建筑节能专项考试之热工计算PPT课件

1 浙江省建筑节能专项考试大纲 建筑 1 一般要求1 1理解建筑节能的真正含义1 2熟悉建筑节能设计中常用的名词 术语及符号1 3熟悉中国建筑气候分区情况及浙江省所处的建筑气候区 了解浙江省建筑气候特点 1 4熟悉 公共建筑节能设计标准 夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准 及浙江省相关标准中的强制性条文 2 2 建筑总体布局2 1建筑总平面的设计原则2 2规划和建筑设计中如何适应气候环境2 3如何合理确定建筑物的日照间距及朝向 住宅 老年人住宅 残疾人住宅 医院 疗养院 托儿所 幼儿园的日照标准 3 3 建筑单体的节能设计要点 3 1体形系数3 2外门窗 包括透明幕墙 气密性要求及K值 遮阳系数的规定 限值 和计算3 3墙体 包括居住建筑的分户墙和公共建筑中必要的分隔墙 K值的规定 限值 和计算 外墙平均K值的计算3 4屋面 包括屋顶透明部分 K值的规定 限值 和计算3 5楼地面 包括与室外空气接触的挑空楼板 K值的规定 限值 和计算3 6地面及地下室外墙的热阻及限值3 7了解本地区居住建筑节能综合指标的限值 4 浙江省建筑节能专项考试参考资料 建筑 1 民用建筑热工设计规范 GB50176 93 2 夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准 JGJ134 2001 3 公共建筑节能设计标准 GB50189 2005 4 浙江省标准 居住建筑节能设计标准 DB33 1015 2003 5 浙江省标准 公共建筑建筑节能设计标准 DB33 1036 2007 6 全国民用建筑工程设计技术措施 节能专篇 建筑 7 外墙外保温工程技术规程 JGJ144 2004 围护结构保温构造详图 2005浙J45 8 浙江省建设工程建筑节能 含节水 节材 节地 推广技术公告 浙江省建设工程淘汰和限制使用技术与产品目录 可在网上下载 5 我国从上世纪80年代开始进行居住建筑节能设计 夏热冬冷地区从2001年10月1日起执行 夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准 开始进行居住建筑节能设计浙标 居住建筑节能设计标准 DB33 1015 2003 03年12月发布04年1月1日施行 从2005年7月1日起执行 公共建筑节能设计标准 公共建筑进行节能设计浙标 公共建筑节能设计标准 DB33 1036 2007 07年12月发布08年1月1日施行 6 建筑节能设计涉及面很广 主要的有两个方面 一是建筑物在发挥其正常功能过程中的能耗问题 也就是在满足人们对舒适热环境的前提下合理 有效地使用能源 即采暖通风系统节能 二是建筑外围护结构保温 隔热问题 也就是高效保温隔热材料的合理使用和正确布置 以减少外界环境对室内热环境的影响 即围护结构系统节能 这是一个问题的两个方面 两个方面结合得好 就能达到既节能 又节省一次性投资的最佳目的 7 建筑外围护结构的保温隔热措施 主要包括屋顶 外墙 架空或外挑楼板以及室内地面的保温隔热构造的确定 材料的选用以及采用保温门窗等措施 8 建筑节能涉及的热工参数及计算内容 我们可以通过规范中对建筑设计在节能方面所需控制并达到的各项规定性指标及要求来归纳出节能设计应熟悉并掌握的有关热工参数及计算内容 9 居住建筑节能设计汇总表 仅供参考 10 注 K为传热系数 W m2 K D为热隋性指标 11 公共建筑节能设计汇总表 仅供参考 12 注 K为传热系数 W m2 K SC为遮阳系数 窗墙面积比小于0 4时 玻璃的可见光透射比应 0 4 13 一 建筑体形系数 一 建筑体形系数是指建筑物与室外大气接触的外表面积和外表面所包围的体积之比值 计算公式 F0 建筑物与室外大气接触的外表面积 m2 V0 外表面所包围的建筑体积 m3 14 规定性指标 浙标 公共建筑节能设计标准 DB33 