第3章建筑围护结构节能设计

第3章建筑维护结构节能设计,2,建筑物传热损失,门窗,门窗,45%,外墙,外墙,25%,屋顶,屋顶,15%,楼梯间,楼梯间,15%,第一节建筑物构型与建筑节能影响建筑物采暖空调负荷的因素有：体形系数、面积、长度、宽度、层高、层数等。1、体形系数与节能的关系体形系数：指建筑物与室外建筑接触的外表面积与所包围体积的比值。注意：外表面积不包括地面和不采暖楼梯间隔墙和户门的面积。体形系数每增加0.01.能耗指标大约增加2.5%一般宜控制在0.3以下。同体积情况下，立方体的体形系数最小。（表3-1）,4,减少建筑物体形系数的方法：要求建筑物平面布局凹凸不要太多，外立面尽量平整。可将几栋单元式建筑物组合在一起形成一栋楼。2、建筑长度、宽度、幢深与节能的关系增加建筑物长度可以节能（表3-2）增加建筑物宽度也可以节能（表3-3）3.建筑幢深、层数与节能的关系建筑幢深：建筑物沿纵向轴线方向的总尺寸。单栋建筑物，层数相同时，幢深越大越节能。体量大的建筑物，幢深越大越节能。（表3-4）对于单栋建筑物，幢深相同时，通过增加层数来增加建筑体量，节能效果明显。,5,4.建筑构型与节能措施（1）控制体形系数减少建筑面宽，加大建筑进深增加建筑物的层数加大建筑物长度或增加组合体尽量减少建筑物体形变化（2）控制表面面积系数热净负荷：一般情况下南墙面是得热面，扣除南墙面之外其他墙面的热损失之和。表面面积系数：建筑物其它外表面面积之和A1与南墙面积A2之比。地面面积按30%计入A1中。表面面积系数越小越有利于节能（图3-2）,6,4.建筑构型与节能措施（3）考虑日辐射得热量（图3-3）长、宽、高比例较为适宜的B型，在冬季得热较多，夏季得热最少；立方体是冬季日辐射得热最少的建筑体型；（4）选择适当的长宽比（表3-6）正南朝向一般长宽比越大得热也越大；随着朝向的变化，得热减少（临界点67）当偏角为90时，长宽比越大，得热越少。（5）最低能耗体型的选择各面平均有效传热系数不同时，传热系数相对较小的面具有相应较大的面积的体形为最佳体形；各面平均有效传热系数相同时，体形系数最小的体形即为最佳体形。,7,第二节建筑物墙体节能设计围护结构传热耗量约占建筑物总耗热量73-77。在传热耗热量中，外墙约占25左右，楼梯间隔墙的传热耗热量约占15左右；改善墙体的传热耗热将明显提高建筑的节能效果。提高外墙热工性能的技术措施，大致有两种：单一材料外墙，即选用保温、隔热性能较好的满足建筑节能设计标准的墙体材料作外墙；第二种是采用复合墙体，即在主体外墙上增加保温材料，形成复合墙体，又分为外保温，内保温，和夹芯保温3种。,8,一、墙体的类型：外墙按其主体结构所用材料分类，目前主要有：加气混凝土外墙、黏土空心砖外墙、黏土(实心)砖外墙、混凝土空心砌砖外墙、钢筋混凝土外墙、其他非黏土砖外墙等。,9,二、外保温墙体的主要特点：外保温系统由粘贴层、保温层、防护层和饰面层组成,优点：（1）基本消除了热桥的影响。（2）外保温作法室内能蓄存更多的热量，室温较稳定，热环境较好，生活较舒适。（3）由于采用外保温使内部的主体墙冬季保温性能提高，避免了室外温度和太阳辐射剧烈波动对主体结构的影响而产生裂缝，使墙体的耐久性得以加强。,外保温,10,主要缺点1、冬期和雨期施工受到一定限制；2、对材料和施工的质量要求严格，否则面层容易产生裂缝；3、造价相对较高,（4）内保温的墙面上难以吊挂物件，外保温则可以避免这些问题发生。并且保温材料贴在外侧，每户使用面积可增加1.5%左右。