传热换算器
热传递 & 隔热：R值、U值和热性能详解
了解热传递对于节能建筑设计、HVAC 工程以及降低公用事业成本至关重要。从住宅隔热的 R 值到窗户评级的 U 值，热性能指标决定了舒适度和能源消耗。这份全面的指南涵盖了热传递系数、热导率、建筑规范以及为房主、建筑师和工程师提供的实用隔热策略。
基本概念：热流的物理学
热传递系数 (U值)
热流通过材料或组件的速率
U 值衡量每单位面积、每度温差下有多少热量通过建筑组件。测量单位为 W/(m²·K) 或 BTU/(h·ft²·°F)。U 值越低 = 隔热效果越好。窗户、墙壁和屋顶都有 U 值评级。
示例：U=0.30 W/(m²·K) 的窗户，在温差为 1°C 时，每平方米损失 30 瓦特。U=0.20 的隔热效果好 33%。
热阻 (R值)
材料抵抗热流的能力
R 值是 U 值的倒数（R = 1/U）。R 值越高 = 隔热效果越好。测量单位为 m²·K/W (SI) 或 ft²·°F·h/BTU (US)。建筑规范根据气候区规定了墙壁、天花板和地板的最低 R 值。
示例：R-19 玻璃纤维毡提供 19 ft²·°F·h/BTU 的阻力。阁楼中的 R-38 效果是 R-19 的两倍。
热导率 (k值)
材料特性：传导热量的能力
热导率（λ 或 k）是材料的内在属性，测量单位为 W/(m·K)。k 值低 = 好的隔热体（泡沫、玻璃纤维）。k 值高 = 好的导体（铜、铝）。用于计算 R 值：R = 厚度 / k。
示例：玻璃纤维 k=0.04 W/(m·K)，钢 k=50 W/(m·K)。钢的导热速度是玻璃纤维的 1250 倍！
- U 值 = 热损失率（越低越好）。R 值 = 热阻（越高越好）
- R 值和 U 值是倒数关系：R = 1/U，所以 R-20 = U-0.05
- 总 R 值可相加：R-13 墙壁 + R-3 护板 = R-16 总值
- 空气间隙会显著降低 R 值——气密处理与隔热同等重要
- 热桥（立柱、横梁）会绕过隔热层——连续隔热有助于解决此问题
- 气候区决定规范要求：第 7 区需要 R-60 天花板，第 3 区需要 R-38
R值 vs U值：关键差异
这是建筑热性能中最重要的两个指标。了解它们之间的关系对于规范合规、能源建模和成本效益分析至关重要。
R值 (阻力)
数字越大 = 隔热效果越好
R 值很直观：R-30 优于 R-15。在北美用于隔热产品。数值可串联相加：层层叠加。常见于住宅建筑、建筑规范和产品标签。
- 单位：ft²·°F·h/BTU (US) 或 m²·K/W (SI)
- 范围：R-3（单层玻璃窗）到 R-60（阁楼隔热）
- 墙壁示例：R-13 空腔 + R-5 泡沫 = R-18 总值
- 经验法则：每英寸的 R 值因材料而异（玻璃纤维为 R-3.5/英寸）
- 典型目标：墙壁 R-13 至 R-21，天花板 R-38 至 R-60
- 营销：产品以 R 值进行广告（'R-19 隔热毡'）
U值 (传透率)
数字越小 = 隔热效果越好
U 值不那么直观：U-0.20 优于 U-0.40。全球通用，尤其适用于窗户和整栋建筑的计算。不能简单相加——需要倒数运算。常见于商业建筑和能源规范。
- 单位：W/(m²·K) 或 BTU/(h·ft²·°F)
- 范围：U-0.10（三层玻璃窗）到 U-5.0（单层玻璃窗）
- 窗户示例：U-0.30 为高性能，U-0.20 为被动房标准
- 计算：热损失 = U × 面积 × ΔT
- 典型目标：窗户 U-0.30，墙壁 U-0.20（商业）
- 标准：ASHRAE、IECC 使用 U 值进行能源建模
R 值和 U 值在数学上是倒数关系：R = 1/U 和 U = 1/R。这意味着 R-20 等于 U-0.05，R-10 等于 U-0.10，依此类推。转换时请记住：R 值加倍，U 值减半。这种倒数关系对于准确的热计算和能源建模至关重要。
按气候区划分的建筑规范要求
国际节能规范 (IECC) 和 ASHRAE 90.1 根据气候区（1=炎热至 8=严寒）规定了最低隔热要求：
| 建筑组件 | 气候区 | 最低 R值 | 最高 U值 |
|---|---|---|---|
