建筑物理詳解

1、第五講：第 3章 ： 建 筑 保 溫 節(jié) 能 設(shè) 計建筑的體型與圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計圍護結(jié)構(gòu)的作用建筑保溫問題在我國大約有占全國總面積70%的地區(qū)冬季室內(nèi)需要采暖。這些地區(qū)的建筑在設(shè)計上既要考慮保證良好的室內(nèi)熱環(huán)境，還要注意節(jié)省采暖的能耗和建造費用，即需要注意建筑保溫問題。建筑保溫包括：建筑方案設(shè)計中的保溫綜合處理圍護結(jié)構(gòu)保溫本講主要內(nèi)容5.1 ：建筑保溫與節(jié)能設(shè)計策略5.2 2 ：非透明圍護結(jié)構(gòu)的保溫與節(jié)能5.3 ：保溫材料與構(gòu)造5.4 ：透明圍護結(jié)構(gòu)的保溫與節(jié)能5.5 ：被動式太陽能利用設(shè)計5.1 建筑保溫與節(jié)能設(shè)計策略在嚴寒和寒冷地區(qū)，為了保證室內(nèi)熱環(huán)境的舒適度，一方面加強建筑保溫，另一方面有

2、采暖設(shè)備提供熱量。當建筑本身設(shè)計有良好的熱工性能時，維持室內(nèi)熱環(huán)境需要的供熱量較??；反之，建筑本身的熱工性能較差時，則不僅難以達到應(yīng)有的室內(nèi)熱環(huán)境標準，還將使供暖能耗大幅度增加，甚至在圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面或內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)露、受潮等。在進行建筑保溫設(shè)計時，要充分利用有利因素，克服不利因素，應(yīng)注意以下幾方面的處理措施：充分利用太陽能在建筑中利用太陽能一般包括兩方面的涵義：一是從節(jié)約能源的角度考慮，太陽是一種潔凈、可再生的能源，將其作為采暖能源，可以節(jié)約常規(guī)能源，保護自然生態(tài)環(huán)境。二是從衛(wèi)生角度考慮；太陽輻射中的短波成份有強烈的殺菌防腐效果，室內(nèi)有充足的日照對人體健康非常有利。2） 防止冷風的不利影響風對室內(nèi)

3、熱環(huán)境的影響主要有兩方面：一是通過門窗口或其他孔隙進入室內(nèi)，形成冷風滲透，冷風滲透量愈大，室溫下降愈多；一般磚混結(jié)構(gòu)空氣滲透所致熱耗占采暖熱耗的1/41/3；二是作用在圍護結(jié)構(gòu)外表面上，使對流換熱系數(shù)變大，增強外表面的散熱量，外表面散熱愈多，房間的熱損失就愈多。對寒冷地區(qū)的建筑，從體型上考慮節(jié)能問題主要包括兩方面：一是 盡量節(jié)省外圍護結(jié)構(gòu)面積；二是 使建筑物能充分爭取到冬季的日輻射得熱。如體型過于復(fù)雜，外表面面積較大，熱損失越多。對同樣體積的建筑物，在各面外圍護結(jié)構(gòu)的傳熱情況均相同時，外圍護結(jié)構(gòu)的面積愈小則傳出的熱量愈小。表面積與體積的關(guān)系用“體型系數(shù)”（S）來表示，即 一棟建筑的外表面積F0

4、與其所包圍的體積V。之比,S= F0/ V0體型系數(shù)（S）如建筑物的高度相同，則其平面形式為圓形時體形系數(shù)最小，依次為正方形、長方形以及其他組合形式。體型系數(shù)（S）建筑層數(shù)對體型系數(shù)及單位面積耗熱也有很大影響。在同樣建筑面積的情況下，一般是單層建筑的體型系數(shù)及耗熱量比值大于多層建筑。一般是總建筑面積愈大時，要求建筑層數(shù)也相應(yīng)加多，對節(jié)能有利。建筑物的體形系數(shù)是控制建筑采暖能耗的一個重要參數(shù)1、針對建筑的功能、規(guī)模以及所在地區(qū)的氣候條件科學(xué)的確定保溫系統(tǒng)，注意保溫系統(tǒng)的材料選擇、性價比、施工技術(shù)等。2.做好建筑圍護結(jié)構(gòu)特殊部位的保溫，如外墻轉(zhuǎn)角，內(nèi)外墻交角，女兒墻、出挑陽臺等。如在嚴寒地區(qū)對建筑

