热质量

“热质量”描述的是材料吸收、储存和释放热量的能力。例如，水和混凝土具有很高的储热能力，被称为“高热质量”材料。相比之下，保温泡沫的储热能力非常小，被称为“低热质量”。

一个常见的类比是热质量作为一种热电池。当辐射或温暖的邻近空气加热时(达到一定限度)，电池就会一直充电到充满为止。当邻近的空气空间变得相对较冷，热量开始流出时，它就会放电。



尽管热质量一直是建筑的一个方面，但直到最近几年，它才发展成为一种用于节能的工具。报告的《英国住房和气候变化在2005年由奥雅纳斯公司提出的，特别是被高热质量材料的制造商抓住，作为“重量级”建筑的存在理由。奥雅纳斯描绘了一幅英国各地气温不断上升的图景，并认为未来地中海的气候条件证明了采用重型建筑的合理性。在某种程度上，奥雅纳斯是对的(尽管砖石和木结构建筑类型都可以容纳热质量)，但制造业对该报告的兴趣和随后的普遍传播继续掩盖了关于热质量更复杂的信息:它不是一个“一劳永得”的概念。

理解热质量的特性及其使用，特别是在具体环境中，对于认识到好处和潜在的缺陷是至关重要的。

热导纳，或“y值”，或传热系数


热导纳量化了材料从空间中吸收和释放热量的能力，因为室内温度经过一段时间的变化。导纳值在设计的早期阶段是一个有用的工具，用来评估热量流入和流出储热器。

导纳的测量单位是W/(m2K),这样

h = ΔQ / A x ΔT


式中:h =传热系数，W/(m2K)
ΔQ =热输入或热损失，W
A =传热面，m2
ΔT =固体表面与相邻空气空间之间的温差。

导纳值越高，热质量越高。

热导纳在EN ISO 13786:2007中有完整的描述。所描述的框架也为计算冷负荷和夏季空间温度的CIBSE“简单动态模型”提供了基础(CIBSE(2005)指南A:环境设计)。

典型外墙元件的导纳值(基于24小时周期)

外墙 内部完成 导纳值
木框架(砖外叶) 石膏板 1．0
湿石膏
砌体空腔墙(100mm空气混凝土砌块) 石膏板 1.85
湿石膏 2.65
砌体空腔墙(100mm密实骨料砌块) 石膏板 2.65
湿石膏 5.04

资料来源:混凝土中心(根据EN ISO 13786:2007计算)

决定热质量的因素

比热容
比热容是指材料每千克质量所储存的热量。“高”热质量的材料具有高的比热容。比热容的单位是J/kg。K

密度
密度是指材料单位体积的质量(或“重量”)，以公斤/米为单位3.．高密度材料使整体重量最大化，是“高”热质量的一个方面。

热导率
热导率衡量的是热通过材料的难易程度。对于“高”的热质量，热导率通常需要适中，以便热量的吸收和释放与建筑的加热和冷却循环同步。热导率的单位是W/m。K

一些常见材料的有效性:

材料 比热容 热导率 密度 有效性
水 4200 0.60 1000 高
石头 1000 1．8 2300 高
砖 800 0.73 1700 高
混凝土 1000 1.13 2000 高
未燃烧的粘土砖 1000 0.21 700 高
密实混凝土块 1000 1.63 2300 高
石膏胶凝材料 1000 0．5 1300 高
aircrete块 1000 0.15 600 媒介
钢 480 45 7800 低
木材 1200 0.14 650 低
矿物纤维绝缘 1000 0.035 25 低
地毯 - 0.05 - 低

SAP和热质量


SAP 2009使用热质量来计算建筑物的供暖和制冷负荷。

SAP使用kappa (k)值来确定热质量。“k”是单位面积热容的度量，单位为kJ/m2建筑构件的“热活性”部分的K:

k = 106Σ我p我c我d我


p我=施工中i层的密度(kg/m)3.）
c我= i层比热容(J/kg K)
d我= i层的厚度(mm)

对建筑构件的所有层进行计算，从内表面开始，在首先出现以下任何一种情况时停止(包括在一层的中途出现):

•施工到一半
•绝缘层
•最大厚度为100mm

它用于计算热质量参数(TMP):

