一、建筑保溫綜合處理的基本原則
(一)充分利用可再生能源
可再生能源包括太陽(yáng)能和地?zé)崮艿。在建筑保溫設(shè)計(jì)中,對(duì)太陽(yáng)能的利用主要是兩個(gè)方面,一是對(duì)太陽(yáng)輻射熱的吸收,二是對(duì)太陽(yáng)輻射熱的蓄集。
。ǘ┓乐估滹L(fēng)的不利影響
應(yīng)爭(zhēng)取不使大面積外表面朝向冬季主導(dǎo)風(fēng)向,當(dāng)受條件限制而不可能避開(kāi)主導(dǎo)風(fēng)向時(shí),亦應(yīng)在迎風(fēng)面上盡量少開(kāi)門(mén)窗或其他開(kāi)口。建筑的主要人口盡量不要朝向冬季主導(dǎo)風(fēng)向。
(三)合理進(jìn)行建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)
應(yīng)從建筑選址、分區(qū)、建筑和道路布局走向、建筑朝向、建筑體形、建筑間距、冬季主導(dǎo)風(fēng)向、太陽(yáng)輻射、建筑外部空間環(huán)境構(gòu)成等方面綜合處理。
建筑物宜布置在避風(fēng)、向陽(yáng)地段,不宜布置在山谷、洼地、溝底等凹地里。建筑物朝向宜采用南北向或接近南北向。
對(duì)采暖地區(qū)的建筑,外表面盡量避免過(guò)多的凹凸,居住建筑的體形系數(shù)宜控制在0.30及0.30以下;若體形系數(shù)大于0.30,則屋頂和外墻應(yīng)加強(qiáng)保溫。公共建筑的體形系數(shù)應(yīng)小于或等于0.40。
夏熱冬冷地區(qū)的條式建筑物的體形系數(shù)不應(yīng)超過(guò)0.35,點(diǎn)式建筑物的體形系數(shù)不應(yīng)超過(guò)0.40。
夏熱冬暖地區(qū)的北區(qū)內(nèi),單元式、通廊式住宅的體形系數(shù)不宜超過(guò)0.35,塔式(或點(diǎn)式)住宅的體形系數(shù)不宜超過(guò)0.40。
(四)提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能
提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能主要從控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)和加強(qiáng)熱橋部位保溫兩方面人手。
。ㄎ澹┦狗块g具有良好的熱特性與合理的供熱系統(tǒng)
房間的熱特性應(yīng)適合其使用性質(zhì),例如全天使用的房間應(yīng)有較大的熱穩(wěn)定性,房間內(nèi)表面材料應(yīng)選用蓄熱系數(shù)大的材料。對(duì)于只有白天使用(如辦公室)或只有一段時(shí)間使用的房間(如影劇院的觀眾廳),內(nèi)表面材料則應(yīng)選用蓄熱系數(shù)小的材料。
二、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫設(shè)計(jì)
在冬季,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱一般可粗略地按穩(wěn)定傳熱計(jì)算。評(píng)價(jià)圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體(外墻和屋面)保溫性能的主要指標(biāo)是傳熱阻R0或傳熱系數(shù)K0。
。ㄒ唬﹪o(hù)結(jié)構(gòu)最小傳熱阻
內(nèi)表面溫度取決于室內(nèi)外溫度和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱阻。傳熱阻越小,內(nèi)表面溫度越高,為了不使圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面結(jié)露,在《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50176—93)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》)中規(guī)定,設(shè)置集中采暖的建筑物,其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱阻應(yīng)根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定,且應(yīng)符合國(guó)家有關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求,其最小傳熱阻應(yīng)按下式計(jì)算確定:
