建筑概论-07-建筑节能

建筑概论,第8讲建筑节能,中南大学能源学院建筑环境与设备工程专业,2020/6/11,2,主要内容,建筑节能的基本概念建筑节能的基本原理建筑节能与地区自然条件建筑节能的措施与构造建筑节能技术绿色建筑,本章主要内容及重点,2020/6/11,3,重点,建筑节能的基本原理建筑节能的措施与构造建筑节能技术绿色建筑技术,本章主要内容及重点,2020/6/11,4,8.1建筑节能概述,2020/6/11,5,8.1.1建筑节能的概念建筑节能就是在建筑材料生产、房屋建筑施工及使用过程中，合理地使用、有效地利用能源，以便在满足同等需要或达到相同目的的条件下尽可能降低能耗，实现提高建筑舒适性和节约能源的目标。自1983年发生石油危机以来，发达国家建筑节能含义经历了三个阶段：第一阶段，在建筑中节约能源；第二阶段，在建筑中保持能源，在建筑中减少能源的散失；第三阶段，在建筑中提高能源利用率。,8.1建筑节能概述,2020/6/11,6,8.1.2建筑节能的必要性与紧迫性1.国际能源危机加剧2.我国人均储量少，能源成为我国经济命脉所在3.我国建筑耗能总量庞大，建筑节能状况落后4.建筑节能是改善空间环境的重要途径,8.1建筑节能概述,2020/6/11,7,8.1.3建筑节能的重点建筑能耗包括建造过程的能耗和使用过程的能耗两个方面：建造过程能耗是指建筑材料、建筑构配件、建筑设备的生产和运输，以及建筑施工和安装中的能耗；使用过程能耗是指建筑使用期间采暖、通风、空调、照明、家用电器和热水供应的能耗。一般日常使用能耗与建造能耗之比约为8:29:1，日常使用能耗的5060%用于采暖和空调。因此，建筑节能的重点是采暖和降温能耗。,8.1建筑节能概述,2020/6/11,8,8.2建筑节能的基本原理,2020/6/11,9,8.2.1建筑热工设计分区及设计要求,室外热环境对建筑的各方面都有很大影响，建筑设计需要与当地的热环境相适应。我国在民用建筑热工设计规范中根据各地冬、夏季室外气温的特点，将全国划分为5个建筑热工设计分区，建筑热工设计分区及设计要求见表8-1。,8.2建筑节能的基本原理,2020/6/11,10,8.2.1建筑热工设计分区及设计要求,8.2建筑节能的基本原理,表8-1建筑热工设计分区及设计要求,2020/6/11,11,8.2.2建筑得热与失热,8.2建筑节能的基本原理,1、建筑物得热冬季采暖房屋的正常温度是依靠采暖设备的供暖和围护结构的保温之间相互配合，以及建筑的得热量与失热量的平衡得以实现。用公式表示为：建筑物总得热=采暖设备散热+建筑物内部得热+太阳辐射得热非采暖区的房屋建筑有两类，一类是采暖房屋有采暖设备，总得热同上；第二类是没有采暖设备：总得热=建筑物内部得热+太阳辐射得热。,2020/6/11,12,8.2.2建筑得热与失热,8.2建筑节能的基本原理,2、建筑物失热对于有室内采暖设备散热的建筑，由于室内外存在温差，且围护结构不能完全绝热和密闭，导致热量从室内向室外散失。建筑散失热量的途径主要：通过外墙、屋顶、地面、门窗等围护结构散失的热量(约占80%80%)；由于通风换气和冷空气渗透产生的热损失(约占20%30%)；热水排入下水道带走的热量；水分蒸发形成水蒸气外排散失的热量等。,2020/6/11,13,8.2.3建筑传热的方式,8.2建筑节能的基本原理,热量转移的方式分为辐射、对流和导热三种。建筑物内外热流的传递是随发热体（热源）的种类、受热体（房屋）部位、媒介（介质）围护结构的不同而不同。建筑围护结构本身的传热是与其本身材料性质有关。