外维护结构热工计算

山东建筑大学教授花园调研报告——建筑外维护结构热工计算摘要：本文是关于山东建筑大学教授花园小区的一个调研报告，调研内容包括建筑的基本概况、保温系统、窗墙面积比、建筑体型系数等，并着重对建筑外围护结构作了热工计算，算得屋面、墙体等部分都符合热工规范要求。文章既是对调研内容各个方面的阐述，也是对热工计算方法的系统说明。关键词：教授花园，窗墙面积比，体型系数，热工计算一、调研基本情况介绍1.1教授花园概况建大教授花园居住小区，东为凤岐路，西为临港路，南北两侧均为城市规划道路，是以安排山东建筑大学教职工住宅为主的中档社区。中高层住宅为框架结构，多层住宅部分为框架结构，部分为砖混结构,总建筑面积为32.04万㎡，设计时间为2007年8月，2008年12月竣工。小区效果图小区景观及局部透视图1.2施工情况调研外围护结构保温性能是低能耗建筑成功地关键因素，维护结构保温性能与建筑体形系数、朝向、窗墙比，外墙、屋面及门窗材料的热特性有着密切的关系。本项目单体建筑众多，为了保证整个小区的节能效果，对最不利的建筑进行了设计，将其体形系数及窗墙比控制在节能65%的要求之间。同时，本项目逐一建筑材料及构造的选择，外墙采用240mm厚煤矸石多孔砖加60mm厚XPS保温板外保温，传热系数为0.4W/（㎡.K)，屋顶采用75mm厚XPS外保温，传热系数为0.3W/（㎡.K)，外窗采用双层Low-E节能窗（双层Low-E中空玻璃窗），空气层厚12mm，传热系数为2.6W/（㎡.K)，采用保温防盗一体门，传热系数为1.5W/（㎡.K)，完全超过了山东地区节能65%的结构保温性能要求。外墙部分：外墙部分才用外保温做法，构造由里向外分别为：基层墙体——15厚粘结型胶粉聚苯颗粒找平层——50厚挤塑聚苯板保温层——10厚粘结型胶粉聚苯颗粒找平层——10厚抗裂砂浆复合热镀锌电焊网——面砖粘结砂浆——外墙面砖。屋面部分：屋面部分由平屋面和坡屋面两部分，构造由下向上分别为：现浇钢筋混凝土屋面板——20厚水泥砂浆找平层——75厚挤塑聚苯板保温层——20厚水泥砂浆找平层——4厚高聚物改性沥青防水卷材防水层——20厚水泥砂浆找平层——1:3水泥砂浆挂瓦。二、窗墙面积比2.1窗墙面积比的概念窗墙面积比是单一朝向外窗(门)面积和墙面积(含窗面积)的比值，是建筑和建筑热工节能设计中常用到的一种指标。计算时以建筑的立面图为标准，窗墙比中的墙指一层室内地坪线至屋面高度线之间的墙体（不包括女儿墙高度和踢脚高度）。如遇幕墙，则按透光面积计算。《民用建筑热工设计规范》GB50176-93中规定：居住建筑各朝向的窗墙面积比，北向不大于0.25；东西向不大于0.30；南向不大于0.35。总体讲按标准计算可能不是很精确，但很大程度上能明确此建筑是否节能。《公共建筑节能设计标准GB50189-2005》、《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准JGJ75-2003》和《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准JGJ134-2001》规范中都有明确条文规定，有些为强制条文，需要时候可查阅。2.2教授花园窗墙面积比的计算下图为建筑大学教授花园各个立面图，根据立面图对四个朝向的窗墙面积比进行计算：南立面图北立面图东立面图西立面图窗墙面积比计算结果表位置规定值测定值东墙≤0.300.15西墙≤0.300.06南墙≤0.350.32北墙≤0.250.25三、建筑体型系数3.1教授花园建筑体型系数的计算建筑物体形系数是指建筑物与室外大气接触的外表面积与外表面积所包围的建筑体积之比(外表面积中，不包括地面和不采暖楼梯间隔墙和户门的面积)。标准平面图根据的标准平面图和立面图进行计算：建筑面积：774㎡建筑体积：774*2.9*5+774*2.5+0.5*12*2.3=11223+1935+13.8=13171.8m3建筑表面积：168*2.9*5+168*2.5+59*7*2=2436+420+826=3682㎡体型系数：3682/13171.8=0.28建筑面积㎡774㎡建筑体积m313171.8m3建筑外表面积FO(m2)3682m2建筑体型系数S0.28五、维护结构热工计算5．