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图1-3冬季向室外传递热量
6、在夏热冬冷地区,主要针对夏热冬冷地区节能建筑围护结构设计重点是解决夏季建筑的隔热,兼顾冬季保温。
围护结构设计除了满足夏季白天具有良好的隔热性、夜间散热快之外,还要求冬季具有良好的保温功能,同时了解空调运行方式以及自然通风与室外热作用之间的关系。
7、在北方地区冬季,主要解决室内热量向外传递,防止冷气进入室内,即隔热保温。
8、保温隔热的原则:
目前,无论在夏热冬冷地区还是北方严寒、寒冷地区,在条件允许的情况下,原则上隔热保温主要采用外保温的方式为主。
在夏热冬冷地区采用内保温隔热措施时,夏季在太阳强烈辐射下,围护结构主体部分普便加热,会使建筑蓄存不需要的大量的热量。
因此,应将室内外热作用尽可能地在围护结构表面与建筑外部环境之间转化。
现在节能建筑的保温水平,还远没达到最经济的保温水平,将来逐渐使用清洁能源,会有更重要的经济意义和节能效果。
高节能率的节能建筑外墙,一定要采用高效保温材料,并设计成使用复合保温结构的外墙。
9、冬季围护结构隔热保温的特性:
在北方地区采用外保温的方式,不但使建筑室内受室外温度波动影响小、有利于保护主体结构,而且避免产生热桥。
用图示比较内保温和外保温温差变化,图1-4是保温层设在外墙内侧,使其外侧的承重部分,常经受冬季的很大温差的反复作用。
图1-5是将保温层设在外墙外侧,则承重结构所受温差作用大辐度下降,温度变形很小。
外围结构隔热保温层在内侧还是外侧对建筑热过程影响很大,它直接影响建筑能耗的大小和室内热环境条件。
从建筑热过程分析,外隔热保温对减轻室内热负荷,防止外围护结构龟裂和内部结露都很有利。
另外,一般保温材料的线性膨胀系数比钢筋混凝土小,所以外保温可减少防水层的破坏。
外保温使墙体或屋顶结构部分受到保护,大大降低温度应力的起伏,提高结构的耐久性。
图1-4外墙内保温方式
室外ti
10、夏季隔热结构形式和特点:
围护结构表面在太阳辐射条件下的升温速度和大小反映出围护结构的隔热功能,例如对采用轻质材料而言,外表面升温快,温度高,其隔热性能反而好,因为外表面温度高,必然向空气中散热量多,传入围护结构并透过室内的热量少的缘故,如图1-6所示。
I
室外气温te
qes
围护结构外表面在太阳辐射作用下升温和升温值,能够反映出围护结构的隔热能力。
夏季传入外围护结构并通过其传入室内的热流量可用式(1-1)表示:
Qes=ρi-αe(θe-te)(1-1)
式中:
Qes---进入外表面的热流量(W/㎡)
ρi---接受太阳辐射的热量(W/㎡)
θe---外表面温度(℃)
αe---围护结构外表面传热系数[W/(㎡·
K)]
te---室外气温(℃)
由式(1-1)对照图1-6可见,当ρi和te按照一定规律变化时,外围护结构的热阻值越大,外表面温度θe升的越高,由外表面通过向外通过辐射与对流散发的热量就越多,传入外表面的热流Qes就越小,也就是隔热性能越好。
隔热保温材料用在建筑外保温时一般都采用复合结构或适当加固技术措施。
因为仅用保温材料来建造建筑的外围护结构,往往难于同时满足其承重、保温、防水、隔汽、抗老化、装饰等要求。
在使用时采用复合结构后,把力学性能好的材料用于结构受力,把绝热性能好的材料用于保温隔热,防水、隔汽、抗老化、装饰等功能要求可根据具体工程、使用部位、所处环境等使用条件的需求来合理设置。
恰当的选择围护结构构造措施,来满足外围护结构节能要求和合理、经济的隔热效果,是在节能建筑中应用的主要问题。
三、建筑围护结构热工计算
1、改进建筑围护结构形式以改善建筑热性能,是建筑节能的重要途径。
2、采暧能耗与室内外温度差成正比,在我国北方的严寒地区室内外温差要比寒冷地区、夏热冬冷地区相差成倍,甚至3~4倍。
3、空调的作用是从室风排除热量,空调排出的热量绝大多数来自各种电器设备、照明等发出的热量及室内人体发出的热量,或太阳透过外窗进入室内的热量,而少量来自通过外墙的传热。
