節(jié)能觀念在“傳熱學(xué)”課程教學(xué)中的滲透分析

劉義

摘要：“傳熱學(xué)”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(xué)。通過引入節(jié)能實(shí)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(xué)”的課堂教學(xué)內(nèi)容之中，使學(xué)生認(rèn)識到本門課程的重要性，同時增強(qiáng)學(xué)生對我國能源問題的憂患意識和責(zé)任意識。

關(guān)鍵詞：節(jié)能；新能源；傳熱學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)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(yīng)對世界性能源危機(jī)的重要手段，節(jié)能觀念的深入人心，將對整個社會能否實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展產(chǎn)生舉足輕重的作用。而大學(xué)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(dǎo)作用，因此，通過言傳身教為大學(xué)生滲透灌輸節(jié)能觀念，應(yīng)是每一位大學(xué)教師責(zé)無旁貸的使命。

“傳熱學(xué)”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(jī)械、化工、交通、電子等各個大學(xué)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(xué)活動中培養(yǎng)學(xué)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(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)和學(xué)習(xí)熱情，另外對本門課程教學(xué)內(nèi)容的拓展深化也將大有裨益。

一、傳熱學(xué)中的節(jié)能實(shí)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(dǎo)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(dǎo)熱和對流兩個方面，可與保溫材料的問題進(jìn)行類比，得出符合工程實(shí)際的結(jié)論，并進(jìn)一步加以分析總結(jié)，使學(xué)生了解使用空心材料進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)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(xué)上求取駐點(diǎn)的方法對此問題進(jìn)行全面分析。對于這種與“常識”相悖的問題，在教學(xué)中更是要尤為重視，重點(diǎn)講解，否則極易使學(xué)生得出與節(jié)能目標(biāo)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(dǎo)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(dāng)學(xué)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(dǎo)熱部分知識的學(xué)習(xí)，則可使學(xué)生了解圍護(hù)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(jì)具有一定的指導(dǎo)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(xué)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(jìn)行深入探尋的基礎(chǔ)上，學(xué)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(jìn)行比較，才能夠得出正確的結(jié)論，從而滿足節(jié)能的目標(biāo)。

雙層中空玻璃的傳熱計(jì)算不僅是傳熱學(xué)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(dǎo)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(jì)計(jì)算工作具有相當(dāng)?shù)碾y度。

二、傳熱學(xué)中的新能源利用

隨著太陽能、地?zé)崮?、核能、風(fēng)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(dá)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(dá)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(jì)出各種不同的太陽能利用裝置。例如設(shè)計(jì)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?zé)崮苓M(jìn)行供熱和制冷的節(jié)能技術(shù)，其中地下埋管的設(shè)計(jì)和傳熱計(jì)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(jì)算不但涉及到土壤傳熱，而且還包括孔隙中空氣導(dǎo)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(fù)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(xué)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(yùn)行的關(guān)鍵問題，為了防止系統(tǒng)運(yùn)行效率逐年降低，就必須要運(yùn)用周期性非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)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(yīng)堆的安全傳熱是核能利用中一個至關(guān)重要的問題。反應(yīng)堆瞬態(tài)運(yùn)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(jī)理，這些都涉及到傳熱學(xué)的相關(guān)知識。對于反應(yīng)堆冷卻水加熱的“沸騰危機(jī)”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(dǎo)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(jìn)行嚴(yán)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(yīng)實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)，從而在建筑物中利用風(fēng)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(dāng)今建筑行業(yè)的發(fā)展方向，將風(fēng)能與太陽能、地?zé)崮芙Y(jié)合起來進(jìn)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(jì)建造必然涉及到傳熱學(xué)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(jìn)行研究分析。

三、一些節(jié)能新技術(shù)在傳熱學(xué)中的應(yīng)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(dāng)保溫材料的孔隙率較高的時候，導(dǎo)熱系數(shù)很低的空氣會對材料的導(dǎo)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(qiáng)材料的對流傳熱。納米孔氣凝膠材料通過嚴(yán)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(dǎo)熱和對流這兩種傳熱過程，使其表觀導(dǎo)熱系數(shù)完全可以達(dá)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(yīng)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(xué)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(yīng)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(shí)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(qiáng)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(xué)生的必備素質(zhì)。[3]“傳熱學(xué)”是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的工學(xué)學(xué)科，課程中的節(jié)能知識比比皆是。在本門課程的教學(xué)活動中，通過教師的言傳身教，將節(jié)能觀念滲透每一位學(xué)生的思想意識之中，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更可使其養(yǎng)成良好的節(jié)能行為習(xí)慣和科學(xué)的能源消費(fèi)方式，并對社會各階層人員的節(jié)能觀念予以示范和引導(dǎo)，從而樹立起學(xué)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(xiàn)：

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[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(xué)[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(xué)”課程教學(xué)方法研究與探討[J].中國電力教育，2013，（2）：100-101.

（責(zé)任編輯：王意琴）