不同性质的材料向外界辐射放热能力不同。对于采暖建筑，当围护结构质量较差时，室外温度越低，则外围护结构表面温度也越低，邻近的热空气迅速变冷下沉，散失热量，房间内只有在采暖设备附近和上部较暖；当围护结构质量较好时，其内表面温度较高，室温分布较均匀，无急剧的对流换热现象产生，保温节能效果好。通过建筑物围护结构的传热通常是辐射、对流、导热三种方式同时进行的综合作用效果。围护结构的传热过程，如图8-1所示。,2020/6/11,14,图8-1围护结构的传热过程,2020/6/11,15,8.2.4建筑保温与隔热,8.2建筑节能的基本原理,1、建筑保温保温是针对冬季传热过程。建筑保温是指围护结构在冬季阻止室内向室外传热，从而保持室内适当温度的能力，保温性能通常用传热系数的数值来评价。我国北方三个城市普通住宅外围护结构传热系数见表8-2欧洲主要国家的新建房屋保温标准传热系数表8-3。,2020/6/11,16,8.2.4建筑保温与隔热,8.2建筑节能的基本原理,2020/6/11,17,8.2.4建筑保温与隔热,8.2建筑节能的基本原理,2020/6/11,18,8.2.4建筑保温与隔热,8.2建筑节能的基本原理,2、建筑隔热建筑隔热是指围护结构在夏季隔离太阳辐射热和室外高温的影响，使其内表面保持适当温度的能力。建筑隔热性能常用夏季室外计算温度条件下、围护结构内表面最高温度值来评价。建筑隔热可从以下几方面考虑：抑制辐射热进入室内建筑物周围设置遮挡，考虑太阳照射的方向性、合理设置窗口及位置，避免太阳照射。抑制导热传热进入室内在外围护结构设置隔热层。抑制对流热进入室内和促进对流散热设置容易开闭的通风口，当室外温度高于室内时关闭，抑制对流；利用风势和温度差，设置进出通风口，排除室内的高温空气；利用建筑外表面水的汽化吸热散热。蓄热效果的利用考虑大地温度较低的特点，与大地直接相连，利用导热传热使室内冷却。,2020/6/11,19,8.2.5空气间层的传热,8.2建筑节能的基本原理,房屋的某些部位上常设置空气间层，在空气间层内，导热、对流、辐射三种传热方式并存，但主要是空气间层内部的对流换热及间层两侧界面的辐射换热如图8-2。影响传热的因素有：空气间层的厚度热流方向空气间层的密闭程度两侧的表面温度两侧的表面状态其中，空气间层的密闭程度影响最大,2020/6/11,20,8.2.6建筑气密性,8.2建筑节能的基本原理,建筑气密性是指建筑物围护结构阻止空气流通的严密程度。建筑气密性指标主要用室内换气次数确定。换气次数为1h内通过孔隙进入室内空气量与室内体积之比值，单位为次h。换气次数的确定应兼顾卫生和节能两方面。一般情况下，每人所需新鲜空气量约为20m3h。,2020/6/11,21,8.2.7建筑节能途径,8.2建筑节能的基本原理,当建筑物的总得热和总失热达到平衡时，室温得以保持。节能的主要途径是：减小建筑物外表面积和加强围护结构保温，以减少传热耗热量；提高门窗的气密性，以减少空气渗透耗热量。在减少建筑物总失热量的前提下，尽量利用太阳辐射得热和建筑物内部得热，最终达到节约采暖设备供热量的目的。建筑围护结构散失的热量占建筑散失热量的份额很大，是探求建筑节能途径的主要关注的对象。例如北京地区，房屋建筑围护结构各部分散失热量的比例如表8-4所示。,2020/6/11,22,8.2建筑节能的基本原理,表8-4北京地区房屋建筑围护结构各部分散失热量的比例,2020/6/11,23,8.3建筑节能与地区自然条件,分析建筑物所在地的气候条件不仅是进行建筑节能设计的重要内容，而且是出发点。