4、当室内外温度低于室内允许的舒适温度时,依靠室内外的温差,通过外墙、外窗的传热以及室内外通风换气,可以把室内热量排出到室外。
5、围护结构平均传热系数越大(保温越不好),通过围护结构向外传出的热量就越多,室内发热导致室内温度升高就越小。
同时如果能够开窗通风,并且建筑造型与开窗位置具有较好的自然通风能力,则可通过室内外通风换气向室外排热。
如果由于某些原因不能开窗通风,热量主要依靠围护结构排除,则围护结构保温越好,散热能力就差,导致室温升高,就需开启空调。
例如在大型公共建筑,由于内部发热量大、建筑体量大,双不能开窗通风,仅靠出入口通风换气,室内大量的热量不能通过围护结构排出,只好开启空调,靠制冷排热,消耗大量电能。
6、围护结构保温越好,通过围护结构进入室内的热量就越少,但围护结构保温对夏季空调负荷的影响远不如对北方地区冬季采暖的影响大。
由于累计温差与通过围护结构造成的冷负荷或热负荷成正比,所以南方地区围护结构造成的夏季冷负荷一般不到北方地区造成和冬季热负荷的1/5。
如果将夏季冷负荷分为室内发热量和太阳透过外窗进入室内的热量、外温通过围护结构的传热以及由于通风室外热湿空气带入室内的热量,这三部分在炎热季大体各占三分之一,其中围护结构的传热所占比例最小,相比而言,冬季采暧时围护结构的传热作用却占到60%~80%的作用。
7、考虑建筑围护结构对建筑能耗的影响时,要从冬季采暖、春秋过渡季的散热、夏季的空调三个阶段的不同要求综合考虑。
三个阶段对围护结构的需要各不相同,甚至矛盾,应各有侧重
不同阶段对围护结构的不同要求
阶段
特点
围护结构保温的作用
通风换气的作用
外遮阳的作用
冬季采暖
补充通过围护结构和室内外通风换气所失去热量
决定60%~70%的负荷,温差越大保温要求越高
维持最低要求的通风换气量
打开外遮阳,尽可能多地得到太阳热量
春秋过渡季
通过围护结构和室外通风换气排除室内热量
保温起反面作用,通风越大保温的影响越小
通风越大越有利于排热
需要遮阳,减少太阳得热
夏季空调
排除通过围护结构、通风换气和室内发热所产生的热量
决定20%~30%的负荷,室内外空气温差越大保温要求越高
外遮阳是减少空调负荷的主要措施
8、平壁稳定传热:
当围护结构受到恒定的热作用时处于一种稳定传热状态。
常用于冬季采暖的保温设计。
9、建筑围护结构的传热过程主要有以下三种基本传热方式:
1)围护结构外表面或内表面与周围空气间的对流换热,围护结构表面与周围空气温差越大,对流换热量就越大,对流换热过程所交换热量与空气和围护结构表面温差成正比,即:
qc=ac(θ-t)
qc---对流传热强度(w/㎡)
ac----对流换热系数(w/㎡)
θ----围护结构表面温度(℃)
t----围护结构周围空气温度(℃)
10、在围护结构内部传热过程简单地认为是一种固体的导热,固体导热遵守傅里叶导热基本定律,在单位时间内,通过单位截面积的导热量与温度梯度成正比,其比例系数λ称为材料的导热系数[W/(m·
k)]对于单层匀质平壁在一维稳定传热时的传热量为:
q=λ/d(θi-θe)
d----材料层(平壁)的厚度(m)
λ---导热系数[w/(m·
k)];
q---平均导热的热流密度(w/㎡)
θi、θe---平均内、外表面温度(℃)
围护结构表面与周围其他表面之间的辐射换热,是建筑热工学中重要的内容之一。
两表面间的辐射换热量主要取决于表面温度、围护结构或材料发射的能力以及两表面的相对位置。
11、传热阻和传热系数计算:
在稳定情况下平壁上透过的比热流保持一常数,其值与两表面上的温差成正比,与平壁的厚度成反比,与导热系数成正比。
在建筑热工中,研究传热问题的目的是要决定围护结构的热阻,它便于设计、应用和进行热耗的计算。
比热流的计算是根据傅里叶定律计算比热流。
1)热阻:
在建筑工程中,常见的围护结构材料层可分为单层材料、组合材料层和封闭空气间层三类。