5、保溫節(jié)能構(gòu)造設(shè)計八項要求:P606 ）建筑物具有舒適、高效的供熱系統(tǒng)當室外氣溫晝夜波動，為使室內(nèi)熱環(huán)境能維持所需的標準，除了房間應(yīng)有一定得熱穩(wěn)定性外，在供熱方式供熱的間歇時間不宜太長，以防夜間溫度達不到基本的熱舒適標準。建筑保溫與節(jié)能，一是保證室內(nèi)熱環(huán)境的舒適性，盡可能降低建筑物的采暖能耗；二是提高能源的利用率，在采暖建筑中配置高效率的供熱系統(tǒng)，從而實現(xiàn)建筑節(jié)能的總體目標。國家建筑設(shè)計規(guī)范和節(jié)能標準對非透明圍護結(jié)構(gòu)的保溫與節(jié)能提出有 具體要求建筑外圍護結(jié)構(gòu)非透明部分：外墻、屋頂、地面、與室外空氣接觸的 架空的樓地面、非透明幕墻、非采暖樓梯間等。最小傳熱阻的確定圍護結(jié)構(gòu)冬季室外計算溫度1、居住建

6、筑的保溫與節(jié)能：采暖區(qū)：累計日平均氣溫低于或等于5 的天數(shù)，在90天以上的地區(qū)為采暖區(qū)。主要包括東北、西北和華北地區(qū)。采暖居住建筑節(jié)能目標：第一階段：1986年后的建筑與之前比節(jié)能30% ；第二階段：1996年后建筑，與第一階段之前的能耗比節(jié)能50% ；第三階段：是在達到第二階段要求的基礎(chǔ)上再節(jié)能30% ，從而達到節(jié)能65% 的目標。居住建筑的采暖節(jié)能指標由建筑圍護結(jié)構(gòu)和采暖系統(tǒng)共同完成。建筑圍護結(jié)構(gòu)所承擔不同階段的節(jié)能比例是：20% 、 35% 、 50% 。由此可推斷：各地區(qū)在一定氣候條件下，建筑體系系數(shù)一定時，室內(nèi)采暖溫度為18，建筑外圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的限值（參見表3-1 ）2、公共建筑

7、的保溫與節(jié)能：公共建筑節(jié)能目標：第一階段：節(jié)能50%；第二階段：12010年后新建的采暖公共建筑，在第一階段的基礎(chǔ)上再節(jié)能30%；實現(xiàn)節(jié)能65%的目標。建筑非透明圍護結(jié)構(gòu)的熱工設(shè)計要求：、嚴寒、寒冷地區(qū)的建筑的體形系數(shù)應(yīng)小于或等于0.4;、在一定的氣候分區(qū)中，圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)不得大于限值，參見表 3-2.圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)K的計算公式:4）地板的保溫設(shè)計采暖房屋地板的熱工性能對室內(nèi)熱環(huán)境的質(zhì)量、對人體的熱舒適有重要的影響。對于底層地板，和屋頂、外墻一樣，也應(yīng)有必要的保溫能力。地板保溫的特點：a）由于地面下土壤溫度的年變化比室外空氣小很多，因此冬季地面散熱最大的部分是靠近外墻的地面，其寬度約在

