劉義

摘要：“傳熱學”是研究熱量傳遞過程的一門課程，是與節(jié)能觀念密切相關(guān)的一門基礎(chǔ)科學。通過引入節(jié)能實例、新能源利用和節(jié)能新技術(shù)的相關(guān)知識，將節(jié)能觀念滲透入“傳熱學”的課堂教學內(nèi)容之中，使學生認識到本門課程的重要性，同時增強學生對我國能源問題的憂患意識和責任意識。

關(guān)鍵詞：節(jié)能；新能源；傳熱學

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）11-0100-02

隨著地球上的化石能源日漸消耗殆盡，“節(jié)能”已成為應對世界性能源危機的重要手段，節(jié)能觀念的深入人心，將對整個社會能否實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展產(chǎn)生舉足輕重的作用。而大學生的節(jié)能意識對整個社會的節(jié)能意識則產(chǎn)生著十分重要的示范和引導作用，因此，通過言傳身教為大學生滲透灌輸節(jié)能觀念，應是每一位大學教師責無旁貸的使命。

“傳熱學”作為一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，廣泛開設(shè)于熱動、建環(huán)、機械、化工、交通、電子等各個大學工科專業(yè)。[1]這門課程主要是研究熱能傳遞過程的規(guī)律，與節(jié)能觀念息息相關(guān)。在本門課程的教學活動中培養(yǎng)學生的節(jié)能意識不僅可以宣傳國家的節(jié)能政策，而且可以激發(fā)學生的學習動機和學習熱情，另外對本門課程教學內(nèi)容的拓展深化也將大有裨益。

一、傳熱學中的節(jié)能實例

泡沫塑料、加氣混凝土、離心玻璃棉等材料具有良好的隔熱保溫性能，其根源在于其內(nèi)部豐富的孔隙結(jié)構(gòu)。然而孔隙越多并不一定意味著保溫性能越好，濕度也對其保溫性能具有顯著影響，這里不僅涉及到導熱的知識，也涉及到對流方面的相關(guān)知識。因此，選擇合適的保溫材料和合理的施工方法，對其節(jié)能效果具有重大意義。[2]

空心墻和空心磚到底有沒有節(jié)能效果，這個問題同樣涉及到導熱和對流兩個方面，可與保溫材料的問題進行類比，得出符合工程實際的結(jié)論，并進一步加以分析總結(jié)，使學生了解使用空心材料進行節(jié)能設(shè)計時需要注意的一些問題以及可以采取的各種方法。

對于圓形管道保溫，保溫層是否一定越厚越好，這涉及到“臨界熱絕緣直徑”的相關(guān)知識，需要通過數(shù)學上求取駐點的方法對此問題進行全面分析。對于這種與“常識”相悖的問題，在教學中更是要尤為重視，重點講解，否則極易使學生得出與節(jié)能目標相違背的結(jié)論。

對于烹飪器具的節(jié)能問題，則涉及到非穩(wěn)態(tài)導熱。對于同樣的一種食材，水煮時屬于三類邊界問題，烘烤時屬于二類邊界問題，而微波爐加熱則屬于有內(nèi)熱源的問題。當學生明白了為何不同的灶具可以烹飪出不同質(zhì)感的食物，也必然會對其中的節(jié)能效果有所領(lǐng)悟。

周期性導熱部分知識的學習，則可使學生了解圍護結(jié)構(gòu)朝向與建筑能耗的密切關(guān)系，對節(jié)能型建筑設(shè)計具有一定的指導意義。此部分知識同時還涉及到“等溫層”這個概念，對這個概念的掌握可以使學生深入了解地下深埋建筑和深埋管道在節(jié)能方面的優(yōu)越性。

物體的顏色反映出該物體對可見光光譜的吸收特性，對于太陽等可見光占據(jù)較大比例的光源，在同等的條件下，深色物體可以比淺色物體吸收更多的能量。例如淺色屋頂可以在夏季更多地反射陽光，從而降低建筑內(nèi)部能耗，起到節(jié)能的作用；而特朗勃墻表面采用深色涂料，可以在冬季吸收和儲存更多的太陽能，用來在夜間更好地向室內(nèi)供熱，同樣可以起到節(jié)能的作用。

