建筑物理详解

第五讲：

第3章：建筑保温节能设计

建筑的体型与围护结构的设计

围护结构的作用

建筑保温问题

●在我国大约有占全国总面积70%的地区冬季室内需要采暖。这些地区的建筑在设计上既要考虑保证良好的室内热环境，还要注意节省采暖的能耗和建造费用，即需要注意建筑保温问题。

●建筑保温包括：

建筑方案设计中的保温综合处理

围护结构保温

本讲主要内容

●5.1：建筑保温与节能设计策略

●5 2：非透明围护结构的保温与节能

●5.3：保温材料与构造

●5.4：透明围护结构的保温与节能

●5.5：被动式太阳能利用设计

5.1 建筑保温与节能设计策略

●在严寒和寒冷地区，为了保证室内热环境的舒适度，一方面加强建筑保温，另一方面有采暖设备提供热量。

●当建筑本身设计有良好的热工性能时，维持室内热环境需要的供热量较小；反之，建筑本身的热工性能较差时，则不仅难以达到应有的室内热环境标准，还将使供暖能耗大幅度增加，甚至在围护结构内表面或内部产生结露、受潮等。

●在进行建筑保温设计时，要充分利用有利因素，克服不利因素，应注意以下几方面的处理措施：

充分利用太阳能

●在建筑中利用太阳能一般包括两方面的涵义：

●一是从节约能源的角度考虑，太阳是一种洁净、可再生的能源，将其作为采暖能源，可以节约常规能源，保护自然生态环境。

●二是从卫生角度考虑；太阳辐射中的短波成份有强烈的杀菌防腐效果，室内有充足的日照对人体健康非常有利。

2）防止冷风的不利影响

●风对室内热环境的影响主要有两方面：

●一是通过门窗口或其他孔隙进入室内，形成冷风渗透，冷风渗透量愈大，室温下降愈多；一般砖混结构空气渗透所致热耗占采暖热耗的1/4~1/3；

●二是作用在围护结构外表面上，使对流换热系数变大，增强外表面的散热量，外表面散热愈多，房间的热损失就愈多。

●对寒冷地区的建筑，从体型上考虑节能问题主要包括两方面：一是尽量节省外围护结构面积；二是使建筑物能充分争取到冬季的日辐射得热。如体型过于复杂，外表面面积较大，热损失越多。

对同样体积的建筑物，在各面外围护结构的传热情况均相同时，外围●

护结构的面积愈小则传出的热量愈小。表面积与体积的关系用“体型系数”（S）来表示，即一栋建筑的外表面积F0与其所包围的体积V0之比，S= F0 / V0

体型系数（S）

如建筑物的高度相同，则其平面形式为圆形时体形系数最小，依次为正方形、长方形以及其他组合形式。

体型系数（S）

●建筑层数对体型系数及单位面积耗热也有很大影响。在同样建筑面积的情况下，一般是单层建筑的体型系数及耗热量比值大于多层建筑。

●一般是总建筑面积愈大时，要求建筑层数也相应加多，对节能有利。

建筑物的体形系数是控制建筑采暖能耗的一个重要参数

●1、针对建筑的功能、规模以及所在地区的气候条件科学的确定保温系统，注意保温系统的材料选择、性价比、施工技术等。

●2.做好建筑围护结构特殊部位的保温，如外墙转角，内外墙交角，女儿墙、出挑阳台等。

●如在严寒地区对建筑保温节能构造设计八项要求:P60

6）建筑物具有舒适、高效的供热系统

●当室外气温昼夜波动，为使室内热环境能维持所需的标准，除了房间应有一定得热稳定性外，在

供热方式供热的间歇时间不宜太长，以防夜间温度达不到基本的热舒适标准。

●建筑保温与节能，一是保证室内热环境的舒适性，尽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热系统，从而实现建筑节能的总体目标。