| 阁楼 / 天花板 | 第 1-3 区 (南部) | R-30 至 R-38 | U-0.026 至 U-0.033 |
| 阁楼 / 天花板 | 第 4-8 区 (北部) | R-49 至 R-60 | U-0.017 至 U-0.020 |
| 墙壁 (2x4 框架) | 第 1-3 区 | R-13 | U-0.077 |
| 墙壁 (2x6 框架) | 第 4-8 区 | R-20 + R-5 泡沫 | U-0.040 |
| 无空调空间上方的楼板 | 第 1-3 区 | R-13 | U-0.077 |
| 无空调空间上方的楼板 | 第 4-8 区 | R-30 | U-0.033 |
| 地下室墙壁 | 第 1-3 区 | R-0 至 R-5 | 无要求 |
| 地下室墙壁 | 第 4-8 区 | R-10 至 R-15 | U-0.067 至 U-0.100 |
| 窗户 | 第 1-3 区 | — | U-0.50 至 U-0.65 |
| 窗户 | 第 4-8 区 | — | U-0.27 至 U-0.32 |
常见建材的热性能
了解材料的热导率有助于选择合适的隔热材料并识别热桥：
| 材料 | k值 W/(m·K) | 每英寸 R值 | 常见应用 |
|---|---|---|---|
| 聚氨酯喷涂泡沫 | 0.020 - 0.026 | R-6 至 R-7 | 闭孔隔热，气密处理 |
| 聚异氰尿酸酯 (Polyiso) | 0.023 - 0.026 | R-6 至 R-6.5 | 硬质泡沫板，连续隔热 |
| 挤塑聚苯乙烯 (XPS) | 0.029 | R-5 | 泡沫板，地下隔热 |
| 发泡聚苯乙烯 (EPS) | 0.033 - 0.040 | R-3.6 至 R-4.4 | 泡沫板，EIFS 系统 |
| 玻璃纤维毡 | 0.040 - 0.045 | R-3.2 至 R-3.5 | 墙壁/天花板空腔隔热 |
| 岩棉 (Rockwool) | 0.038 - 0.042 | R-3.3 至 R-3.7 | 防火隔热，隔音 |
| 纤维素（吹入式） | 0.039 - 0.045 | R-3.2 至 R-3.8 | 阁楼隔热，翻新 |
| 木材（软木） | 0.12 - 0.14 | R-1.0 至 R-1.25 | 框架，护板 |
| 混凝土 | 1.4 - 2.0 | R-0.08 | 基础，结构 |
| 钢 | 50 | ~R-0.003 | 结构，热桥 |
| 铝 | 205 | ~R-0.0007 | 窗框，热桥 |
| 玻璃（单层） | 1.0 | R-0.18 | 窗户（隔热性差） |
三种热传递机制
传导
热量通过固体材料的流动
热量通过分子间的直接接触传递。金属导热迅速，而隔热材料则能抵抗热传导。遵循傅立叶定律：q = k·A·ΔT/d。在墙壁、屋顶、地板中占主导地位。
- 金属立柱造成热桥（热损失增加 25%）
- 热锅柄从炉灶传导热量
- 热量从温暖的室内通过墙壁流向寒冷的室外
- 隔热材料减少传导性热传递
对流
通过流体/空气运动的热传递
热量随空气或液体流动而移动。自然对流（热空气上升）和强制对流（风扇、风）。空气泄漏会导致大量热损失。气密处理能阻止对流；隔热能阻止传导。
- 通过缝隙和裂缝的气流（渗透/渗出）
- 暖空气通过阁楼逸出（烟囱效应）
- 强制空气供暖/制冷的分布
- 风增加通过墙壁的热损失
辐射
通过电磁波的热传递
所有物体都会发出热辐射。热物体辐射更多。不需要接触或空气。辐射屏障（反射箔）能阻挡 90% 以上的辐射热。是阁楼和窗户中的主要因素。
- 阳光通过窗户加热（太阳能增益）
- 阁楼中的辐射屏障反射热量
- Low-E 窗户涂层减少辐射热
- 来自热屋顶的红外线热量辐射到阁楼地板
建筑设计中的实际应用
住宅建筑
房主和建筑商每天都会使用 R 值和 U 值：
- 隔热选择：R-19 vs R-21 墙壁毡的成本/效益分析
- 窗户更换：U-0.30 三层玻璃 vs U-0.50 双层玻璃
- 能源审计：热成像发现 R 值缺陷
- 规范合规：满足当地最低 R 值要求
- 翻新规划：在 R-19 的阁楼上增加 R-30（热损失减少 58%）
