对建筑材料导热系数与蓄热系数修正问题的探讨

摘 要：本文对建筑热工规范中导热系数与蓄热系数采用相同修正系数的做法提出了质疑，经过推导论证，最后得出了结论。

关键词：导热系数；蓄热系数；修正系数；热惰性指标；冬季室外计算温度；

1 问题的提出

笔者在编写由陆耀庆任主编的《供暖通风设计手册》第5章建筑热工和《实用供热空调设计手册》第3章建筑热工时，发现当时的《民用建筑热工设计规程》(JGJ 24-86)(试行)(以下简称为JGJ 24-86)和《民用建筑热工设计规范》(GB 50176-93)(以下简称为GB 50176-93)中对材料的导热系数λ与蓄热系数采用相同的修正系数α进行修正的做法存在问题。1989年1月，笔者给规范的主编-中国建筑科学研究院物理所胡磷先生写了一封信，说明了观点和看法。胡先生将信转给了陈启高教授，陈先生非常认真，在北京和胡先生进行了讨论，并于1990年11月28日给笔者回了信。摘录如下：“我和胡磷教授商量过您的意见。1)规范中所列的条目是一种资用性的东西，没有仔细推敲的必要。2)但若根据您提出的算法(算法是对的)，这样会将D变小，使D的分类值捉摸不定……3)一些修正系数，带有经验性质，不是严格的，并且有些牵强，但为了简化，不得不如尔！ 4)您若按您提出的算法提出一种修正方法是可以的。可能比规程中的规定要合理些，但用起来就不如现在方便了!”接着，1个月后，陈先生于1990年12月29日又给笔者写了一封信。信中说：“但我总感到回答得不满意，……规范中所反映的结果，是经过争论，要为大多数人接受的……”

两位老科学家为规范的编制所付出的艰辛可想而知。规范要由大家讨论，有的问题也是出于无奈，都能理解。笔者编写的那两部手册的内容，与陆耀庆主编商量后认为，不能违反规范，所以该问题就成为了遗留问题。从JGJ 24-86到GB 50176-93，至今已过去24年，导热系数λ与蓄热系数S的修正系数α依然如故。科学在发展、技术在进步，深信志士同仁通过努力是能做到陈教授所说的“既是理论上合理，又是使用起来方便的。”这就是本文的目的。

2 规范(规程)的规定

关于导热系数λ与蓄热系数S，GB 50176-93与JGJ 24-86都是这样规定的：

1)在严寒、寒冷、温暖和炎热地区正常使用条件下，材料的热物理性能计算参数可按GB 50176-93附表4.1直接采用(JGJ 24-86为附表3.1)。

2)附表中所列情况下材料的导热系数计算值λC。，材料的蓄热系数的计算值SC。应分别按以下公式修正：

λC=λα                                  (1)

     SC=Sα                                   (2)

式中，λ为材料的导热系数，W/(m·K)，按GB50176-93附表4.1采用(JCJ 24-86为附表3.1)；S为材料的蓄热系数，W/(m2·K)，按GB 50176-93附表4.1采用；α 为修正系数，按GB 50176-93附表4.2的情况采用(JGJ 24-86为附表3.2）。

很显然，对于导热系数λ，在附表中所列情况下，应采用表中的修正系数进行修正，使计算结果逼近于工程实际，这是完全必要的，但这样会影响热惰性指标D。

不修正时，                                           (3)

修正后，                                    (4)

式中，为δ材料厚度，m；R为材料的热阻，(m2·K)/W。

按照规范，将式(1)~(2)代人式(4)得：

                                           (5)

由式(3)及式(5)对照可知：

    DC=D                                               (6)

即修正前、后的D值未变。这是因为R与修正系数α的大小成反比，而规范认定S与修正系数λ的大小成正比，刚好抵消，使D值不变。

但是，对于材料的蓄热系数S，也采用同一个修正系数α值进行修正则是值得研究的问题，规范的条文说明中没有提出这样做的依据。

3 关于蓄热系数S的修正问题

材料的热物理性能计算参数都是在特定条件下测得的，在工程上，由于材料、构造、施工、地区及使用等情况与测试条件不同，因此必须修正。特别是对于多孔性材料和松散性材料，GB 50176-93附表4.2(JGJ 24-86为附表3.2)中所列都是8种情况，材料压缩、沉降、受潮灰浆渗入及灰缝影响等因素会使导热系数λ增大，在计算时应分别乘以修正系数α。

但是在GB 50176-93附表4.2中，影响蓄热系数S的因素与导热系数λ不同，由蓄热系数S的计算公式可以看出影响蓄热系数s的因素很多。

                                              (7)