●国家建筑设计规范和节能标准对非透明围护结构的保温与节能提出有具体要求

●建筑外围护结构非透明部分：外墙、屋顶、地面、与室外空气接触的架空的楼地面、非透明幕墙、非采暖楼梯间等。

最小传热阻的确定

●围护结构冬季室外计算温度

1、居住建筑的保温与节能：

●采暖区：累计日平均气温低于或等于5℃的天数，在90天以上的地区为采暖区。主要包括东北、西北和华北地区。

●采暖居住建筑节能目标：第一阶段：1986年后的建筑与之前比节能30%；第二阶段：1996年后建筑，与第一阶段之前的能耗比节能50%；第三阶段：是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。

●居住建筑的采暖节能指标由建筑围护结构和采暖系统共同完成。建筑围护结构所承担不同阶段的节能比例是：20%、35%、50%。

●由此可推断：各地区在一定气候条件下，建筑体系系数一定时，室内采暖温度为18℃，建筑外围护结构传热系数的限值（参见表3-1）

2、公共建筑的保温与节能：

●公共建筑节能目标：第一阶段：节能50%；第二阶段：12010年后新建的采暖公共建筑，在第一阶段的基础上再节能30%；实现节能65%的目标。

●建筑非透明围护结构的热工设计要求：

㈠、严寒、寒冷地区的建筑的体形系数应小于或等于0.4；

㈡、在一定的气候分区中，围护结构的传热系数不得大于限值，参见表3-2.

围护结构的传热系数K的计算公式：

4）地板的保温设计

●采暖房屋地板的热工性能对室内热环境的质量、对人体的热舒适有重要的影响。对于底层地板，和屋顶、外墙一样，也应有必要的保温能力。

●地板保温的特点：

●a）由于地面下土壤温度的年变化比室外空气小很多，因此冬季地面散热最大的部分是靠近外墙的地面，其宽度约在0.5m~2m左右。我国规范规定，对于严寒地区采暖建筑的底层地面，当建筑物周围无采暖管沟时，在外墙内侧0.5m~1.0m范围内应铺设保温层，其热阻不应小于外墙的热阻。

●地板温度分布图

●地板局部保温

b）地板是与人脚直接接触而传热的，经验证明：在室内各种不同材料的地面，即使它们的温度完全相同，人站在上面的感觉也会不一样。如木地板与水磨石，后者人感觉要凉得多。

地面舒适条件取决于地面的吸热指数B值。B值愈大，则地面从人脚吸取的热量愈多愈快。

吸热指数B值

比如在地板的划分中，B值Ⅰ类<17，Ⅱ类在17~23，Ⅲ类>23。依据B值，我国将地板划分三类：

Ⅰ类：木地板、塑料地板。如高级居住建筑、幼儿园、医疗机构等采用。

Ⅱ类：水泥砂浆地面等。如普通居住建筑、公共建筑（包括中小学教室）已采用不低于Ⅱ类。

Ⅲ类：水磨石地面及其它石类地面。人们短时间逗留的房间，以及室温高于23℃的房间采用此类。

1、隔热保温材料----保温材料的导热系数及影响因素

导热系数越小，说明材料越不易导热。

工程上常将导热系数λ＜0.3W/（m · K）的材料称为隔热保温材料或绝热材料。如矿棉、泡沫塑料等。

保温或绝热材料可以归纳为三类：

轻质成型材绝热

空气层绝热

反射绝热

2、保温构造设置的类型（外墙和屋顶）

●a）保温构造的种类：根据地方气候特点及房间使用性质，外墙和屋顶可以采用的保温构造方案有多种多样，大致可分为以下几种类型：●单设保温层

●封闭空气间层保温(空气层厚度，一般以4~5cm为宜)