- 公用事业补贴：许多要求最低 R-38 才能获得激励
HVAC 设计与选型
U 值决定了供暖和制冷负荷：
- 热损失计算：Q = U × A × ΔT (Manual J)
- 设备选型：更好的隔热 = 需要更小的 HVAC 机组
- 能源建模：BEopt、EnergyPlus 使用 U 值
- 管道隔热：在无空调空间中最低 R-6
- 回报分析：隔热升级的投资回报率计算
- 舒适度：较低的 U 值减少冷墙/冷窗效应
商业与工业建筑
大型建筑需要精确的热计算：
- ASHRAE 90.1 合规：规范性 U 值表
- LEED 认证：超出规范 10-40%
- 幕墙系统：U-0.25 至 U-0.30 的组件
- 冷藏库：墙壁 R-30 至 R-40，天花板 R-50
- 能源成本分析：更好的围护结构每年可节省 10 万美元以上
- 热桥：使用 FEA 分析钢结构连接
被动房 / 净零能耗
超高效建筑挑战热性能极限：
- 窗户：U-0.14 至 U-0.18（三层玻璃，氪气填充）
- 墙壁：R-40 至 R-60（12 英寸以上泡沫或密实纤维素）
- 基础：R-20 至 R-30 连续外部隔热
- 气密性：0.6 ACH50 或更低（比标准降低 99%）
- 热回收通风机：效率 90% 以上
- 总体：比规范最低要求减少 80-90% 的供暖/制冷需求
完整单位换算参考
所有热传递单位的全面换算公式。可用于手动计算、能源建模或验证转换器结果：
热传递系数 (U值) 换算
Base Unit: W/(m²·K)
| From | To | Formula | Example |
|---|---|---|---|
| W/(m²·K) | W/(m²·°C) | 乘以 1 | 5 W/(m²·K) = 5 W/(m²·°C) |
| W/(m²·K) | kW/(m²·K) | 除以 1000 | 5 W/(m²·K) = 0.005 kW/(m²·K) |
| W/(m²·K) | BTU/(h·ft²·°F) | 除以 5.678263 | 5 W/(m²·K) = 0.88 BTU/(h·ft²·°F) |
| W/(m²·K) | kcal/(h·m²·°C) | 除以 1.163 | 5 W/(m²·K) = 4.3 kcal/(h·m²·°C) |
| BTU/(h·ft²·°F) | W/(m²·K) | 乘以 5.678263 | 1 BTU/(h·ft²·°F) = 5.678 W/(m²·K) |
热导率换算
Base Unit: W/(m·K)
| From | To | Formula | Example |
|---|---|---|---|
| W/(m·K) | W/(m·°C) | 乘以 1 | 0.04 W/(m·K) = 0.04 W/(m·°C) |
| W/(m·K) | kW/(m·K) | 除以 1000 | 0.04 W/(m·K) = 0.00004 kW/(m·K) |
| W/(m·K) | BTU/(h·ft·°F) | 除以 1.730735 | 0.04 W/(m·K) = 0.023 BTU/(h·ft·°F) |
| W/(m·K) | BTU·in/(h·ft²·°F) | 除以 0.14422764 | 0.04 W/(m·K) = 0.277 BTU·in/(h·ft²·°F) |
| BTU/(h·ft·°F) | W/(m·K) | 乘以 1.730735 | 0.25 BTU/(h·ft·°F) = 0.433 W/(m·K) |
热阻换算
Base Unit: m²·K/W
| From | To | Formula | Example |
|---|---|---|---|
| m²·K/W | m²·°C/W | 乘以 1 | 2 m²·K/W = 2 m²·°C/W |
| m²·K/W | ft²·h·°F/BTU | 除以 0.17611 | 2 m²·K/W = 11.36 ft²·h·°F/BTU |
| m²·K/W | clo | 除以 0.155 | 0.155 m²·K/W = 1 clo |
| m²·K/W | tog | 除以 0.1 | 1 m²·K/W = 10 tog |