式中R0,min——圍護(hù)結(jié)構(gòu)最小傳熱阻,㎡·K/W;
Ri——圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面換熱阻,㎡·K/W;
ti——冬季室內(nèi)計(jì)算溫度,℃,一般居住建筑取18oC;高級(jí)居住建筑,醫(yī)療、托幼建筑,取20oC;工業(yè)企業(yè)的輔助建筑按《工業(yè)企業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》取值,以生產(chǎn)工藝要求為主的廠房或?qū)嶒?yàn)室應(yīng)按相應(yīng)的規(guī)范取值;
te——圍護(hù)結(jié)構(gòu)冬季室外計(jì)算溫度,℃,在《熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》中將圍護(hù)結(jié)構(gòu)按熱惰性指標(biāo)D值的不同分為4類(lèi),規(guī)定了4種室外計(jì)算溫度的取值方法。
n——溫差修正系數(shù),根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)所處位置情況,按《熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》取值;
[Δt]——室內(nèi)空氣與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面之間的允許溫差,℃,根據(jù)房間性質(zhì)及結(jié)構(gòu)類(lèi)型,可查《熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》取值。
對(duì)熱穩(wěn)定性要求較高的建筑(如居住建筑、醫(yī)院和幼兒園等),當(dāng)采用輕型結(jié)構(gòu)時(shí),外墻的最小傳熱阻應(yīng)在按式(1—38)計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行附加。
。ǘ﹪o(hù)結(jié)構(gòu)保溫構(gòu)造方案
為達(dá)到保溫要求,常常在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中設(shè)保溫材料層。墻體由保溫材料層和主體結(jié)構(gòu)復(fù)合而成。
1.保溫材料
絕熱材料是指導(dǎo)熱系數(shù)小于0.25W/(m·K)且能用于絕熱工程的材料。習(xí)慣上稱(chēng)控制室內(nèi)熱量外流的材料為保溫材料;防止室外熱量進(jìn)入室內(nèi)的叫隔熱材料。選擇保溫材料時(shí),不僅需要考慮材料的熱物理性能,還應(yīng)該了解材料的強(qiáng)度、耐久性、耐火、耐侵蝕性,以及使用保溫材料時(shí)的構(gòu)造方案、施工工藝、材料的來(lái)源和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等。
2.保溫構(gòu)造方案
圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造必須同時(shí)考慮保溫和承重的要求。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫構(gòu)造方案大致可分為以下兩大類(lèi):
(1)單一材料結(jié)構(gòu)
只要材料導(dǎo)熱系數(shù)足夠小,機(jī)械強(qiáng)度能滿足承重要求,又有足夠的耐久性,那么采用保溫與承重相結(jié)合的單一材料結(jié)構(gòu)方案,在構(gòu)造上比較簡(jiǎn)單,施工亦比較方便。但隨著建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的提高,許多單一材料結(jié)構(gòu)已經(jīng)難以達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的要求,因此必須發(fā)展高效保溫節(jié)能的復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)。