1036 20074 1 3建筑物的体形宜避免过多的凹凸与错落 体形系数不宜大于0 40 15 建筑外墙面面积应按各层外墙外包线围成的面积总和计算 建筑物外表面积应按墙面面积 屋顶面积和下表面直接接触室外空气的楼板 外挑楼板 架空层顶板 面积的总面积计算 不包括地面面积 不扣除外门窗面积 建筑体积应按建筑物外表面和底层地面围成的体积计算 16 二 试计算三栋十层30m高 每层建筑面积同为600m2 不同平面形状建筑的体形系数 17 计算结果比较 18 若改为六层18m高时的结果比较 19 结论一平面外形越紧凑 体形系数越小 层数越少 体形系数越大 增设架空层 体形系数随之扩大 20 三 体形系数的大小对建筑能耗的影响非常显著 体形系数越小 单位建筑面积对应的外表面积越小 外围护结构的传热损失就越小 因此 从降低建筑能耗的角度出发 应该将体形系数控制在一个较低的水平 但体形系数的大小与建筑造型 平面布局 采光通风等条件紧密相关 21 体形系数限值规定过小 将制约建筑师们的创造性 造成建筑造型呆板 平面布局困难 甚至损害建筑功能 因此权衡利弊 兼顾不同类型的建筑造型 尽可能地减少房间的外围护面积 避免因体形复杂和凹凸过多造成外墙面积太大而提高体形系数 甚至超过规定性指标 得重新调整建筑平面布局 22 控制体形系数大小的方法 减少建筑的面宽 加大建筑的进深 面宽与进深之比不宜过大 长宽比应适宜 增加建筑的层数 多分摊屋面或架空楼板面积 建筑体型不宜变化过多 立面不宜太复杂 造型宜简练 23 二 窗墙比与遮阳系数 24 外窗 含透明幕墙 热工设计在建筑的外窗 含透明幕墙 下同 墙体 屋面三大围护部件中 外窗的热工性能最差 是影响室内热环境质量和建筑能耗的最主要因素之一 它的能耗约为墙体的3倍 屋面的4倍 约占建筑围护结构总能耗的40 50 因此 加强外窗的保温隔热性能 减少窗的热量损失 是改善室内热环境质量和提高建筑节能水平的非常重要环节 25 一 窗墙面积比和传热系数 普通窗户的保温隔热性能差 夏季白天通过窗户进入室内的太阳幅射热也多 窗墙面积比越大 采暖 空调的能耗也越大 因此从节能角度出发 必须限制窗墙面积比 一般情况 应以满足室内采光要求作为窗墙面积比的确定原则 1 窗墙面积比计算 1 计算公式 Ac 同一朝向的外窗 含透明幕墙 及阳台门透明部分洞口总面积 m2 Aw 同一朝向外墙总面积 含该外墙上的外门窗的总面积 m2 26 2平均窗墙面积比整栋建筑某一相同朝向的外墙面上的窗及阳台门的透明部分的总面积与该朝向的外墙面的总面积 包括外墙中窗和门的面积 之比 27 例 杭州某办公建筑按节能分类为乙类建筑 建筑南面为 4米 8开间 32m 层高3米 四层 每层设窗 3米宽 1 5米高 各8个 求此建筑南面的平均窗墙比 平均窗墙面积比 建筑某一相同朝向的外墙面上的窗及阳台门的透明部分的总面积与该朝向的外墙面的总面积 包括外墙中窗和门的面积 比 按给出的条件此建筑南面的平均窗墙比应为 28 二 外窗遮阳 夏热冬冷地区 建筑外窗对室内热环境和空调负荷影响很大 通过外窗进入室内的太阳辐射热几乎不经过时间延迟就会对房间产生热效应 特别是在夏季 太阳辐射如果未受任何控制地射入房间 将导致室内环境过热和空调能耗的增加 因此 采取有效的遮阳措施 降低外窗太阳辐射形成的空调负荷 是实现居住建筑节能的有效方法 由于一般公共建筑的窗墙面积比较大 因而太阳辐射对建筑能耗的影响很大 为了节约能源 应对窗口和透明幕墙采取外遮阳措施 29 1 遮阳系数的定义为在法向入射条件下 通过玻璃构件 包括窗的透明部分和不透明部分 的太阳辐射得热率 与相同入射条件下的标准玻璃 3mm厚 的太阳辐射得热率的比值 也可认为是太阳辐射能透过指数 2 计算公式 30 3 规定性指标详GB50189 2005标准表4 2 2 4 有外遮阳设施时 遮阳系数 玻璃的遮阳系数 外遮阳的遮阳系数 无外遮阳设施时 遮阳系数 玻璃的遮阳系数 外遮阳系数的计算方法 详GB50189 2005标准25页附录A 