傳熱換算器
熱傳導 & 絕緣：R值、U值與熱性能詳解
了解熱傳導對於節能建築設計、HVAC 工程以及降低公用事業成本至關重要。從住宅絕緣的 R 值到窗戶評級的 U 值，熱性能指標決定了舒適度和能源消耗。這份全面的指南涵蓋了熱傳導係數、熱導率、建築規範以及為屋主、建築師和工程師提供的實用絕緣策略。
基本概念：熱流的物理學
熱傳導係數 (U值)
熱流通過材料或組件的速率
U 值衡量每單位面積、每度溫差下有多少熱量通過建築組件。測量單位為 W/(m²·K) 或 BTU/(h·ft²·°F)。U 值越低 = 絕緣效果越好。窗戶、牆壁和屋頂都有 U 值評級。
範例：U=0.30 W/(m²·K) 的窗戶，在溫差為 1°C 時，每平方米損失 30 瓦特。U=0.20 的絕緣效果好 33%。
熱阻 (R值)
材料抵抗熱流的能力
R 值是 U 值的倒數（R = 1/U）。R 值越高 = 絕緣效果越好。測量單位為 m²·K/W (SI) 或 ft²·°F·h/BTU (US)。建築規範根據氣候區規定了牆壁、天花板和地板的最低 R 值。
範例：R-19 玻璃纖維棉提供 19 ft²·°F·h/BTU 的阻力。閣樓中的 R-38 效果是 R-19 的兩倍。
熱導率 (k值)
材料特性：傳導熱量的能力
熱導率（λ 或 k）是材料的內在屬性，測量單位為 W/(m·K)。k 值低 = 好的絕緣體（泡沫、玻璃纖維）。k 值高 = 好的導體（銅、鋁）。用於計算 R 值：R = 厚度 / k。
範例：玻璃纖維 k=0.04 W/(m·K)，鋼 k=50 W/(m·K)。鋼的導熱速度是玻璃纖維的 1250 倍！
- U 值 = 熱損失率（越低越好）。R 值 = 熱阻（越高越好）
- R 值和 U 值是倒數關係：R = 1/U，所以 R-20 = U-0.05
- 總 R 值可相加：R-13 牆壁 + R-3 護板 = R-16 總值
- 空氣間隙會顯著降低 R 值——氣密處理與絕緣同等重要
- 熱橋（立柱、橫樑）會繞過絕緣層——連續絕緣有助於解決此問題
- 氣候區決定規範要求：第 7 區需要 R-60 天花板，第 3 區需要 R-38
R值 vs U值：關鍵差異
這是建築熱性能中最重要的兩個指標。了解它們之間的關係對於規範合規、能源模擬和成本效益分析至關重要。
R值 (阻力)
數字越大 = 絕緣效果越好
R 值很直觀：R-30 優於 R-15。在北美用於絕緣產品。數值可串聯相加：層層疊加。常見於住宅建築、建築規範和產品標籤。
- 單位：ft²·°F·h/BTU (US) 或 m²·K/W (SI)
- 範圍：R-3（單層玻璃窗）到 R-60（閣樓絕緣）
- 牆壁範例：R-13 空腔 + R-5 泡沫 = R-18 總值
- 經驗法則：每英寸的 R 值因材料而異（玻璃纖維為 R-3.5/英寸）
- 典型目標：牆壁 R-13 至 R-21，天花板 R-38 至 R-60
- 行銷：產品以 R 值進行廣告（'R-19 絕緣棉'）
U值 (傳透率)
數字越小 = 絕緣效果越好
U 值不那麼直觀：U-0.20 優於 U-0.40。全球通用，尤其適用於窗戶和整棟建築的計算。不能簡單相加——需要倒數運算。常見於商業建築和能源規範。
- 單位：W/(m²·K) 或 BTU/(h·ft²·°F)
- 範圍：U-0.10（三層玻璃窗）到 U-5.0（單層玻璃窗）
- 窗戶範例：U-0.30 為高性能，U-0.20 為被動式房屋標準
- 計算：熱損失 = U × 面積 × ΔT