| ft²·h·°F/BTU | m²·K/W | 乘以 0.17611 | R-20 = 3.52 m²·K/W |
R值 ↔ U值 (倒数换算)
这些换算需要取倒数（1/数值），因为 R 和 U 是互为倒数的：
| From | To | Formula | Example |
|---|---|---|---|
| R值 (US) | U值 (US) | U = 1/(R × 5.678263) | R-20 → U = 1/(20×5.678263) = 0.0088 BTU/(h·ft²·°F) |
| U值 (US) | R值 (US) | R = 1/(U × 5.678263) | U-0.30 → R = 1/(0.30×5.678263) = 0.588 或 R-0.59 |
| R值 (SI) | U值 (SI) | U = 1/R | R-5 m²·K/W → U = 1/5 = 0.20 W/(m²·K) |
| U值 (SI) | R值 (SI) | R = 1/U | U-0.25 W/(m²·K) → R = 1/0.25 = 4 m²·K/W |
| R值 (US) | R值 (SI) | 乘以 0.17611 | R-20 (US) = 3.52 m²·K/W (SI) |
| R值 (SI) | R值 (US) | 除以 0.17611 | 5 m²·K/W = R-28.4 (US) |
从材料特性计算 R值
如何从厚度和热导率确定 R值：
| Calculation | Formula | Units | Example |
|---|---|---|---|
| 从厚度计算 R值 | R = 厚度 / k | R (m²·K/W) = 米 / W/(m·K) | 6 英寸 (0.152m) 玻璃纤维，k=0.04：R = 0.152/0.04 = 3.8 m²·K/W = R-21.6 (US) |
| 总 R值 (串联) | R_总 = R₁ + R₂ + R₃ + ... | 相同单位 | 墙壁：R-13 空腔 + R-5 泡沫 + R-1 石膏板 = R-19 总值 |
| 有效 U值 | U_有效 = 1/R_总 | W/(m²·K) 或 BTU/(h·ft²·°F) | R-19 墙壁 → U = 1/19 = 0.053 或 0.30 W/(m²·K) |
| 热损失率 | Q = U × A × ΔT | 瓦特或 BTU/h | U-0.30，100m²，20°C 温差：Q = 0.30×100×20 = 600W |
节能策略
具成本效益的升级
- 首先进行气密处理：500 美元投资，节省 20% 能源（投资回报率优于隔热）
- 阁楼隔热：R-19 升级至 R-38 可在 3-5 年内回本
- 窗户更换：U-0.30 窗户比 U-0.50 窗户减少 40% 的热损失
- 地下室隔热：R-10 可节省 10-15% 的供暖成本
- 门更换：隔热钢门（U-0.15）vs 空心木门（U-0.50）
问题诊断
- 红外热像仪：揭示缺失的隔热和空气泄漏
- 鼓风门测试：量化空气泄漏（ACH50 指标）
- 触摸测试：冰冷的墙壁/天花板表示 R 值低
- 冰坝：阁楼隔热不足的迹象（热量融化积雪）
- 冷凝：表示存在热桥或空气泄漏
特定气候策略
- 寒冷气候：最大化 R 值，最小化 U 值（隔热优先）
- 炎热气候：阁楼使用辐射屏障，Low-E 窗户阻挡太阳能增益
- 混合气候：平衡隔热与遮阳和通风
- 潮湿气候：在暖侧设置防潮层，防止冷凝
- 干燥气候：专注于气密处理（影响比潮湿地区更大）
投资回报率
- 最佳投资回报率：气密处理 (20:1)，阁楼隔热 (5:1)，管道密封 (4:1)
- 中等投资回报率：墙壁隔热 (3:1)，地下室隔热 (3:1)
- 长期：窗户更换（15-20 年内 2:1）
- 考虑：公用事业补贴可将投资回报率提高 20-50%
- 回收期：简单回收期 = 成本 / 年度节省
有趣的热知识
冰屋的隔热科学
