[科普中国]-热系数

热系数是衡量均匀工质特性的体膨胀系数、定温压缩系数、绝热压缩系数和相对压力系数。

热系数
①体膨胀系数(αv):定压下体积随温度的相对变化率，即式中V、T、p分别代表体积、温度和压力；下角标p表示发生的过程是在定压条件下进行的。对于固体和液体，αv只随温度和压力发生些微的变化，因此当温度变化不大时，αv可当作常数；对于理想气体，αv=1/T。
② 定温压缩系数(K)：定温下体积随压力的相对变化率，即式中"－"号表示体积将因压力增大而缩小。对于固体和液体,K值随温度和压力的变化甚小，因此可看作常数；对于理想气体，K=1/p。
③ 绝热压缩系数(KS)：绝热条件下体积随压力的相对变化率，即式中下角标"s"表示绝热。一般地,KS≯K；水在4℃时，KS=K。
④ 相对压力系数(αp):定容下压力随温度的相对变化率，即对于理想气体，αp=1/T。
各个热系数间的关系是：

传热系数传热系数以往称总传热系数。国家现行标准规范统一定名为传热系数。传热系数K值，是指在稳定传热条件下，围护结构两侧空气温差为1度（K或℃），单位时间通过单位面积传递的热量，单位是瓦/（平方米·度）（W/㎡·K，此处K可用℃代替），反映了传热过程的强弱

s内其不仅和材料有关，还和具体的过程有关。

简介墙体的传热系数K是表征墙体(含所有构造层次)在稳定传热条件下，当其两侧空气温差为1K(1℃)时,单位时间内通过单位平方米墙体面积传递的热量,单位为W/(M2.K)。即传热系数K是包含了墙体的所有构造层次和两侧空气边界层在内的。它表征了墙体保温系统的热工性能，有研究表明外墙传热系数的减少将明显的降低建筑能耗。

计算方法对于空调工程上常采用的换热器而言，如果不考虑其他附加热阻，对于单层围护结构传热系数K值可以按照如下计算：

K=1/(1/h1+δ/λ+1/h2) W/(㎡·°C)[2]

其中，h1，h2——围护结构两表面热交换系数，W/(㎡·°C)；

δ——管壁厚度，m；

λ——管壁导热系数，W/(m·°C)。

计算公式1、围护结构导热热阻的计算

单层结构热阻 R=δ/λ(m2.K/w)

式中： δ—材料层厚度（m）；λ—材料导热系数[W/(m.k)]；

多层结构热阻 R=R1+R2+----Rn=δ1/λ1+δ2/λ2+----+δn/λn

式中: R1、R2、---Rn—各层材料热阻（m2.k/w）；δ1、δ2、---δn—各层材料厚度（m）；λ1、λ2、---λn—各层材料导热系数[W/(m.k)]；

2、围护结构劈面对流换热热阻

内表面换热阻：Ri=1/h1；

外表面换热阻：Re=1/h2；

3、围护结构的传热热阻

R0=Ri+R+Re

式中: Ri —内表面换热阻（m2.K/W）（一般取0.11）；Re—外表面换热阻（m2.K/W）（一般取0.04）

R —围护结构热阻（m2.K/W）；

3、围护结构传热系数计算

K=1/ R0(w/(m2.k))

式中: R0—围护结构传热热阻；

门窗传热系数计算1、外墙受周边热桥影响条件下，其平均传热系数的计算

Km=(KpFp+Kb1Fb1+Kb2Fb2+ Kb3Fb3)/( Fp+ Fb1+Fb2+Fb3)

式中:Km—外墙的平均传热系数[W/（m2.k）]；

Kp—外墙主体部位传热系数[W/（m2.k）]；

Kb1、Kb2、Kb3—外墙周边热桥部位的传热系数[W/（m2.k）]；

Fp—外墙主体部位的面积；

Fb1、Fb2、Fb3—外墙周边热桥部位的面积；

2、铝合金门窗的传热系数的计算

Uw=（Af*Uf+Ag*Ug+Lg*Ψg)/(Af+Ag)

式中:

