2.2 墻體節能基礎知識

2.2.1 基本概念

（1）導熱系數λ。材料兩側存在溫差時，熱量從高溫一側向低溫一側傳遞的能力，用符號“λ”表示，單位為W/（m·K）。導熱系數是某一材料的固有屬性，導熱系數越小，絕熱性能越好。材料導熱系數的大小與材質、孔隙率、孔隙特征、溫度、濕度、熱流方向有關。一般而言，金屬材料大于非金屬材料，無機材料大于有機材料。材料密度越大，導熱系數也越大。如建筑鋼材、鋼筋混凝土、聚氨酯硬泡沫塑料的導熱系數分別為58.2W/（m · K）、1.74W/（m · K）、0.033W/（m · K）。工程中通常把λ不大于0.23W/（m · K）的材料稱為絕熱材料。當材料受潮或結冰時，導熱系數會急劇增大，因為干燥的空氣導熱系數很小，只有0.029W/（m·K），而水和冰的導熱系數分別為0.58W/（m·K）和2.20W/（m·K）。

（2）蓄熱系數S。材料的蓄熱系數是指材料在熱作用下蓄存或放出熱量的能力，用符號“S”表示，單位為W/（m² · K）。材料的蓄熱系數越大，說明材料儲存熱量的能力越大，材料內表面溫度波動越小，升溫降溫也就越慢。在選擇建筑圍護結構的材料時，可通過材料蓄熱系數的大小來調節溫度波動的幅度，使圍護結構具有良好的熱工性能。一般來說，密度越大的材料，蓄熱系數也越大。比如，剛才前面提到的夯土建筑冬暖夏涼，夯土的蓄熱系數約為12.99W/（m² · K），密度約2000kg/m³。建筑鋼材的密度為7850kg/m³ ，其蓄熱系數高達126.1W/（m² · K）。

（3）熱阻R。熱阻表示熱量經過材料層時所受的阻力，用符號“R”表示，單位為（m² · K）/W。熱阻越大，說明材料的絕熱性能越好，熱量越不容易通過。熱阻與材料的導熱系數成正比、與厚度成反比。垂直于熱流方向由多層勻質材料（包括封閉的空氣間層）做成的墻體，如有內、外粉刷的磚墻等可視為多層勻質材料層，其總熱阻為各層熱阻（包含室內外空氣層熱阻之和）。

在墻體砌筑方式中，常有內部材料層由兩種以上材料組合而成的情況，如各種形式的空斗墻等。這種構造層在垂直于熱流方向已非勻質材料，內部也不是單向傳熱。在計算熱阻時，平行于熱流方向沿著組合材料層中不同材料的界面，則由各部分按照面積加權平均求得。

封閉干燥的空氣層是非常好的保溫隔熱材料，其性能較固態的絕熱材料更好。研究表明，常溫下一般建筑材料的空氣間層的三種傳熱方式中，輻射換熱約占70%，對流和導熱共占30%。因此，不能簡單套用均質材料或復合材料的計算公式進行計算。表2-6為《民用建筑熱工設計規范》（GB 50176—93）（以下簡稱《規范》）中列出的空氣間層熱阻值。

2.2.2 墻體保溫

1.墻體保溫指標

（1）傳熱系數K。熱量經過圍護結構傳遞，其傳遞熱量的多少與快慢主要取決于材料的傳熱系數。傳熱系數有別于前面提到的導熱系數。導熱系數表示單一材料的熱工性能，建筑構件的熱工性能則用傳熱系數K表示，墻體兩側空氣溫差為1℃或1K時，單位時間內通過單位面積的傳熱量用K表示，單位為W/（m² · K）。傳熱系數和傳熱阻互為倒數。傳熱阻表示熱量從墻體的一側空間傳向另一側空間所受到的總阻力大小。傳熱阻越大，則通過墻體的熱量越少；傳熱系數越小，則通過墻體的熱量越少。傳熱系數越小，墻體保溫隔熱性能越好。

（2）平均傳熱系數。在建筑墻體中，除了主體部位外，還有一些用鋼筋混凝土或鋼材或其他金屬材料制作的梁、板、柱等。這些部位與墻體的主體部位而言，傳熱系數小，熱量容易通過。在建筑中，把這些構件稱為熱橋（圖2-1）。熱橋對整個墻體的熱工影響很大。一方面，鋼筋混凝土或金屬材料的導熱系數較大，例如，鋼筋混凝土的導熱系數為1.74W/（m · K），鋼材的導熱系數更是高達58.4W/（m · K），而普通黏土磚的導熱系數為0.81W/（m · K），一些新型節能墻體材料的導熱系數則更小。另一方面，熱橋部位在墻體中占有一定比例，這個比例根據建筑結構形式不同而不同；但隨著近年來，農村建筑窗墻面積比的不斷增加，熱橋占墻面面積（不包含門窗）的比例也越來越大。因此，在評價墻體節能效果時，熱橋占有舉足輕重的作用，需要綜合考慮熱橋的作用。外墻平均傳熱系數就是指建筑墻體中，熱橋與墻體的面積加權平均。

