节能观念在“传热学”课程教学中的渗透分析

摘要：“传热学”是研究热量传递过程的一门课程，是与节能观念密切相关的一门基础科学。通过引入节能实例、新能源利用和节能新技术的相关知识，将节能观念渗透入“传热学”的课堂教学内容之中，使学生认识到本门课程的重要性，同时增强学生对我国能源问题的忧患意识和责任意识。

关键词：节能；新能源；传热学

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）11-0100-02

随着地球上的化石能源日渐消耗殆尽，“节能”已成为应对世界性能源危机的重要手段，节能观念的深入人心，将对整个社会能否实现可持续性发展产生举足轻重的作用。而大学生的节能意识对整个社会的节能意识则产生着十分重要的示范和引导作用，因此，通过言传身教为大学生渗透灌输节能观念，应是每一位大学教师责无旁贷的使命。

“传热学”作为一门重要的专业基础课，广泛开设于热动、建环、机械、化工、交通、电子等各个大学工科专业。[1]这门课程主要是研究热能传递过程的规律，与节能观念息息相关。在本门课程的教学活动中培养学生的节能意识不仅可以宣传国家的节能政策，而且可以激发学生的学习动机和学习热情，另外对本门课程教学内容的拓展深化也将大有裨益。

一、传热学中的节能实例

泡沫塑料、加气混凝土、离心玻璃棉等材料具有良好的隔热保温性能，其根源在于其内部丰富的孔隙结构。然而孔隙越多并不一定意味着保温性能越好，湿度也对其保温性能具有显著影响，这里不仅涉及到导热的知识，也涉及到对流方面的相关知识。因此，选择合适的保温材料和合理的施工方法，对其节能效果具有重大意义。[2]

空心墙和空心砖到底有没有节能效果，这个问题同样涉及到导热和对流两个方面，可与保温材料的问题进行类比，得出符合工程实际的结论，并进一步加以分析总结，使学生了解使用空心材料进行节能设计时需要注意的一些问题以及可以采取的各种方法。

对于圆形管道保温，保温层是否一定越厚越好，这涉及到“临界热绝缘直径”的相关知识，需要通过数学上求取驻点的方法对此问题进行全面分析。对于这种与“常识”相悖的问题，在教学中更是要尤为重视，重点讲解，否则极易使学生得出与节能目标相违背的结论。

对于烹饪器具的节能问题，则涉及到非稳态导热。对于同样的一种食材，水煮时属于三类边界问题，烘烤时属于二类边界问题，而微波炉加热则属于有内热源的问题。当学生明白了为何不同的灶具可以烹饪出不同质感的食物，也必然会对其中的节能效果有所领悟。

周期性导热部分知识的学习，则可使学生了解围护结构朝向与建筑能耗的密切关系，对节能型建筑设计具有一定的指导意义。此部分知识同时还涉及到“等温层”这个概念，对这个概念的掌握可以使学生深入了解地下深埋建筑和深埋管道在节能方面的优越性。

物体的颜色反映出该物体对可见光光谱的吸收特性，对于太阳等可见光占据较大比例的光源，在同等的条件下，深色物体可以比浅色物体吸收更多的能量。例如浅色屋顶可以在夏季更多地反射阳光，从而降低建筑内部能耗，起到节能的作用；而特朗勃墙表面采用深色涂料，可以在冬季吸收和储存更多的太阳能，用来在夜间更好地向室内供热，同样可以起到节能的作用。

功率相同的白炽灯和节能灯，其照明亮度却大相径庭，这其中涉及到某一波段光谱的能量发射情况在总光谱中所占的比例。在对普朗克定律进行深入探寻的基础上，学生将对推广节能型灯具的重要意义了然于心。

对于热流体管道外表刷白漆或包铝皮两种情况，并非触感较热的情况保温性能不好，这同样也是一个与“常识”相悖的问题。对于这个问题，需要引入辐射发射率的知识，利用综合传热的热阻分析方法，对两种情况的总热阻进行比较，才能够得出正确的结论，从而满足节能的目标。

双层中空玻璃的传热计算不仅是传热学中的一个综合性问题，也是关于节能的一个典型问题，空气夹层厚度、真空度、玻璃表面发射率、窗框密封性，诸多因素都将对玻璃窗最终的节能性能产生不同程度的影响，这其中涉及到导热、对流、辐射各方面的知识，并且互相关联耦合，使其设计计算工作具有相当的难度。

二、传热学中的新能源利用

随着太阳能、地热能、核能、风能等对常规能源的逐渐替代，新能源的开发利用已成为节能工程中最为重要的一个环节，这其中也涉及到许多传热问题。

材料在电磁波谱中所体现的辐射特性是太阳能利用中的核心问题。由于太阳表面的平均温度高达5761K，它向地球辐射的能量有99%集中在波长3μm以下的短波区，其中可见光和紫外线部分的能量所占的比例达到53%。根据不同材料对于不同波段能量的吸收、反射和透射特性不同，可以设计出各种不同的太阳能利用装置。例如设计太阳能集热器或温室用的玻璃时，如果能够采用短波透射率高、长波反射率高的低铁平板玻璃，可以大大提高能量收集效率，起到充分节能的作用；反之，在需要保温的建筑外窗上使用能够有效反射长波辐射的Low-E玻璃，也同样可以起到节能的作用。