(1)单层材料平壁的热阻计算:
单层材料是指整层由一种材料构成,如加气混凝土、膨胀珍珠岩及其制品、砖砌体、钢筋混凝土等。
如果取R为平壁的热阻,其热阻按下式计算:
R=d/λ
d----材料层的厚度(m)
λ----该层料的导热系数[w/(m·
如图1-7所示。
λ4
(2)组合材料层的平壁热阻计算:
在实际建筑中,围护结构内部材料层常由两种以上的材料组成的材料层(见图1-8),热阻计算方法可按下式计算:
R=R1+R2+……+Rn
(3)多种材料组成的制品或构件的平均热阻的计算:
由两种以上的材料组成的、两种非均质围护结构(包括各种形式的空心砌块、填充保温材料的墙体等,但不包括小圆孔和小方孔黏土空心砖)其平均热阻按下式计算:
R(平均)=[F0/F1/R0.1+F2/R0.2+…+F3/R0.3-(RI+RE)]τ
FO---与热流方向垂直的总传热面积(㎡)
F1、F2…----按平行于热流方向划分的各个传热面积(㎡)
RO.1…----各个传热面部位的传热阻(㎡·
K/W)
τ----修正系数
(4)空气间层热阻的确定:
不带铝箔、单面铝箔、双面铝箔封闭空气间层的热阻,通风良好的空气间层,其热阻可不予考虑。
这种空气间层的间层温度可取进气温度,表面换热系数可取12.0[w/(m·
k)]。
(5)围护结构的传热阻:
R0=Ri+R+Re=1/ai+R+1/ae
Ri、ai----内表面换热阻(㎡·
k/w),和换热系数[w/(㎡·
k)],按表1-4采用
Re、ae---外表面换热阻(㎡·
k/w),和换热系数[w/(㎡·
k)],按表1-5采用
R--------围护结构热阻(㎡·
k/w)
内表面的热系数ai及内表面换热阻Ri值
适用季节
表面特征
ai
[w/(㎡·
k)]
Ri
(㎡·
冬季和夏季
墙面、地面、表面平整或有肋状突出物的顶棚,当h/s≤0.3时
8.7
0.11
有肋状突出物,当h/s>0.3时
7.6
0.13
注:
表中h为肋高,s为肋间净距
外表面的换热阻系数ae及外表面换热阻Re值
ae
Re
冬季
外墙、屋顶与室外空气直接接触的表面
23.0
0.04
与室外相通的不采暧地下室上面的楼板
17.0
0.06
闷顶、外墙上有窗的不采暧地下室上面的楼板
12.0
0.08
外墙上有窗的不采暖地下室上面的楼板
6.0
0.17
夏季
外墙和屋顶
19.0
0.05
(5)围护结构传热系数:
K=1/R0式中:
R0----围护结构传热阻(㎡·
k/w)墙体传热系数的限值指标指的是平均传热系数,而非实测的主体部位传热系数,不得在概念上产生错误。
如在内保温构造中,主体部位的传热系数与平均传热系数差距较大,有的相关两倍以上。
所以大部分主体部位的传热系数不可能达到墙体的节能目标。
目前还有一种错误倾向,是把标准中的平均传热系数作为墙体达到节能标准的唯一指标,这是一种极片面的理解。
国家标准《民用建筑节能设计标准》(JGJ26-95)中规定,要满足墙体平均传热系数,按建筑的体型系数S≤0.3、S>0.3与不同的传热系数。
满足节能的要求还必须满足窗、阳台、外门、地板、屋顶各部位传热系数指标。
2)围护结构的稳定性:
建筑室内热环境不仅决定于通过围护结构进入的热量或损失的热量、空调采暖和通风方式、生活和设备和散热量,而且也决定于围护结构的热物理性能,即围护结构的热稳定性。
3)材料的蓄热系数计算:
在建筑热工中,定义当一匀质半无限厚材料一侧受到周期性热作用时,迎波面(即直接受到外界热作用的一侧表面)上接受的热流振幅Aq与该表面的温度振幅A0之比,称为材料的蓄热系数S。
材料蓄热系数S的物理意义:
在一定周期的热作用下,当表面温度为1℃时,消耗于加热半无限大材料的热流波的振幅,是材料对周期热作用反应的敏感程度的一个特性指标。
材料蓄热系数计算式为:
S=Ap/Ao=√2πλcγ/z
S---材料的蓄热系数[w/(㎡·
λ---材料的导热系数[w/(㎡·
