談建筑傳熱與節(jié)能

楊中合

(陜西省建筑設(shè)計(jì)研究院710003  西安)

    建筑熱工是建筑物理學(xué)一建筑聲學(xué)、建筑光學(xué)、建筑熱工學(xué)的三個(gè)分支之一，也是環(huán)境工程學(xué)的一個(gè)組成部分，它與采暖、空調(diào)技術(shù)一起都是為了創(chuàng)造一個(gè)適宜于人們?cè)谄渲猩�活和生產(chǎn)的環(huán)境。采暖、空調(diào)偏重于設(shè)備手段，建筑熱工學(xué)偏重于建筑手段。

    建筑熱工學(xué)應(yīng)用熱物理學(xué)，傳熱和傳質(zhì)學(xué)的基本理論和方法研究材料的熱、濕性能，房屋及圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的傳熱、傳濕規(guī)律并運(yùn)用這些規(guī)律性的知識(shí)解決建筑物的冬季保溫，夏季隔熱以及隔汽防潮技術(shù)問(wèn)題。

    傳熱是自然界普遍存在的現(xiàn)象。當(dāng)有溫度差就會(huì)有傳熱，而熱量總是從高溫物體傳向低溫物體。冬季，在設(shè)有供暖系統(tǒng)的建筑物中，室內(nèi)溫度高于室外溫度，因而就產(chǎn)生了由室內(nèi)向室外的傳熱，通過(guò)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分(外墻、地板、屋頂、窗)所損失的熱量由供暖設(shè)備來(lái)補(bǔ)充以保證室內(nèi)溫度要求，夏季，在設(shè)有空氣調(diào)節(jié)的建筑物中，室內(nèi)溫度低于室外溫度，于是產(chǎn)生由室外向室內(nèi)的傳熱，傳人室內(nèi)的熱量被空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的制冷設(shè)備帶走，使室內(nèi)保持所需的溫度。

    在建筑物的傳熱過(guò)程中，主要由室內(nèi)外空氣溫度差引起的(如圖l)。

    如果tN>tW，在不考慮室內(nèi)外溫度變化的情況下(即作為穩(wěn)定傳熱來(lái)考慮)，正如水流動(dòng)由于摩擦阻力沿途壓力下降一樣，在傳熱過(guò)程中，室內(nèi)熱空氣的熱量通過(guò)墻壁內(nèi)表面，墻壁和墻壁外表面?zhèn)鹘o了室外空氣，為了便于對(duì)傳熱現(xiàn)象進(jìn)行分析，可將傳熱整個(gè)過(guò)程分為幾個(gè)階段。

1、室內(nèi)空氣和墻壁內(nèi)表面的傳熱規(guī)律

    室內(nèi)熱空氣和墻壁內(nèi)表面溫度為tN，TN，tN>TN，此時(shí)靠近墻壁內(nèi)表面的空氣被墻壁內(nèi)表面冷卻后容重增加而下沉，室內(nèi)容重較小的熱空氣便不斷地向墻壁表面補(bǔ)充，這種通過(guò)流體的流動(dòng)把熱量從一處傳遞到另一處的傳熱方式學(xué)名稱(chēng)為對(duì)流換熱(因室內(nèi)空氣的流動(dòng)是由于空氣各部分溫度差而引起的，故稱(chēng)為自由對(duì)流或自由運(yùn)動(dòng))。

2、墻壁內(nèi)部進(jìn)行的傳熱規(guī)律

    墻壁內(nèi)，外表面溫度為TN TW，TN>TW，則熱量由內(nèi)表面?zhèn)飨蛲獗砻妫�此時(shí)的傳熱是通過(guò)墻壁材料分子熱運(yùn)動(dòng)而引起的，這種傳熱方式為導(dǎo)熱或熱傳導(dǎo)。

3、墻壁外表面和室外空氣的傳熱規(guī)律

    墻壁外表面和室外空氣溫度TW，tW，TW>tW，墻壁外表面對(duì)室外空氣有一個(gè)放熱的過(guò)程，這同樣也是對(duì)流換熱，但是室外空氣的流動(dòng)主要不是由溫度差引起的，而是由風(fēng)力造成的(這種在外力作用下空氣所產(chǎn)生的流動(dòng)稱(chēng)為受迫運(yùn)動(dòng)或受迫對(duì)流)。

    墻壁內(nèi)，外表面除了與空氣接觸外，它們?cè)谧匀唤绮⒉皇枪铝⒋嬖诘模瑝Ρ趦?nèi)表面與室內(nèi)各物體，墻壁外表面與周?chē)�環(huán)境，當(dāng)它們之間溫度不同時(shí)，還存在著輻射傳熱，輻射傳熱不需要物體的直接接觸，是靠電磁波來(lái)傳播熱能。例如，太陽(yáng)是一個(gè)超高溫的氣團(tuán)，它的表面溫度高達(dá)6000K左右，這個(gè)超高溫氣團(tuán)的表面就是發(fā)射太陽(yáng)輻射線的熱源，人們用眼睛能夠識(shí)別出太陽(yáng)輻射線只是可見(jiàn)光線部分(波長(zhǎng)從0.4～0.8μ)。此外，太陽(yáng)輻射線中還有x光線，紫外線，紅外線等，而這些射線，人們的眼睛是感覺(jué)不出的，對(duì)可見(jiàn)光線而言，可用分光鏡將它反映出紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種顯然不同的射線，人們?cè)谏�活�?shí)踐中識(shí)別出物體的顏色也因此而來(lái)的。看到粉刷的墻壁是白色，是由于七種可見(jiàn)光線射到刷過(guò)白灰的墻面，這七種顏色全部反射出來(lái)映人人們的眼睛，樹(shù)葉是綠色的，是因?yàn)闃?shù)葉只反射綠色射線，其他六種全部被吸收，如果某物體把可見(jiàn)光線全部吸收，則物體就呈黑色。因此，根據(jù)各種物體表面對(duì)可見(jiàn)光線的吸收，反射就可以把它們區(qū)別為黑體、白體、灰體、有色體，其中灰體是對(duì)七種射線都能按相同的比例反射出去。太陽(yáng)光線射到玻璃上能夠透過(guò)玻璃射入室內(nèi)，像玻璃這種材料為可見(jiàn)光線的透明體。