因为在进行建筑节能设计时，首先要考虑充分利用建筑所在位置的气候条件、地形地貌、地质水文资料，当地建筑材料情况，并在尽可能少用常规能源的条件下，遵循气候设计方法和建筑技术措施，创造出人们生活和工作所需要的室内环境。建筑物所在地区的气候条件会通过围护结构直接影响到室内环境。为了保证室内环境达到人们的某种特定的要求，就需要向室内补充一定的能量，以抵御室外气候的影响。在保持相同的室内环境条件时，室外气候不同，所消耗的能量是不同的，这就需要研究室外自然条件与建筑物的配置、朝向、间距、形状、体积的关系。,2020/6/11,24,8.4建筑节能的措施与构造,2020/6/11,25,8.4.1采暖建筑节能规划设计,建筑选址应选择平坦和向阳的基地。建筑布局宜采用单元组团式布局，形成庭院空间，建立良好的气候防护单元。建筑形态应采用体形系数小、冬日得热多、夏日得热少、日照遮挡少、利于避风的平整、简洁、美观、大方的建筑形态。建筑间距应保证室内获得一定的日照量，并结合通风等因素综合确定。建筑节能规划应利用建筑物阻挡冷风、避开不利的风向，减少冷空气对建筑物的渗透。在我国建筑朝向主要应以南北向或接近南北向为好，建筑物的主要房间应设在冬季背风和朝阳的部位，以减少冷风渗透和围护结构散热量，多吸收太阳热。,8.4建筑节能的措施与构造,2020/6/11,26,8.4.2墙体节能,1.内保温复合外墙内保温复合外墙有主体结构和保温结构两部分。主体结构一般为砖砌体、混凝土墙或其他承重墙体。保温结构由保温板和空气层组成。单一材料的保温板兼有保温和面层的功能，而复合材料的保温板则包括保温层和面层。保温结构中空气层的作用是防止保温材料吸湿和受潮并提高外墙的热阻，内保温复合外墙的构造如图8-3所示。内保温复合外墙在构造上存在一些薄弱环节，必须对其进行保温处理（图8-4）。加强保温后的温度降低率见表8-58-8。,8.4建筑节能的措施与构造,2020/6/11,27,8.4.2墙体节能,图8-4内保温复合外墙热桥及其局部保温措施,8.4建筑节能的措施与构造,2020/6/11,28,8.4.2墙体节能,8.4建筑节能的措施与构造,表8-5加强保温后的温度降低率比较,2020/6/11,29,8.4.2墙体节能,8.4建筑节能的措施与构造,表8-6拐角加强保温后的温度降低率比较,2020/6/11,30,8.4.2墙体节能,8.4建筑节能的措施与构造,表8-7表面加强保温后的温度降低率比较,2020/6/11,31,8.4.2墙体节能,8.4建筑节能的措施与构造,表8-8设置防水保温踢脚板后的温度降低率比较,2020/6/11,32,8.4.2墙体节能,2.外保温复合外墙外保温复合外墙是在主体结构（承重外墙）的外表面上粘贴或吊挂保温层（聚苯板或岩棉板），然后再做外墙面层，其构造如图8-5所示。外保温复合外墙的特点是储热能力较强的主体结构位于室内一侧，有利于房间的热稳定性，减少室温波动，保温性能好；它还能使主体结构表面的温度差大幅度降低（图8-），减少热应力，防止墙面面层产生裂缝，有效保护主体结构。这种墙体还有利于室内水蒸气通过墙体向外散发，以避免水蒸气在墙体内凝结而使之受潮(图8-)。此外还可以防止热桥的产生(图8-)。外保温复合外墙施工时不影响室内活动，对住户干扰少，且可避免室内装修对保温层造成损坏，便于对旧建筑进行墙体保温，墙外保温复合墙体是发展方向。