c---材料的比热[wh/(kg·
γ---材料的干密度(kg/m³
)
z---温度的波动周期(h)
当温度波周期z一定,材料的蓄热系数只取决于材料本身的热物性(λ、c、γ)。
凡是密度、比热、导热系数大的材料,其蓄热系数S值也就越大,抵抗温度波动的蓄热能力越强,材料内部温度的波动就小,反之,它抵抗温度波动的蓄热能力弱,引起材料内部波动也越大。
4)围护结构热惰性指标计算:
热阻只代表结构抵抗导热的能力,只能作为在稳定传热情况下,围护结构的评价指标。
对于不稳定的传热,一般采用材料层的热惰性指标作为评价围护结构热工性能,它反映了材料层抵抗温度波动能力的特性。
热惰性指标(D)越大,说明对温度波的衰减能力越大,穿透围护结构需要的时间越长。
1)单一材料围护结构或单一材料层D的计算:
D1=R1·
S1
D1---单一材料围护结构热惰性指标,无量纲;
R1---单一材料的热阻(㎡k/w)
S1---材料的蓄热系数[w/(㎡·
k/w)]
2)多层围护结构D的计算:
D=D1+D2+…+Dn
3)两种以上材料围护结构的计算:
某层有两种以上材料组成(图1-10),应先计算该层的平均导热系数和平均蓄热系数
(1)某层有两种以上材料组成的平均导热系数计算
λ(平均)=λ1F1+λ2F2+…+λnFn/F1+F2+…+Fn
λ(平均)---某层有两种以上材料组成的该层的平均导热系数[w/(m·
λ1、λ2…λn---在该层中各个传热面积上材料的导热系数[w/(m·
(2)按下式计算该层的平均热阻:
R(平均)=d/λ(1-13)
d---该层的厚度(m)
(3)某层有两种以上材料组成的平均蓄热系数计算:
S(平均)=S1F1+S2F2+…SnFn/F1+F2+…Fn
S---某层有两种以上材料的该层的平均蓄热系数[w/(㎡·
S1、S2…Sn---各个传热面积上材料的蓄热系数[w/(㎡k)]
F1、F2…Fn---在该层中对应于导热系数和各个传热面积(㎡)
然后按下式计算该层的热惰性指标:
D=R·
S
D---该层的平均热惰性指标,无量纲;
R---该层的平均热阻(㎡·
k/w)。
另外,所谓蓄热系数(S)概念,是指某一匀质无限厚材料受到周期性热作用,但在实际中围护结构使用的材料都是有限厚的单层或多层平壁材料,因此,当围护结构受到周期波动的热作用时,其表面温度的波动,不仅与材料本身的热物理性有关,而且与边界条件有关。
在围护结构的热工设计时,不仅要求达到节能标准的热阻或传热系数,还应考虑围护结构的稳定性等指标。
13、外墙的最小热传阻:
外墙的最小热传阻是使外墙的内表面在冬季不结露的传热阻,是外墙保温必须达到的最低要求。
一般来说,节能建筑外墙主体部位的保温都远高于这个要求,但不一定满足轻质外墙最小传热阻的附加之后的要求,特别是在墙体的局部范围内或墙体与梁、柱的交接外、混凝土悬挑板以及墙体的阴、阳角保温薄弱的墙体部位都易出现结露问题。
14、最小传热阻的附加
当居住建筑、医院、幼儿园、办公楼、学校和门诊部等建筑物的外墙为轻质材料或内侧复合轻质材料进,外墙的最小传热阻应在按式(1-16)计算结果的基础上进行附加,其附加值按表1-9采用。
处在寒冷和夏热冬冷地区,且设置集中采暧的居住建筑和医院、幼儿园、办公楼、学校和门诊部等公共建筑,当采用Ⅲ型和Ⅳ型围护结构时,其屋顶和东、西外墙进行夏季隔热验算。
如按夏季隔热要求和热阻大于冬季保温要求的最小传热阻,按夏季隔热要求采用。
四、节能建筑外保温系统性能
1、外墙外保温系统整体性能、聚氨酯硬泡外墙外保温系统整体性能,是通过采用保温材料、配套材料(构件)、设计,以及相应施工技术必须达到的性能。
聚氨酯硬泡保温防水工程应遵循“选材正确、优化组合、安全可靠、设计合理”原则,并符合施工简便、经济合理的基本要求,在节能建筑上最终必须达到最佳的量化结果。
2、外墙外保温系统整体性能要求:
如表所示
外墙外保温系统整体性能要求表2-1
检测项目