Uw— 整窗的传热系数（ W/m2·K）；

Ug— 玻璃的传热系数（ W/m2·K）；

Ag— 玻璃的面积 m2；

Uf— 型材的传热系数（ W/m2·K）；

Af— 型材的面积 m2；

Lg— 玻璃的周长 m；

Ψg— 玻璃周边的线性传热系数（ W/m2·K），现场检测。

窗户由框扇材料与玻璃系统组成 , 若假定玻璃及框扇的传热为严格的并联关系 , 则窗户的总热绝缘系数R 为 :

R =1/〔1/(Fg+Ff)*(Fg/Rg0+Ff/Rf0)〕[3]

式中 :Rg0-玻璃系统对应的总热绝缘系数(指所考虑对象内侧空气至外侧空气的热绝缘系数)；

Rf0-框扇所对应的总热绝缘系数(指所考虑对象内侧空气至外侧空气的热绝缘系数)；

Fg-玻璃的面积；

Ff-窗框的面积 。

如果已知框扇所占的面积比率 ηf:

ηf=Ff/(Fg+Ff)

以所对应的传热系数 U 值来表示 , 得到简单又实用的关系式 :

U =Ug+ηf*(Uf-Ug)

式中Ug-玻璃的传热系数；

Uf-窗框的传热系数。

现场检测目前,现场检测墙体热阻传热系数的方法主要有以下几种：热流计法和功率（行业内称为热箱法,为了保持统一方便交流,以下仍称为热箱法）、非稳态法，下面分别阐述。

热流计法热流计法的基本思路是用热流计测得通过被测墙体的热流量,同时测得墙体两侧的温度,就可以计算出被测墙体的热阻和传热系数。

热流计的测头是根据热电效应和温度梯度的原理制成的。测头内埋设有热电堆，当有一定的热流q垂直流过热流计测头时，在其基板两面就有一定的温差△T，这个温度差使装在基板内的热电堆产生一定的电动势。由于基板的厚度公和导热系数一定,在稳定导热的条件下,其热流密度与测头两侧的温差△T成正比，也与产生的电动势成正比。热流计法最根本的要求是通过热流计的热流既是通过被测对象的热流,并且这个热流平行于温度梯度方向,即通过热流计的热流为稳态一维传导,不考虑向四周的扩散。这样同时测出热流计冷端温度和热端温度,即可根据公式计算出被测对象的热阻和传热系数

R=(T2-T1)/(E*C)

K=1/(Ri+R+Re)

式中K为传热系数[W/(m2.K)]；

E为热流计读数(mv)；

C为热流计测头系数[W/(m2.mv)]，热流计出厂时已标定；

R为被测物的热阻（m2.K/W）；

T1为被测物冷端表面温度（℃）；

T2为被测物热端表面温度（℃）；

Ri为内表面换热阻（m2.K/W）；

Re为外表面换热阻（m2.K/W）。

如果受到现场条件限制如采用页岩颗粒的防水卷材的屋顶不光滑,如果不进行处理就不能够精确测得外表面温度。有的用石膏、快硬水泥等先抹出一块光滑的表面再贴温度传感器测量温度,这样又会带来附加热阻,并且由其引起的误差无法精确消除。在内外表面温度不易测定时,可以利用百叶箱测得内外环境温度、几以及通过热流计的热流,可以根据公式计算出被测对象的传热阻和传热系数：

R0=(Ta-Tb)/(E*C)

K=1/R0

式中为R0被测物的传热阻（m2.K/W）；

式中其它符号同上。

热箱法现场检测用的热箱法一般是防护热箱法。是将计量箱放置在一个温度受到控制的空间内,控制计量箱内部温度和室内空气温度保持一致,使得计量箱与外部环境之间没有热量交换，另一侧为室外自然条件。维持热箱内温度高于室外温度以上。这样被测部位的热流总是从室内向室外传递,形成了一维热流。当热箱内的加热量与通过被测部位传递的热量达到平衡时,计量箱的功率就是被测部位的传热量。记录计量箱的发热量和热箱内、室外温度,利用公式一计算就能得到被测部位的传热系数。

