建筑物理——建筑保温与节能

第一篇建筑热工学第1章建筑热工学基础知识第2章建筑围护结构的传热计算与应用第3章建筑保温与节能第4章建筑围护结构的传湿与防潮第5章建筑防热与节能第6章建筑日照第3章建筑保温与节能3.1建筑保温与节能设计策略3.2非透明围护结构的保温与节能3.3保温材料与构造3.4透明围护结构的保温与节能3.5被动式太阳能利用设计第3章建筑保温与节能——3.1建筑保温与节能设计策略为了保证严寒与寒冷地区冬季室内热环境的舒适度，除建筑保温外，还需要有必要的采暖设备提供热量。当建筑物本身具有良好的热工性能时，维持所需的室内热环境，需要的供热量较小；反之，若建筑本身的热工性能较差，则不仅难以达到应有的室内热环境标准，还将使供暖耗热量大幅度增加，甚至在围护结构表面或内部产生结露、受潮等一系列问题。因此，妥善处理建筑围护结构的热工性能，无论是对于改善室内热环境，还是节约能源同样具有重要意义。建筑保温意义：第3章建筑保温与节能——3.1建筑保温与节能设计策略建筑保温与节能设计策略1）充分利用太阳能日照对建筑保温的重要意义：(1)太阳能能量密度高；（2）太阳能为清洁能源；（3）太阳能廉价；（4）太阳能有利于人体健康；（5）太阳能的利用非常现实。我国北方地区太阳能资源丰富，在建筑总平面布置和设计中，应充分利用冬季日照，建筑的主要朝向宜选择当地的最佳朝向，一般应采用南北或接近南北向。2）防止冷风的不利影响冷风对室内热环境的影响主要有两个方面，一方面是通过门窗缝隙进入室内，形成冷风渗透；另一方面是作用在围护结构外表面，使其对流换热系数增大，加大了外表面的散热量。防止冷风的措施：应争取不使大面积外表面朝向冬季主导风向，当受条件限制不可避免时，也应在迎风面上尽量少开门窗或其它孔洞，严寒地区还应设置门斗。另外，还要综合考虑房间密闭性和透气性的关系。第3章建筑保温与节能——3.1建筑保温与节能设计策略3)选择合理的建筑体形与平面形式建筑体形与平面形式、对保温质量和采暖费用有很大的影响。建筑师在处理体型与平面设计时，当然首选应考虑的是功能要求、空间布局以及交通流线等。外表面面积越大，热损失越多，不规则的外围护结构，往往又是保温的薄弱环节。因此，必须正确处理体形、平面形式与保温的关系，否则不仅增加采暖费用，而且浪费能源。对于体积相同的建筑物，在各外围护结构的传热情况均相同时，外围护结构的面积越小，则在保持相同的室内热环境时的耗热量越少。为此，特规定了“体形系数”(S)即建筑物与室外大气接触的外表面F0（不包括地面和不采暖楼梯间隔墙与户门的面积）与其所包围的体积V0之比，即S=F0/V0。在现行的建筑节能设计相关标准中，建筑物的体型系数是控制建筑采暖能耗的一个重要参数。第3章建筑保温与节能——3.1建筑保温与节能设计策略4）房间具有良好的热工特性、建筑具有整体保温和蓄热能力首先，房间的热特性应适合其使用性质。其次，房间的围护结构具有足够的保温性能，控制房间的热损失。同时建筑节能要求建筑外围护结构——外墙、屋顶、直接接触室外空气的楼板、不采暖楼梯间的隔墙、外门窗、楼地面等部位的传热系数不应大于相关标准的规定值。房间的热稳定性是在室内外周期热作用下，整个房间抵抗温度波动的能力。房间的热稳定性主要取决于内外围护结构的热稳定性。围护结构的热惰性是影响其热稳定性的主要因素。第3章建筑保温与节能——3.1建筑保温与节能设计策略5）建筑保温系统科学、节点构造设计合理在建筑物的外墙、屋顶等外围护结构部分假设保温材料时，保温材料与基层的粘结层、保温材料层、抹面层与饰面层等各层材料组成特定的保温系统。应针对建筑的功能、规模以及所在地区的气候条件确定科学的保温系统。建筑外围护结构中有许多传热异常部位，如外墙转角、内外墙交角、出挑阳台等构件。在采用某种保温系统的同时，充分利用合理的系统节点构造，以确保建筑保温与节能设计的科学性。6）建筑物具有舒适、高效的供热系统当室外气温昼夜波动，特别是寒潮期间连续降温时，为使室内气候能维持所需的标准，除了房间要有一定的热稳定性之外，在供热方式上也要互相配合。