下式进行计算：

U=(R_si+ΣR_i+R_se)^-1【公式7】

其中，
R_si、R_se为构件内外表面的表面换热阻，与构件表面所处的环境有关；

R_i为组成该构件的第i层材料的导热热阻。

对于组合型构件如带加强肋组合墙板等构件，首先应分别计算加强肋位置及保温填充位置的导热热阻并按其所占面积比例加权平均确定其导热热阻的上限值R’_T。

其次，通过面积占比加权平均计算加强肋—保温填充的平均导热系数，利用平均导热系数确定其导热热阻的下限值R”_T。

构件的U值则根据导热热阻上下限的算数平均值R_T确定。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+ΣṜ_i+R_se【公式11】

Ṝ_i=1/Σ(α^J·λ_i^J)【公式12】

表一给出了PHPP中所定义的各类建筑围护构件的表面换热阻取值规则，当采用PHPPV9（2015）计算构件的U值时可通过构件、环境状态选项确定构件表面换热热阻。

[1]外墙指斜度不超过30°的竖向结构，当屋面坡度≥60°时，应按外墙进行计算。

表1　建筑构件的表面换热阻取值

3 楔形体构件的U值

斜面梯度不超过5%的楔形体构件的U值可根据ISO6946附录C中的规定进行计算。ISO6946中给出了三种类型楔形体构件的U值计算方法。

图4　矩形基底楔形体

图4为矩形基底的楔形截面构件，其U值可通过下部长方体热阻R₀及上部纯楔形的最大热阻R₁=d₁/λ₁，根据公式13计算等效热阻。

图5　三角形基底楔形体之一

对于图5所示楔形体构件，纯楔形体部分厚度按图示取值，并根据公式14计算等效热阻。

图6　三角形基底楔形体之二

图6所示三角形基底的楔形体等效热阻则应根据公式15进行计算，并根据图中示意确定各相关参数取值。

对与不同区域的组合则可按各区域面积占比加权平均：

U=ΣU_i·A_i/A【公式16】

4 U值计算示例

算例一　匀质外墙墙体的U值计算

匀质构件的U值可以依据公式7通过简单的构件构成列表对构件的U值进行计算。

图7　砌体外墙墙身

图7为一砌体外墙示例，墙体构件的构成及热阻计算在表2中给出。

也可利用PHPP中U-Value工作表通过对构件类型、环境状态及构件构成情况等基本参数的输入进行计算。图8为PHPP计算表格。

表2　墙体热阻计算

图8  使用PHPP墙身U值计算算例一

算例二　带加劲肋的木结构外墙墙体的U值计算

非匀质构件的U值计算基本计算顺序如下：

• 计算各种不同断面构成部分的占比情况。

• 对不同的断面构成部分分别按匀质构件的U值计算方法通过列表方式计算相应的U值（表3、表4）。

• 根据公式9计算面积加权组合值U’T并根据公式10确定导热热阻上限值R’_T（表5）。

• 根据面积占比情况计算各非均质层的等效传热系数λ”（表6）。

• 使用等效传热系数λ”计算导热热阻下限值R”_T（表7）。

• 根据公式8确定计算U值

图9　木结构外墙墙身

表3　墙体保温填充部位热阻计算

表4　墙体加劲肋部位热阻计算

表5　导热热阻上限值计算

表6　等效传热系数计算

表7　使用等效传热系数的墙体热阻计算

即U=1/Ave(6.142,5.847)=0.1668W/m²K

使用PHPP的U-Value工作表进行U值计算较为简便，具体计算表格详图10。

图10　使用PHPP墙身U值计算算例二

算例三　屋面的U值计算

图11　保温材料找坡屋面的U值

首先，按常规计算基础保温层的U值U₀及R值R₀：

表8　屋面基础保温层热阻计算

对于区域A₁，根据公式13有：

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

对于区域A₂，则根据公式14进行计算：

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

根据公式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确定各区域的U值，根据面积加权平均则需通过手工演算。

图12　使用PHPP进行楔形构件的U值计算

热桥效应与无热桥设计

热桥是热量通过物体传输时阻力异于周边时的传热路径，热桥可分为几何热桥、结构热桥和重复热桥。通常，几何热桥源于几何形体发生变化的位置，如表面折转部位，结构热桥源于构件构造发生变化的部位，重复热桥则发生在材料搭接部位。