也有的采取双箱体的方法,即在计量箱外再套一个防护箱,测试时保持计量箱和防护箱内温度一致即可。

操作条件与方法：

根据被测建筑物的施工图选取检测部位，不应靠近梁、板、柱等热桥处，被测房间门窗完好无损；

将热箱体与被测墙体部位紧密接触，为达到密闭，通常在热箱背面用撑竿顶牢；

粘贴固定温度传感器。固定室外墙表温度传感器，使其位于对应面热箱的中心位置，紧贴墙表，用锡纸遮挡，避免日光直射。固定室外环境温度传感器，使其位于对应面热箱的中心位置，离开墙表10一20厘米的阴影下，并安装防辐射罩，避免日光直射。固定室内空气温度传感器，使其位于被测房间中央，距墙面1.5米处，并安装防辐射罩；

将温度传感器和热箱连接到功率温度检测仪进行测量；

放置热箱的房间采用电暖气加热，使热箱内与室内温度差小于0.4℃，室内外温度差应控制在℃以上，热箱内温度大于室外最高温度10℃以上，若室外平均空气温度在8℃以上，则应使用冷箱；

室外空气相对湿度必须在60%以下，风力小于三级；

宜在外墙保温施工完工后，墙体达到干燥状态进行现场测试；

用计算机设定控制温度、采集数据的形式,设置记录间隔时间及采集时间。采集仪自动记录热箱的耗电量、热箱内温度、室内温度、室外温度、墙体测试部位内外表面温度、室外湿度等参数；

检测周期为72-96小时，温度测量范围-20-50℃，采集该周期内稳定以后不小于24小时的所有数据。

测量结束后由仪器自动计算出传热系数,也可由人工用EXCEL或金山电子表

格进行数据处理计算出被测部位的传热系数。

非稳态法常功率平面热源法是非稳态法中一种比较常用的方法,适用于建筑材料和其它隔热材料热物理性的测试。其现场检测的方法是在墙体内表面人为地加上一个合适的平面恒定热源，对墙体进行一定时间的加热,通过测定墙体内外表面的温度响应辨识出墙体的传热系数,原理如图所示。绝热盖板和墙体之间的加热部分由5层材料组成,加热板C1、C2和金属板E1、E2对称地各布置两块，控制绝热层两侧温度相等，以保证加热板C1发出的热量都流向墙体，E1板对墙体表面均匀加热的作用。墙体内表面测温热电偶A和墙体外表面测温热电偶D记录逐时温度值。

该系统用人工神经网络方法(Artificial Neural Network，简称ANN）仿真求解过程。分为以下几个步骤

该系统设计的墙体传热过程是非稳态的三维传热过程，这一过程受到墙体内侧平面热源的作用和室内外空气温度变化的影响，有针对性地编制非稳态导热墙体的传热程序。建立墙体传热的求解模型，输入多种边界条件和初始条件，利用已编制的三维非稳态导热墙体的传热程序进行求解，可以得到加热后墙体的温度场数据。

将得到的温度场数据和对应的边界条件、初始条件共同构成样本集对网络进行训练。在该研究中由于实验能测得的墙体温度场数据只是墙体内外表面的温度，因此将测试时间中的以下5个参数作为神经网络的输入样本：室内平均温度、室外平均温度、热流密度、墙体内外表面温度：将墙体的传热系数作为输出样本进行训练。

网络经过一定时间的训练达到稳定状态，将各温度值和热流密度值输入，由网络即可映射出墙体的传热系数。

影响因素传热系数是一个过程量，其大小取决于壁面两侧流体的物性、流速，固体表面的形状、材料的导热 系数等因素。在建筑物热损失计算中，是表征外围护结构总传热性能的参数，其值取决于围护结构所采用的材料、构造及其两侧的环境因素。传热系数愈大的围护结构保温效果愈差，如一般单层3mm厚玻璃的金属窗传热系数为 6.4W/(mK)，370mm厚两面抹灰的 砖墙传热系数为1.59W/(mK)。1

K值愈大，传热过程进行得愈为强烈。传热系数不仅主要取决于热、冷 流体的物理性质和各自的平均流 速，还与固体壁面的厚度及其材料 的导热系数等许多因素有关，一般 都借助于具体实验并按传热方程式 计算确定，或通过计算传热过程的 单位面积总热阻Rt而得到。

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所