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1,第3章 建筑保温与节能,2,内容提要：,建筑保温与节能设计策略非透明围护结构的保温与节能保温材料与构造透明围护结构的保温与节能被动式太阳能利用设计（重点）,概述：,我国民用建筑热工设计规范GB50176-93按下列条件，将全国划分成五个建筑热工设计分区：严寒地区：最冷月平均温度10，日平均气温 5 的天数，在145天以上的地区；寒冷地区：最冷月平均温度 010，日平均气温 5 的天数在90145天的地区；夏热冬冷地区：最冷月平均温度010，最热月平均温度2530；夏热冬暖地区：最冷月平均温度大于10，最热月平均温度2529；日平均气温 25 的天数在100200天，夏季防热、冬季可不保温；温和地区：最冷月平均温度013，最热月平均温度1825。日平均气温 5 的天数在090天,4,5,夏热冬暖地区分区图,6,1、太阳辐射 2、窗 3、人体散热 4、电灯等散热 5、采暖散热 6、围护结构 7、通风 8、地面 9、水份蒸发 10、制冷设备,7,3.1建筑保温与节能设计策略,1、充分利用太阳能：节能与卫生 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。,太阳常数,太阳眷顾地球,8,太阳在其主序星阶段已经到了中年期，在这个阶段它核心内部发生的恒星核合成反应将氢聚变为氦。在太阳的核心，每秒能将超过400万吨物质转化为能量，生成中微子和太阳辐射。以这个速度，太阳至今已经将大约100个地球质量的物质转化成了能量。太阳作为主序星的时间大约持续100亿年左右。,太阳还很年轻，可是地球呢？,9,10,11,12,13,三大因素影响朝向,从采光、集热、通风三个角度考虑，建筑物分别获得三者的最佳值时，朝向的角度各不相同，所以，建筑物的最佳朝向是由三者综合决定的。南偏东(西)30朝向可取得最佳采光南偏东45到南偏西45朝向可获最佳集热 主导风向影响室温和通风,14,最佳朝向,2、防止冷风的不利影响：风对室内气候的影响有两方面：一是通过门窗口或其它孔隙进入室内，形成冷风渗透；二是作用在围护结构外表面上，使对流换热系数变大，增强外表面的散热量。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。,16,17,18,3、选择合理的建筑体型、朝向建筑师处理体型与平面设计时，首先应考虑功能要求，必须正确处理体型，平面形式与保温的关系；否则，不仅增加采暖费用，浪费能源，而且必然影响围护结构的热工质量。,体形（型）系数：尽量减少表面积以减少热量的散失，球形、圆形、方形、多边形、多层。,19,4、使房间具有良好的热工特性、建筑具有整体保温和蓄热能力 热特性应适合使用要求。例如：全天使用的房间应有较大的热稳定性，以防止室外温度下降或间断供热时，室温波动太大；对于只白天使用或只有一段时间使用的房间，要求在开始供热后，室温能较快上升到所需标准。,21,22,5、建筑保温系统科学、节点构造设计合理,保温系统简介。EPS，聚氨酯等；建筑保温条件薄弱的局部：墙转角、圈梁、窗过梁、檐口等处。玻璃窗的热阻远小于其它围护结构，是保温重点部位。（1）增加窗的层数；双层窗与双玻窗。（2）改善窗框和玻璃的传热性能。外保温与内保温。60页8条解释。,23,24,6、建筑物具有舒适、高效的供热系统 建筑节能，建筑和设备各占一半。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，要有合理的供热系统。供热间歇不宜太长。,26,建筑保温与节能目标：1、保证室内环境的热舒适性；2、提高能源的利用效率。建筑节能如何翻译反映了节能的阶段：energy saving;energy conservation;energy efficiency.建筑节能：开源节流。,27,3.2 非透明围护结构的保温与节能,1、建筑保温与最小传热阻法2、建筑节能与传热系数限值法3、建筑能耗控制与围护结构热工性能权衡判断法4、楼地面的保温节能与热舒适性,28,非透明围护结构,外墙、屋顶、架空或外挑楼板、非采暖楼梯间与采暖楼梯间隔墙或楼板、非透明幕墙、地面等。节能目标：30%，50%，65%；75%。注意：不同类型建筑目标不同。,对外围护结构的保温要求：,围护结构对室内气候的影响，主要是通过内表面温度体现的。内表面温度过低，不仅影响人体健康，还会出现表面结露，严重影响卫生，加重结构潮湿状况，降低结构耐久性。,稳定传热条件下，内表面温度仅决定于室内外温度和围护结构的总热阻，越大则内表温度越高。