功率相同的白熾燈和節(jié)能燈，其照明亮度卻大相徑庭，這其中涉及到某一波段光譜的能量發(fā)射情況在總光譜中所占的比例。在對普朗克定律進行深入探尋的基礎(chǔ)上，學生將對推廣節(jié)能型燈具的重要意義了然于心。

對于熱流體管道外表刷白漆或包鋁皮兩種情況，并非觸感較熱的情況保溫性能不好，這同樣也是一個與“常識”相悖的問題。對于這個問題，需要引入輻射發(fā)射率的知識，利用綜合傳熱的熱阻分析方法，對兩種情況的總熱阻進行比較，才能夠得出正確的結(jié)論，從而滿足節(jié)能的目標。

雙層中空玻璃的傳熱計算不僅是傳熱學中的一個綜合性問題，也是關(guān)于節(jié)能的一個典型問題，空氣夾層厚度、真空度、玻璃表面發(fā)射率、窗框密封性，諸多因素都將對玻璃窗最終的節(jié)能性能產(chǎn)生不同程度的影響，這其中涉及到導熱、對流、輻射各方面的知識，并且互相關(guān)聯(lián)耦合，使其設(shè)計計算工作具有相當?shù)碾y度。

二、傳熱學中的新能源利用

隨著太陽能、地熱能、核能、風能等對常規(guī)能源的逐漸替代，新能源的開發(fā)利用已成為節(jié)能工程中最為重要的一個環(huán)節(jié)，這其中也涉及到許多傳熱問題。

材料在電磁波譜中所體現(xiàn)的輻射特性是太陽能利用中的核心問題。由于太陽表面的平均溫度高達5761K，它向地球輻射的能量有99%集中在波長3μm以下的短波區(qū)，其中可見光和紫外線部分的能量所占的比例達到53%。根據(jù)不同材料對于不同波段能量的吸收、反射和透射特性不同，可以設(shè)計出各種不同的太陽能利用裝置。例如設(shè)計太陽能集熱器或溫室用的玻璃時，如果能夠采用短波透射率高、長波反射率高的低鐵平板玻璃，可以大大提高能量收集效率，起到充分節(jié)能的作用；反之，在需要保溫的建筑外窗上使用能夠有效反射長波輻射的Low-E玻璃，也同樣可以起到節(jié)能的作用。

地源熱泵系統(tǒng)是一種利用地面淺層地熱能進行供熱和制冷的節(jié)能技術(shù)，其中地下埋管的設(shè)計和傳熱計算對系統(tǒng)的節(jié)能效果起著至關(guān)重要的作用。這種傳熱計算不但涉及到土壤傳熱，而且還包括孔隙中空氣導熱、地下水體的自然對流和遷移傳熱，土壤的熱物性、含水量、溫度、埋管材料、管內(nèi)流體物性和流速這些參數(shù)都將對傳熱過程產(chǎn)生影響。對于如此復雜的傳熱模型，必須在合理簡化的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值傳熱學的求解方法加以研究。另外，地源熱泵的土壤熱平衡問題，也是系統(tǒng)得以正常運行的關(guān)鍵問題，為了防止系統(tǒng)運行效率逐年降低，就必須要運用周期性非穩(wěn)態(tài)導熱的原理加以分析研究，確保冬季取熱量和夏季放熱量收支平衡。

核反應堆的安全傳熱是核能利用中一個至關(guān)重要的問題。反應堆瞬態(tài)運行和事故過程的堆芯傳熱，燃料及其冷卻劑的傳熱特性，再淹沒傳熱、再濕傳熱等各種特殊情況下的傳熱機理，這些都涉及到傳熱學的相關(guān)知識。對于反應堆冷卻水加熱的“沸騰危機”問題，更是核能利用中的一個基本問題。如果熱流密度超過峰值，會導致沸騰工況突變，溫度驟然升高1000℃，從而使設(shè)備瞬間燒毀。為了避免這種事故的出現(xiàn)，必須在了解沸騰換熱曲線的基礎(chǔ)上，對熱流密度進行嚴密的監(jiān)視和控制，確保其處在安全的工作范圍之內(nèi)。