对于未设保温层的建筑物，其外围护结构的U值相对极高，相对异常部位对传热的影响微乎其微，热桥效应处于可完全忽略的水平。

随着外围护结构中保温层的设置，外围护结构的U值被控制在一定的水平之内，传热异常部位对保温层作用的影响逐步显现，并随保温层厚度的增加而有所增加。

对于被动房来说，热桥效应对保温效率的影响成为起决定性作用的关键因素之一。因此，无热桥设计是被动房中重点讨论的课题之一。

1 热桥效应

（1）热桥系数

根据热桥的分布形式，热桥可通过线性热桥和点状热桥两种方式对额外热损失进行描述，并通过热桥系数对热桥引起的附加热损失进行定量描述（图13）。

图13　热桥热损失的描述和计量

线性热桥系数为热桥分布范围内单位长度的附加热损失，采用希腊字母Ψ表示，线性热桥系数的单位为W/m·K。

点状热桥系数为热桥引起的附加热损失，采用希腊字母χ表示，点状热桥系数的单位为W/K。

（2）线性热桥系数

图14　确定线性热桥的参照尺寸

参照外部尺寸的线性热桥系数可描述如下：

其中:

Q_2Dim  为构件的热传输总量，需通过有限元分析进行计算；

Q_1Dim   为根据各构件外部尺寸确定的热传输量计算值：

Q_1Dim=ΣA_i·U_i·Δϑ_i 【公式18】

L   为线性热桥的长度，在图14示例中为墙身转角处的高度；

Δϑ  为墙身转角部的内外温差。

线性热桥的热桥损失可根据公式19得出：

Q_T=L·Ψ·f_T·Gt【公式19】

其中：

Q_T    为线性热桥的热桥损失；

L  为线性热桥的长度；

Ψ  为线性热桥系数；

f_T    为环境折减系数，取决于周围大气环境，在建筑各构件中通常取为1；

G_t    为温度差的时间积分。

2 无热桥设计

当热桥系数Ψ≤0.01W/m·K时，热桥对建筑保温的影响可忽略不计。在建筑设计中，通过构造措施将热桥系数降低至0.01W/m·K以下的设计方法被称作无热桥设计。

值得注意的是热桥系数Ψ及χ的取值可以是负值，即热桥处保温性能高于周边构件的保温性能，如保温外墙的凸角部位。

透明建筑构件的传热

建筑物中，除非透明构件外，存在大量的透明构件，如玻璃门窗、玻璃幕墙等。与非透明建筑构件不同，分析透明建筑构件的热能传输时，除热传导外还需考虑辐射方式的热传输。

透明构件以热传导方式进行热能传输时与非透明构件类似，采用传热系数U、热桥系数Ψ及χ等指标进行度量，通常要通过构件各个组分的U值、Ψ值等指标计算出与计入全部热损失后的综合传热系数作为能量平衡计算的基本依据。

对于透明构件来说，除传热系数之外与构件热物理性能密切相关的还有太阳能透射比。通过太阳能透射比可以对构件在太阳能辐射下的热能传输能力进行评判。

1 玻璃门窗U值的确定

图15给出了确定玻璃门窗传热的基本保温参数，相应的几何参数可参照图十六取值。

图15　玻璃门窗的基本保温参数

其中，U_g、U_f及Ψ_g与构件产品有关，Ψ_I则取决于门窗构件的安装位置和安装方式。值得注意的是被动式门窗的安装方式与常规门窗的差异。

图16　玻璃门窗的基本几何参数

计入全部热损失后，玻璃门窗的传热系数U_W可按公式20进行计算。

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  玻璃的太阳能透射比g

玻璃外窗允许阳光直接或间接进入窗口，太阳能透射比g值表示正常入射角的太阳辐射的透射比例。为在冬季提供正的能量平衡，通常在玻璃选用时应满足：

U_g－1.6W/m²K·g≤0。

满足这一条件，意味着通过窗口的太阳能集热超出了对窗口热损失补偿的需求。

玻璃的U值与g值是一个矛盾体的两个方面，在建筑设计中需通过能量平衡计算和采光需求分析综合考虑确定满足需求的U值和g值。

室内热容量

热容量是材料的一种能力，在物理学中被定义为“材料依靠温度存储热量的能力”。材料的热容量是通过比热C进行度量，国际单位制中，比热的基本量纲为J/kg·K。比热的基本定义为：

不同的物质具有不同的比热，同一物质在不同物态下具有不同的比热。

通常，同一物质在同一物态下的比热不随质量、形态的变化而变化，但会随温度的变化产生微小的波动，这一波动在通常情况下可以被忽略。

建筑物中，作为一种热能的存储形式，一定的室内热容量可以通过热能的存储、释放过程缓解室温的波动，起到一定的节能效果。

但通过高热容材料增加室内热容时往往会在采暖季节出现反效果:高热容材料的使用会导致采暖负荷的增加——高热容材料通常具有较高的含水量，在室内相对干燥的采暖期，高热容材料通过水分的蒸发与室内空气保持湿度平衡，水分蒸发引起的能耗无疑会对节能效果产生一定的影响。

本文摘自建学丛书增刊《被动式建筑（被动房）》，绿色建筑研习社已取得本书连载授权，转载必究。建学建筑与工程设计所有限公司致力于绿建及超低能耗建筑设计，现已建成和在建PHI认证标准项目共4项。