(2)復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)
復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)由保溫層和結(jié)構(gòu)主體層復(fù)合而成,保溫層主要起保溫作用,不起承重作用。它可以是單一保溫材料層,也可以是復(fù)合保溫材料層。選擇這種結(jié)構(gòu)時(shí),保溫材料的靈活性比較大,不論是板塊狀、纖維狀還是松散顆粒狀材料均可應(yīng)用。有時(shí)也可用封閉空氣間層作保溫層;或者將空氣間層和實(shí)體保溫層及主體結(jié)構(gòu)復(fù)合在一起以滿足比較高的保溫要求。
復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)按保溫層所處的位置可分為內(nèi)保溫(保溫層在室內(nèi)一側(cè)),外保溫(保溫層在室外一側(cè)),中間保溫(保溫層在中間夾芯)幾種類(lèi)型。保溫層的位置正確與否對(duì)結(jié)構(gòu)及房間的使用質(zhì)量、結(jié)構(gòu)造價(jià)、施工和維持費(fèi)用都有重要影響。從保溫節(jié)能的角度看,外保溫的優(yōu)點(diǎn)較多。但內(nèi)保溫往往施工方便,適用于間歇使用的房間,中間保溫則有利于松散填充材料的利用。
。3)外保溫的優(yōu)越性
1)可減少熱橋處的熱損失,防止熱橋內(nèi)表面結(jié)露;
2)對(duì)防止或減少保溫層內(nèi)部產(chǎn)生水蒸氣凝結(jié)十分有利;
3)使房間的熱穩(wěn)定性好;
4)使墻或屋頂?shù)闹饕糠质艿奖Wo(hù),大大降低溫度變形;
5)可節(jié)省保溫材料,降低建筑造價(jià)。
外保溫除上述優(yōu)點(diǎn)外,還特別適用于既有建筑節(jié)能改造。
但外保溫方案的一些優(yōu)點(diǎn)也是有前提的。例如,對(duì)規(guī)模不太大的建筑(如住宅),外保溫能夠提高結(jié)構(gòu)及房間的熱穩(wěn)定性,而當(dāng)建筑內(nèi)部有大熱容量的結(jié)構(gòu)(隔墻、柱)和空氣調(diào)節(jié)的設(shè)備時(shí),外保溫的蓄熱作用就不太明顯了。
外保溫的缺點(diǎn)是保溫材料需經(jīng)過(guò)選擇,要求不受雨水沖刷也不受大氣污染的影響。大多數(shù)保溫材料都有一定的吸濕性,材料吸濕以后,熱阻會(huì)嚴(yán)重下降,因此當(dāng)采用這種構(gòu)造方案時(shí),應(yīng)在表面覆蓋一層防水層或飾面。
(4)屋頂外保溫做法
采用外保溫的屋頂,傳統(tǒng)做法是在保溫層上面做防水層。防水層的蒸汽滲透阻很大,使屋面容易產(chǎn)生內(nèi)部結(jié)露,同時(shí),由于防水層直接暴露在大氣中,受日曬、凍融等作用,極易老化和破壞。為了改進(jìn)這種狀況,產(chǎn)生了“倒鋪”屋面的做法。不僅可能完全消除內(nèi)部結(jié)露,而且可使防水層得到保護(hù),從而大大提高耐久性,但這種方法要求保溫材料不吸水。
三、外窗、外門(mén)和地面的保溫設(shè)計(jì)
。ㄒ唬┐皯(hù)的保溫
窗戶(hù)一方面引進(jìn)太陽(yáng)輻射熱,另一方面又通過(guò)冷風(fēng)滲透和本身傳熱損失大量熱量。由于窗戶(hù)損失的熱量多,降低了窗的內(nèi)表面溫度,其所產(chǎn)生的冷輻射會(huì)使人感到不舒適。
1.窗的傳熱系數(shù)和總熱阻
為減少窗戶(hù)傳熱,要求窗戶(hù)具有一定的熱阻,通常用傳熱系數(shù)K值來(lái)表征,其值愈小,保溫愈好。建筑外窗的傳熱系數(shù)應(yīng)符合相應(yīng)的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。
2.控制窗墻面積比