●保温与承重相结合

●混合型构造

b）单设保温层复合结构的形式和特点

----用两种或两种以上的材料分别满足保温和承重的需要—复合结构

●当采用单设保温层复合墙体或屋顶时，保温层的位置，对结构及房间的使用质量、结构造价、施工、维持费用等各方面都有重大影响。

●随着对围护结构保温要求的增加，复合结构的使用也日益广泛。单设保温层复合结构大体上可分为：

内保温

外保温

夹芯保温

单设保温层复合构造形式

外保温的优点

（1）使墙或屋顶的主要部分受到保护，大大降低温度应力的起伏。

保温层位置不同时墙体的年间温度变化

保温层位置不同时屋顶的年间温度变化

?内外保温对热桥的不同影响：内保温时热

桥内表面处的温度相对较低

外保温的局限性

●（a）外保温比较适合住宅，规模较大的建筑如办公大楼，外保温效果不明显。（住宅能判断外保温是否能提高房间的热稳定性，大办公楼因内部有大量热容量也很大的隔墙、柱、各种设备参与蓄热调解，外保温蓄热作用就不太显著了）

●（b）墙体外保温处理，在构造上比内保温复杂。保温层不能裸露在室外，需加保护层，可外饰面比较难处理。

屋顶保温----U S D构造法

●采用外保温的屋面，传统的做法是保温层上面做防水层，由于防水层的水蒸气透过能力很差，使屋面容易产生内部结露。同时防水层直接暴露在大气中，受日晒、交替冻融等影响，极易老化和破坏。

●USD（Upside Down）构造法也叫倒铺法。不仅有可能完全消除内部结露的可能性，又是防水层得到保护。

3、异常部位的保温设计

外窗、外门和地面热桥

●对一栋建筑物来说，外窗、外门和地面在外围护结构总面积中占

30~60%之间，而外窗、外门和地面的传热失热量外加门窗缝隙引起的空气渗透耗热量，占总耗热量的60 %。

●因此必须做好窗户、外门、地面的保温设计。

1）窗户的保温设计

●窗户的保温设计主要考虑以下几方面：

●（1）控制窗墙面积比。对于居住建筑，各朝向的窗墙面积比规定见表

（3）提高窗户的保温能力

（a）改善窗框保温性能。首先，将薄壁实腹型材改为空心型材，内部形成封闭空气层，提高保温能力。其次，开发塑料构件，第三，用保温砂浆、泡沫塑料等填充密封窗框与墙之间的缝隙。

（b）改善窗玻璃部分的保温能力。用双层窗（间隔以4-5cm为宜）或双玻窗（双玻窗的空气间层厚度以2~3cm为最好）增加窗扇或窗玻层数，提高窗户保温能力。

因为层与层之间的空气层，加大了窗的热阻。

（c）合理选择窗户类型。窗的大小、窗的朝向等

2）热桥保温

●在围护结构中，常有保温性能远低于主体部分的嵌入构件，这些部位的传热量比主体部分大得多，所以他们内表面的温度也比主体部分低，在建筑热工学中，把这些容易传热的部分叫“热桥”。“热桥”即是热量容易通过的地方。

●外墙中的钢或钢筋混凝土骨架、圈梁；楼板、墙板中的肋条等都属于“热桥”。

热桥的几种典型情况：贯通式和非贯通式

热桥保温

●在围护结构中，热桥是不可避免的。热桥如果传热量过大，内表面的温度就会过低，就有必要校核热桥内表面是否会结露，以确定保温措施。为此，要掌握热桥内表面温度的计算方法：