外墻平均傳熱系數有兩種解釋，一種是以單位房間墻面（由房間軸線和層高所圍合而成），熱橋梁、板、柱等面積與主體墻面（不包括門窗）的傳熱系數的面積加權平均。對于建筑而言，僅個單元墻面的平均傳熱系數不具有代表性。另一種是將同一朝向的熱橋與墻面的傳熱系數進行面積加權平均。

圖2-1 熱橋示意圖

以磚混結構農房為例，某一計算單元的外墻平均傳熱系數K_m的計算方法如式2-3所示。

式中 K_m——外墻平均傳熱系數，W/（m²·K）；

K _P——外墻主體部位的傳熱系數，W/（m²·K）；

——鋼筋混凝土柱（構造柱）部位的傳熱系數，W/（m² · K）；

——鋼筋混凝土柱（構造柱）部位的面積，m²；

——鋼筋混凝土梁（圈梁）部位的傳熱系數，W/（m² · K）；

——鋼筋混凝土梁（圈梁）部位的面積，m²；

——鋼筋混凝土過梁部位的傳熱系數，W/（m² · K）；

——鋼筋混凝土過梁部位的面積，m²；

——鋼筋混凝土樓板部位的傳熱系數，W/（m² · K）；

——鋼筋混凝土樓板部位的面積，m²。

（3）體型系數。體型系數是指建筑物與室外大氣接觸的外表面積與其所包圍的體積的比值。外表面積中，包括與室外空氣接觸的架空樓板的面積，但不包括地面、不采暖樓梯間隔墻、戶門、女兒墻、屋面層的樓梯間與設備用房等的墻體。體型系數對建筑能耗影響很大。體型系數越大，說明建筑的外表面積越大，圍護結構的熱損失越大。體型系數與建筑的層數、體量、形狀等因素有關，直接影響建筑造型、平面布局、采光通風。體型系數小，將會限制建筑師的創造性，建筑造型呆板、平面布局困難，甚至影響建筑的使用功能。

（4）窗墻面積比。窗墻面積比簡稱窗墻比，狹義的窗墻比是指窗戶洞口面積與房間立面單元面積（即房間層高與開間定位線圍成的面積）的比值。廣義的窗墻面積比是指某一朝向的窗戶洞口面積與墻面面積的比值。朝向主要指東、南、西、北向。在《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》（JGJ 134—2010）中，“東、西向”代表從東或西偏北30°（含30°）至偏南60°（含60°）的范圍；“南向”代表從南偏東30°至偏西30°的范圍。另外，窗戶洞口面積還包括幕墻、陽臺門、戶門等中的透明部分。

普通窗戶相對于建筑墻體而言，屬于圍護結構中的薄弱構件。通常，窗戶的傳熱系數較大，在冬季熱量容易通過門窗散失；在夏季，炎熱的太陽輻射容易通過透明玻璃進入室內。因此，窗墻面積比越大，建筑采暖空調能耗也越大。近年來，農村建筑的窗墻面積比有越來越大的趨勢，這得益于墻體材料輕質化和結構形式多樣化的結果，同時也是村民追求通透明亮的居住環境的結果。越來越大的窗墻面積比，使得墻體部分的熱橋比例增大，從而使得整個墻體的熱工性能下降。因此，從建筑節能的角度而言，合理控制窗墻面積比是很有必要的。

2.墻體保溫構造

（1）外保溫。外保溫是指保溫層位于墻體結構層外側的保溫方式[圖2-2 （a）]。外保溫能防止熱橋內表面結露；保護墻體的主體結構，提高墻體的耐久性，便于維修。但保溫層容易受雨水侵蝕；安全性能差，面層容易開裂或剝落。

（2）內保溫。內保溫是指保溫層位于墻體內側的保溫方式[圖2-2（b）]。內保溫安全性好，對保溫材料和外墻飾面材料要求較低。但無法解決梁、柱等熱橋部位的保溫，易發生結露；占用室內面積；不利于節能改造及室內裝修；墻體不能受到保溫層保護。嚴寒地區室內外溫差大，采用內保溫方式容易發生結露現象。夏熱冬冷地區室內外溫差相對較小，對于居住建筑一般不會發生結露問題。張三明、王美燕在《墻體內保溫體系冷橋部位結露分析》中分別研究了膠粉聚苯顆粒保溫砂漿、石膏板巖棉和高強水泥珍珠巖板這3種墻體內保溫體系冷橋部位在夏熱冬冷的杭州地區整個典型氣象年采暖期間結露情況，結果表明冷橋部位一般會發生結露現象，但是由于墻體具有一定的自調功能，結露形成的冷凝水會蒸發，不至于經過累積而導致保溫層受潮、發霉。