玻璃的遮阳系数可参照 公共建筑节能设计标准 DB33 1036 2007P88表E 0 6 31 上题中 每扇窗顶均设0 6m水平遮阳 求其水平外遮阳系数 按浙标 公共建筑节能设计标准 DB33 1036 2007p38附录A建筑外遮阳系数计算方法 A 0 1水平遮阳板的外遮阳系数应按下列公式计算确定 水平遮阳板 A 0 1 1 遮阳板外挑系数 PF A B A 0 1 3 式中SDH 水平遮阳板夏季外遮阳系数 ah bh 计算系数 按表A 0 1取定 PF 遮阳板外挑系数 当计算出的PF 1时 取PF 1 A 遮阳板外挑长度 图A 0 1 B 遮阳板根部到窗对边距离 图A 0 1 32 图A 0 1遮阳版外挑系数 PF 计算示意图 33 表A 0 1水平和垂直外遮阳计算系数 34 查表A 0 1南向ah 0 47bh 0 79 按浙标 公共建筑节能设计标准 DB33 1036 2007 外遮阳系数查P38公式A 0 1 1水平遮阳板 按公式及题目所给数据计算 则根据计算 其水平外遮阳系数为 0 759 A 0 1 1 35 例题中其他条件不变 现按节能要求选择6 12 6普通中空玻璃断热铝合金窗 请计算此方向窗是否能满足省标 公共建筑节能设计标准 DB33 1036 2007中规定性遮阳系数要求 根据 公共建筑节能设计标准 DB33 1036 2007查表P9页4 2 1 2乙类建筑窗墙比为0 375则K 3 0 南侧遮阳 O 50 36 表4 2 1 2乙类建筑围护结构传热系数和遮阳系数限值 37 查P88表E 0 66 12 6普通中空玻璃 K 2 8SC 玻璃 0 86按上题所求 水平外遮阳系数SDh 0 759综合遮阳系数 按规范要求南侧遮阳 O 50计算结果为0 653大于0 5限值故不满足遮阳系数要求 38 若将题中的水平遮阳改为室外卷帘百叶 同样玻璃规格 则当其为甲类建筑时 此方向可达到最大的窗墙比为多少 查P40表A 0 5浙标 公共建筑节能设计标准 DB33 1036 2007室外卷帘百叶遮阳系数为O 3则此建筑的综合遮阳系数为SC 0 86 0 3 0 258查P9表4 2 1 1浙标 公共建筑节能设计标准 DB33 1036 2007得到当其为甲类建筑时此方向窗墙比为0 5 O 7 39 表A 0 5夏季不同遮阳措施的遮阳系数 40 表4 2 1 1甲类建筑围护结构传热系数和遮阳系数限值 41 结论二 固定水平外遮阳所达到的遮阳效果远不如室外卷帘百叶的遮阳效果设计时应综合考虑 造型 经济 美观 实用要求 为满足节能要求应优先采用活动式外遮阳 42 三 维护结构的节能设计与计算几个概念1 热阻 R 表征围护结构本身或其中某层材料阻抗传热的物理量 是材料厚度与导热系数的比值 单位为 m2 K W 2 传热阻 R0 围护结构阻抗传热能力的物理量 为结构热阻 R 与内 外侧表面换热阻 Ri Re 之和 传热阻是传热系数K值的倒数 热阻越大 热损失越小 43 3 导热系数 指材料传导热量的一种能力 即在稳定传热条件下 1M厚的材料板 两侧表面温差为1 时 每1小时内通过1M2面积内传递的热量 瓦特 单位为w m k 4 传热系数 K 在稳态条件下 围护结构两侧空气温度差为1 1h内通过1M2面积传递的热量 瓦特 是由于温度的差异而使热流从建筑构件的热的一边向冷的一边迁移的一个度量值 单位为w m2 k K值越小 热损失越小 44 5 外墙平均传热系数 Km 外墙包括主体部位和周边热桥 构造柱 圈梁以及楼板伸入外墙部分等 部位在内的传热系数平均值 按外墙各部位 不包括门窗 的传热系数对其面积的加权平均计算求得 45 6 热桥 指在围护结构内 由于包含了导热能力较强的金属 混凝土等部位 而在此处的热量流失高于相邻的部位 这些部位形成传热的桥梁 故称热桥 借助红外线技术 可容易看到 这些部位有发亮的红色信号 表示这些部位形成热流密集通道 有特别多的热量流向室外 46 7 保温材料一般是指导热系数 0 2的材料 