,8.4建筑节能的措施与构造,2020/6/11,33,8.4.2墙体节能,图8-5外保温复合外墙构造,8.4建筑节能的措施与构造,2020/6/11,34,8.4.2墙体节能,图8-6主体结构表面温降示意图,8.4建筑节能的措施与构造,2020/6/11,35,8.4.2墙体节能,图8-7室内水蒸气通过墙体向外散发示意图,8.4建筑节能的措施与构造,2020/6/11,36,8.4.2墙体节能,3.夹芯保温复合外墙夹芯保温复合外墙是将保温层夹在墙体中间。保温材料可采用岩棉板、聚苯板、玻璃棉板或膨胀珍珠岩等。我国生产的夹芯保温复合外墙有钢筋混凝土岩棉复合外墙板、薄壁混凝土岩棉复合外墙板、泰珀板(三维板)、舒乐舍板等类型。夹芯保温复合外墙是在主墙施工时将其砌入墙体中间，如图8-8（1）这种墙应用联合钢筋拉结，穿过保温层的钢筋，会造成热桥，降低保温效果。夹芯层也可以是空气间层，如图8-8（2）。为防止保温结构内部产生凝结水，常在维护结构的保温层靠高温一侧，即蒸汽渗透一侧设置一道隔蒸汽层，如图8-9所示。隔蒸汽材料一般采用沥青、卷材、隔汽涂料以及铝箔等防潮、防水材料。,8.4建筑节能的措施与构造,2020/6/11,37,8.4.2墙体节能,图8-8夹芯保温复合外墙构造1-泡沫混凝土；2-砖墙（内）；3-砖墙（外）；4-泡沫塑料；5-空气间层,8.4建筑节能的措施与构造,2020/6/11,38,8.4.2墙体节能,图8-9隔蒸汽措施,8.4建筑节能的措施与构造,2020/6/11,39,8.4.3门窗节能,采用适当的窗墙面积比窗墙面积比是指窗户洞口面积与房间立面单元面积的比值。在采光允许的条件下，应控制窗墙面积比、夜间设置保温窗帘和窗板等。表8-9常用类型窗户的传热系数改善窗户的保温性能一方面是改善玻璃部分的保温性能，增加窗玻璃层数，使用双层或三层窗，利用玻璃之间的密闭空气间层，增大热绝缘系数，降低窗户的传热系数。节能玻璃包括中空玻璃、吸热和热反射玻璃、泡沫玻璃及太阳能玻璃等。另一方面是改善窗框的保温性能，合理选择窗户类型，表8-9为常用窗户类型的传热系数。提高门窗的气密性我国多数门窗，特别是钢窗气密性较差，改进门窗设计、提高制作安装质量、采用自粘性密封条等措施。提高户门、阳台门的保温性能不同类型的门传热系数值相差很大（表8-10）。发展保温门，采用夹层内填充保温材料的户门、在门芯板上加贴保温材料的阳台门等、设置窗帘或窗盖板等。,8.4建筑节能的措施与构造,2020/6/11,40,8.4.3门窗节能,8.4建筑节能的措施与构造,表8-9常用类型窗户的传热系数,2020/6/11,41,8.4.3门窗节能,8.4建筑节能的措施与构造,表8-10常用类型门的传热系数,2020/6/11,42,8.4.4屋顶和地面的节能,8.4建筑节能的措施与构造,平屋顶屋面保温层可采用厚度为50100mm的加气混凝土块或架空设置的加气混凝土块，用散铺浮石砂作保温层，在架空层填充膨胀珍珠岩、岩棉或矿棉等。其中采用防水层在下、聚苯板在上的倒置式屋面保暖效果尤佳，构造如图8-10。坡屋顶屋面可顺坡顶内铺钉玻璃棉毡或岩棉毡，也可在天棚上铺设璃璃棉毡或岩棉毡，或喷、铺玻璃棉、岩棉、膨胀珍珠岩等松散材料。房间下部土壤温度变化不大，但与室外空气相邻的四周部分的地下土温度变化却很大。冬季受室外空气以及周围低温土壤的影响，将有较多热量由此散失；江南地区，夏季高温高湿的空气与低温的地面接触易产生结露，故应沿首层地面设置保温层，或在地基土设置防潮层后，设置绝热层，再做地面结构层，有利于保温隔热。