建筑物理——建筑保温与节能.ppt

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 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 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 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 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 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 b1 第一层 面层 材料的热渗透参数 1 第一层材料的导热系数 C1 第一层材料的比热容 1 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 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 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 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 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 这一系列因素中影响最大的是密度和湿度 第3章建筑保温与节能 3 3保温材料与构造 1 密度对导热系数的影响 密度 单位体积材料的重量 孔隙率 材料中孔隙所占的体积与材料整体体积的百分比 密度能很好地表明材料孔隙率的大小 一般情况下 密度较小 孔隙率越大 第3章建筑保温与节能 3 3保温材料与构造 导热系数随孔隙率增加而减小 即密度越小 导热系数也越小 但密度小到一定程度后 再加大孔隙率 则导热系数不仅不再降低 还会变大 存在有最佳密度 原因是 孔隙率太大 不仅意味着孔隙的数量增多 而且孔隙也必然增大 其结果 孔壁温差变大 辐射传热量加大 同时 大孔隙内的对流传热也增多 特别是由于材料骨架所剩无几 使许多孔隙互相贯通 使对流显著增加 第3章建筑保温与节能 3 3保温材料与构造 2 湿度对导热系数的影响重量湿度 指试样中所含水分的重量与绝干状态下试样重量的百分比 体积湿度 湿试样中水分所占体积与整个试样体积的百分比 重量湿度和体积湿度的换算 材料的干密度 第3章建筑保温与节能 3 3保温材料与构造 材料受潮后 导热系数显著增大 原因是由于孔隙中有了水分后 附加了水蒸气扩散的传热量 此外还增加了毛细孔中的液态水分所传导的热量 一般情况下 水得导热系数约为0 58 冰的导热系数约为2 33 都远大于空气的导热系数0 03 第3章建筑保温与节能 3 3保温材料与构造 3 温度对导热系数的影响温度愈高 导热系数愈大 原因是当温度增高时 分子热运动加剧 此外 孔隙内的辐射换热也增强 4 热流方向对导热系数也有影响主要表现在各向异性材料 如木材 玻璃纤维等 当热流平行纤维方向 导热系数较大 当热流方向垂直纤维时 导热系数较小 第3章建筑保温与节能 3 3保温材料与构造 保温材料的选择 保温材料按材质构造分有 多孔的 板 块 状的和松散状的 从化学成分看有 无机材料 如膨胀矿渣 泡沫混凝土 加气混凝土 膨胀珍珠岩 膨胀蛭石 浮石及浮石混凝土 硅酸盐制品 矿棉 玻璃棉等 有机材料 如软木 木丝板 甘蔗板 稻壳等 各种泡沫塑料 铝箔等反辐射性能好的材料 材料的选择要结合建筑物的使用性质 构造方案 施工工艺 材料的来源以及经济指标等因素 要按材料的热物理指标及有关的物理化学性质进行具体分析 第3章建筑保温与节能 3 3保温材料与构造 3 3 2保温构造的类型1 单设保温层由导热系数很小的材料作保温层起主要保温作用 保温层不起承重作用 所以选择的灵活性较大 不论是板块状 纤维状以至松散颗粒状材料均可应用 2 封闭空气间层保温封闭的空气层有良好的绝热作用 围护结构中的空气层厚度 一般以4 5cm为宜 3 