- 典型目標：窗戶 U-0.30，牆壁 U-0.20（商業）
- 標準：ASHRAE、IECC 使用 U 值進行能源模擬
R 值和 U 值在數學上是倒數關係：R = 1/U 和 U = 1/R。這意味著 R-20 等於 U-0.05，R-10 等於 U-0.10，依此類推。轉換時請記住：R 值加倍，U 值減半。這種倒數關係對於準確的熱計算和能源模擬至關重要。
按氣候區劃分的建築規範要求
國際節能規範 (IECC) 和 ASHRAE 90.1 根據氣候區（1=炎熱至 8=嚴寒）規定了最低絕緣要求：
| 建築組件 | 氣候區 | 最低 R值 | 最高 U值 |
|---|---|---|---|
| 閣樓 / 天花板 | 第 1-3 區 (南部) | R-30 至 R-38 | U-0.026 至 U-0.033 |
| 閣樓 / 天花板 | 第 4-8 區 (北部) | R-49 至 R-60 | U-0.017 至 U-0.020 |
| 牆壁 (2x4 框架) | 第 1-3 區 | R-13 | U-0.077 |
| 牆壁 (2x6 框架) | 第 4-8 區 | R-20 + R-5 泡沫 | U-0.040 |
| 無空調空間上方的樓板 | 第 1-3 區 | R-13 | U-0.077 |
| 無空調空間上方的樓板 | 第 4-8 區 | R-30 | U-0.033 |
| 地下室牆壁 | 第 1-3 區 | R-0 至 R-5 | 無要求 |
| 地下室牆壁 | 第 4-8 區 | R-10 至 R-15 | U-0.067 至 U-0.100 |
| 窗戶 | 第 1-3 區 | — | U-0.50 至 U-0.65 |
| 窗戶 | 第 4-8 區 | — | U-0.27 至 U-0.32 |
常見建材的熱性能
了解材料的熱導率有助於選擇合適的絕緣材料並識別熱橋：
| 材料 | k值 W/(m·K) | 每英寸 R值 | 常見應用 |
|---|---|---|---|
| 聚氨酯噴塗泡沫 | 0.020 - 0.026 | R-6 至 R-7 | 閉孔絕緣，氣密處理 |
| 聚異氰尿酸酯 (Polyiso) | 0.023 - 0.026 | R-6 至 R-6.5 | 硬質泡沫板，連續絕緣 |
| 擠塑聚苯乙烯 (XPS) | 0.029 | R-5 | 泡沫板，地下絕緣 |
| 發泡聚苯乙烯 (EPS) | 0.033 - 0.040 | R-3.6 至 R-4.4 | 泡沫板，EIFS 系統 |
| 玻璃纖維棉 | 0.040 - 0.045 | R-3.2 至 R-3.5 | 牆壁/天花板空腔絕緣 |
| 岩棉 (Rockwool) | 0.038 - 0.042 | R-3.3 至 R-3.7 | 防火絕緣，隔音 |
| 纖維素（吹入式） | 0.039 - 0.045 | R-3.2 至 R-3.8 | 閣樓絕緣，翻新 |
| 木材（軟木） | 0.12 - 0.14 | R-1.0 至 R-1.25 | 框架，護板 |
| 混凝土 | 1.4 - 2.0 | R-0.08 | 基礎，結構 |
| 鋼 | 50 | ~R-0.003 | 結構，熱橋 |
| 鋁 | 205 | ~R-0.0007 | 窗框，熱橋 |
| 玻璃（單層） | 1.0 | R-0.18 | 窗戶（絕緣性差） |
三種熱傳導機制
傳導
熱量通過固體材料的流動