在外部温度为 -40°C 时，冰屋内部能维持 4-15°C，仅使用压实的雪（每英寸 R-1）。圆顶形状使表面积最小化，小入口通道能阻挡风。雪中的气穴提供了隔热效果——证明了 trapped air 是所有隔热的秘诀。
航天飞机隔热瓦
航天飞机的隔热瓦热导率极低（k=0.05），一侧可达 1100°C，而另一侧却可以触摸。由 90% 充满空气的二氧化硅制成，是终极的隔热材料——在在高温下每英寸 R-50+。
维多利亚时代的房屋：R-0
1940 年代以前的房屋通常没有墙壁隔热——只有木质壁板、立柱和灰泥（总 R-4）。增加 R-13 至 R-19 的隔热可减少 70-80% 的热损失。许多老房子通过墙壁损失的热量比通过隔热差的阁楼还多。
冰比玻璃更隔热
冰的 k=2.2 W/(m·K)，玻璃的 k=1.0。但 trapped in 冰晶中的空气（k=0.026）使雪/冰成为不错的隔热体。矛盾的是，由于气穴，屋顶上的湿雪（R-1.5/英寸）比实心冰（R-0.5/英寸）的隔热效果更好。
压缩隔热材料会损失 R值
额定 R-19（5.5 英寸）的玻璃纤维毡若被压缩至 3.5 英寸，将损失 45% 的 R 值（变为 R-10）。提供隔热的是气穴——而不是纤维。切勿压缩隔热材料；如果不合适，请使用密度更高的材料。
气凝胶：每英寸 R-10
气凝胶 99.8% 是空气，并拥有 15 项关于隔热的吉尼斯世界纪录。每英寸 R-10（玻璃纤维为 R-3.5），是 NASA 的首选隔热体。但成本（每平方英尺 20-40 美元）使其仅限于火星探测车和超薄隔热毯等特殊应用。
常见问题
R值和 U值有什么区别？
R 值衡量对热流的阻力（越高 = 隔热越好）。U 值衡量热传递率（越低 = 隔热越好）。它们是数学上的倒数：U = 1/R。例如：R-20 隔热 = U-0.05。隔热产品使用 R 值，窗户和整体组件计算使用 U 值。
我可以直接增加更多隔热来提高 R值吗？
可以，但效果会递减。从 R-0 增加到 R-19 可减少 95% 的热损失。从 R-19 增加到 R-38 再减少 50%。从 R-38 增加到 R-57 仅再减少 33%。首先，进行气密处理（影响比隔热更大）。然后在 R 值最低的地方（通常是阁楼）增加隔热。检查是否有被压缩或潮湿的隔热材料——更换比增加更好。
为什么窗户用 U值，而墙壁用 R值？
这是惯例和复杂性的问题。窗户有多种热传递机制（玻璃传导、辐射、空气间隙对流），使得 U 值更适合用于评估整体性能。墙壁较为简单——主要是传导——所以 R 值更直观。两种指标都适用于任何一方；这只是行业偏好。
在炎热气候下，R值重要吗？
绝对重要！R 值能抵抗双向的热流。在夏天，R-30 的阁楼隔热能有效地将热量挡在外面，就像冬天将热量留在室内一样。炎热气候受益于高 R 值 + 辐射屏障 + 浅色屋顶。重点关注阁楼（最低 R-38）和朝西的墙壁。
哪个更好：更高的 R值还是气密处理？
先气密，再隔热。空气泄漏可以完全绕过隔热，将 R-30 降低到有效的 R-10。研究表明，单独进行气密处理的投资回报率是隔热的 2-3 倍。先密封（填缝剂、挡风雨条、泡沫），再隔热。两者结合可减少 30-50% 的能源使用。
如何将 R值转换为 U值？
用 1 除以 R 值：U = 1/R。例如：R-20 墙壁 = 1/20 = U-0.05 或 0.28 W/(m²·K)。反之：R = 1/U。例如：U-0.30 窗户 = 1/0.30 = R-3.3。注意：单位很重要！美国的 R 值需要转换因子才能得到 SI 单位的 U 值（乘以 5.678 得到 W/(m²·K)）。
为什么金属立柱会大幅降低 R值？
钢的导热性是隔热材料的 1250 倍。金属立柱会产生热桥——穿过墙壁组件的直接传导路径。一个带有 R-19 空腔隔热和钢立柱的墙壁，其实际 R 值仅为 R-7（降低了 64%！）。解决方案：在立柱上覆盖连续隔热（泡沫板），或使用木框架 + 外部泡沫。
我需要多少 R值才能符合规范？
取决于气候区（1-8）和建筑组件。例如：第 5 区（芝加哥）要求墙壁 R-20，天花板 R-49，地下室 R-10。第 3 区（亚特兰大）要求墙壁 R-13，天花板 R-30。请查阅当地建筑规范或 IECC 表格。许多地区现在即使在温和气候下也要求墙壁 R-20+ 和阁楼 R-40+。