1墙体热工计算5．1．1墙体热工计算公方法（1）维护结构传热阻Ro=Ri＋∑R＋Re式中Ri——内表面换热阻，取0.11(m2·K/W)Re——外表面换热阻，取0.04(m2·K/W)∑R——围护结构各层材料热阻总和（m2·K/W）（2）维护结构传热系数K=1/Ro式中Ro——围护结构传热阻（m2·K/W)（3）围护结构热阻的计算：a、单层结构热阻：R=δ/λ式中δ——材料厚度（m）λ——材料导热系数（W/m·K）b、多层结构热阻R=R1+R2+….+Rn=δ1/λ1+δ2/λ2……+δn/λn式中R1、R2¨¨¨Rn——各层材料热阻(m2·K/W)1、δ2¨¨¨δn——各层材料厚度（m）λ1、λ2¨¨¨λn——各层材料导热系数（W/m·K）5．1．2教授花园的墙体热工计算已知：混合砂浆：λ1=0.87W/(m·k)，δ1=20mm，R1=0.023，；基层墙体：黄河泥沙烧结砖，λ2=0.81W/(m·k)，δ2=240mm，R2=0.296；黏结性胶粉颗粒找平层：λ3=0.06W/(m·k)，δ3=10mm，R3=0.166；聚苯板保温层：λ4=0.050，δ4=0.042mm，R4=1.190；抗裂砂浆：λ5=0.93，δ5=10mm，R5=0.011；外墙面砖：，λ6=0.81W/(m·k)，δ6=10mm，R6=0.012；R1=δ1/λ1=0.02/0.87=0.023(m2·K/W)R2=δ2/λ2=0.24/0.81=0.296(m2·K/W)R3=δ3/λ3=0.01/0.06=0.166(m2·K/W)R4=δ4/λ4=0.05/0.042=1.190(m2·K/W)R5=δ5/λ5=0.01/0.93=0.011(m2·K/W)R6=δ6/λ6=0.01/0.81=0.012(m2·K/W)Ro=Ri+R1+R2+R3+R4+R5+R6+Re=0.11+0.023+0.296+0.166+1.190+0.011+0.012+0.04=1.808K=1/Ro=0.55≤0.635．2热惰性指标5．2.1热惰性指标计算方法热惰性指标是目前居住建筑节能设计标准中评价外墙和屋面隔热性能的一个设计指标，它是表征在夏季周期传热条件下，外围护结构抵抗室外温度波和热流波动能力的一个无量纲指标，以符号D表示，D值越大，温度波与热流波的衰减程度也越大，热稳定性越好。a、单一材料围护结构或单一材料层的D值：D=RS式中R——材料层的热阻（m2·K/W）S——材料的畜热系数（W/m2·K）b、多层围护结构的D值：D=D1+D2+…+Dn=R1S1+R2S2+…+RnSn式中D1、D2…Dn——各层材料的热随性指标R1、R2…Rn——各层材料的热阻S1、S2…Sn——各层材料的畜热系数5．2.2教授花园外墙热惰性指标计算已知：混合砂浆：R1=0.023，S1=11.37；基层墙体：黄河泥沙烧结砖，R2=0.296，S2=10.43；黏结性胶粉颗粒找平层：R3=0.166，S3=0.36；聚苯板保温层：R4=1.190，S4=0.36；抗裂砂浆：R5=0.011，S5=11.37；外墙面砖：R6=0.012，S6=11.11；D=D1+D2+¨¨¨+D6=R1S1+R2S2+R3S3+R4S4+R5S5+R6S6=0.023×11.37+0.296×10.43+0.166×0.36+1.190×0.36+0.011×11.37+0.012×11.11=4.1；5．3最小传热阻5．3．1最小传热阻计算方法最小传热阻是指围护结构在规定的室外计算温度和室内计算温度条件下，为保证围护结构内表面不低于室内空气露点温度，从而避免结露，同时避免人体与内表面之间辐射换热过多，而引起的不舒适感所必需的传热阻。