第14章 提高能量利用效率

第十四章提高能量利用效率Using energy efficiently14.1 太阳能Solar power学习目标：Learning Objectives:能量如何传递？哪些因素会影响以传导形式进行的能量传递？什么是牛顿冷却定律？参考大纲：3.2.2D Specification reference: 3.2.2D物体温度越高，内能越大。

内能是物体中原子和分子的动能和势能的总和。

我们工作和生活中消耗的电能可用于产生运动，也会增加内能，从而为我们提供光和热。

尽可能高效地完成这些事情是降低能源需求的重要部分。

这意味着，确保尽可能多的能量用于我们打算用来做的事情，而尽可能少的能量被浪费。

然而，谨记我们使用的所有能量均以使地球和大气升温而结束。

传递过程Transfer processes热能传递方式包括传导、辐射和对流。

传导Conduction图1 传导Figure 1 Conduction传导，指能量通过固体发生损耗的方式。

这是选择建筑材料（如玻璃、砖等）需要考虑的重要因素。

传导可能以下列两种方式进行：物体热部位振动的原子将自身的能量传递到物体冷部位的相邻原子。

自由电子将能量从一个原子输送到另一个原子，这个过程类似于通过电力传输电荷。

第二种方式比第一种方式更为有效，因此，固体（如铝、铜等）不仅导电性能良好，而且导热性能也良好。

金属窗框比木制窗框更耐用，但是从能量损耗而言，金属窗框并不是一个好的选择。

一些传导可以通过液体（如水）进行，但气体的传导性能很弱，因为气体原子之间离得很远。

即使如此，双层玻璃中两片玻璃之间的空隙通常填充氩气，而不是空气，因为氩气的传导率更低。

影响传导性能的因素Factors affecting conduction以传导方式进行能量传递的速率取决于以下几个因素：材料本身的属性，称作热导率k。

导热性能不好的导体的导热率较低，因此，能量传递速率较慢。

导体的厚度d。

导体厚度越厚，能量传递速率越慢。

导体两端的温差△θ。

温差越低，能量传递速率越慢。

能量传递通过的面积A。

面积越小，能量传递速率越慢。

这些因素可概括为等式。

式中，是每秒流过导体的能量。

铜的热导率约为聚苯乙烯的5000倍。

因此，厚度、面积和温差相同的情况下，铜的导热速率是聚苯乙烯的5000倍。

因为聚苯乙烯的热导率较低，因此可作为冰柜和冰箱衬里中的隔热材料。

玻璃的热导率是空气的40倍。

因此，双层玻璃中使用的空气层，大大降低了传导造成的能量损耗。

同样地，滞留在人体和动物身上汗毛之间的空气，形成了性能非常良好的隔热层。

辐射Radiation辐射，指通过电磁波传递能量的方式。

辐射是唯一一种不需要介质材料的方式，这在第11章中已进行了详细的论述。

所有大于绝对零度（0K）的物体都会产生辐射能量。

温度为300K时，产生的辐射处于红外线范围，可用于红外热像仪，从而生成如图2所示的图像。

图2 红外热成像图像Figure 2 Infrared thermography image图2所示为建筑外墙的相对温度。

红色和棕色部分为温度较高的区域，其中大部分能量来自房屋内部所发射出来的能量。

这种图像可以帮助隔热安装工向房主和商业楼宇业主建议如何才能获得最佳的节能效果。

在家中，使用电烤架、烤面包机和电磁炉时光源产生的辐射能均可用于烹饪。

对流Convection对流发生在流体（液体和气体）中，流体中的原子和分子可以自由运动。

如果一部分流体被加热，那么这部分流体的密度将比周围流体的密度要低。

从而在上层和下层之间形成压力差，使被加热的流体向上流动（参见11.4节中的阿基米德原理）。

然后，冷空气替代暖空气的位置，不断重复这个过程（如图3所示）。

图3 对流气流集中供暖辐射器的称谓是不恰当的。

能量以传导的形式从热水或电加热元件转移到金属“辐射器”。

尽管一些能量以辐射的形式传递，但是大部分能量是以对流形式传递到屋内的空气中。

强制对流Forced convection允许周围空气将暖空气向上推，称作自然对流。

如果风扇或风吹过空气表面，那么就会产生强制对流。

被强制的气流会移除表面的热边界层，从而暖空气表面的能量损耗速率会加快。

这类似于我们体验过的风寒因素。

对于同样的气温条件，微风中会觉得更冷。

这是因为，隔热空气层（滞留在身上汗毛之间的空气）会被微风吹散，所以身体能量损耗更快。

表1所示为不同风速下的实际温度和体感温度。

谨记，表中的体感温度仅对人体有效。

动物和鸟类的隔热性能更好，因此，风对它们的影响较小。

车用散热器中的水只有在实际气温等于或低于0℃时才会结冰。

表1强制对流也会影响房屋热能流失的速率。

由于热能从屋内通过外墙传导出来，因此房屋外墙的温度高于周围环境。

刮风时，墙体中的热能传递到周围环境的速率会加快。

这会使墙体外表面的温度降低，因此，墙壁内外两侧的温差变大，从而导致屋内能量流失的速率进一步加快。

一些加热器通过使用风扇吹动电加热元件表面的空气把能量传递到屋内。

该原理也适用于电储热加热器。

夜间，电储热加热器利用非高峰期的电能在瓷砖中存储大量的热能。

这些瓷砖是隔热的，因此，这些能量可以保留很长时间，在白天需要时再释放出来。

然后，通过使气流吹过热瓷砖，就可以对房间加热。

牛顿冷却定律Newton’s law of cooling牛顿发现，在强制对流情况下，热损耗率△Q/△t与物体同周围环境之间的温差成正比，即。