式中，c为材料的比热容，J/(kg·K)；ρ为材料的密度，kg/m3；T为谐波周期，一般取为24 h；其余参数含义同前。

3.1  对蓄热系数S修正系数公式的推演

假设式(7)中c和ρ为常数，则对S的修正同样也只是对导热系数λ的修正，修正后的蓄热系数为SC：

                                   （8）

对照式(7)和式(8)，即：

                                                (9)

式(9)证明对蓄热系数S的修正系数是，与导热系数λ的修正系数α的数值是不同的，因此工程实际中采用式(1)和式(2)对导热系数λ和蓄热系数S采用相同的修正系数α从理论上分析是不合适的。对导热系数λ及蓄热系数S的修正系数α，在GB 50176-93附表4.2的使用情况中，包含了干燥缓慢、灰缝及材料湿度重量的允许增量的影响，是否可不再修正，值得研究。

3.2 蓄热系数S修正系数的影响

蓄热系数S的修正系数与导热系数λ的修正系数不同，直接影响围护结构热惰性指标D的大，D的变化关系到围护结构热稳定性的类别等级。

将式(1)和式(9)代入式(4)得：

                                     (10)

对照式(3)得：

                                                (11)

因修正系数α为大于1的数，表明修正后的DC小于按规范算得的D，因此实际围护结构的热稳定性类型降低，围护结构冬季室外计算温度tc的取值也相应降低。GB 50176-93附表4.2中修正系数α的最大值为1.6,。当D=6.1时，，D=6.1本属I类的外围护结构，对北京市来说应取tc=-9℃，而实际的Dc=4．822，降为Ⅱ类外围护结构，应取tc=-12℃。

实际上，GB 50176-93和JGJ 24-86中的修正系数虽然只是针对2个建筑材料热物理性能参数λ与S进行的，但产生的影响却是一个“关系链”。

1)GB 50176-93和JGJ 24-86对λ与S采用同一个修正系数α，使这个“关系链”人为地快速收敛：对λc=λα，α>1，λc>λ；对Sc=Sα，α>1，Sc>S；对，已收敛。

2)实际影响的“关系链”：对λc=λα，α>1，λc>λ；对，α>1，Sc>S；对，α>1，Dc＜D，冬季外围护结构类别下降，冬季室外计算温度tc下降，冬季外围护结构内表面温度下降，冬季室内热舒适性下降，冬季室内热负荷Q上升，要求的冬季外围护结构最小热阻R0,min上升等。此“关系链”对冬季的影响最突出，在夏季，会使外围护结构的温度衰减倍数γ0下降，延迟时间ξ0下降。

3.3 是否需要对比热容c和密度ρ分别进行修正

GB 50176-93附表4.1中的数据已考虑了围护结构在正确设计和正常使用条件下材料中的正常含水率、材料的不均性以及密度波动的影响。

3.3.1 对密度ρ的修正问题

1)根据GB 50176-93，供暖期保温材料重量湿度的允许增量(△w)(见表6.1.2)。除聚苯乙烯泡沫塑料重量湿度的允许增量为15%外，其余都是比较小的，对密度ρ的影响只要在允许范围内则可以忽略。

2)保温材料当采用松散性材料时，沉降量按实测数据计算均在1．67%以内，也可以忽略。

3)保温材料的灰缝：对水泥膨胀珍珠岩四周采用保温砂浆厚度δ不大于5mm时，对沥青膨胀珍珠岩一般采用石油沥青粘结时，影响也不大。

3.3.2 对比热容c的修正问题

材料的重量湿度增加，保温材料的比热容有所增加。如果按重量组分加权计算，多数也是可以忽略的，规范中可以增加一些限定条件。

3.3.3 若考虑对比热客c和密度ρ进行修正 

设密度ρ的修正系数为α'，比热容c的修正系数为α''(对α'和α''的确定还需做很多的测试工作)，则有：

    ρc=ρα'                                             (12)

    cc=cα''                                             (13)

再根据式(1)，则有： 

        (14)

若要使规范中对导热系数λ的修正系数与蓄热系数S的修正系数均采用α，即维持DC=D不变，只有，即：

                                              (15)

式(15)是很难办到的，建议规范增加必要的限定条件，尽可能避免多重修正。

4 结 论

1)对导热系数λ与蓄热系数S采用同一个修正系数α缺乏应有的理论支持。

2)规范规定对λ与S采用相同的修正系数α后，产生的影响不单是这2个参数，而是修正系数“关系链”中的所有参数。其中对冬季影响最大，涉及到规范中相关条目的执行，也涉及夏季部分条目的执行，值得重视。

3)建议规范采取必要的限定措施，尽可能避免对比热容c和密度ρ的修正，并进行测算加以论证。

本文是从技术角度，根据24年前笔者对这一问题所做工作整理而成的，目的在于唤起同行的重视和参与，希望尽早能看到规范在修编中可以很好地解决这些问题。笔者水平有限，欢迎指正。

---摘自建筑科学《对建筑材料导热系数与蓄热系数修正问题的探讨》