（3）自保溫。外墻自保溫是用導熱系數較小的材料砌筑外墻，如輕質空心砌塊墻、加氣混凝土砌塊墻等。自保溫結構保溫與承重相結合，既能承重又能保溫。但是，由于熱橋存在，保溫效果往往較難滿足，梁、柱等部位需要特殊處理。

（4）復合保溫[圖2-2（c）]。復合保溫是指保溫層位于結構層中間的一種保溫方式，包括夾心保溫和構件復合保溫構造。當單一墻形式的保溫無法滿足時，可采用復合保溫的形式。夾心保溫是在多孔或空心墻體材料中填充保溫材料，這也是自保溫的一種方式。構件復合保溫構造是利用構造方式在中間設置保溫材料。復合保溫跟自保溫具有類似的特點。另外，復合保溫中的內保溫層容易受潮、發霉，不利于維修。因此，要注意在施工、使用過程中不發生結露。

圖2-2 外墻的保溫方式

2.2.3 墻體隔熱

1.墻體隔熱指標

（1）熱惰性指標D。熱惰性指標表示圍護結構在熱作用下抵抗溫度波動的能力，用符號“D”表示。熱惰性指標為熱阻和蓄熱系數的乘積，屬于無量綱。同導熱系數與傳熱系數的關系一樣，蓄熱系數表示某種材料對熱量存儲和釋放的能力，熱惰性指標則表示由材料所組成的構件抵抗溫度作用的能力。構件的熱惰性指標與各層材料的厚度和蓄熱系數有關，材料越厚、蓄熱系數越大，構件的熱惰性指標也就越大。建筑圍護構件的熱惰性指標越大，內表面溫度越低，這樣在炎熱的夏季，室內就不會有烘烤感。

處于自然氣候條件下的建筑物，必然受到大氣層各種氣候因素的影響，而氣候因素的變化接近于周期性變化。夏季日出日沒，晝夜交替，室外溫度可視為呈周期性變化。熱惰性指標D表示圍護結構在諧波熱作用下反抗溫度波動的能力。D值越小，墻體內表面溫度波動越大，散熱越快。

多層均質材料墻體的熱惰性指標為各分層材料熱惰性指標之和。若其中有封閉空氣間層，因間層中空氣的材料蓄熱系數甚小，接近于零，間層的熱惰性指標可以忽略不計。如果墻體中間某層由兩種以上材料組成時，則應先求得該層的平均導熱系數和平均蓄熱系數，以其平均熱阻求取該層熱惰性指標。

（2）外墻內表面最高溫度。夏季，對建筑防熱而言最不利的情況是晴天，太陽輻射強度很大。白天，在強烈陽光照射下，圍護結構外表面的溫度遠遠高于室內空氣溫度，熱量從圍護結構外表面向室內傳遞。夜間，圍護結構外表面溫度迅速降低，由于受向天空長波輻射的影響，外表面溫度甚至可低于室外空氣溫度。對于多數無空調的建筑而言，在夜間，熱量從室內向室外傳遞。基于室外熱作用的特點，夏季圍護結構的傳熱應以24h為周期的周期性不穩定傳熱計算。

2.墻體隔熱措施

（1）外墻采用淺色飾面。淺色飾面，如淺色涂料、面磚和粉刷等，太陽輻射吸收系數小，熱反射率大。采用淺色飾面的外墻，在夏季可以反射較多的太陽輻射熱，從而減少室內得熱，降低墻體的表面溫度。

（2）設置隔熱層。通過設置隔熱層的方式隔絕熱量，其工作原理同建筑保溫。不同之處在于，建筑保溫是為了防止冬季室內熱量散佚到室外，而夏季則要隔絕室外熱量進入室內。

（3）控制合適的窗墻面積比，并做好窗戶遮陽。

（4）東西向外墻采用花格構件或攀爬植物遮陽。利用天然植物進行遮陽，既可以改善生態環境，又能取得遮陽的實效。在外墻種植可以沿墻體攀爬的爬山虎、常春藤，或者沿架攀爬的葡萄、紫藤等植物，夏季可以利用植物的蒸騰和遮陰作用起到遮陽的效果；冬季植物葉子掉落，不會影響冬季的太陽照射。這種做法遮陽效果明顯，盛夏季節外墻外表面溫度可降低4～5℃，室內氣溫和外墻內表面溫度也會有所下降。