（5）外保温有利于加快施工进度，室内装修不致破坏保温层。并且保温材料可节约40%-60%，故保温节能效果显著，技术造价较低。（6）便于旧建筑物进行节能改造，住户无须临时搬迁。,11,三、对保温材料体系的要求1、耐冻融、耐暴晒、抗风化、抗降解、抗老化，总之有良好的耐候性；2、基层变形的适应性强，各层材料逐层渐变，能够及时传送和释放变形应力；3、导热系数低，室内热稳定性好；4、憎水性好，透气性好，能有效地避免水蒸气迁移过程中出现墙体内部结露现象；5、耐火等级高，在明火状态下不应产生大量有害气体；6、柔性、强度相适应，耐冲击能力强。,12,现场施工照片,13,现场施工照片,14,四、外保温体系的组成1保温层：主要采用导热系数小的高效轻质保温材料，其导热系数一般小于0.05WmK。,15,（1）保温层具有一定厚度，以满足节能标准对该地区墙体的保温要求。（2）保温材料应具有较低的吸湿率及较好的粘结性能。（3）保温材料收缩率小。（4）保温材料在控制其尺度变动时产生的应力要小。2保温板的固定方法（1）保温板粘结或钉固在基底上，或两者结合i.临时固定（塑料钉钉固）ii.永久固定（膨胀螺栓或预埋筋）（2）超轻保温浆可直接涂抹在外墙外表面上。,16,3面层（1）面层具有保护保温层和外装饰作用（2）做法：i.薄面层的一般为聚合物水泥胶浆抹面，厚度一般在10mm以内，加强材料一般为玻璃纤维网格布，有的则为纤维或钢丝网。ii.厚面层则仍采用普通水泥砂浆抹面，厚度为2530mm，加强网为孔50mmX50mm，用2钢丝焊接的网片。iii.在龙骨上吊挂板材或瓷砖覆面,17,五、外墙外保温板1纤维增强聚苯外保温饰面体系（专威特系统）具有良好的保温节能、防水和装饰效果，能防裂，抗渗性好，并还可便于利用聚苯板(导热系数小于0.041WmK)做出各种凹凸装饰线，饰以各色涂料，丰富建筑的造型和色彩。,18,（1）专威特系统中聚苯板固定方式：i.粘结固定ii.机械固定iii.粘结和机械结合固定（2）在聚苯板外附着专用抹面胶浆，玻璃纤维网格及专用罩面涂料组成。,19,2BT型外保温板BT型外保温板是以普通水泥砂浆为基材，以镀锌钢丝网及钢筋为增强材，在制作过程中与聚苯板复合成为单面型预制保温板材；导热系数小于0.12W(mK)。由于BT型外保温板是小板块预制件(一般尺寸为600mmX600mmX65mm)，在生产制作过程中可得到充分养护，故从根本上避免了那种整体式围护层因大面积抹灰造成的易裂、渗问题。,20,3水泥聚苯外保温板聚苯外保温板是以废旧聚苯乙烯泡沫塑料板(以下简称聚苯板)破碎后的颗粒为骨料，以普通硅酸盐水泥为胶结料，外加预先制备的泡沫经搅拌后浇筑成型的。导热系数小于0.09W(mK)。,21,4GRC外保温板（玻璃纤维增强低碱度水泥）用玻璃纤维作面层与高效保温材料预制复合而成的外墙外保温板，有单面板与双面板之分。保温材料置于GRC槽形板内的是单面板，而将保温材料夹在上下两层GRC板中间的是双面板。用GRC外保温板与主墙体复合组成的外保温复合墙体构造有紧密结合型（下图左）和空气隔离型（下图右）两种。,22,5ZL聚苯颗粒复合硅酸盐保温材料这种外墙保温材料由保温绝热层和抗裂罩面层组成。保温绝热层是由复合硅酸盐胶粉料与聚苯颗粒轻骨料两部分分别包装组成。使用时再加水混合搅拌成为胶浆，喷抹于墙体上。抗裂罩面层是水泥抗裂砂浆复合玻纤网布而成，具有很好的弯曲变形能力，抗裂性好。优点：(1)容重小，导热系数较低，保温性能好。(2)软化系数高，耐水性能好。