值越大 材料保温能力越差 静止的空气是导热系数最小的一种材料 0 017w m k 故保温材料都是一种多孔的轻质材料 聚苯乙烯泡沫塑料板的空气含量97 以上 即材料的容重越小 导热系数越小 保温材料只有在干燥的状态下才能发挥其保温作用 选用的保温材料必须尽量地不吸水 47 建筑节能设计计算常用公式 一 热阻计算 1 单一材料层的热阻计算 j 材料层厚度 m cj 材料计算导热系数 w m k 计算导热系数为材料导热系数与其修正系数之积按GB50176 93规范63页附表4 1可得到各材料的 值 48 49 2 多层围护结构热阻计算 Rn 围护结构各层的单一热阻 50 3 围护结构传热阻 R0 计算 R0 Ri R ReRi 内表面换热阻 按GB50176 93规范27页附表2 2 Re 外表面换热阻 按GB50176 93规范28页附表2 3 内表面换热阻 Ri 外表面换热阻 Re 围护结构两侧表面空气边界层阻抗传热能力的物理量 一般情况下Ri 0 11 m2 k w Re 0 04 m2 k w 冬季 或0 05 m2 k w 夏季 51 二 传热系数 K 计算 R0 围护结构传热阻 52 1 外墙平均传热系数 Km 计算 非常重要 Kp 外墙主体部位的传热系数 KB1 KB2 KB3 外墙周边热桥部位的传热系数 Fp 外墙主体部位的面积 m2 FB1 FB2 FB3 外墙周边热桥部位的面积 m2 53 54 2 主体部位 墙体 传热系数计算 3 周边热桥 钢筋砼梁 板 柱 传热系数计算 55 4 主体部分面积 Fp 房间开间 层高 梁 板 柱和外门窗积 5 周边热桥部分面积 FB1 FB2 FB3 钢筋砼梁 板 柱各自的面积 56 外墙热工计算规定性指标 57 三 热惰性指标 D 计算 1 单一材料层热惰性指标计算 R 材料层热阻 m2 k wS 材料蓄热系数w m2 k 按GB50176 93规范63页附表4 1 58 2 多层围护结构的热惰性指标计算 D D1 D2 Dn R1S1 R2S2 RnSn 热惰性指标 D 是表征围护结构对温度波衰减快慢程度的一个无量纲指标 是影响热稳定性的主要因素 D值越大 温度波在其中的衰减越快 其稳定性越好 因而房间内的热稳定性也越好 热惰性指标 D 应用在居住建筑节能规定性指标中 蓄热系数 S 当某一足够厚度的单一材料层一侧受到谐波热作用时 表面温度将按同一周期波动 通过表面的热流波幅与表面温度波幅的比值称为蓄热系数 它可表征材料热稳定性的优劣 其值越大 材料的热稳定性越好 空气间层的蓄热系数取S 0 属于材料的一项热工性能 可在材料表中查得 59 某居住建筑其结构体系为框架结构 其外墙主体为240厚P型烧结多孔砖 保温层为35厚胶粉聚苯颗粒浆料 其外墙主体部位构造及主要热工值分别为 1 20厚混合砂浆R 0 0232 240厚P型烧结多孔砖R 0 4143 35厚胶粉聚苯颗粒浆料R 0 4864 5厚抗裂砂浆 玻纤网 R 0 0055 弹性底涂 柔性腻子 外墙涂料 热阻不计计算此外墙主体部位的传热系数 60 查阅 全国民用建筑工程设计技术措施 节能专篇 建筑 P68页公式 10 1 1 1 查得传热系数K计算 其中Ri 内表面换热阻 0 11 Re一外表面换热阻 0 04 主体部位 61 同一建筑其热桥部分构造做法与主体相同主要热工值分别为 1 20厚混合砂浆R 0 0232 240厚钢筋混凝土梁 柱 墙 R 0 115 为简化计算将热桥部分的计算厚度与外墙主体的计算厚度取值相同 3 35厚胶粉聚苯颗粒浆料R 0 4864 5厚抗裂砂浆 玻纤网 R 0 0055 弹性底涂 柔性腻子 外墙涂料 热阻不计框架结构体系 外墙主体与结构性热桥的面积比例为A 0 65 B 0 35 62 试计算此建筑外墙的平均传热系数 若此建筑的热惰性指标D大于3 0 采用这种节能构造能否满足 居住建筑节能设计标准 DB33 1015 2003中外墙规定性指标要求 63 参见 全国民用建筑工程设计技术措施 节能专篇 