●（1）肋宽与结构厚度比≤1.5

热桥保温

●如果运用温度计算公式求出的热桥内表面温度比房间的露点温度还低，就要预先对热桥采取局部保温措施。

●贯通式热桥：以硬质泡沫塑料或其他保温材料，结合墙壁内粉刷综合处理。保温层的厚度和保温层的宽度都有所要求。

贯通式热桥保温：（1）保温层的厚度d由下式确定；（2）主体部分的厚度δ与热桥的宽度a大小决定保温层的宽度。

3）围护结构交角处的保温设计

围护结构的交角，包括外墙转角、内外墙交角、楼板或屋顶与外墙的交角等。

在这些部位，散热面积大于吸热面积，气流不畅，吸收的热量

少，而散失的热量多，其结果，交角处内表面温度比主体部分低，往往结露或结霜。

围护结构交角处的保温设计

●由于交角处的温度比主体低，在设计时要注意计算其内表面的温度，判断内表面的温度是否低于室内的露点温度。《民用建筑热工设计规范》给出的内表面温度计算公式：

围护结构交角处的保温设计

●如果交角内表面的温度低于露点温度t d ，则应采取适当的局部保温措施。保温材料的最小热阻按下式计算：

几种交角

局部保温示例

4）外门保温设计

门的热阻一般比窗的热阻大，而比外墙和屋顶的热阻小，也是建筑外围护结构保温的薄弱环节，应尽可能选择保温性能好的保温门。

5.5被动式太阳能的利用和设计

●在建筑中利用太阳能的方式有两种：

●主动式：在运行过程中，需要机械动力的驱动，才能达到采暖和制冷的目的。

●被动式：利用建筑构件通过自然方式收集和传送日辐射热量，不需机械动力。

●本书只对被动式太阳能的利用作介绍

被动式太阳房的主要集热方式

●直接受益式

●集热墙式

●附加阳光间式

●另外有：屋顶池式

对流环路式

太阳房集热方式---直接受益式

●直接受益式的特点：

●南向大窗口，冬季白天使大量阳光透入，夜间则用专门的保温窗帘或保温板遮挡窗口。室内地面需用蓄热能力大的材料，如砖或混凝土等做成，在白天吸热并储存热量，夜间不断向室内释放，使室内维持一定温度，其他朝向的各面围护结构则尽量加强保温，减少热量散失。

太阳房集热方式---集热蓄热墙式

太阳房集热方式---集热蓄热墙式

●集热蓄热墙式有透光玻璃外罩和蓄热墙体组成，其间留有空气间层，有的在墙体的下部和上部设有进出风口。蓄热墙向室内供暖通过两种方式：

●一是：白天墙体（涂有吸收率高的涂层）外表面吸收太阳的辐射后通过传导将热量传至内表面，向室内散发；

●二是：在玻璃与蓄热墙间的空气被蓄热墙体外表加热后，热空气通过墙体上风口送入室内，室内冷空气则通过下风口进入空气间层，形成向室内连续送热风的对流循环；夜间则关闭上、下通风口，停止工作。

●为防止在夜间室内热量向室外散发，在玻璃外侧应设保温窗帘或保温板，其他朝向的围护结构也应加强保温。

太阳房集热方式---附加阳光间式

太阳房集热方式---附加阳光间式

●附加阳光间式的特点：

●有阳光间与主体房间相邻，阳光间不但有很大的窗口其地面也是蓄热体，阳光通过玻璃照射到蓄热体上，储存热量，提高室内温度，而主体房间是通过与阳光间相邻的墙或窗获得热量。夜间用保温窗帘将阳光间与主体间隔开。

●为防止阳光间夏季过热，在窗上方应有可调节的排气孔和遮阳措施。

太阳房集热方式---屋顶池式

●屋顶池式又称蓄热屋顶，可兼有冬季采暖和夏季降温双重功能。

●屋顶组成：主要有作为蓄热体的装满水的密封袋和其下的金属薄板顶棚及顶部可移动的保温盖板组成。

●白天晚上打开关闭时间不一样

太阳房集热方式---对流环路式

●一般是指利用附加在房间南向的空气集热器向房间供热，其供热方式：

●被日辐射加热的空气借助于温差产生的热压从集热器流到设于地板下的卵石床内，空气中的热量逐渐被卵石吸收而变冷，冷却后的空气又从下部进入集热器再次加热，蓄热后的卵石床在夜间或冬

季通过地面向室内供热。如用风扇来加强热空气的流动，效果更好。

被动式太阳房设计中应注意的问题

●（a）太阳房的热稳定性：集热面朝向；蓄热体的配置和集热墙厚度。

●（b）夏季的防热：集热面的遮阳；太阳房的环境绿化