式中，θ是物体的温度，θ0是周围环境的温度。

因为热损耗率与温度下降速率成正比，所以。

与放射衰变的比较Comparison with radioactive decay放射过程中，计数率下降到一半所需的时间总是相同。

产生这种现象的原因是，原子衰变的速率同放射性原子的数目成正比。

强制对流条件下，温度下降的速率等于温差变化的速率。

因此，温差的变化速率同温差成正比。

那么，从逻辑上可以预测，热体和周边环境之间的温差降低一半所需的时间总是相同。

测试牛顿冷却定律的一种方法是，吹动装有热水的热量计表面的空气，然后绘出图形，如图4所示。

图4中，室温为10℃。

温度从90℃降低到50℃耗时35s，从50℃降低到30℃耗时也是35s，正如预料的一样，遵循牛顿定律。

图4 图表所示为强制对流冷却科学探索How science works类比Analogies这是数学类比或形式类比。

在任意瞬间，某个量的变化速率与该量的数值成正比时，这种变化称为指数级变化。

这种变化会产生一个恒定的半衰期，这在A2中进行了详细的研究。

问题小结Summary questions1. 解释为什么金属窗框很可能比木制窗框或硬质聚氯乙烯（UPVC）窗框的导热速率更高。

2. 自然对流和强制对流之间的区别是什么？3. 解释为什么同样温度下，一把由金属制成的剪刀摸起来的温度比木制书桌表面更低。

4. 恒温20℃的空气吹向电储热加热器的瓷砖。

当瓷砖温度为70℃时，能量以400W的速率流失。

a 遵守牛顿冷却定律。

计算3h后，瓷砖温度变为45℃时，能量转移到空气的损耗速率。

b 再过3h后，瓷砖的温度为多少？14.2 家庭的能量效率Energy efficiency in the home学习目标：Learning Objectives:如何降低对市电电源的能量需求？房屋的热能如何流失？如何减少家庭中消耗的能量？如何减少能量损耗？参考大纲：3.2.2D Specification reference: 3.2.2D如果每次烧水只是加热泡一杯茶所需的水，而不是加热“一满壶水”，那么，我们节省的电能足以满足英国街头的所有照明需求。

英国环境、食品和农村事务部（DEFRA）Department of Environment, Food and Rural Affairs (DEFRA)皇冠版权材料，获得英国公共部门信息办公室（OPSI）的复制许可Crown copyright material is produced with the permission of OPSI本地发电Generation of power locally通过采用本地发电方式，可以减少国家电网输电过程中产生的能量损耗。

发电机可以为一户或几户家庭进行供电，可能是风力发电机、太阳能光伏电池（参见第13章）甚至是小型水力发电装置。

尽管已经出现了许多这样的发电机，但是由于视觉影响，常常会在规划许可上引发争议。

当可再生能源无法提供足够（或者任何）的能量时，当地发电就需要获得国家电网电力的支持。

有些用户安装的发电机产生的电能大于他们自身的需求时，那么他们可以将过剩的电能卖给国家电力供应商。

减少能量需求Reducing energy requirements将电能转换为热能的效率近乎100%。

因此，为了实现节能，可以降低能量流失到外界的损耗速率，也可以使用恒温器和定时器来控制加热系统的运行。

对于其他形式的用电，也可以通过使用效率更高的电器（即，确保我们消耗的大部分电能用于完成我们想要做的任务）来实现节能。

传热系数U值U-values通过传热系数，可以比较采用不同建筑材料或不同建筑结构时产生的能量损耗。

当能量通过窗户或墙体转移时，转移速率主要取决于冷、热表面的表面状况和玻璃或砖的热导率。

如图1所示，房间内的暖气碰到窗户时冷却下来。

气体密度变大，因此，向下移动，从而在窗户表面形成对流气流。

类似的对流气流发生在窗户的外表面，外表面空气被传递的热能加热，因此，向上移动。

由于空气在窗户表面流动时会产生摩擦力，因此窗户表面的空气是相对静止的。

这就使得窗户两侧表面都形成一层薄薄的空气边界层。

由于空气的导热性能较弱，从而降低了能量转移速率。

图1 双层玻璃和边界层传热系数需考虑边界层效应、热导率和材料的厚度，还需考虑多层结构（如空腔墙或双层玻璃）的使用。

传热系数，是指导热材料热侧表面和冷侧表面的温差为1K时，每秒通过每平方米面积转移的热量。

建筑材料的传热系数越低，则热转移速率越低。

热转移速率（Js-1）。

因此，传热系数的单位为Wm K。

为了降低建筑的能耗，可以控制的两个因素是：采用传热系数低的材料，降低建筑内部的温度。

表1所示为一些墙体和窗户的典型传热系数。

表1在顶楼间隔中加入100mm的隔热材料，可使传热系数从0.6 Wm-2K-1降低到0.3 Wm-2K-1。

假设室温为20℃，外界温度为5℃。

外墙由无填充的空腔砖构建，墙体表面积为12m2，单层窗户的面积为2m2。

则每秒通过墙体转移的能量为。

这意味着，为使室温维持在20℃，需要一台的加热器来替代通过该墙体流失的热量。

类似的计算适用于其他墙体、天花板和地板。

请注意，热量通过窗户的流失速率同通过其余墙体的流失速率基本相当。

室温降低1K，则能量的流失速率降低为。

双层玻璃Double glazing由于空气的导热性能较弱，因此，使用充气腔把两块窗户玻璃隔开，可以减少通过窗户流失的能量。