《热工规范》第3.2.5条“外墙、屋顶、直接接触室外空气的楼板和不采暖楼梯间的隔墙等围护结构，应进行保温验算，其传热阻应大于或等于建筑物所在地区要求的最小传热阻。”最小传热阻计算公式为：Ro.min=(ti-te)n·Ri［Δt］式中Ro.min——围护结构最小传热阻（m2·K/W）ti——冬季室内计算温度℃，一般居住建筑取18℃；高级居住建筑、医疗、托幼建筑，取20℃；te——围护结构冬季室外计算温度（℃），按下表取值。n——温差修正系数（外墙、平屋顶及与室外空气直接接触的楼板等取1.00）Ri——围护结构内表面换热阻（m2·K/W）（墙面、地面、表面平整或有肋状突出物的顶棚，取0.11）［Δt］——室内空气与围护结构内表面之间的允许温差（℃），按表4.1.1-2取值。5．3．2教授花园最小传热阻计算表4.1.1-2室内空气与围护结构内表面之间的允许温差［Δt］（℃）建筑物和房间类型外墙平屋顶和坡屋顶顶棚居住建筑、医院和幼儿园等6.04.0办公楼、学校和门诊部等6.04.5礼堂、食堂和体育馆等7.05.5所以，教授花园的围护结构最小传热阻（m2·K/W）应为Ro.min=(ti-te)n·Ri=（18+10）×1×0.11=0.513［Δt］6若外墙是轻质材料或内侧是复合轻质材料时，为保证不因温度波动造成结露，该部位的最小传热阻应根据外墙材料与构造增加附加热阻:1、当建筑物处在连续供热采暖时，其附加值为30%~40%;2、当建筑物在间歇供热采暖时，其附加值为60%~80%。5．4屋面传热系数5．4．1屋面传热系数计算方法K=1=1RoRi＋∑R＋Re计算要点:1.外表面换热阻Ri=0.04(m2.K/W);2.内表面换热阻Re=0.11(m2.K/W);3.平屋面找坡层的计算厚度取平均厚度,一般取0.04~0.07(m);4.防水层的热阻忽略不计.5.保温层材料的导热系数亦取计算导热系数λc，即应发实验室绝干状态下测定的导热系数λ乘以大于1的修正系数a。a值可由《民用建筑热工规范》附表中查取。λc=λ·a6.采用松散保温材料搅拌成的浆体材料做保温层，其导热系数应以混合后的实际材料导热系数计算。5．4．2教授花园屋面传热系数计算本屋面采用60厚挤塑型聚苯板保温系统,具体做法详见屋面构造图。钢筋混凝土屋面，卷材防水，60厚XPS板保温，体形系数S=0.280.3，Ri=0.11,Re=0.04。计算屋面传热系数K值。2、水泥砂浆找平δ2=0.02λ2=0.93R2=δ2/λ2=0.02/0.93=0.0223、水泥砂浆找平δ3=0.02λ3=0.93R3=δ3/λ3=0.02/0.93=0.0224、XPS板保温δ4=0.075λ4=0.03×1.1=0.033R4=δ4/λ4=0.075/0.033=2.2735、水泥砂浆找平δ5=0.02λ5=0.93R5=δ5/λ5=0.04/0.93=0.0226、钢筋砼板δ砼=0.18λ8砼=1.74R砼=δ砼/λ1=0.18/1.74=0.103Kp=1Ri+R2+R3+R4+R5+R砼+Re=10.11+0.022+0.022+2.273+0.022+0.103+0.04=0.3860.45由计算得传热系数K值满足标准极限值0.45的要求。5．5楼地面热工计算1、建筑门窗及玻璃幕墙传热系数K的计算方法与外墙平均传热系数的计算方法相同，是采用加权平均的方法。即将窗玻璃的传热系数与窗框的传热系数加权平均。2、窗框和幕墙框的传热系数可用二维有限单元法进行数字计算。3、采用典型玻璃、配合不同窗框，在典型窗框面积比的情况下，整窗传热系数见《全国民用建筑工程设计技术措施——节能专篇》（建筑）表6.3.3-1和表6.3.3-2。5．5楼地面热工计算5.5.1楼层板传热系数计算要点（1）上、下为居室的层间楼板的上下表面换热阻Ra=0.11(m2·K/W);（2）底面接触室外空气的架空或外挑楼板的上表面换热阻Ra=0.11(m2·K/W);下表面换热阻Rb=0.05(m2·K/W);（3）有地下室或地下室停车库楼板的上表面换热阻