(3)静剪切力强，触变性好。采用高分子复合增稠技术，材料的施工性能得到了突破性改善。由于触变性好，抹灰非常省力，易操作，抹灰速度快。(4)材质稳定，厚度易控制，整体性好。,23,(5)干缩率低，干燥快。本材料干燥收缩率仅为0.08%，终凝24h，干燥时间72h。(6)水泥砂浆有弹性，可弯曲变型。(7)资源再生，造价低。ZL保温浆料中大量使用废聚苯板粉碎的颗粒作为轻骨料，胶凝材料中又大量使用粉煤灰。(8)玻纤布耐碱强度保持率高，稳定期长，达到玻纤网布与建筑物设计寿命同步的要求。,24,6挤塑聚苯乙烯板保温隔热材料(XPS)以聚苯乙烯树脂为原料加上其他的原辅料与聚含物，通过加热混合同时注入催化剂，然后挤塑压出成型而制造的硬质泡沫塑料板。XPS具有完美的闭孔蜂窝结构，这种结构让XPS板有极低的吸水性（几乎不吸水）、低热导系数、高抗压性、抗老化性正常使用几乎无老化分解现象）。与其它几种建筑保温形式相比，XPS板粘贴外墙外保温具有整体保温效果好，导热系数小，隔断冷热桥的产生，没有冷凝点，耐久性好等特点。,25,六、几种国外广泛应用的外墙外保温体系1墙钢框架墙体系以钢结构为主体，装饰砖为外墙，玻璃棉毡和挤塑泡沫板为保温隔热层。特点：(1)钢框架具有可靠性和耐燃性，并不受白蚁的侵蚀。(2)钢框架提供了保温用的玻璃棉毡间隙，安装简便。(3)用挤塑泡沫板外保温可消除各热桥部位传热，从而大大提高墙体保温性能。(4)墙体和保温板之间的空隙提高墙体抗湿性能使内墙保持干燥。(5)外墙装饰砖美观耐用。,26,2保温中空墙体系这是一种以混凝土砌块体为结构主体、装饰砖作外墙，挤塑泡沫板作保温材料的外墙保温体系。优点是体系中各种材料都能最大限度地发挥其优势。内侧与挤塑泡沫板之间所预留的2550mm空气层将外界的湿气隔绝1在主体结构之外，从而有效地保持了墙体的干燥。3木框架轻质墙体由内装饰板(大多用石膏板)，隔气层，木框架，外用胶合板和外装饰墙组成。这种墙体的保温防湿性能不足，如果能在木框架之间填充玻璃棉毡，则可明显提高墙体保温效果。,27,4保温混凝土夹心墙体系由4个部分组成：混凝土结构内墙，挤塑泡沫板保温板(XPS)，混凝土外装饰墙体和连接内、外墙的低导热性的连接件。这种体系的优点是墙体的保温隔热性能有很大提高，同时具有耐久、防火性能好、施工方便等优点。,28,七、内保温墙体内保温外墙由主体结构与保温结构两部分组成，主体结构一般为砖砌体、混凝土墙等承重墙体，也可能是非承重的空心砌块或是加气混凝土墙体。保温结构是由保温板和空气层组成，空气层的作用一是防止保温材料变潮；二是提高外墙的保温能力，对于复合材料保温板来说，则由保温层和面层，而单一材料保温板则兼有保温和面层的功能。保温薄弱节点：1内外墙交接处2外墙转角部位3保温结构中龙骨部位4踢脚部位,29,外墙内保温做法的特点,主要优点：采暖升温和空调降温速度快，有利于间歇式采暖与空调运行方式；受雨期和冬期施工的影响较小，施工方便；对面层材料无耐候要求；造价适中。,30,主要缺点：主体结构未受到保温层保护，容易产生温差变形裂缝，耐久性降低，比外保温做法的相对寿命缩短；有热桥产生，且不易处理，削弱了墙体的绝热性能，绝热层的效率低（仅3040）；室内热稳定性差，温度波动大，夏季的外墙内表面温度高；热桥部位内表面相对容易结露；不利于住户的装修改造，内保温层在装修改造施工时易遭破坏；使用面积比外保温做法小。,31,八、外墙内保温板JG/T159-2004外墙内保温板规定了外墙内保温板产品的术语、分类、技术要求、试验方法、检验规则和产品的标志、运输、储存。