保温与承重相结合空心板 空心砌块 轻质实心砌块等 既能载重又能保温 主要材料导热系数比较小 机械强度满足承重要求 又有足够的耐久性 那么采用保温与承重相结合的方案 在构造上比较简单 施工亦比较方便 第3章建筑保温与节能 3 3保温材料与构造 北京地区使用的双排孔混凝土空心砌块砌筑的 保温与承重相结合墙体 第3章建筑保温与节能 3 3保温材料与构造 4 混合型构造当单独用某一种方式不能满足保温要求 或为达到保温要求而造成技术经济上不合理时 往往采用混合型保温构造 例如既有实体保温层 又有空气层和承重层的外墙或屋顶结构 显然 混合型的构造比较复杂 但绝热性能好 在恒温室等热工要求较高的房间 是经常采用的 第3章建筑保温与节能 3 3保温材料与构造 3 3 3单设保温层复合构造的形式及特点 当采用单设保温层的复合墙体 或屋顶 时 保温层的位置 对结构及房间的使用质量 造价 施工 维护费用等各方面都有重大影响 保温层在承重层的室内侧 叫内保温 在室外侧 叫外保温 有时保温层可设置在两层密实结构层的中间 叫夹芯保温 过去 墙体多用内保温 屋顶则多用外保温 近年来 在严寒和寒冷地区外墙 屋顶采用外保温和夹芯保温的做法较为常见 相对而言 外保温的优点多一些 主要有 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 提高结构的耐久性 第3章建筑保温与节能 3 3保温材料与构造 第3章建筑保温与节能 3 3保温材料与构造 2 由于承重层材料的热容量一般都远比保温层大 所以这种布置方式对房间热稳定性有利 当供热不均匀时可保证围护结构内表面的温度不致急剧下降 从而使室温不致很快下降 3 保温层放在外侧时 将减少保温层内部产生水蒸气凝结的可能性 4 外保温法使热桥处的热损失减少 并能防止热桥内表面局部结露 5 旧房改造 特别是为了节能而加强旧房的保温型性时 外保温处理效果最好 第3章建筑保温与节能 3 3保温材料与构造 从目前的工程实践成功经验中 可以看出 在极严寒地区 建筑外墙采用夹芯保温 屋顶采用外保温较为可行 在严寒和寒冷地区 建筑外墙与屋顶均采用外保温较为科学 在夏热冬冷地区 居住建筑采用内保温 公共建筑采用外保温较为合理 在夏热冬暖地区 建筑围护结构以保温与承重相结合的自保温系统或内保温系统为主 而在温和地区 非透明围护结构的构造对建筑的节能影响较小 应充分重视透明围护结构的遮阳与隔热处理 第3章建筑保温与节能 3 3保温材料与构造 3 3 5倒铺屋面采用外保温的屋顶 传统的做法是在保温层上面做防水层 这种防水层的蒸汽渗透阻很大 使屋面容易产生内部结露 同时 由于防水层直接暴露在大气中 受日晒 交替冻融等作用 极易老化和破坏 为了改进这种状况 产生了 倒铺 屋面的想法 即防水层不设在保温层上边 而是倒过来设在保温层底下 国外称 UpsideDown 构造法 简称USD构造 第3章建筑保温与节能 3 4透明围护结构的保温与节能 建筑物透明围护结构在外围护结构总面积中占有相当的比例 一般在30 60 之间 从冬季失热量来看 外窗 透明幕墙及外门的失热量要大于外墙和屋顶的失热量 必须充分重视透明围护结构的保温与节能设计 第3章建筑保温与节能 3 4透明围护结构的保温与节能 3 4 1外窗与透明幕墙的保温与节能 在建筑设计中 确定外窗和幕墙的形式 大小和构造时需要考虑很多因素 诸如 采光 通风 隔声 保温 节能 泄爆等 因而就某一方面的需要 做出某种简单的结论是不恰当的 以下仅从建筑保温与节能方面考虑 提出一些要求 外窗与透明幕墙既有引进太阳辐射热的有利方面 又有因传热损失和冷风渗透损失都比较大的不利方面 就其总效果而言 仍是保温能力较低的构件 窗户保温性能低的主要原因 主要是缝隙空气渗透和玻璃 窗框和窗樘等的热阻太小 第3章建筑保温与节能 3 4透明围护结构的保温与节能 第3章建筑保温与节能 3 4透明围护结构的保温与节能 为了有效地控制建筑的采暖耗热量 在建筑节能设计规范中 严格控制外窗 包括透明幕墙 的面积 其指标是窗墙面积比 即 某一朝向的外窗洞口面积与同一朝向外墙面积之比 在严寒地区 公共建筑节能设计标准中规定建筑每个朝向的窗 包括透明幕墙 