第三章 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能技術(shù)

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)（Building envelop enclosure）通常被稱為建筑的“皮膚”，是指建筑物及房間各面的圍擋物，如墻體、屋頂、門窗、樓板和地面等。它分為透明和不透明兩部分：不透明的圍護(hù)結(jié)構(gòu)有墻、屋頂和樓板等，透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)有窗戶、天窗和陽臺門等。按是否同室外空氣接觸，又可分為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)。外圍護(hù)結(jié)構(gòu)（Outer building enve-lope）是指同室外空氣直接接觸的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，如外墻、屋頂、外門和外窗等；內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)（Inner building envelope）是指不同室外空氣直接接觸的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，如隔墻、樓板、內(nèi)門和內(nèi)窗等。一般不特別指明的情況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)即為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的作用是與室外環(huán)境進(jìn)行熱量交換，或者阻止與室外環(huán)境進(jìn)行熱量交換。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的改善可以相應(yīng)的減少制冷和制熱的能量消耗。因此在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中，提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能是降低建筑能耗的關(guān)鍵。

建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量是由通過建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量和通過門窗縫隙的空氣滲透耗熱量兩部分構(gòu)成。如圖3-1可以看出建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分的能量損失分布情況。

顯而易見，窗戶損失占50%，其中大約20%損失由于密封不好室外空氣透入所致；將近30%的損失由墻體、屋面和地板所引起。因此對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì)中，在保證使用功能和建筑質(zhì)量并符合經(jīng)濟(jì)原則的條件下，有針對性對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行保溫、隔熱的設(shè)計(jì)，進(jìn)而減少建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗。

第一節(jié) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本熱工計(jì)算

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本熱工要求主要針對建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫及隔熱進(jìn)行的熱工計(jì)算。

一、圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫計(jì)算

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫計(jì)算是針對外圍護(hù)結(jié)構(gòu)在冬季阻止室內(nèi)向室外傳熱從而保證室內(nèi)適當(dāng)溫度的熱工計(jì)算。冬季室外溫度波動較小，建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的冬季傳熱過程可近似認(rèn)為穩(wěn)態(tài)傳熱。嚴(yán)寒地區(qū)與寒冷地區(qū)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要考慮冬季保溫的技術(shù)要求。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能，一般從下面幾個方面來考慮：保證內(nèi)表面不結(jié)露，即內(nèi)表面溫度不得低于室內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度；室內(nèi)溫度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度差應(yīng)滿足衛(wèi)生要求；應(yīng)滿足建筑節(jié)能要求；應(yīng)具有一定的熱穩(wěn)定性。

在穩(wěn)態(tài)傳熱條件下，室內(nèi)外溫度均不隨時(shí)間而變，單位時(shí)間通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流就必然是一個衡量，熱流傳遞過程不會在那一層增加或減少，即單位時(shí)間、單位面積的傳熱量相等，見圖3-2。此時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)成為反映圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的特征指標(biāo)，而傳熱熱阻是傳熱系數(shù)的倒數(shù)，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫設(shè)計(jì)即是確定合理的熱阻。當(dāng)建筑材料一定時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)越薄，熱損失越大，傳熱阻越小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的溫度越低；當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度過低時(shí)，人體向外輻射熱量過多，會產(chǎn)生不舒適感，不能滿足衛(wèi)生要求。當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的溫度低于室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面還會出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。內(nèi)表面結(jié)露可導(dǎo)致耗熱量增大及圍護(hù)結(jié)構(gòu)易于破壞。因此，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫設(shè)計(jì)，就是應(yīng)該保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的溫度滿足上述要求，這樣計(jì)算得出的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻為冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最小熱阻。

1．圍護(hù)結(jié)構(gòu)最小傳熱阻的確定

外墻和屋頂圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最小傳熱阻R0, min按下式計(jì)算：

式中：

R0,min——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最小傳熱阻，m2·℃/W；

tn——冬季室內(nèi)計(jì)算溫度，℃；

tw——圍護(hù)結(jié)構(gòu)冬季室外計(jì)算溫度，℃；

αn——圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

α——室內(nèi)外計(jì)算溫差修正系數(shù)；

Δty——冬季室內(nèi)計(jì)算溫度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度的允許溫差，℃。

以上參數(shù)的確定原則和選用方法如下。

（1）冬季室內(nèi)計(jì)算溫度值因房間使用性質(zhì)不同而有不同的規(guī)定值。一般居住建筑取18℃；高級居住建筑、醫(yī)療、托幼建筑，取20℃。

（2）冬季室外計(jì)算溫度冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)室外計(jì)算溫度tw選取，與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性指標(biāo)值有關(guān)。熱惰性指標(biāo)值大，tw取值較高，熱惰性指標(biāo)值小，tw取值較低。其原因是在進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計(jì)時(shí)，假定室內(nèi)、外溫度不隨時(shí)間變化而改變，但實(shí)際上二者是發(fā)生變化的。由于不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)對溫度變化的抵抗能力不同，亦即圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性不同，同樣的溫度變化對其內(nèi)表面溫度的影響也就不同。對輕質(zhì)結(jié)構(gòu)影響大一些，對厚重的磚石結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)影響小一些。針對這種情況，《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50176—1993）給出了具體選取方法。根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱惰性指標(biāo)D值將圍護(hù)結(jié)構(gòu)分成四種類型，其冬季室外計(jì)算溫度tw根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱惰性指標(biāo)D值按表3-1選用。