1GRC内保温板2玻纤增强石膏外墙内保温板3P-GRC外墙内保温板4其它几种外墙内保温板,32,九、单一材料外墙1加气混凝土墙2空心砖外墙3混凝土空心砌块外墙4盲孔复合保温材料,33,第三节建筑门窗节能设计1、门窗在建筑节能中的意义通过门窗的能耗约为墙体的4倍，屋面的5倍、地面的20多倍，占围护结构能耗的40%50%冬季单层玻璃窗耗热量约占热负荷的30%50%夏季单层玻璃窗耗冷量（太阳辐射）约占冷负荷的20%30%2、门窗的节能设计要求目标：减少传热量减少空气渗透量,34,（1）门窗保温性能要求目前常用玻璃窗K值,目前常用门的K值（表3-15）,35,（2）门窗的气密性节能标准的要求：表3-17、表3-18、表3-19,建筑物朝向宜采用南北向或接近南北向，主要房间宜避开冬季主导风向；对于不同地区、不同用途建筑，在不同朝向上，选取不同的比例。,36,3、窗户节能设计措施一）控制各向墙面的开窗面积1北方采暖居住建筑的窗墙比普通窗户的保温性能差，窗墙面积比越大，采暖的能耗也越大。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。节能标准中对窗墙面积比的规定见下表：,37,2夏热冬冷地区居住建筑窗墙比这类地区夏季炎热，冬季湿冷。确定窗墙面积比，是依据这一地区不同朝向墙面冬、夏日照情况、季风影响、室外空气温度，室内采光设计标准及开窗面积与建筑能耗所占的比例等因素综合确定的。,38,从这一地区建筑能耗分析看，窗对建筑能耗损失主要有两个原因，一是窗的热工性能太差所造成夏季空调、冬季采暖室内外温差的热量损失的增加；另外就是窗因受太阳辐射影响而造成。夏热冬冷地区人们无论是过渡季节还是冬、夏两季普遍有开窗加强房间通风的习惯。因此这一地区在进行围护结构节能设计时，不宜过分依靠减少窗墙比，应重点提高窗的热工性能。,39,3夏热冬暖地区居住建筑窗墙比居住建筑外窗面积不应过大，各朝向的窗墙面积比，北向不应大于0.45，东西向不应大于0.3，南向不应大于0.5。4旅游旅馆建筑窗墙比我国在旅游旅馆建筑热工与空气调节节能设计标准(GB50189-93)中规定：旅游旅馆，主体建筑标准层的窗墙比，不宜大于0.45，外窗玻璃的遮阳系数，严寒地区应大于0.80，非严寒地区应小于0.6，或采取外遮阳措施，以降低夏季空调的冷负荷。,40,5、窗墙面积比计算例题(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）。,（2）例：一栋六层住宅楼，层高2.80m，东向外墙长12.00m，每层设1.2m1.5m窗一樘，0.9m1.5m窗二樘，计算东外墙窗墙面积比：,因此，若在夏热冬冷地区外窗传热系数：K=4.7W/（m2K）即可满足标准要求。,41,开扇的形式与节能：窗的几何形式与面积以及开启窗扇的形式对窗的保温节能性能有很大影响。总结开扇形式的设计要点：(1)在保证必要的换气次数前提下，尽量缩小开扇面积；(2)选用周边长度与面积比小的窗扇形式，即接近正方形有利于节能；(3)镶嵌的玻璃面积尽可能的大。(4)从窗型结构上讲，固定窗节能性最好，其次为平开窗，最差的为推拉窗。,42,二）减少窗的传热耗热窗由窗框和玻璃组成，窗框和玻璃的选用，决定着窗的传热系数。1提高窗框的保温性能窗框由各种不同材性的材料拼装而成，它的保温隔热性能受窗框型材、端面设计和热桥的长度影响，框扇型材部分加强保温节能效果可采取以下三个途径：1）是选择导热系数较小的框料；2）是采用导热系数小的材料截断金属框扇的热桥制成断桥式窗；3）是利用框料内的空气腔室或利用空气层截断金属框扇的热桥。