談建筑傳熱與節能

楊中合

(陜西省建筑設計研究院710003  西安)

    建筑熱工是建筑物理學一建筑聲學、建筑光學、建筑熱工學的三個分支之一，也是環境工程學的一個組成部分，它與采暖、空調技術一起都是為了創造一個適宜于人們在其中生活和生產的環境。采暖、空調偏重于設備手段，建筑熱工學偏重于建筑手段。

    建筑熱工學應用熱物理學，傳熱和傳質學的基本理論和方法研究材料的熱、濕性能，房屋及圍護結構中的傳熱、傳濕規律并運用這些規律性的知識解決建筑物的冬季保溫，夏季隔熱以及隔汽防潮技術問題。

    傳熱是自然界普遍存在的現象。當有溫度差就會有傳熱，而熱量總是從高溫物體傳向低溫物體。冬季，在設有供暖系統的建筑物中，室內溫度高于室外溫度，因而就產生了由室內向室外的傳熱，通過建筑物圍護結構各部分(外墻、地板、屋頂、窗)所損失的熱量由供暖設備來補充以保證室內溫度要求，夏季，在設有空氣調節的建筑物中，室內溫度低于室外溫度，于是產生由室外向室內的傳熱，傳人室內的熱量被空氣調節系統中的制冷設備帶走，使室內保持所需的溫度。

    在建筑物的傳熱過程中，主要由室內外空氣溫度差引起的(如圖l)。

    如果tN>tW，在不考慮室內外溫度變化的情況下(即作為穩定傳熱來考慮)，正如水流動由于摩擦阻力沿途壓力下降一樣，在傳熱過程中，室內熱空氣的熱量通過墻壁內表面，墻壁和墻壁外表面傳給了室外空氣，為了便于對傳熱現象進行分析，可將傳熱整個過程分為幾個階段。

1、室內空氣和墻壁內表面的傳熱規律

    室內熱空氣和墻壁內表面溫度為tN，TN，tN>TN，此時靠近墻壁內表面的空氣被墻壁內表面冷卻后容重增加而下沉，室內容重較小的熱空氣便不斷地向墻壁表面補充，這種通過流體的流動把熱量從一處傳遞到另一處的傳熱方式學名稱為對流換熱(因室內空氣的流動是由于空氣各部分溫度差而引起的，故稱為自由對流或自由運動)。

2、墻壁內部進行的傳熱規律

    墻壁內，外表面溫度為TN TW，TN>TW，則熱量由內表面傳向外表面，此時的傳熱是通過墻壁材料分子熱運動而引起的，這種傳熱方式為導熱或熱傳導。

3、墻壁外表面和室外空氣的傳熱規律

    墻壁外表面和室外空氣溫度TW，tW，TW>tW，墻壁外表面對室外空氣有一個放熱的過程，這同樣也是對流換熱，但是室外空氣的流動主要不是由溫度差引起的，而是由風力造成的(這種在外力作用下空氣所產生的流動稱為受迫運動或受迫對流)。

    墻壁內，外表面除了與空氣接觸外，它們在自然界并不是孤立存在的，墻壁內表面與室內各物體，墻壁外表面與周圍環境，當它們之間溫度不同時，還存在著輻射傳熱，輻射傳熱不需要物體的直接接觸，是靠電磁波來傳播熱能。例如，太陽是一個超高溫的氣團，它的表面溫度高達6000K左右，這個超高溫氣團的表面就是發射太陽輻射線的熱源，人們用眼睛能夠識別出太陽輻射線只是可見光線部分(波長從0.4～0.8μ)。此外，太陽輻射線中還有x光線，紫外線，紅外線等，而這些射線，人們的眼睛是感覺不出的，對可見光線而言，可用分光鏡將它反映出紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顯然不同的射線，人們在生活實踐中識別出物體的顏色也因此而來的。看到粉刷的墻壁是白色，是由于七種可見光線射到刷過白灰的墻面，這七種顏色全部反射出來映人人們的眼睛，樹葉是綠色的，是因為樹葉只反射綠色射線，其他六種全部被吸收，如果某物體把可見光線全部吸收，則物體就呈黑色。因此，根據各種物體表面對可見光線的吸收，反射就可以把它們區別為黑體、白體、灰體、有色體，其中灰體是對七種射線都能按相同的比例反射出去。太陽光線射到玻璃上能夠透過玻璃射入室內，像玻璃這種材料為可見光線的透明體。

    上述用可見光線來區分材料色澤和透明的概念，對熱射線來講也可借用，對于各種材料，根據材料表面對熱射線的反映不同，也可區分為透熱體，(即熱射線的透明體)非透熱體，黑體、白體、灰體和有色體。實踐證明，對可見光是透明體的材料不一定是熱射線的透明體，玻璃對可見光來說是透明體，對熱射線來說幾乎是非透明體，雪對可見光來說是白體，對熱射線來說是黑體。物體對于外來射線能夠吸收一部分，反射一部分，有的還能讓射線穿透過去一部分。設外來射線總能量為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，太陽將熱能傳到地面上來，依靠輻射傳熱的方式通過圍護結構傳人室內，尤其是夏季太陽輻射強度較大，對空調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流、導熱和熱輻射三種基本方式進行的。建筑熱工設計對于建筑設計來說是一個重要的環節，它將直接影響建筑物的使用和費用。

    自20世紀70年代全球出現能源危機以來，許多國家對建筑中的節能問題極為重視，據一些西方國家統計，在建筑方面消耗的能源已達能源消耗總量的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、屋頂采用優質高效保溫材料，這似乎增加了建筑的造價，但正因為在圍護結構中設置了這種材料可降低圍護結構的熱損失和供暖費用。在建筑設計中采用大面積玻璃窗或墻面是現代建筑一大特色，但它們都是保溫隔熱的薄弱環節，冬季通過窗戶的冷風滲透及窗的熱損失，夏季通過窗戶的太陽輻射熱往往是墻面的幾倍甚至是幾十倍，繼而出現了控制窗墻之比，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，據估計，能將能源消耗降低25％～30％。

    我國在圍護結構的保溫，隔熱方面也做了大量的工作，制定了各種不同地區建筑物的節能措施。地處嚴寒的北方地區，室外溫度很低，要使室內保持適當的溫度必須依靠供暖設備的放熱，為了避免熱量傳至室外，對于建筑設計來說必須加強圍護結構的保溫；提高門窗的氣密性；同時要充分利用陽光輻射和建筑物內部保溫；這樣可以節約供暖設備的費用。地處炎熱的南方地區，夏季氣溫高，太陽輻射強烈，相對濕度大，有些地區室外風速也小，在這種情況下，要使室內涼爽、舒適，最有效的辦法采用降溫設備，但這在目前絕大多數建筑物中還難以做到，在不采用降溫設備的條件下如何利用自然條件及建筑措施創造一個較好的環境尤為重要，這類建筑應以夏季隔熱為主，在設計時應考慮環境綠化、建筑物朝向、自然通風、圍護結構材料、厚度、圍護結構隔熱、窗戶面積、窗戶遮陽、外墻飾面材料及顏色等措施并加以綜合利用，適當兼顧冬季保溫。

    運用建筑熱工學的理論和方法，在建筑設計中正確確定建筑物朝向、總體和平、剖面布置；正確選擇圍護結構材料確定其構造層次及厚度；正確設計供暖、空調負荷而使整個建筑物的設計適應當地氣候特點，滿足衛生和使用要求，達到全面、經濟、合理都具有重要意義。

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)