熱量通過分子間的直接接觸傳遞。金屬導熱迅速，而絕緣材料則能抵抗熱傳導。遵循傅立葉定律：q = k·A·ΔT/d。在牆壁、屋頂、地板中占主導地位。
- 金屬立柱造成熱橋（熱損失增加 25%）
- 熱鍋柄從爐灶傳導熱量
- 熱量從溫暖的室內通過牆壁流向寒冷的室外
- 絕緣材料減少傳導性熱傳遞
對流
通過流體/空氣運動的熱傳遞
熱量隨空氣或液體流動而移動。自然對流（熱空氣上升）和強制對流（風扇、風）。空氣洩漏會導致大量熱損失。氣密處理能阻止對流；絕緣能阻止傳導。
- 通過縫隙和裂縫的氣流（滲透/滲出）
- 暖空氣通過閣樓逸出（煙囪效應）
- 強制空氣供暖/製冷的分佈
- 風增加通過牆壁的熱損失
輻射
通過電磁波的熱傳遞
所有物體都會發出熱輻射。熱物體輻射更多。不需要接觸或空氣。輻射屏障（反射箔）能阻擋 90% 以上的輻射熱。是閣樓和窗戶中的主要因素。
- 陽光通過窗戶加熱（太陽能增益）
- 閣樓中的輻射屏障反射熱量
- Low-E 窗戶塗層減少輻射熱
- 來自熱屋頂的紅外線熱量輻射到閣樓地板
建築設計中的實際應用
住宅建築
屋主和建築商每天都會使用 R 值和 U 值：
- 絕緣選擇：R-19 vs R-21 牆壁棉的成本/效益分析
- 窗戶更換：U-0.30 三層玻璃 vs U-0.50 雙層玻璃
- 能源審計：熱成像發現 R 值缺陷
- 規範合規：滿足當地最低 R 值要求
- 翻新規劃：在 R-19 的閣樓上增加 R-30（熱損失減少 58%）
- 公用事業回饋：許多要求最低 R-38 才能獲得獎勵
HVAC 設計與選型
U 值決定了供暖和製冷負荷：
- 熱損失計算：Q = U × A × ΔT (Manual J)
- 設備選型：更好的絕緣 = 需要更小的 HVAC 機組
- 能源模擬：BEopt、EnergyPlus 使用 U 值
- 管道絕緣：在無空調空間中最低 R-6
- 回報分析：絕緣升級的投資回報率計算
- 舒適度：較低的 U 值減少冷牆/冷窗效應
商業與工業建築
大型建築需要精確的熱計算：
- ASHRAE 90.1 合規：規範性 U 值表
- LEED 認證：超出規範 10-40%
- 幕牆系統：U-0.25 至 U-0.30 的組件
- 冷藏庫：牆壁 R-30 至 R-40，天花板 R-50
- 能源成本分析：更好的圍護結構每年可節省 10 萬美元以上
- 熱橋：使用 FEA 分析鋼結構連接
被動式房屋 / 淨零耗能
超高效建築挑戰熱性能極限：
- 窗戶：U-0.14 至 U-0.18（三層玻璃，氪氣填充）
- 牆壁：R-40 至 R-60（12 英寸以上泡沫或密實纖維素）
- 基礎：R-20 至 R-30 連續外部絕緣
- 氣密性：0.6 ACH50 或更低（比標準降低 99%）
- 熱回收通風機：效率 90% 以上
- 總體：比規範最低要求減少 80-90% 的供暖/製冷需求
完整單位換算參考
所有熱傳導單位的全面換算公式。可用於手動計算、能源模擬或驗證轉換器結果：
熱傳導係數 (U值) 換算
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) |
熱導率換算
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) |
熱阻換算
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 (倒數換算)
這些換算需要取倒數（1/數值），因為 R 和 U 是互為倒數的：