建筑 P69页表 10 1 1 1 64 查阅 全国民用建筑工程设计技术措施 节能专篇 建筑 P68页公式 10 1 1 1 查得传热系数K计算 其中Rj 内表面换热阻 0 11 Re一外内表面换热阻 0 04 热桥部分 65 查阅 全国民用建筑工程设计技术措施 节能专篇 建筑 P68页公式 10 1 1 5 及表l0 1 1 1查得外墙平均传热系数Km Km 外墙平均传热系数 k w Kp 外墙主体部位传热系数 k w Fp 外墙主体面积Kb 外墙主体热桥部位传热系数Fb 外墙主体热桥面积 66 求得 结论 采用这种节能构造因其热惰性指标D大于3 0 所以能满足 居住建筑节能设计标准 DB33 1015 2003中外墙规定性指标K 1 5的要求 查浙标 居住建筑节能设计标准 DB33 1015 2003P8页 表4 2 4维护结构各部分的传热系数 K W m2 K 和热惰性指标 D 67 结论三 通常情况下 维护结构主体与热桥部位用相同厚度保温材料 即可满足规定性指标的要求 不同结构体系的建筑 可通过简化的手法估算出主体结构与热桥部分的面积比例 按照各构造材料的热工值 计算出其平均传热系数 68 五 屋面的保温隔热屋面在整个建筑围护结构面积中所占的比例虽远低于外墙 但对顶层房间而言 却是比例最大的外围护结构 相当于五个面被室外气候所包围 屋面保温隔热性能太差 对顶层房间的室内热环境和建筑采暖空调能耗的影响是比较严重的 因此各节能规范对屋面的热工性能均做了严格的规定 69 规范对屋顶热工要求的规定性指标 70 各层材料热工参数表 供计算时参考采用 如有GB50176 93 民用建筑热工设计规范 附表4 2所列情况者 导热系数 和蓄热系数 S 计算值应分别进行修正 c Sc S 为修正系数 71 为了提高屋面的保温隔热性能 设计应遵循以下原则 1 应选用导热系数 小 蓄热系数 S 大的保温隔热材料 不宜选用密度 P0 过大的材料 防止屋面荷载过大 2 根据建筑物的使用要求 屋面结构形式 环境气候条件 防水处理方法和施工条件等因素 屋面保温措施应经技术经济比较后确定 3 宜采用倒置式屋面保温隔热系统 防水层设置在结构层以上 绝热材料之下 兼作隔气层 由于绝热材料的保护作用 使防水材料避免受到室外空气温度的剧烈波动变化和紫外线辐射影响及施工原因 造成防水层的损坏 4 保温隔热材料不宜选用吸水率较高的绝热材料 以防屋面湿作业时 保温隔热层大量吸水 降低热工性能 否则应设排水孔 一般采用 聚苯乙烯泡沫塑料板 EPS板 挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板 XPS板 聚氨酯泡沫塑料等 72 二 屋顶透明部分 玻璃顶 设计 公共建筑屋顶透明部分 玻璃顶 的面积不应大于屋顶总面积的20 浙江省标准 公共建筑建筑节能设计标准 DB33 1036 2007 第4 1 6规定居住建筑屋顶天窗必须采取遮阳措施浙江省标准 居住建筑节能设计标准 DB33 1015 2003 第4 2 3规定 73 屋面的热工计算遵循维护结构各项计算公式如 传热系数 热惰性指标等 其中一个比较实用的用来计算保温层厚度的公式为 74 式中 保温层厚度 m 保温材料的计算导热系数 w m k 构造层中除保温层外的各层材料热阻之和 K W 规定的传热系数限值 W m k 根据所要计算的维护结构部位决定 构造层中除保温层外的各层材料热阻之和 K W 构造层中除保温层外的各层材料热阻之和 K W 查阅 全国民用建筑工程设计技术措施 节能专篇 建筑 P70页公式 10 1 5 保温隔热层厚度计算公式 75 例 计算同一种保温材料 挤塑聚苯板在居住建筑中 作为屋面保温材料达到节能设计标准中规定性指标限值要求的最经济厚度 屋面的构造及主要热工值分别为 1 40厚细石混凝土 双向配筋 R 0 0232 x厚挤塑聚苯板 0 03 修正系数 1 13 2厚防水层R 0 0114 20厚水泥砂浆找平R 0 0225 80