,就大量性工业和民用建筑，控制围护结构内表面温度不低于室内露点温度，以保证内表面不致结露是起码的要求。,30,冷凝图片,1、最小传热阻的确定：,说明：,：冬季室内计算温度。民用建筑或其它以满足 人体生理卫生需要为主的房屋，按卫生标准取值；工业厂房或有特殊要求的房间，按相应规范取值。：冬季室外计算温度。为使同类采用不同热稳 定性围护结构的房间的室内气候状况接近一致，不 同结构应采用不同的室外计算温度。,最小传热阻是一种技术标准，其确定方法应由国家规范来规定。现暂按下式确定：,n：考虑外表面位置的修正系数。由于计算最小传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。见下表（A代替）,：允许温差。见下表。使用质量要求较高的房间，小一些。相同的室内外气候时，按较小的 确定的 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。,34,经济热阻,按最小传热阻，节省建造费但增加采暖费；无限增加热阻，节省采暖费但浪费建造费，存在最佳经济热阻。世界发达国家外墙保温标准逐渐提高。英国（气候与上海相近）1973年前外墙传热系数1.6w/(m2k)，1974年后1.0w/(m2k)，1982年后0.6w/(m2k)，1988年后0.45w/(m2k)。与北京相近气候的发达国家约为0.35w/(m2k)。我国北京为0.9w/(m2k)。,35,夏热冬暖地区居住建筑,36,2、建筑节能与传热系数限值法,1）居住建筑的保温与节能三个阶段采暖区建筑围护结构承担的比例具体规定,37,2）公共建筑的保温与节能与居住建筑不同，全国统一阶段性要求体形系数,38,公共建筑节能规范,39,3）非透明围护结构的传热系数计算按照建筑面积加权平均来计算。主要是考虑热桥部位。,40,3、建筑能耗控制与围护结构热工性能权衡判断,采暖耗热量指标，采暖耗煤量指标矛盾：尊重建筑师的创作性工作。权衡判断法：参照建筑。退而求其次，其中单项不过关，总体来补。DOE-2；DeST-H；思维尔；PKPM；天正节能等。,41,42,PKPM操作步骤,1 设置工程信息2 前处理3 检查建筑围护结构物性是否满足标准要求4 如果建筑围护结构不满足标准要求，动态计算建筑节能综合指标5 显示打印计算结果6 退出,43,1）人脚与地板直接接触传热 以木地面和水磨石两种地面为例，即使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，类水泥砂浆地面：类水磨石:B=26.8 类,4、楼地面的保温节能与热舒适性,44,2）沿外墙周边局部保温处理 越靠近外墙，地板表面温度越低，单位面积的热损失越多。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。,3.3 保温材料与构造,绝热材料：指那些绝热性能较好，即导热系数较小的材料，通常把导热系数小于 0.25 并能用于绝热工程的材料。保温材料：习惯上用于控制室内热量外流的材料。隔热材料：防止室外热量进入室内的材料。,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。,影响导热系数的因素很多，如密实性，内部孔隙的大小、数量、形状，材料的湿度，材料骨架部分（固体部分）的化学性质，以及工作温度等。常温下，影响最大的因素是容重和湿度。,1。容重对导热系数的影响 容重：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 容重能很好地表明材料孔隙率的大小，一般情况下，容重较小，孔隙率越大。,导热系数随孔隙率增加而减小，即容重越小，导热系数也越小。但容重小到一定程度后，再加大孔隙率，则导热系数不仅不再降低，还会变大，存在有最佳容重。例如图9-2。,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。,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。,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。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。,52,导热,导热系数的影响因素,材质的影响（组成结构不同）材料干密度的影响一般密度越大，导热系数也越大有些材料如玻璃棉有一个最佳密度,材料含湿量的影响材料的防潮问题,其它的影响：如使用温度,绝热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。