墙面积比不应大于0 7 居住建筑各朝向的窗墙面积比规定为北向小于0 25 东西向小于0 3 南向小于0 35 第3章建筑保温与节能 3 4透明围护结构的保温与节能 针对我国目前的情况 应从以下几方面来做好外窗的保温设计 1 提高气密性 减少冷风渗透玻璃或非透明面板四周应采用弹性好 耐久性强的密封条密封 或采用注入密封胶的方式密封 开启窗应采用双道或多道弹性好 耐久性强的密封条密封 公共建筑节能标准中的要求 外窗气密性不应低于4级 透明幕墙的气密性不低于3级 第3章建筑保温与节能 3 4透明围护结构的保温与节能 2 提高窗框保温性能首先 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 开发出塑料构件 以获得良好的保温效果 第三 开发断桥隔热复合型窗框材料 有效提高门窗的保温性能 最后 将窗框与墙体之间的连接处理成弹性构造 其间的缝隙采用防潮型保温材料填塞 并采用密封胶 密封剂等材料密封 3 改善玻璃的保温能力单层窗中玻璃的热阻很小 仅适用于较温暖地区 在严寒和寒冷地区 应采用双层甚至三层窗 增加窗扇层数是提高窗户保温能力的有效方法之一 因为每两层扇窗之间所形成的空气层 加大了窗的热阻 近年来国内外多使用单层窗扇上安装双层玻璃的单框双玻中空玻璃窗 中间形成良好密封空气层 此类窗的空气间层厚度以9 20mm为最好 此时传热系数最小 当需进一步提高窗的保温能力时 可采用Low E中空玻璃等 第3章建筑保温与节能 3 4透明围护结构的保温与节能 3 4 2外门的保温与节能外门包括户门 不采暖楼梯间 单元门 采暖楼梯间 阳台门以及室外空气直接接触的其他各式各样的门 门热阻一般比窗户的热阻大 而比外墙和屋顶的热阻小 因而也是建筑外围护结构保温的薄弱环节 外门的另一个重要特征是空气渗透耗热量特别大 与窗户不同的是 门的开启频率要高很多 这使得门缝的空气渗透程度要比窗户缝的大很多 特别是容易变形的木质门和钢质门 第3章建筑保温与节能 3 4透明围护结构的保温与节能 3 4 3透明围护结构的节点构造设计 1 门窗 幕墙的面板缝隙应采取良好的密封措施 2 开启窗应采用双道或多道密封 并采用弹性好 耐久的密封条 3 门窗 幕墙周边与墙体或其他围护结构连接处应为弹性构造 采用防潮型保温材料填塞 缝隙应采用密封剂或密封胶密封 4 外窗 幕墙应进行结露验算 在设计计算条件下 其内表面温度不宜低于室内的露点温度 5 玻璃幕墙与隔墙 楼板或梁之间的间隙以及幕墙的非透明部分内侧 应采用高效 耐久 防火性能好的保温材料进行保温 保温材料所在空间应充分隔气密封 防止冷凝水进入保温材料中 第3章建筑保温与节能 3 5被动式太阳能利用设计 太阳辐射能是人们熟知的一种取之不尽 用之不竭 无污染且价廉的能源 同时 它也是一种低能流密度且仅能间歇利用的能源 通过光热转换 在建筑中利用太阳能进行采暖 可以提高和改善冬季室内热环境质量 节约能源 保护生态环境 是一项利国利民 经济有效的 绿色 技术 第3章建筑保温与节能 3 5被动式太阳能利用设计 在建筑中利用太阳能的方式 根据运行过程中是否需要机械动力 一般分为 主动式 和 被动式 两种 主动式太阳能系统 主动式利用太阳能的系统需要机械动力驱动 才能达到采暖和制冷的目的 被动式太阳能系统 太阳能向室内的传递也可以不借助于机械动力 而是通过建筑朝向和周围环境合理布置 内部空间和外部形体的巧妙处理 以及结构构造和建筑材料的恰当选择 贮存 分布太阳能热 解决采暖问题 而在夏季又能遮蔽太阳辐射 散逸室内热量使建筑物降温 换句话说 就是让建筑物本身作为一个利用太阳能系统 为了与主动式系统相区别 我们把这种方式称之为被动式太阳能利用系统 第3章建筑保温与节能 3 5被动式太阳能利用设计 被动式太阳能设计 结合阳光的设计 在建筑中营造舒适氛围和适宜温度的第一步 是要理解我们对遮阳的需求和气候之间的关系 对于房屋而言 阳光可以是朋友 也可以是敌人 而气候设计的败笔 在 现代 建筑中较为常见 它们导致了许多建筑室内过热的问题 甚至在温和或寒冷的气候区也这样 好的设计应该能够体现设计师对阳光所蕴含能量的理解和考虑 被动式太阳能建筑中 免费的太阳能为房屋