利用熱對流引起的空氣流動效應實現(xiàn)自然通風，從而在建筑物中利用風能，也是建筑節(jié)能的一種常用手段。近年來，“微能耗”、“零能耗”建筑成為當今建筑行業(yè)的發(fā)展方向，將風能與太陽能、地熱能結(jié)合起來進行利用，是新一代節(jié)能建筑的重要特征。這類建筑的設(shè)計建造必然涉及到傳熱學方面的知識，例如特朗勃墻、陽光間式太陽房等建筑形式中的溫度場和氣流組織，必須采用對流傳熱的數(shù)值方法進行研究分析。

三、一些節(jié)能新技術(shù)在傳熱學中的應用

納米孔氣凝膠材料是近幾年來新出現(xiàn)的一種超級保溫材料。通常情況下，當保溫材料的孔隙率較高的時候，導熱系數(shù)很低的空氣會對材料的導熱起到抑制的作用，但卻往往會使小孔彼此貫通形成大孔，空氣在孔隙間流動，從而增強材料的對流傳熱。納米孔氣凝膠材料通過嚴格的生產(chǎn)工藝，將幾乎所有的孔隙尺寸控制在70nm以下，小于空氣分子的平均自由程，材料的密度僅為空氣的3～4倍。這種材料內(nèi)部能在具有豐富孔隙結(jié)構(gòu)的同時又不彼此貫通，同時遏制了導熱和對流這兩種傳熱過程，使其表觀導熱系數(shù)完全可以達到與空氣相同的量級。這種技術(shù)作為一種高效絕熱技術(shù)，已經(jīng)被美國頂級期刊《Science》列為世界十大熱門技術(shù)之一，如將這種材料廣泛應用于建筑領(lǐng)域，必然會帶來巨大的節(jié)能收益。

納米玻璃隔熱膜技術(shù)是一種新型的隔熱保溫技術(shù)。該技術(shù)通過本體染色、金屬化鍍層、磁控濺射、夾層合成等多種工藝處理方法，在玻璃表面添加一層選擇性涂層。該技術(shù)可用于建筑幕墻、櫥窗、柜臺、車船玻璃等不同場合，可以在保證可見光穿透率的前提下，大幅度阻隔紅外線和紫外線的輻射。與普通玻璃相比，這種技術(shù)可減少60%～85%透過玻璃的太陽輻射能量，即使與雙層真空玻璃相比，也具有成本和節(jié)能效果方面的優(yōu)勢，因而是一種在傳熱學領(lǐng)域極有前途的發(fā)展研究方向。

相變儲能技術(shù)是一種可廣泛應用于太陽能利用、電力調(diào)峰、工業(yè)余熱利用、跨季節(jié)儲能、綠色電池等各個領(lǐng)域的新型儲能技術(shù)。該技術(shù)是利用熔融鹽、石蠟、脂酸等相變材料的潛熱，將熱量儲存起來，并在需要時釋放，由此實現(xiàn)一個循環(huán)的過程。如要掌握這種技術(shù)，就必須全面了解相變儲熱材料的傳熱特性，利用相變傳熱的知識對其傳熱過程加以分析研究。

四、結(jié)束語

掌握能源知識、強化節(jié)能意識是保障人類社會可持續(xù)性發(fā)展的必然途徑，也是每個工科大學生的必備素質(zhì)。[3]“傳熱學”是一門應用性很強的工學學科，課程中的節(jié)能知識比比皆是。在本門課程的教學活動中，通過教師的言傳身教，將節(jié)能觀念滲透每一位學生的思想意識之中，不僅可以激發(fā)學生的學習興趣，更可使其養(yǎng)成良好的節(jié)能行為習慣和科學的能源消費方式，并對社會各階層人員的節(jié)能觀念予以示范和引導，從而樹立起學生的時代使命感，對未來社會的發(fā)展必將大有裨益。

參考文獻：

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].第四版.北京：高等教育出版社，2011.

[2]章熙民，任澤霈，梅飛鳴.傳熱學[M].第五版.北京：建筑工業(yè)出版社，2007.

[3]宋小勇，權(quán)玲.“傳熱學”課程教學方法研究與探討[J].中國電力教育，2013，（2）：100-101.

（責任編輯：王意琴）