,绝热材料的选择：,三、围护结构构造方案的选择：,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。,空心砌块保温与承重结合构造,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。,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。如图是一个200C的恒温车间外墙构造。,1混凝土；2粘结剂；3聚氨脂泡沫塑料；4木纤维板；5塑料薄膜；6铝箔纸板；7空气间层；8胶合板涂油漆,保温层在承重层外侧的优点：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。如图9-5。此外，外保温对减少防水层的破坏，也是有利的。,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、旧房改造，特别是为了节能而加强旧房的保温性时，外保温处理效果最好。,倒铺屋面：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“Upside Down”构造法，简称USD 构造，如图。,60,围护结构保温构造,61,内保温节能墙体应用特点：优点：（1）位于室内，施工方便，干作业；（2）升温快，降温也快。（3）适合于分户使用。适合礼堂、俱乐部、影院等建筑；缺点：（1）“热桥”问题严重；（2）“冷凝”问题严重；（3）占用一定室内面积；（4）不利于日后的室内装修。,外墙内保温技术,62,外保温节能墙体（适合于住宅等全天使用的房间）外墙外保温技术的特点优点：a.可有效避免热桥，节约能源；b.热稳定性好；c.内表面温度高，减少冷辐射；d.保护结构，使结构受冻融循环影响小；e.可以在墙内侧安装设备，适于旧房改造；f.利于室内装修；g.可以组织和构成立面，丰富立面效果；h.适用范围广泛；i.综合经济效益高。缺点：a.施工复杂，人力、物力消耗大，湿作业多；b.检修、维护不方便；c.容易出现保温层破坏。,63,3.4 透明围护结构的保温与节能,1、外窗与透明幕墙的保温与节能2、外门的保温与节能3、透明围护结构的节点构造设计,64,一、窗户保温：,窗户保温性能低的原因，主要是缝隙透气；玻璃、窗框 和窗樘等的热阻太小。下表是常用的各类窗户的总传热系数和总传热阻的值。,65,窗户保温设计方法,1、控制窗墙面积比。概念：窗墙面积比。规定。夏热冬暖地区：居住建筑的外墙面积不应过大，各朝向的窗墙面积比，北向不应大于0.45；东、西向不应大于0.30；南向不应大于0.50。2、提高气密性，减少冷风渗透。如何规定的，方法如何，有什么矛盾。,针对我国目前的情况，应从以下几方面来改善窗的保温性能：,66,3、提高窗户的保温能力,（1）改善窗框保温性能。断热，复合，空心等。,（2）改善窗玻璃部分的保温能力。例如：双层窗、双玻璃窗、空心玻璃砖等。思考：为什么双层窗“内紧外松”。（3）合理选择窗户类型 窗户的开启方式也很重要。一种窗户两种开法,67,68,69,70,71,72,二、外门保温设计,特点：空气渗透耗热量特别大。（开启频繁）方法：选用合适的门材料；减少缝隙的数量等。,73,74,75,另：特殊部位保温设计,围护结构的其它传热异常部位有：外墙角、外墙与内墙交角、楼地板或屋顶与外墙交角等。如图为一单一材料匀质外墙角。,一、围护结构交角处的保温设计,如图是加气混凝土复合墙板外墙角的保温处理。,79,二、热桥保温：Thermal Bridge,围护结构中，一般都有保温性能远低于主体部分的嵌入构件，如外墙体中的钢或钢筋混凝土骨架、圈梁；楼板、墙板中的肋条等，称为热桥。如图。热桥就是建筑围护结构中热量容易通过的地方。,80,热桥保温处理，理论上就是用某种导热系数很小的保温材料，附加到热桥的适当部位。,81,3.5 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。建筑师应当完成和承担的更多是被动式太阳能利用设计。其方式主要有以下几种：直接收益式；集热墙式；附加阳光间式等。,82,太阳能资源分布,太阳辐射年总量,83,84,被动式太阳能建筑（Passive solar house）以墙、地板、屋盖等为主体，组成吸热、储存、控制与分配太阳能的系统。不用机械力量而靠对流、传导、辐射等传热机制吸收、蓄存、释放太阳能的建筑。,85,太阳房（solar house)太阳房是直接利用太阳辐射能的重要方面。