地源热泵系统是一种利用地面浅层地热能进行供热和制冷的节能技术，其中地下埋管的设计和传热计算对系统的节能效果起着至关重要的作用。这种传热计算不但涉及到土壤传热，而且还包括孔隙中空气导热、地下水体的自然对流和迁移传热，土壤的热物性、含水量、温度、埋管材料、管内流体物性和流速这些参数都将对传热过程产生影响。对于如此复杂的传热模型，必须在合理简化的基础上，采用数值传热学的求解方法加以研究。另外，地源热泵的土壤热平衡问题，也是系统得以正常运行的关键问题，为了防止系统运行效率逐年降低，就必须要运用周期性非稳态导热的原理加以分析研究，确保冬季取热量和夏季放热量收支平衡。

核反应堆的安全传热是核能利用中一个至关重要的问题。反应堆瞬态运行和事故过程的堆芯传热，燃料及其冷却剂的传热特性，再淹没传热、再湿传热等各种特殊情况下的传热机理，这些都涉及到传热学的相关知识。对于反应堆冷却水加热的“沸腾危机”问题，更是核能利用中的一个基本问题。如果热流密度超过峰值，会导致沸腾工况突变，温度骤然升高1000℃，从而使设备瞬间烧毁。为了避免这种事故的出现，必须在了解沸腾换热曲线的基础上，对热流密度进行严密的监视和控制，确保其处在安全的工作范围之内。

利用热对流引起的空气流动效应实现自然通风，从而在建筑物中利用风能，也是建筑节能的一种常用手段。近年来，“微能耗”、“零能耗”建筑成为当今建筑行业的发展方向，将风能与太阳能、地热能结合起来进行利用，是新一代节能建筑的重要特征。这类建筑的设计建造必然涉及到传热学方面的知识，例如特朗勃墙、阳光间式太阳房等建筑形式中的温度场和气流组织，必须采用对流传热的数值方法进行研究分析。

三、一些节能新技术在传热学中的应用

纳米孔气凝胶材料是近几年来新出现的一种超级保温材料。通常情况下，当保温材料的孔隙率较高的时候，导热系数很低的空气会对材料的导热起到抑制的作用，但却往往会使小孔彼此贯通形成大孔，空气在孔隙间流动，从而增强材料的对流传热。纳米孔气凝胶材料通过严格的生产工艺，将几乎所有的孔隙尺寸控制在70nm以下，小于空气分子的平均自由程，材料的密度仅为空气的3～4倍。这种材料内部能在具有丰富孔隙结构的同时又不彼此贯通，同时遏制了导热和对流这两种传热过程，使其表观导热系数完全可以达到与空气相同的量级。这种技术作为一种高效绝热技术，已经被美国顶级期刊《Science》列为世界十大热门技术之一，如将这种材料广泛应用于建筑领域，必然会带来巨大的节能收益。

纳米玻璃隔热膜技术是一种新型的隔热保温技术。该技术通过本体染色、金属化镀层、磁控溅射、夹层合成等多种工艺处理方法，在玻璃表面添加一层选择性涂层。该技术可用于建筑幕墙、橱窗、柜台、车船玻璃等不同场合，可以在保证可见光穿透率的前提下，大幅度阻隔红外线和紫外线的辐射。与普通玻璃相比，这种技术可减少60%～85%透过玻璃的太阳辐射能量，即使与双层真空玻璃相比，也具有成本和节能效果方面的优势，因而是一种在传热学领域极有前途的发展研究方向。

相变储能技术是一种可广泛应用于太阳能利用、电力调峰、工业余热利用、跨季节储能、绿色电池等各个领域的新型储能技术。该技术是利用熔融盐、石蜡、脂酸等相变材料的潜热，将热量储存起来，并在需要时释放，由此实现一个循环的过程。如要掌握这种技术，就必须全面了解相变储热材料的传热特性，利用相变传热的知识对其传热过程加以分析研究。

四、结束语

掌握能源知识、强化节能意识是保障人类社会可持续性发展的必然途径，也是每个工科大学生的必备素质。[3]“传热学”是一门应用性很强的工学学科，课程中的节能知识比比皆是。在本门课程的教学活动中，通过教师的言传身教，将节能观念渗透每一位学生的思想意识之中，不仅可以激发学生的学习兴趣，更可使其养成良好的节能行为习惯和科学的能源消费方式，并对社会各阶层人员的节能观念予以示范和引导，从而树立起学生的时代使命感，对未来社会的发展必将大有裨益。

参考文献：

[1]杨世铭，陶文铨.传热学[M].第四版.北京：高等教育出版社，2011.

[2]章熙民，任泽霈，梅飞鸣.传热学[M].第五版.北京：建筑工业出版社，2007.

[3]宋小勇，权玲.“传热学”课程教学方法研究与探讨[J].中国电力教育，2013，（2）：100-101.