,43,2减少窗玻的传热窗的保温节能性能还受玻璃层数、镀膜与否、两层玻璃之间空气层厚度等因素影响。单层玻璃的热阻很小，几乎可以忽略不计，所以通过窗户的热流很大，使得整个墙面的保温节能效果相对减弱。故窗玻处的保温节能措施通常采用以下三种方法：(1)利用双层窗或双层玻璃，即通过设置空气间层提高窗玻的保温能力；由于中空玻璃在隔热性能上优于双层窗，现在也在推广使用；在相同的材质和构造中，空气间层愈大，传热系数越小，保温节能效果越好。(2)利用能发射红外线的玻璃或利用贴有反射红外线的合成树脂薄膜或金属膜的玻璃；(3)利用(1)(2)两种方法的复合形式。,44,三）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。在设计遮阳时，应注意地区的气候特点，和房间的使用要求，以及窗所在朝向的关系。而且遮阳设施遮挡太阳辐射热量的效果，除取决于遮阳形式外，还与遮阳设施的构造处理、安装位置、材料与颜色等因素有关。可以把遮阳做成永久性或临时性的装置。,45,1、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：,46,3、规定性指标详GB50189-2005标准表4.2.2-4（下表）。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。玻璃的遮阳系数可参照公共建筑节能设计标准付录A计算。,47,第四节建筑屋顶与地面的节能设计1、屋面的节能设计（1）屋面的类型按保温层所在位置分：单一保温屋面外保温屋面内保温屋面夹心屋面按保温层使用材料分:加气混泥土保温屋面、沥青珍珠岩保温屋面、聚苯板保温屋面等。,48,（2）屋面保温材料屋面保温材料种类较多,一般为轻质、疏松、多孔或纤维材料，其质量应轻，导热系数小，按形状可分为松散保温材料、板状保温材料和整体类保温材料三种。.松散保温材料：主要有膨胀珍珠岩、膨胀蛭石及矿渣、炉渣等工业废料。其质量指标应满足下表要求：,49,板状保温材料：主要有水泥膨胀珍珠岩板、泡沫塑料（聚苯乙烯EPS板、挤塑聚苯乙烯XPS板、聚氨酯板等）、泡沫玻璃加气混凝土、水泥聚苯颗粒板等，质量指标应满足下表要求：,3.整体类保温材料：主要有轻骨料混凝土如陶粒混凝土、泡沫混凝土、沥青膨胀珍珠岩、沥青膨胀蛭石、硬质聚氨脂泡沫塑料等。,50,2、屋面保温节能设计要点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。屋顶透明部分（玻璃顶）的面积不应大于屋顶总面积的20%。许多公共建筑设计中，在建筑内部设计一个采光充足、视野开阔、通透明亮的室内中庭，是具有良好的微气候和人工生态环境的公共空间。但屋顶透明部分直接受到太阳的辐射，其隔热性能的好坏直接影响到顶层房间和中庭的室内环境质量，并且大大增加建筑用能，对节约能源很不利。,51,屋面保温做法绝大多数为外保温构造，这种构造受周边热桥影响较小。平屋顶保温屋面依保温层的位置不同，分为正铺法和倒铺法两种。1.正铺法：把保温层置于结构层和防水层之间，这种方式目前应用较多。正铺法要注意防止冬季由于室内湿度大，向室外渗透而导致保温层含水量增加（一般保温材料含水率增加1%，导热系数增加5%）。因此，在结构层上，保温层下要设置隔汽层。,52