性能要求
试验方法
抗风荷载性能
系统抗风压值Rd不小于风荷载设计值。
EPS板薄抹灰系统、胶枌EPS颗粒保温浆料外墙外保温系统、EPS板现浇混凝土外墙外保温系统和EPS钢丝网架板现浇混凝土外墙外保温系统安全系数K应不小于1.5,机械固定EPS钢丝网架板外墙外保温系统安全系数K应不小于2
JGJ144-2004附录A.3节;
由设计要求值降低1kpa作为试验起始点
抗冲击性
建筑物首层墙面以及门窗口等易受碰撞部位:
10J级;
建筑物二层以上墙面等不易受碰撞部位:
3J级
JGJ144-2004附录A.5节
吸水量
水中浸泡1小时,只有抹灰层和带有全部保护层的系统的吸水量均不得大于或等于1.0kg/㎡
JGJ144-2004附录A.6节
耐冻融性能
30次冻融循环后,保护层无空鼓、脱落、无渗水裂缝;
保护层与保温层的拉伸粘结强度不小于0.1Mpa,破坏部位应位于保温层
JGJ144-2004附录A.4节
热阻
复合墙体热阻符合设计要求
JGJ144-2004附录A.9节
抹面层不透水性
2h不透水
JGJ144-2004附录A.10节
保护层水蒸气渗透阻
符合设计要求
JGJ144-2004附录A.11节
水中浸泡24h,只带有抹面和全部保护层的系统的吸水量均小于0.5kg/㎡时,不检验耐冻融性能。
3、聚氨酯硬泡外墙外保温系统整体性能要求:
聚氨酯硬泡保温装饰复合板外墙外保温系统,即装饰板(块)面层与聚氨酯硬泡预先复合施工外墙外保温系统(如聚氨酯硬泡保温装饰复合板粘贴锚固方法施工外墙外保温系统),或饰板与聚氨酯硬泡现场施工构成复合系统(如干挂法的浇注法施工聚氨酯硬泡外墙外保温系统、免拆模浇外墙外保温系统),以及外挂石材与喷涂法施工聚氨酯硬泡构成外墙外保温系统等,由于饰面层与聚氨酯硬泡保温层相对彼此独立,故系统的抗冲击性能试验仅针对饰面层进行,耐冻融性能、吸水量、水蒸气渗透阻、燃烧性能等试验分别针对聚氨酯硬泡保温层和饰面层单独进行。
聚氨酯硬泡保温装饰复合板、饰板与聚氨酯硬泡现场施工构成复合系统外墙外保温系统不做抹面层,故对该系统不进行抹面层不透水性试验。
抗风荷载性能、系统热阻及系统耐候性等试验均针对整个外保温系统进行。
饰面层粘结于保温层表面的硬泡外保温系统(例如饰面层为涂料或者粘面砖等),应对系统的抗风荷载性能、抗冲击性能、吸水量、耐冻融性能、系统热阻、抹面层不透水性、水蒸气渗透阻系统耐候性能等进行试验,可参考《外墙外保温工程技术规程》(JGJ144-2004)附录A规定的相应方法进行;
燃烧性能试验参考《建筑材料热释放速率试验方法》(GB/T16172-2007)进行。
《聚氨酯硬泡外墙外保温工程技术导则》(建设部聚氨酯建筑节能应用推广工作组,2006)要求,聚氨酯硬质泡沫外墙外保温系统性能应达到表2-2的要求。
聚氨酯硬质泡沫外墙外保温系统性能要求表2-2
序号
项目
指标要求
测试方法
1
对于饰面层粘结于保温层的外保温系统,系统的安全系数K应不小于1.5;
对于饰面层干挂的外保温系统,系统的安全系数K应不小于2
<1.0
JGJ144-2004附录A.3节
2
抗冲击性(J)
普通型
3J级,适用于建筑物2层及以上墙面等不易碰撞部位
>3.0
加强型
10J级,适用于建筑物首层墙面以及门窗口等易受碰撞部位
>10
3
吸水量(Kg/㎡)
水中浸泡1h,系统的吸水量小于1.0Kg/㎡
4
耐冻融性
对于饰面层粘结于保温层的外墙外保温系统,30次冻融循环后,保护层无空鼓、脱落、无渗水裂缝;
保护层与保温层的拉伸粘结强度不小于0.1Mpa,破坏部位应位于保温层。
对于饰面层干挂的外保温系统,30次冻融循环后,系统各部位外观无明显变化
无空鼓、脱落、渗水、裂缝;
与保温层的拉伸粘结强度≥1.0Mpa
5
系统热阻应符合设计要求
≥设计值
GB/T13475
6
浸水2h
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