第3章建筑保温与节能——3.2非透明围护结构的保温与节能3.2.1建筑保温与最小传热阻法建筑保温设计是对建筑热工性能的最低要求，按照我国的《民用建筑热工设计规范》GB50176-93，保温设计是取阴寒天气作为设计计算基准条件。在这种情况下，建筑外围护结构的传热过程可近似为稳态传热。按稳态传热的理论，传热阻便成为外墙和屋顶保温性能优劣的特征指标，外墙和屋顶的保温设计则成为确定其合理的传热阻——最小传热阻。最小传热阻特指在建筑热工的设计与计算中，容许采用的围护结构传热阻的下限值。规定最小传热阻的目的是为了限制通过围护结构的传热量过大，防止内表面冷凝，以及限制内表面与人体之间的辐射换热量过大而使人体受凉。第3章建筑保温与节能——3.2非透明围护结构的保温与节能在我国北方采暖地区，设置集中采暖的建筑，其外墙和屋顶的传热阻不得小于按下式确定的最小传热阻：20min()(m)/[]ieittnRRKWt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——冬季室外计算温度，℃；n——温差修正系数；Ri——内表面换热阻；——室内气温与外墙（或屋顶）内表面之间的允许温差，℃。[]t第3章建筑保温与节能——3.2非透明围护结构的保温与节能n是考虑外表面位置的修正系数。由于计算最小热阻公式中统一取当地的室外气温的计算值，这对外墙、屋顶等直接接触大气的围护结构来说符合实际，但对那些不直接接触室外空气的结构来说则需要修正。如：顶棚的上部是闷顶空间，其温度比室外气温要高一些。允许温差。使用质量要求较高的房间，允许温差小一些。相同的室内外气候时，按较小的允许温差确定的最小传热阻大一些，即使用质量要求越高，围护结构应有更大的保温能力。ttt[]t第3章建筑保温与节能——3.2非透明围护结构的保温与节能3.2.2建筑节能与传热系数限值法1）居住建筑的保温与节能第一阶段：1986年以后新建的采暖居住建筑，在1980-1981年当地通用集合式住宅设计能耗水平基础上，普遍降低能耗30%；第二阶段：1996年起在与第一阶段相同的基础上节能50%；第三阶段：在达到第二阶段要求的基础上再节能30%，从而达到节能65%的目标。居住建筑的节能指标由建筑围护结构和采暖系统共同完成。在不同的节能阶段中，建筑围护结构所承担的节能比例分别为：20%，35%和50%。由此可以推断出，各地区在一定的气候条件下，室内设计采暖温度为18℃时，建筑体型系数一定的情况下，建筑外围护结构传热系数的限值。第3章建筑保温与节能——3.2非透明围护结构的保温与节能2）公共建筑的保温与节能新建公共建筑节能50%是建筑节能第一阶段的要求，在2010年以后新建的采暖公共建筑在第一阶段基础上再节能30%，实现节能65%的目标。根据《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005，办公、餐饮、交通、银行等九大类建筑，在集中采暖系统设定的室内设计温度的条件下，建筑实现节能50%目标时，建筑非透明围护结构的热工设计要求：（1）严寒、寒冷地区建筑的体型系数应小于或等于0.4；（2）在一定的气候分区中，围护结构传热系数不得大于限值。第3章建筑保温与节能——3.2非透明围护结构的保温与节能3）非透明围护结构的传热系数计算围护结构的传热系数K计算公式：2001/;(m)/ieKRRRRRKW外墙平均传热系数Km应是外墙主体部位的传热系数Kp与面积Fp和结构热桥部位的传热系数Kb与面积Fb加权平均后的传热系数。1122212W/(m)ppbbbbbnbnmpbbbnKFKFKFKFKKFFFF第3章建筑保温与节能——3.2非透明围护结构的保温与节能3.2.3建筑能耗控制与围护结构热工性能权衡判断法建筑能耗控制是居住建筑节能设计与计算的基本方法。