把房屋看作一个集热器，通过建筑设计把高效隔热材料、透光材料、储能材料等有机地集成在一起，使房屋尽可能多地吸收并保存太阳能，达到房屋采暖目的。,86,太阳房（solar house)太阳房可以节约7590的能耗，并具有良好的环境效益和经济效益，成为各国太阳能利用技术的重要方面。在太阳房技术和应用方面欧洲处于领先地位，特别是在玻璃涂层、窗技术、透明隔热材料等方面居世界领先地位。主要有四种：直接受益式、附加阳光间、特朗伯墙和透明保温墙体。,87,(a)直接受益式系统：让阳光直接透过窗户进入室内。,88,(b)附加阳光间系统：附加日光间温度比室内、室外都高，成为建筑热损失的缓冲区。,89,(c)特朗伯墙系统(Trombe)：在直接受益式窗户后面筑起一道重型结构墙。,冬季,夏季,90,(d)透明保温墙体（TIW）在调节和利用太阳辐射方面，一种利用透明保温材料（Transparent Insulated Material，简称TIM）与实墙体复合而成的透明隔热墙体（Transparent Insulated Wall，简称TIW）具有很好的功效。该墙体由玻璃、遮阳卷帘、TIM层、空气间层、吸热面层和结构墙体组成。透明保温材料TIM允许太阳辐射通过，同时又能起着保温隔热的作用使室内热损失减少到最小。墙体在白天因太阳辐射被加热，由于墙体传热的延迟作用，在间隔5-6小时后向室内放热。据检测，利用TIW墙体构造技术措施，在不增加能耗的前提下，能有效地改善室内的热舒适。在夏季利用建筑及TIW内的遮阳装置，又可以防止太阳辐射的不利影响，避免室内过热。,91,(d)透明保温墙体（TIW）,92,德国文德堡青年教育中心客房,93,热敏玻璃,94,95,太阳墙系统,96,采用被动式太阳能的几个关键：,（1）得热最大化；（深色表面）（2）蓄热最大化；（蓄热系数）（3）保温最大化；（保温材料）（4）利用灵活化。（开口灵活）,97,被动式太阳房设计中应注意问题,1、太阳房的热稳定性；（1）集热面朝向；15度。（2）蓄热体的配置和集热墙厚度；2、夏季的防热。（1）集热面的遮阳；（太阳高度角利用）（2）太阳房的环境绿化。（绿化选择）,98,99,课堂讨论：,在外围护结构的保温设计中应遵循哪些基本原则？影响绝热材料导热系数的主要因素有哪些？外围护结构的保温层放在外侧有何好处？围护结构保温构造方案大致有哪几种类型？,101,102,103,104,105,实例德国国会大厦改造工程,建筑概况：建筑名称：柏林国会大厦建筑师：诺曼福斯特时间：始建于1984年 1999年重建地点：德国柏林,106,107,108,简介：桕林国会大厦始建于1984年，原名帝国大厦。1999年福斯特设计的国会大厦重建工程完工，标志着国会大厦一个真正的重生。柏林国会大厦是一项改建工程，它的前身是具有100多年历史的帝国大厦。两德统一后的1992年，德国决定将国会大厦作为德意志联邦议会的新地址，并为此举行了设计竞赛，世界著名建筑师福斯特及其设计事务所在全球800多名建筑师中脱颖而出。福斯特胜出的重要原因之一是因为他为国会大厦设定了这样的一个改建目标：要将国会大厦改建成一座低能耗、无污染、能吸纳自然清风阳光的典型环保型建筑。,109,三洋公司在日本修建了一个非常精美的太阳能建筑，出于对能源与建筑设计的尊敬与创意，建筑师把该太阳能建筑设计得非常的与众不同。这个长长的如广告牌一样的东西，便是叫做太阳方舟的超级太阳能建筑。他全身有超过5000块中型太阳能板，能够从太阳吸收并产生500000KWh的能量。,110,皇明新总部,111,上海生态建筑办公示范楼,示范楼采用4种外墙保温体系、3种遮阳系统、断热双玻中空窗及阳光控制膜、自然通风系统、热湿独立控制空调系统、太阳能空调和地板采暖系统，以及太阳能光伏发电并网技术等20多种新技术和新产品。,112,上海生态建筑办公示范楼,这幢生态办公示范楼通过先进生态技术体系的建筑一体化整合设计，集成应用了“自然通风、超低能耗、天然采光、健康空调、再生能源、绿色建材、智能控制、水资源回用、生态绿化、舒适环境”十大技术体系。,113,五、建筑节能设计实例,上海生态建筑办公示范楼 上海建筑科学研究院设计建造的国内首幢真正意义上的生态建筑办公示范楼，在上海市莘庄工业区内拔地而起，其太阳能利用系统、通风系统、智能感应器等方面处于国际领先水平。,114,上海生态建筑办公示范楼,通过对多种技术的有效集成，这一项目实现了四项技术指标：综合能耗比同类建筑节约75%（综合耗能仅是同类建筑的四分之一），再生能源利用率占建筑使用能源的20%，再生能源利用率达到60%，室内综合环境达到健康、舒适指标，并于2005年6月荣获建设部颁发的全国绿色建筑创新一等奖。,115,116,