TMP = Cm / TFA


Cm =建筑要素(面积×热容)之和
总建筑面积

“k”值是确定热质量的一种相对粗糙的方法。它假设了材料的热活性体积的范围，而忽略了热导率的影响，在计算热被吸收和从材料散发的周期。

ISO 13786提供了一种更有效的测定热质量的方法。

热质量是如何工作的


通过交替储存和释放热量，高热量质量“缓解”了白天的极端温度。在昼夜温差很大的温暖/炎热气候中，热量在白天被吸收，然后在晚上被释放，多余的热量可以通过自然通风“排出”，也可以在外部温度下降时用于加热空间。整个过程可以在第二天重复。

夏天降温




冬季供暖




加热和冷却的模式不一定是昼夜温度变化的模式。例如，在办公室或学校等存在人类活动模式的地方，热质量可以被设计成吸收由办公设备、灯光和人类自身产生的热量，然后在空间停止占用时释放出来。

定位热质量


•热质量应暴露(“耦合”)到加热的内部空间。

•热质量需要与外部空气温度的影响隔离。这是通过在绝缘建筑围护结构内定位质量来实现的。

•任何重量级材料都将作为热质量。它可以形成内部织物的任何部分，是地板，墙壁或天花板。

•虽然通常是可取的，但热质量不需要暴露在阳光直射下吸收热量。热可以通过对流和辐射在其他表面之间传递。

有效厚度


考虑到热质量在每日循环的基础上，最有效的材料深度是前50毫米。在50到100毫米之间，效率进一步降低，超过100毫米，质量效应基本上是无关紧要的。


厚度和热质量的重要性是开发机会的关键，包括重要的热质量轻量化建筑。最近开发的许多系统表明，尽管外墙可以采用超级绝缘的木框架类型，但包括地板、天花板和隔墙在内的内部饰面可以提供足够高的热质量，而无需诉诸砖石建筑(如乡村建筑)。


裸露的陶土吊顶块为木框架建筑提供了热质量

英国的热质量和住房


在所有的热质量设计实例中，使用计算机模拟显然是必不可少的。

除了Arups的报告，还进行了一些基于模拟的研究，以观察绝缘、通风、占用和纬度的相互作用。

•在反映气候变暖的未来情景中，英格兰南部的住宅通过使用热质量结合遮阳来减轻夏季峰值温度的影响，获得了显著的好处。在高纬度地区，这种好处就相对较少。1

•在英国南部较低的热质量建筑，即使在夏季最高温度的时候关闭，也可能是边际的。1

•在高纬度地区，几乎不需要热质量来调节夏季的低温。在包括热质量的情况下，应考虑在空气温度上升之前加热质量所需的补充热量。的爵等研究表明，在高纬度地区，使用热质量可能适得其反。

被动式建筑和热质量


被动屋的独特概念是通过机械方式通风的超级绝缘盒子。绝缘和气密性的结合是如此高效，以至于建筑只需要来自人类和家庭操作的热量，就能将整体内部温度保持在舒适的水平，而不需要额外的输入——无论是太阳能增益，还是人为和机器产生的额外热量——变化很少。

因为热质量本身就是一种抑制温度振幅的工具，它在过多的热量积累并需要吸收和稍后处理的情况下工作得最好。例如，在白天，太阳能产生的多余热量被建筑结构吸收，或者在学校环境中，学生产生的多余热量被吸收并排放到更凉爽的夜间空间。

如果建筑通常会经历这种温差，那么使用热质量就很有意义了——但是如果被动屋典型的正常振幅变化很少，那么对热质量的特殊考虑和使用就开始变得更加边缘和复杂。

在房屋中，随着气候变暖，更明显的热负荷将越来越多地来自夏季的太阳能收益。在被动式住宅中，增益将对住宅的设计提出重大挑战。可以说，处理热量的一种方法是利用热质量吸收多余的热量——但为了避免过热，通常需要在夜间冲走热量。很可能需要大量打开窗户——只有当夜间温度足够低于白天的峰值时，才会成功。

当然，另一种选择是通过控制太阳射入建筑物的多少来防止太阳能获得。无论哪种方式，热质量的设计和使用都将谨慎地融入到其他控制和特定建筑的使用模式中。热质量将取决于环境。

发展技术和技术




相变材料通过相变提供热容。目前正在特别努力研究基于石蜡从固相变为液相变化的材料。产品包括含石蜡的铝板(见杜邦公司)Energain(和石蜡胶囊混合石膏)。



•使用实木面板建筑-提供有益的热质量程度，同时限制在砌体建筑中发现的包含能量的数量。

•继续研究木结构建筑中热质量材料的优化设计。

参考文献


1可持续住房的热质量、隔热和通风——跨气候和住户的调查——Tuohy et al 2004

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