,2020/6/11,43,图8-10倒置式屋面1-屋面板；2-水泥砂浆找平层；3-聚苯板保温材料；4-卷材防水层；5-水泥砂浆找平层；6-炉渣找坡；7-钢筋混凝土板,8.4建筑节能的措施与构造,2020/6/11,44,8.4.5建筑遮阳,8.4建筑节能的措施与构造,遮阳是通过一定的技术手段和设计方法，有效地组织和调节日照对建筑室内影响，是自然降低能耗、经济实用的好方法，分为三种类型。设于室内的遮阳有一般的窗帘、活动的百叶板、保温盖板等，这类设施在一定程度上能遮挡太阳辐射热量，但相当一部分热量还会滞留在室内，另外遮阳与自然通风也会产生一定的矛盾。设于室外的遮阳有木制的、金属的、各种硬质塑料的、混凝土的等各种遮阳板设施。从形式上可分为水平式、垂直式、方格式、花格式或挡板式等。另外，还有竹帘、帆布篷、芦席、凉棚以及绿化遮阳等形式，各种设施适合的朝向见图8-11。与透光材料一体的遮阳即利用一些折光系数较大的玻璃，如磨砂玻璃、折光玻璃、彩色玻璃等，对太阳光波有一定的折射、散射性能或使射入的阳光强度减弱。但由于玻璃的性能是不能随季节的不同而变化的，而且会给房间的通风造成一定影响，因此，这种方式的遮阳是有一定局限性的。,2020/6/11,45,图8-11遮阳形式适用范围,8.4建筑节能的措施与构造,2020/6/11,46,8.5建筑节能技术,2020/6/11,47,8.5.1太阳能利用技术,在建筑中进行太阳能利用的基本原理是通过集热器吸收太阳光热，将太阳能转化成热能（或机械能），利用热能加热空气进行采暖或通风。经过良好设计，达到优化利用太阳能的建筑称为“太阳能建筑”。用于冬季采暖的叫太阳能暖房；用于夏季制冷的叫太阳能冷房。,8.5建筑节能技术,2020/6/11,48,8.5.1太阳能利用技术,8.5.1.1被动式太阳能建筑通过建筑朝向和位置的合理设计、内部空间和外部形体的巧妙处理、建筑材料和结构构造的恰当选择，使建筑能够集取、储存、分布太阳热能。一般由双层玻璃窗、集热储热墙、活动隔热保温装置等组成。1、直接受益式冬季太阳从南面窗直接射入房间内部，用楼板、墙等作为吸热和储热体，当室内温度低于储热体表面温度时，这些物体即向室内供热。如图8-12。2、蓄热墙式在向阳侧设置带玻璃罩的储热墙体。图8-13、图8-14。3、附加阳光间式蓄热墙式和直接受益式的混合产物，如果将集热墙的透明层与墙体之间的距离加大就形成了典型的附加阳光间式太阳房，如图8-15。4、蓄热屋顶式效率较高的蓄热屋面是由水袋及顶盖组成（图8-17）。,8.5建筑节能技术,2020/6/11,49,8.5.1太阳能利用技术,图8-12直接受益式,8.5建筑节能技术,2020/6/11,50,8.5.1太阳能利用技术,图8-13特郎伯集热墙冬季工作情况,8.5建筑节能技术,2020/6/11,51,8.5.1太阳能利用技术,图8-14特郎伯集热墙夏季工作情况,8.5建筑节能技术,2020/6/11,52,8.5.1太阳能利用技术,图8-15附加日光间基本形式图8-16开设内外通风窗改善日光间工况,8.5建筑节能技术,2020/6/11,53,8.5.1太阳能利用技术,(a)冬季白天工况(b)冬季夜间工况图8-17蓄热屋顶式集热,8.5建筑节能技术,2020/6/11,54,8.5.1太阳能利用技术,8.5.1.2主动式太阳能建筑以主动采暖系统供暖的建筑称为主动式太阳能建筑，系统主要由集热器、管道、蓄热器、风机、泵以及散热器等设备组成，靠机械动力驱动达到收集蓄存和输出太阳能（图8-18）。把集热器放在坡屋面、利用混凝土地板作为蓄热体的称为集热屋顶式。如日本OM阳光体系住宅（图8-19），该系统也可在加热室外新鲜空气的同时加热室内冷空气（图8-20），但需要在室内上空架设通风机和风口，把空气吸入并送到屋面集热板下。