《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定采暖居住建筑窗墻面積比應(yīng)符合以下要求:北向,不應(yīng)大于0.25;東、西向,不應(yīng)大于0.30;南向,不應(yīng)大于0.35.公共建筑窗墻面積比的上限定為0.7,在此前提下,不同朝向,不同窗墻面積比的窗的傳熱系數(shù)及遮陽(yáng)系數(shù)有具體的條文規(guī)定。
3.提高氣密性,減少冷風(fēng)滲透
設(shè)計(jì)中應(yīng)采用氣密性良好的窗戶(hù)(包括陽(yáng)臺(tái)門(mén)),居住建筑外窗的氣密性等級(jí),在1~6層建筑中,不應(yīng)低于現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑外窗空氣滲透性能分級(jí)及其檢測(cè)方法》(GB7107)規(guī)定的3級(jí)水平;在7~30層建筑中,不應(yīng)低于上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的4級(jí)水平。公共建筑外窗的氣密性不應(yīng)低于上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的4級(jí)水平。
在建筑物采用氣密窗或窗戶(hù)加設(shè)密封條的情況下,房間應(yīng)設(shè)置可以調(diào)節(jié)的換氣裝置或其他可行的換氣設(shè)施。
4.提高窗戶(hù)保溫能力的措施
影響窗戶(hù)保溫性能的主要因素有窗框材料及鑲嵌材料的熱工性能和光物理性能及窗型等。增加窗的保溫能力,主要從減少冷風(fēng)滲透和提高窗本身的保溫能力人手。
。1)提高窗框保溫性能
窗框材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小,則窗的傳熱系數(shù)越小。以木材和塑料作窗框或采用復(fù)合型框如鋼塑型、鋼木型、木塑型窗框時(shí),保溫性能較好;采用鋼或鋁合金作窗框時(shí),熱損失將大大增加。為提高金屬窗框的保溫能力,最好作成空心斷面或采用導(dǎo)熱系數(shù)小的材料來(lái)截?cái)嘟饘倏虻臒針颉2徽撚檬裁床牧献鞔翱,都?yīng)將窗框與墻之間的縫隙,用保溫砂漿或泡沫塑料等填充密封。
。2)改善玻璃部分的保溫能力
單層玻璃本身的熱阻很小。在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū),從衛(wèi)生和節(jié)能的角度考慮,往往是增加窗玻璃層數(shù),采用二層或三層窗,靠?jī)蓪哟安Aеg形成的空氣層來(lái)提高窗戶(hù)的保溫能力。如中空玻璃、三層或三層以上的玻璃,與單層玻璃相比,其保溫性能大大提高。玻璃的光物理性能是指玻璃對(duì)光波的透射、吸收、反射等性能。一般保溫要求玻璃對(duì)可見(jiàn)光有良好的透射系數(shù),而對(duì)短波具有高透射系數(shù),對(duì)長(zhǎng)波具有高反射系數(shù)。
(3)使用保溫窗簾
保溫窗簾可以日間打開(kāi),夜間關(guān)閉。白天不用窗簾獲得熱輻射,夜間使用窗簾加強(qiáng)保溫。
(二)外門(mén)保溫設(shè)計(jì)
各種外門(mén)的總傳熱系數(shù)和總傳熱阻可以查閱《建筑設(shè)計(jì)資料集》有關(guān)熱工部分。雖然門(mén)的總熱阻比窗戶(hù)大,但與墻體、屋頂相比仍是保溫的薄弱環(huán)節(jié)。
應(yīng)盡可能選擇使用保溫性能好的門(mén)作為外門(mén),并且要求門(mén)的密閉性好,以減少外門(mén)的冷風(fēng)滲透。
陽(yáng)臺(tái)門(mén)下部應(yīng)采取保溫措施。嚴(yán)寒地區(qū)要求陽(yáng)臺(tái)門(mén)下部門(mén)芯板的傳熱系數(shù)小于或等于1.35W/(㎡·K)。
采暖居住建筑樓梯間和外廊應(yīng)設(shè)置門(mén)窗;在采暖期室外平均溫度為一0.1~一6℃的地區(qū),樓梯間不采暖時(shí),樓梯間隔墻和戶(hù)門(mén)應(yīng)采取保溫措施;在一6℃以下地區(qū),樓梯間應(yīng)采暖,人口處應(yīng)設(shè)置門(mén)斗等避風(fēng)設(shè)施。
。ㄈ┑匕灞卦O(shè)計(jì)
1.對(duì)地板面層材料熱工性能的要求
地板面層材料的熱工性能用其吸熱指數(shù)B描述。B值越大,則地面從人腳吸取的熱量就越多越快。根據(jù)B值,可將地面劃分成3類(lèi)。