    上述用可見(jiàn)光線來(lái)區(qū)分材料色澤和透明的概念，對(duì)熱射線來(lái)講也可借用，對(duì)于各種材料，根據(jù)材料表面對(duì)熱射線的反映不同，也可區(qū)分為透熱體，(即熱射線的透明體)非透熱體，黑體、白體、灰體和有色體。實(shí)踐證明，對(duì)可見(jiàn)光是透明體的材料不一定是熱射線的透明體，玻璃對(duì)可見(jiàn)光來(lái)說(shuō)是透明體，對(duì)熱射線來(lái)說(shuō)幾乎是非透明體，雪對(duì)可見(jiàn)光來(lái)說(shuō)是白體，對(duì)熱射線來(lái)說(shuō)是黑體。物體對(duì)于外來(lái)射線能夠吸收一部分，反射一部分，有的還能讓射線穿透過(guò)去一部分。設(shè)外來(lái)射線總能量為Q總，其中吸收一部分為Q吸；反射一部分為Q反；透過(guò)一部分為Q透，則

    Q總=Q吸+Q反+Q透

    Q吸／Q總=α 物體的吸收率

    Q反／Q總=P  物體的反射率 

    Q透／Q總=T  物體的透射率

    因此，太陽(yáng)將熱能傳到地面上來(lái)，依靠輻射傳熱的方式通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳人室內(nèi)，尤其是夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較大，對(duì)空調(diào)建筑物的傳熱有很大的影響。

    綜上所述，建筑物的傳熱不外乎以對(duì)流、導(dǎo)熱和熱輻射三種基本方式進(jìn)行的。建筑熱工設(shè)計(jì)對(duì)于建筑設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，它將直接影響建筑物的使用和費(fèi)用。

    自20世紀(jì)70年代全球出現(xiàn)能源危機(jī)以來(lái)，許多國(guó)家對(duì)建筑中的節(jié)能問(wèn)題極為重視，據(jù)一些西方國(guó)家統(tǒng)計(jì)，在建筑方面消耗的能源已達(dá)能源消耗總量的30％左右，因此，采取各種有效措施，例如在供暖建筑中，建筑物的外墻、屋頂采用優(yōu)質(zhì)高效保溫材料，這似乎增加了建筑的造價(jià)，但正因?yàn)樵趪�護(hù)結(jié)構(gòu)中設(shè)置了這種材料可降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱損失和供暖費(fèi)用。在建筑設(shè)計(jì)中采用大面積玻璃窗或墻面是現(xiàn)代建筑一大特色，但它們都是保溫隔熱的薄弱環(huán)節(jié)，冬季通過(guò)窗戶的冷風(fēng)滲透及窗的熱損失，夏季通過(guò)窗戶的太陽(yáng)輻射熱往往是墻面的幾倍甚至是幾十倍，繼而出現(xiàn)了控制窗墻之比，采用雙層、三層；中空保溫玻璃、吸熱玻璃或反射玻璃，提高建筑物的保溫、隔熱水平，降低能源的消耗，據(jù)估計(jì)，能將能源消耗降低25％～30％。

    我國(guó)在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫，隔熱方面也做了大量的工作，制定了各種不同地區(qū)建筑物的節(jié)能措施。地處嚴(yán)寒的北方地區(qū)，室外溫度很低，要使室內(nèi)保持適當(dāng)?shù)臏囟缺仨氁揽抗┡�設(shè)備的放熱，為了避免熱量傳至室外，對(duì)于建筑設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)必須加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫；提高門(mén)窗的氣密性；同時(shí)要充分利用陽(yáng)光輻射和建筑物內(nèi)部保溫；這樣可以節(jié)約供暖設(shè)備的費(fèi)用。地處炎熱的南方地區(qū)，夏季氣溫高，太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，相對(duì)濕度大，有些地區(qū)室外風(fēng)速也小，在這種情況下，要使室內(nèi)涼爽、舒適，最有效的辦法采用降溫設(shè)備，但這在目前絕大多數(shù)建筑物中還難以做到，在不采用降溫設(shè)備的條件下如何利用自然條件及建筑措施創(chuàng)造一個(gè)較好的環(huán)境尤為重要，這類(lèi)建筑應(yīng)以夏季隔熱為主，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮環(huán)境綠化、建筑物朝向、自然通風(fēng)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料、厚度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱、窗戶面積、窗戶遮陽(yáng)、外墻飾面材料及顏色等措施并加以綜合利用，適當(dāng)兼顧冬季保溫。

    運(yùn)用建筑熱工學(xué)的理論和方法，在建筑設(shè)計(jì)中正確確定建筑物朝向、總體和平、剖面布置；正確選擇圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料確定其構(gòu)造層次及厚度；正確設(shè)計(jì)供暖、空調(diào)負(fù)荷而使整個(gè)建筑物的設(shè)計(jì)適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，滿足衛(wèi)生和使用要求，達(dá)到全面、經(jīng)濟(jì)、合理都具有重要意義。

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)