8、0.5m2m左右。我國規(guī)范規(guī)定，對于嚴寒地區(qū)采 暖建筑的底層地面，當建筑物周圍無采暖管溝時，在外墻內(nèi)側(cè)0.5m1.0m范圍內(nèi)應(yīng)鋪設(shè)保溫層，其熱阻不應(yīng)小于外墻的熱阻。地板溫度分布圖 地板局部保溫b）地板是與人腳直接接觸而傳熱的，經(jīng)驗證明：在室內(nèi)各種不同材料的地面，即使它們的溫度完全相同，人站在上面的感覺也會不一樣。如木地板與水磨石，后者人感覺要涼得多。地面舒適條件取決于地面的吸熱指數(shù)值。值愈大，則地面從人腳吸取的熱量愈多愈快。吸熱指數(shù)B值比如在地板的劃分中，B值I類17, n類在1723,田類23 依據(jù)B值，我國將地板劃分三類：I類：木地板、塑料地板。如高級居住建筑、幼兒園、醫(yī)療機構(gòu)等采用。n類

9、：水泥砂漿地面等。如普通居住建筑、公共建筑（包括中小學(xué)教室）已采 用不低于n類。田類：水磨石地面及其它石類地面。人們短時間逗留的房間，以及室溫高于23的房間采用此類。1 、 隔 熱 保 溫 材 料 保 溫 材 料 的 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 及 影 響 因 素導(dǎo)熱系數(shù)越小，說明材料越不易導(dǎo)熱。工程上常將導(dǎo)熱系數(shù)入v 0.3W/ （m K）的材料稱為隔熱保溫材料或絕熱材料。如礦棉、泡沫塑料等。保溫或絕熱材料可以歸納為三類：輕質(zhì)成型材絕熱空氣層絕熱反射絕熱2、 保 溫 構(gòu) 造 設(shè) 置 的 類 型 （ 外 墻 和 屋 頂 ）a） 保溫構(gòu)造的種類：根據(jù)地方氣候特點及房間使用性質(zhì)，外墻和屋頂可以采用的保溫構(gòu)造方

10、案有多種多樣，大致可分為以下幾種類型：單設(shè)保溫層封閉空氣間層保溫 （空氣層厚度，一般以45cm為宜）保溫與承重相結(jié)合混合型構(gòu)造b） 單 設(shè)保 溫層 復(fù)合 結(jié) 構(gòu) 的 形 式和 特 點用 兩 種或 兩 種以 上 的材 料 分別 滿 足 保 溫 和 承 重 的需 要 復(fù) 合 結(jié) 構(gòu)當采用單設(shè)保溫層復(fù)合墻體或屋頂時，保溫層的位置，對結(jié)構(gòu)及房間的使用質(zhì)量、結(jié)構(gòu)造價、施工、維持費用等各方面都有重大影響。隨著對圍護結(jié)構(gòu)保溫要求的增加，復(fù)合結(jié)構(gòu)的使用也日益廣泛。單設(shè)保溫層復(fù)合結(jié)構(gòu)大體上可分為：內(nèi)保溫外保溫夾芯保溫單設(shè)保溫層復(fù)合構(gòu)造形式外保溫的優(yōu)點（ 1）使墻或屋頂?shù)闹饕糠质艿奖Ｗo，大大降低溫度應(yīng)力的起伏。

11、保溫層位置不同時墻體的年間溫度變化保溫層位置不同時屋頂?shù)哪觊g溫度變化內(nèi)外保溫對熱橋的不同影響：內(nèi)保溫時熱橋內(nèi)表面處的溫度相對較低外保溫的局限性(a)外保溫比較適合住宅，規(guī)模較大的建筑如辦公大樓，外保溫效果不明顯。( 住宅能判斷外保溫是否能提高房間的熱穩(wěn)定性，大辦公樓因內(nèi)部有大量熱容量也很大的隔墻、柱、各種設(shè)備參與蓄熱調(diào)解，外保溫蓄熱作用就不太顯著了)( b) 墻體外保溫處理，在構(gòu)造上比內(nèi)保溫復(fù)雜。保溫層不能裸露在室外，需加保護層，可外飾面比較難處理。屋頂保溫-USD構(gòu)造法采用外保溫的屋面，傳統(tǒng)的做法是保溫層上面做防水層，由于防水層的水蒸氣透過能力很差，使屋面容易產(chǎn)生內(nèi)部結(jié)露。同時防水層直接暴露