| 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) |
從材料特性計算 R值
如何從厚度和熱導率確定 R值：
| Calculation | Formula | Units | Example |
|---|---|---|---|
| 從厚度計算 R值 | R = 厚度 / k | R (m²·K/W) = 公尺 / W/(m·K) | 6 英寸 (0.152m) 玻璃纖維，k=0.04：R = 0.152/0.04 = 3.8 m²·K/W = R-21.6 (US) |
| 總 R值 (串聯) | R_總 = R₁ + R₂ + R₃ + ... | 相同單位 | 牆壁：R-13 空腔 + R-5 泡沫 + R-1 石膏板 = R-19 總值 |
| 有效 U值 | U_有效 = 1/R_總 | W/(m²·K) 或 BTU/(h·ft²·°F) | R-19 牆壁 → U = 1/19 = 0.053 或 0.30 W/(m²·K) |
| 熱損失率 | Q = U × A × ΔT | 瓦特或 BTU/h | U-0.30，100m²，20°C 溫差：Q = 0.30×100×20 = 600W |
節能策略
具成本效益的升級
- 首先進行氣密處理：500 美元投資，節省 20% 能源（投資回報率優於絕緣）
- 閣樓絕緣：R-19 升級至 R-38 可在 3-5 年內回本
- 窗戶更換：U-0.30 窗戶比 U-0.50 窗戶減少 40% 的熱損失
- 地下室絕緣：R-10 可節省 10-15% 的供暖成本
- 門更換：絕緣鋼門（U-0.15）vs 空心木門（U-0.50）
問題診斷
- 紅外線熱像儀：揭示缺失的絕緣和空氣洩漏
- 鼓風門測試：量化空氣洩漏（ACH50 指標）
- 觸摸測試：冰冷的牆壁/天花板表示 R 值低
- 冰壩：閣樓絕緣不足的跡象（熱量融化積雪）
- 冷凝：表示存在熱橋或空氣洩漏
特定氣候策略
- 寒冷氣候：最大化 R 值，最小化 U 值（絕緣優先）
- 炎熱氣候：閣樓使用輻射屏障，Low-E 窗戶阻擋太陽能增益
- 混合氣候：平衡絕緣與遮陽和通風
- 潮濕氣候：在暖側設置防潮層，防止冷凝
- 乾燥氣候：專注於氣密處理（影響比潮濕地區更大）
投資回報率
- 最佳投資回報率：氣密處理 (20:1)，閣樓絕緣 (5:1)，管道密封 (4:1)
- 中等投資回報率：牆壁絕緣 (3:1)，地下室絕緣 (3:1)
- 長期：窗戶更換（15-20 年內 2:1）
- 考慮：公用事業回饋可將投資回報率提高 20-50%
- 回收期：簡單回收期 = 成本 / 年度節省
有趣的熱知識
冰屋的絕緣科學
在外部溫度為 -40°C 時，冰屋內部能維持 4-15°C，僅使用壓實的雪（每英寸 R-1）。圓頂形狀使表面積最小化，小入口通道能阻擋風。雪中的氣穴提供了絕緣效果——證明了 trapped air 是所有絕緣的秘訣。
太空梭隔熱磚
太空梭的隔熱磚熱導率極低（k=0.05），一側可達 1100°C，而另一側卻可以觸摸。由 90% 充滿空氣的二氧化矽製成，是終極的絕緣材料——在在高溫下每英寸 R-50+。
維多利亞時代的房屋：R-0
1940 年代以前的房屋通常沒有牆壁絕緣——只有木質壁板、立柱和灰泥（總 R-4）。增加 R-13 至 R-19 的絕緣可減少 70-80% 的熱損失。許多老房子通過牆壁損失的熱量比通過絕緣差的閣樓還多。
冰比玻璃更絕緣