（3）圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面換熱系數(shù)αn。圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面換熱系數(shù)αn一般按表3-2選用。

（4）冬季室內(nèi)計(jì)算溫度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度的允許溫差Δty。允許溫差是根據(jù)衛(wèi)生和建造成本等因素確定的。按允許溫差設(shè)計(jì)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面溫度不會太低，不會對人體形成過分的冷輻射，也可保證不會產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，同時(shí)，熱損失較小。根據(jù)房間性質(zhì)及結(jié)構(gòu)，建筑的允許溫差Δty一般可按表3-3取值。

注：表中tn、tl分別為室內(nèi)空氣的干球溫度及露點(diǎn)溫度，℃。

由表3-3可見，使用功能要求較高的房間，允許溫差小一些。在相同的室內(nèi)外氣象條件下，按較小Δty確定的最小傳熱阻值，其值也就大一些。也就是說，使用功能要求越高，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)有更大的保溫能力。

（5）溫差修正系數(shù)α。因最小傳熱阻計(jì)算式中采用的是室外空氣溫度，當(dāng)某些圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外表面不與室外空氣直接接觸時(shí)，應(yīng)對溫差加以修正，修正系數(shù)α見表3-4。

應(yīng)當(dāng)注意，按上述求得圍護(hù)結(jié)構(gòu)最小熱阻R0, min，并非是外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際熱阻一定正好等于該計(jì)算數(shù)值，它是圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的最低標(biāo)準(zhǔn)值，實(shí)際熱阻可以大于它，但不得小于它。對于嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的采暖居住建筑，暖通專業(yè)可協(xié)助建筑專業(yè)在進(jìn)行建筑熱工設(shè)計(jì)時(shí)，將各部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)控制在現(xiàn)行的國家規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值范圍內(nèi)。

二、圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱計(jì)算

建筑隔熱是指圍護(hù)結(jié)構(gòu)在夏天隔離太陽輻射熱和太陽高溫的影響從而使其內(nèi)表面保持適當(dāng)溫度的能力。冬季保溫好的房間，為什么夏季非常熱？因?yàn)槎緜鳠釣榉€(wěn)態(tài)傳熱，而夏季熱作用是非穩(wěn)態(tài)傳熱，日出和日落是非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的最大因素，需要考慮太陽輻射的周期性變化。夏熱冬暖地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮夏季的隔熱，夏熱冬冷地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)既要保證夏季隔熱為主，又要兼顧冬天保溫要求。

1．圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱計(jì)算

評價(jià)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的防熱優(yōu)劣是其抵抗波動熱作用的能力，通常依據(jù)在夏季計(jì)算溫度條件下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度最高值來衡量。因?yàn)椋瑑?nèi)表面溫度的高低不僅可以直接反映圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱性能；同時(shí)，內(nèi)表面溫度直接與室內(nèi)平均輻射溫度相聯(lián)系，即直接關(guān)系到內(nèi)表面與室內(nèi)人體的輻射換熱，控制內(nèi)表面最高溫度，實(shí)際上就控制了圍護(hù)結(jié)構(gòu)對人體輻射的最大值；而且這個標(biāo)準(zhǔn)既符合當(dāng)前的實(shí)際情況又便于應(yīng)用。圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面最高溫度可以通過計(jì)算求得。

根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50176—93）的規(guī)定：房間在自然通風(fēng)情況下，建筑物的屋頂和東、西外墻的內(nèi)表面最高溫度，應(yīng)滿足下式要求。

式中：

θi.max——圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面最高溫度，℃；

te.max——夏季室外計(jì)算溫度最高值，℃。

以上各參數(shù)確定方法為如下。

（1）室外綜合溫度計(jì)算。在夏季，建筑物外圍結(jié)構(gòu)受到室外溫度和太陽輻射兩部分的作用，將兩者合二為一稱為“綜合溫度”，考慮到太陽輻射對表面換熱量的增強(qiáng)，相當(dāng)于在室外氣溫上增加了一個太陽輻射的等效溫度值。室外綜合溫度是以溫度值表示室外氣溫、太陽輻射對給定外表面的熱作用。它是為了計(jì)算方便推出的一個當(dāng)量室外溫度。

室外綜合溫度各小時(shí)值按下式計(jì)算。

式中：

tsa——室外綜合溫度，℃；

te——室外空氣溫度，℃；

I——水平或垂直面上的太陽輻射照度，W/m2；

ρs——太陽輻射吸收系數(shù)，與外表面材料、表面狀況、色澤有關(guān)，按照《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50176—93）取值；