在居住建筑节能设计标准中，在控制围护结构各部位最大传热系数的前提下，以最终控制建筑物折合在单位建筑面积上的采暖耗热量指标和耗煤量指标为目标。围护结构热工性能的权衡判断法是建立在控制建筑物总能耗的基础上，同时考虑了公共建筑节能设计与计算的科学性与合理性。为了尊重建筑师的创造性工作，同时又使所设计的建筑能够符合节能设计标准的要求，引入建筑围护结构总体热工性能是否达到节能要求的权衡判断。第3章建筑保温与节能——3.2非透明围护结构的保温与节能权衡判断是一种性能化的设计方法，具体做法是先构想出一栋虚拟的建筑，称之为参照建筑，分别计算参照建筑和实际设计的建筑的全年采暖和空调能耗，并依照这两个能耗的比较结果做出判断。当实际设计的建筑能耗大于参照建筑的能耗时，调整部分设计参数，重新设计所设计建筑的能耗，直至设计建筑的能耗不大于参照建筑的能耗为止。权衡判断的核心是对参照建筑和所设计建筑的采暖和空调能耗进行比较并作出判断。用动态方法计算建筑的采暖和空调能耗是一个分厂复杂的过程。必须借助于不断开发、鉴定和广泛推广使用的建筑节能计算软件。第3章建筑保温与节能——3.2非透明围护结构的保温与节能3.2.4楼地面的保温节能与热舒适性1）楼面的热工设计以木地面和水磨石两种地面为例，既是它们的表面温度完全相同，但若赤脚站在水磨石地面上，就比站在木地面上凉得多。这是因为两者的吸热指数B不同造成的。木地面:B=10.5，水磨石:B=26.8。吸热系数B：1111()1BfbbCb1——第一层（面层）材料的热渗透参数；λ1——第一层材料的导热系数；C1——第一层材料的比热容；γ1——第一层材料的表观密度。第3章建筑保温与节能——3.2非透明围护结构的保温与节能在大多数情况下，可以近似地取B=b1。因此，在进行地板面层设计时，应该选用b1小的面层材料，这是保证地板热舒适设计的一个重要方法。楼面的传热系数计算公式为：2001/;(m)/ieKRRRRRKW当楼板上下为居室时，当楼板接触室外空气时，当楼板是地下室或地下停车库的顶部时，20.11()/;ieRRmKW220.11()/;0.05()/;ieRmKWRmKW220.11()/;0.08()/;ieRmKWRmKW第3章建筑保温与节能——3.2非透明围护结构的保温与节能2）底层地面的热工设计底层地面是建筑非透明围护结构的一部分，是建筑与土地直接接触的部分。将地面划分为周边地面和非周边地面。在建筑节能设计标准中对地面的热阻做了相应的限值，如在严寒地区公共建筑的周边地面热阻不小于2.0（m2·K/W)，非周边地面热阻不小于1.8（m2·K/W)。地面热阻Rg是指地面至垫层各层材料的热阻与地面上表面的换热阻Rg之和。giRRRRg——地面热阻，（m2·K/W)——包括面层、保温层、垫层的地面各材料层热阻之和，（m2·K/W)。Ri——地面上表面的换热阻，一般取Ri=0.11（m2·K/W)R第3章建筑保温与节能——3.2非透明围护结构的保温与节能2）底层地面的热工设计底层地面是建筑非透明围护结构的一部分，是建筑与土地直接接触的部分。越靠近外墙，地板表面温度越低，单位面积的热损失越多。如图为一采暖房屋地面及地板下土壤中的温度分布。为改善外墙周边地板的热工状况，可采用图示的局部保温措施。第3章建筑保温与节能——3.3保温材料与构造3.3.1保温材料绝热材料：所谓绝热材料是指那些绝热性能比较高，也就是导热系数比较小的材料。究竟导热系数小到什么程度才算绝热材料，并没有绝对的标准，通常是把绝热系数小于0.3，并能用于绝热工程的。保温材料：习惯上把用于控制室内热量外流的叫保温材料。隔热材料：防止室外热量进入室内的叫做隔热材料。导热系数：是绝热材料最重要、最基本的热物理指标。一定温差下，导热系数越小，通过一定厚度材料层的热量越小；同样，为控制一定热流强度所需的材料层厚度也越小。影响材料导热系数的因素很多，例如密实性，内部孔隙的大小、数量、形状，材料的湿度，材料固体部分的化学性质以及工作温度等。在常温下