冰的 k=2.2 W/(m·K)，玻璃的 k=1.0。但 trapped in 冰晶中的空氣（k=0.026）使雪/冰成為不錯的絕緣體。矛盾的是，由於氣穴，屋頂上的濕雪（R-1.5/英寸）比實心冰（R-0.5/英寸）的絕緣效果更好。
壓縮絕緣材料會損失 R值
額定 R-19（5.5 英寸）的玻璃纖維棉若被壓縮至 3.5 英寸，將損失 45% 的 R 值（變為 R-10）。提供絕緣的是氣穴——而不是纖維。切勿壓縮絕緣材料；如果不合適，請使用密度更高的材料。
氣凝膠：每英寸 R-10
氣凝膠 99.8% 是空氣，並擁有 15 項關於絕緣的吉尼斯世界紀錄。每英寸 R-10（玻璃纖維為 R-3.5），是 NASA 的首選絕緣體。但成本（每平方英尺 20-40 美元）使其僅限於火星探測車和超薄絕緣毯等特殊應用。
常見問題
R值和 U值有什麼區別？
R 值衡量對熱流的阻力（越高 = 絕緣越好）。U 值衡量熱傳遞率（越低 = 絕緣越好）。它們是數學上的倒數：U = 1/R。例如：R-20 絕緣 = U-0.05。絕緣產品使用 R 值，窗戶和整體組件計算使用 U 值。
我可以直接增加更多絕緣來提高 R值嗎？
可以，但效果會遞減。從 R-0 增加到 R-19 可減少 95% 的熱損失。從 R-19 增加到 R-38 再減少 50%。從 R-38 增加到 R-57 僅再減少 33%。首先，進行氣密處理（影響比絕緣更大）。然後在 R 值最低的地方（通常是閣樓）增加絕緣。檢查是否有被壓縮或潮濕的絕緣材料——更換比增加更好。
為什麼窗戶用 U值，而牆壁用 R值？
這是慣例和複雜性的問題。窗戶有多種熱傳遞機制（玻璃傳導、輻射、空氣間隙對流），使得 U 值更適合用於評估整體性能。牆壁較為簡單——主要是傳導——所以 R 值更直觀。兩種指標都適用於任何一方；這只是行業偏好。
在炎熱氣候下，R值重要嗎？
絕對重要！R 值能抵抗雙向的熱流。在夏天，R-30 的閣樓絕緣能有效地將熱量擋在外面，就像冬天將熱量留在室內一樣。炎熱氣候受益於高 R 值 + 輻射屏障 + 淺色屋頂。重點關注閣樓（最低 R-38）和朝西的牆壁。
哪個更好：更高的 R值還是氣密處理？
先氣密，再絕緣。空氣洩漏可以完全繞過絕緣，將 R-30 降低到有效的 R-10。研究表明，單獨進行氣密處理的投資回報率是絕緣的 2-3 倍。先密封（填縫劑、擋風雨條、泡沫），再絕緣。兩者結合可減少 30-50% 的能源使用。
如何將 R值轉換為 U值？
用 1 除以 R 值：U = 1/R。例如：R-20 牆壁 = 1/20 = U-0.05 或 0.28 W/(m²·K)。反之：R = 1/U。例如：U-0.30 窗戶 = 1/0.30 = R-3.3。注意：單位很重要！美國的 R 值需要轉換因子才能得到 SI 單位的 U 值（乘以 5.678 得到 W/(m²·K)）。
為什麼金屬立柱會大幅降低 R值？
鋼的導熱性是絕緣材料的 1250 倍。金屬立柱會產生熱橋——穿過牆壁組件的直接傳導路徑。一個帶有 R-19 空腔絕緣和鋼立柱的牆壁，其實際 R 值僅為 R-7（降低了 64%！）。解決方案：在立柱上覆蓋連續絕緣（泡沫板），或使用木框架 + 外部泡沫。
我需要多少 R值才能符合規範？
取決於氣候區（1-8）和建築組件。例如：第 5 區（芝加哥）要求牆壁 R-20，天花板 R-49，地下室 R-10。第 3 區（亞特蘭大）要求牆壁 R-13，天花板 R-30。請查閱當地建築規範或 IECC 表格。許多地區現在即使在溫和氣候下也要求牆壁 R-20+ 和閣樓 R-40+。