12、在大氣中，受日曬、交替凍融等影響，極易老化和破壞。USD( Upside Down) 構(gòu)造法也叫倒鋪法。不僅有可能完全消除內(nèi)部結(jié)露的可能性，又是防水層得到保護。3、異常部位的保溫設(shè)計外窗、外門和地面熱橋?qū)σ粭澖ㄖ飦碚f，外窗、外門和地面在外圍護結(jié)構(gòu)總面積中占3060%之間，而外窗、外門和地面的傳熱失熱量外加門窗縫隙引起的空氣滲透耗熱量，占總耗熱量的60 %。因此必須做好窗戶、外門、地面的保溫設(shè)計。1） 窗 戶 的 保 溫 設(shè) 計窗戶的保溫設(shè)計主要考慮以下幾方面：( 1)控制窗墻面積比。對于居住建筑，各朝向的窗墻面積比規(guī)定見表3)提高窗戶的保溫能力(a)改善窗框保溫性能。首先，將薄壁實腹型材改為

13、空心型材，內(nèi)部形成封閉空 氣層，提高保溫能力。其次，開發(fā)塑料構(gòu)件，第三，用保溫砂漿、泡沫塑料等填充密封窗框與墻之間的縫隙。（b）改善窗玻璃部分的保溫能力。用雙層窗（間隔以 4-5cm為宜）或雙玻窗（雙 玻窗的空氣間層厚度以23cm為最好）增加窗扇或窗玻層數(shù)，提高窗戶保溫能力, 因為層與層之間的空氣層，加大了窗的熱阻。（c）合理選擇窗戶類型。窗的大小、窗的朝向等2） 熱 橋 保 溫在圍護結(jié)構(gòu)中，常有保溫性能遠低于主體部分的嵌入構(gòu)件，這些部位的傳熱量比主體部分大得多，所以他們內(nèi)表面的溫度也比主體部分低，在建筑熱工學(xué)中，把這些容易傳熱的部分叫“熱橋 ”。 “熱橋 ”即是熱量容易通過的地方。外墻中的鋼

14、或鋼筋混凝土骨架、圈梁；樓板、墻板中的肋條等都屬于“熱橋 ”。熱橋的幾種典型情況：貫通式和非貫通式熱橋保溫在圍護結(jié)構(gòu)中，熱橋是不可避免的。熱橋如果傳熱量過大，內(nèi)表面的溫度就會過低，就有必要校核熱橋內(nèi)表面是否會結(jié)露，以確定保溫措施。為此，要掌握熱橋內(nèi)表面溫度的計算方法：（1）肋寬與結(jié)構(gòu)厚度比w1.5熱橋保溫如果運用溫度計算公式求出的熱橋內(nèi)表面溫度比房間的露點溫度還低， 就要預(yù)先對熱橋采取局部保溫措施。貫通式熱橋：以硬質(zhì)泡沫塑料或其他保溫材料，結(jié)合墻壁內(nèi)粉刷綜合處理。保溫層的厚度和保溫層的寬度都有所要求。貫通式熱橋保溫：（1）保溫層的厚度d由下式確定；（2）主體部分的厚度6與熱 橋的寬度a大小決定