αe——外表面換熱系數(shù)，取19.0W/（m2·K）。

夏季室外熱作用呈現(xiàn)周期性變化，是以一天為周期的熱波動，室外綜合溫度晝夜24小時(shí)為傳熱周期。由于室外綜合溫度晝夜呈周期性波動變化，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱設(shè)計(jì)的計(jì)算中，必須確定晝夜綜合溫度其最大值、平均值及晝夜溫度波動振幅。

1）室外綜合溫度平均值按下式計(jì)算。

式中：

——室外綜合溫度平均值，℃；

——室外空氣溫度平均值，℃，按照《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50176—93）取值；

——水平或垂直面上太陽輻射照度最大值，W/m2，按照《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50176—93）取值。

2）室外綜合溫度波幅應(yīng)按下式計(jì)算。

式中：

Aisa——室外綜合溫度波幅，℃；

Ate——室外空氣溫度波幅，℃，按照《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50176—93）取值；

β——相位差修正系數(shù)，因?yàn)槭彝鈿鉁刈畲笾蹬c太陽輻射等效溫度最大值出現(xiàn)時(shí)間不一致，因此二者振幅不能取簡單代數(shù)和，應(yīng)乘以修正系數(shù)。按照《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50176—93）取值；

Ats——太陽輻射當(dāng)溫度波幅，℃，其表達(dá)式如下。

式中：

Imax——水平或垂直面上太陽輻射照度最大值，W/m2，按照《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50176—93）取值；

其他符號表示意義同上。

3）室外綜合溫度最大值按下式計(jì)算。

符號表示意義同上。

（2）圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面高溫度的計(jì)算。

1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面最高溫度可按下式計(jì)算。

2）內(nèi)表面平均溫度可按下式計(jì)算。

式中：

θimax——內(nèi)表面最高溫度，℃；

——內(nèi)表面平均溫度，℃；

——室內(nèi)計(jì)算溫度平均值，℃，取 ；

Ati——室內(nèi)計(jì)算溫度波幅值，℃，取Ati= Ate-1.5（℃）；

Ate——室外計(jì)算溫度波幅值，按照《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50176—93）取值；

R0——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻，（m2·K）/W。

VO——圍護(hù)結(jié)構(gòu)衰減倍數(shù)即室外綜合溫度振幅與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度振幅的比值，其表達(dá)式為：

式中：

∑D——圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱惰性指標(biāo)，等于各材料層熱惰性指標(biāo)之和；

S1、S2、Sn——各層材料蓄熱系數(shù)，W/（m2·K）；

Y1、Y2、Yn——各層材料外表面蓄熱系數(shù)，W/（m2·K）；

αi、αe——分別為內(nèi)、外表面換熱系數(shù)，取αi=8.7W/（m2·K）, αe=19.0W/（m2·K）；

Vi——室內(nèi)溫度波動影響到圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度波動的衰減倍數(shù)，其表達(dá)式如下。

式中：

Yi——內(nèi)表面蓄熱系數(shù)，W/（m2·K）；

Ati——室內(nèi)溫度波動的振幅，℃；

Aθi——內(nèi)表面溫度波動的振幅，℃。

式中：

ξ0——溫度波通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的相對延遲，即內(nèi)表面的最高溫度出現(xiàn)時(shí)間與室外綜合溫度最大值的出現(xiàn)時(shí)間之差，即圍護(hù)結(jié)構(gòu)延遲時(shí)間，h；

1/15——單位換算值，以1h為15°，將度數(shù)換算成小時(shí)；

40.5——單位換算值，將弧度換算成度數(shù)。

ξi——室內(nèi)最高溫度出現(xiàn)的時(shí)間與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的最高溫度出現(xiàn)時(shí)間之差，即室內(nèi)溫度影響到內(nèi)表面的延遲時(shí)間，h；

其他符號表示意義同上。

由上述分析知，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面最高溫度不僅受室外綜合溫度，還受到圍護(hù)結(jié)構(gòu)衰減倍數(shù)延遲時(shí)間的影響及室內(nèi)溫度及其波動的影響。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱設(shè)計(jì)主要是針對建筑外表面的溫度，即室外綜合溫度進(jìn)行的。室外綜合溫度不僅以24h為周期進(jìn)行波動，隨圍護(hù)結(jié)構(gòu)的朝向及外表面對太陽輻射的吸收率不同，室外綜合溫度有很大的變化。不同朝向表面接受的太陽輻射照度有很大的差異，對同樣做法的外墻，西墻、東墻、西南墻、東南墻所受室外熱作用比南墻大，其綜合溫度最高值比南墻高得多，更應(yīng)做好隔熱設(shè)計(jì)。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱能力還取決于其對周期性熱作用的衰減倍數(shù)和延遲時(shí)間。同樣的綜合溫度作用下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的衰減倍數(shù)越大其內(nèi)表面的溫度波越小，內(nèi)表面的最高溫度也就越低，即隔熱性能越好。同時(shí)，同樣綜合溫度作用下，延遲時(shí)間越長，圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱性能就越好。