夏季白天集热的热空气能够加热生活热水，夜晚与冬季白天相同，但送入室内的是凉空气，起降温作用（图8-21）。,8.5建筑节能技术,2020/6/11,55,8.5.1太阳能利用技术,图8-18主动式太阳能采暖系统1-集热器；2-供热管道；3-散热器；4-蓄热器；5-辅助热源；6-风机或泵,8.5建筑节能技术,2020/6/11,56,8.5.1太阳能利用技术,图8-19集热屋顶式,8.5建筑节能技术,2020/6/11,57,8.5.1太阳能利用技术,图8-20集热屋顶冬季白天工况,8.5建筑节能技术,2020/6/11,58,8.5.1太阳能利用技术,(a)白天，热空气送入水箱(b)夜晚，室外凉空气送入室内图8-21集热屋顶夏季工况,8.5建筑节能技术,2020/6/11,59,8.5.2生态节能建筑技术,利用自然规律和周围自然环境条件，改善区域环境微气候，节约建筑能耗，发展生态节能建筑。除太阳能建筑外有掩土建筑、绿化建筑和自然空调式建筑。图8-22为日本的“环境共生住宅”植草屋面构造。,8.5建筑节能技术,2020/6/11,60,8.5.3红外热反射技术,在常温下，人和物体的散热主要以远红外线辐射传热的方式进行，一般建筑材料的热辐射发射率高达90以上，故对热量的吸收能力极强，反射回去的热量很少。被建筑吸收的辐射热又以导热方式从另一面散发，对保温隔热极为不利。在建筑物内外表面或外围护结构内的空气间层中，采用高效热反射材料可将大部分红外线辐射热反射回去，达到保温隔热效果。,8.5建筑节能技术,2020/6/11,61,8.5.4自然通风,强化自然通风的有效方法之一是组织穿堂风，另一种方法是设置通风管道。住宅中的通风管道可保证室内在静风或弱风条件下正常通风，如图8-23，在外墙设小型通风道，每个房间设气流控制阀，冬天室外新鲜空气经过通风道在地下室升温后进入室内，在保证门窗气密性的情况下保持室内自然通风，新鲜空气经过居室后从厨房或卫生间的通风道或隔楼中排出。,8.5建筑节能技术,2020/6/11,62,8.5.4自然通风,图8-23利用室内高差的温差进行自然通风,8.5建筑节能技术,2020/6/11,63,8.6绿色建筑,2020/6/11,64,8.6.1绿色建筑的含义,1）绿色建筑首先考虑的是健康、舒适和安全，良好的室内外空间环境是不可缺少的部分，室内物理环境包括人体通过感觉器官感知到的室内热环境、光环境、声环境、空气质量和房间日照状态等，外部环境是创造室内物理环境的基础。2）绿色建筑是在全寿命周期中实现高效率地利用资源(能源、土地、水资源、材料)的建筑物。“全寿命周期”指的是产品整个生命历程，是从建材生产、建筑规划、设计、施工、运营维护及拆除、回用的过程。3）绿色建筑是对环境影响最小的建筑。4）绿色建筑作为一种理念，并不指特定的建筑类型，适用于所有的建筑。,8.6绿色建筑,2020/6/11,65,8.6.2绿色建筑技术,1、节能技术除了前面已叙述的建筑节能技术外，还包括：1）建筑使用过程中照明节能技术。减少不必要的照明负荷，推行绿色照明工程，使用节能电灯和电器，采用蓄能空调错峰避谷等。2）减少单位构件量的平均生产用能。这是一个关系到采矿、冶炼、加工、运输等各工业门类的复杂而综合的问题。3）减少构件的使用量。减少建筑物的建造量，选用节省建材的构造方法，提高加工时材料的使用率，再生利用加工时剩余边角废料。4）延长建筑物的使用寿命。延长每一个小构件的使用年限，协调构件寿命。5）利用可再生的清洁能源。除了太阳