2.地板保溫
。1)直接接觸土壤的地面
直接接觸土壤的地面周邊的保溫應(yīng)該比中間好。采暖期室外平均溫度低于—5.0℃的地區(qū),應(yīng)對(duì)建筑物外墻在室外地坪以下的垂直墻面,以及周邊直接接觸土壤的地面采取保溫措施。在室外地坪以下的垂直墻面,其傳熱系數(shù)不應(yīng)超過(guò)《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(采暖居住建筑部分)》規(guī)定的地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)限值。在外墻周邊從外墻內(nèi)側(cè)算起2.0m范圍內(nèi),地面的傳熱系數(shù)不應(yīng)超過(guò)0.30W/(㎡.K)。
(2)不采暖地下室上部樓板與直接接觸室外空氣的樓板
不采暖地下室上部樓板及直接接觸室外空氣的樓板的保溫也是必須注意的問(wèn)題!睹裼媒ㄖ(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(采暖居住建筑部分)》對(duì)這些部位的傳熱系數(shù)有明確的規(guī)定。
四、傳熱異常部位的保溫設(shè)計(jì)
。ㄒ唬針虮
圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱橋部位系指嵌入墻體的混凝土或金屬梁、柱,墻體和屋面板中的混凝土肋或金屬件,裝配式建筑中的板材接縫以及墻角、屋頂檐口、墻體勒腳、樓板與外墻、內(nèi)隔墻與外墻連接等部位。這些部位保溫薄弱,熱流密集,內(nèi)表面溫度較低,可能產(chǎn)生程度不同的結(jié)露和長(zhǎng)霉現(xiàn)象,影響使用耐久性,必須采取相應(yīng)的措施加強(qiáng)這些部位的保溫。
1.熱橋的類(lèi)型
熱橋的類(lèi)型分為貫通式與非貫通式兩種。
2.保溫要求
熱橋內(nèi)表面溫度需要單獨(dú)校核,如低于露點(diǎn)溫度,則應(yīng)采取相應(yīng)的措施加強(qiáng)保溫!稛峁ぴO(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)五種形式熱橋的內(nèi)表面溫度規(guī)定驗(yàn)算公式。
3.保溫處理
構(gòu)造方式會(huì)影響保溫效果,因此設(shè)計(jì)時(shí)需遵循下列原則:
(1)盡量避免出現(xiàn)貫通式熱橋
鋼筋混凝土框架的填充墻中的梁、柱是最為典型的貫通式熱橋。這類(lèi)熱橋即使其寬度a遠(yuǎn)小于主體部分的厚度δ,也能引起內(nèi)表面溫度明顯下降。因此,在必須使用貫通式熱橋時(shí),可在熱橋部位采取局部保溫措施加強(qiáng)保溫,最好結(jié)合墻壁內(nèi)粉刷綜合處理。
。2)盡量將非貫通式熱橋布置在靠室外一側(cè),因?yàn)榇藭r(shí)內(nèi)表面溫度要比熱橋靠室內(nèi)一側(cè)布置時(shí)高得多。
。3)盡量減少熱橋斷面面積。熱橋斷面面積越小,通過(guò)熱橋的熱損失就越小。因此,在不影響結(jié)構(gòu)功能的前提下應(yīng)盡量減少熱橋斷面面積。
。ǘ┺D(zhuǎn)角保溫
圍護(hù)結(jié)構(gòu)的其他異常部位有:外墻角、外墻與內(nèi)墻交角、樓地板或屋頂與外墻交角等。這些部位由于構(gòu)造上的特殊性,如不加強(qiáng)保溫,其熱損失將大于主體部分。以外墻角為例,由于家具、設(shè)備的遮擋以及位于轉(zhuǎn)角部位,使得墻角處氣流不暢,墻角單位面積得到的熱量比主體部分少。
另一方面,墻角處的散熱面積大于吸熱面積。在裝配式板材建筑中,交角處同時(shí)又是熱橋,因此交角處內(nèi)表面溫度遠(yuǎn)比主體部位低,容易造成這些部位結(jié)露或結(jié)霜。
在我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)的冬季,不少房屋都發(fā)生這種現(xiàn)象。綜合國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)研究的結(jié)果,外墻角低溫的影響帶大約是墻厚d的1.5—2.0倍。附加保溫層的長(zhǎng)度為:二維墻角,l=(1.5—2.0)δ;三維墻角,l=(2.0—3.0)δ。