15、保溫層的寬度 。3）圍護結(jié)構(gòu)交角處的保溫設(shè)計圍護結(jié)構(gòu)的交角，包括外墻轉(zhuǎn)角、內(nèi)外墻交角、樓板或屋頂與外墻的交角等。在這些部位，散熱面積大于吸熱面積，氣流不暢，吸收的熱量 少，而散失的熱量多，其結(jié)果，交角處內(nèi)表面溫度比主體部分低， 往往結(jié)露或結(jié)霜。圍護結(jié)構(gòu)交角處的保溫設(shè)計由于交角處的溫度比主體低，在設(shè)計時要注意計算其內(nèi)表面的溫度，判斷內(nèi)表面的溫度是否低于室內(nèi)的露點溫度。民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范給出的內(nèi)表面溫度計算公式：圍護結(jié)構(gòu)交角處的保溫設(shè)計如果交角內(nèi)表面的溫度低于露點溫度td ， 則應(yīng)采取適當?shù)木植勘卮胧?。保溫材料的最小熱阻按下式計算：幾種交角局部保溫示例4) 外 門 保 溫 設(shè) 計門的熱阻一般比

16、窗的熱阻大，而比外墻和屋頂?shù)臒嶙栊?，也是建筑外圍護結(jié)構(gòu)保溫的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)盡可能選擇保溫性能好的保溫門。5.5被 動 式 太 陽 能 的 利 用 和 設(shè) 計在建筑中利用太陽能的方式有兩種：主動式：在運行過程中，需要機械動力的驅(qū)動，才能達到采暖和制冷的目的。被動式： 利用建筑構(gòu)件通過自然方式收集和傳送日輻射熱量，不需機械動力。本書只對被動式太陽能的利用作介紹被動式太陽房的主要集熱方式直接受益式 集熱墻式附加陽光間式另外有：屋頂池式對流環(huán)路式太陽房集熱方式-直接受益式直接受益式的特點：南向大窗口，冬季白天使大量陽光透入，夜間則用專門的保溫窗簾或保溫板遮擋窗口。室內(nèi)地面需用蓄熱能力大的材料，如磚或混凝

17、土等做成，在白天吸熱并儲存熱量，夜間不斷向室內(nèi)釋放，使室內(nèi)維持一定溫度，其他朝向的各面圍護結(jié)構(gòu)則盡量加強保溫，減少熱量散失。太陽房集熱方式-集熱蓄熱墻式太陽房集熱方式-集熱蓄熱墻式集熱蓄熱墻式有透光玻璃外罩和蓄熱墻體組成，其間留有空氣間層，有的在墻體的下部和上部設(shè)有進出風口。蓄熱墻向室內(nèi)供暖通過兩種方式：一是：白天墻體（涂有吸收率高的涂層）外表面吸收太陽的輻射后通過傳導(dǎo)將熱量傳至內(nèi)表面，向室內(nèi)散發(fā)；二是：在玻璃與蓄熱墻間的空氣被蓄熱墻體外表加熱后，熱空氣通過墻體上風口送入室內(nèi)，室內(nèi)冷空氣則通過下風口進入空氣間層，形成向室內(nèi)連續(xù)送熱風的對流循環(huán)；夜間則關(guān)閉上、下通風口，停止工作。為防止在夜間室內(nèi)熱量向室外散發(fā)，在玻璃外側(cè)應(yīng)設(shè)保溫窗簾或保溫板，其他朝向的圍護結(jié)構(gòu)也應(yīng)加強保溫。太陽房集熱方式-附加陽光間式太陽房集熱方式-附加陽光間式附加陽光間式的特點：有陽光間與主體房間相鄰，陽光間不但有很大的窗口其地面也是蓄熱體，陽光通過玻璃照射到蓄熱體上，儲存熱量，提高室內(nèi)溫度，而主體房間是通過與陽光間相鄰的墻或窗獲得熱量。夜間用保溫窗簾將陽光間與主體間隔開。為防止陽光間夏季過熱，在窗上方應(yīng)有可調(diào)節(jié)的排氣孔和遮陽措施。太陽房集熱方式-屋頂池式屋頂池式又稱蓄熱屋頂，可兼有冬季采暖和夏季降溫雙重功能。屋頂組成：主要