浅议建筑外围护节能设计和计算.doc

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浅议建筑外围护节能设计和计算

摘要：

本文围绕建筑外围护结构的节能设计就设计中一些重要参数值的计算方法进行了介绍和分析，并通过一些计算实例进行了验证。

同时对在建筑外围护结构节能计算中的一些注意事项进行了说明。

关键词：

建筑外围护；节能设计；计算

建筑节能设计涉及面很广，主要的有两个方面。

一是建筑物在发挥其正常功能过程中的能耗问题。

二是建筑外围护结构保温、隔热问题。

也就是高效保温隔热材料的合理使用和正确布置，以减少外界环境对室内热环境的影响。

即围护结构系统节能。

建筑外围护结构的保温隔热措施主要包括屋顶、外墙、架空或外挑楼板以及室内地面的保温隔热构造的确定、材料的选用以及采用保温门窗等措施。

体形系数与建筑外围护面积有直接关系，从降低建筑能耗的角度出发，应该将体形系数控制在一个较低的水平[1]。

一般来说，控制体形系数大小的方法一是通过减少建筑的面宽，加大建筑的进深，面宽与进深之比不宜过大，长宽比应适宜。

二是增加建筑的层数，多分摊屋面或架空楼板面积。

三是建筑体型不宜变化过多，立面不宜太复杂，造型宜简练。

我们可以通过规范中对建筑设计在节能方面所需控制并达到的各项规定性指标及要求来归纳出节能设计应熟悉并掌握的有关热工参数及计算内容！

一、窗墙比与遮阳系数计算分析

在建筑的外窗（含透明幕墙—下同）、墙体、屋面三大围护部件中，外窗的热工性能最差，是影响室内热环境质量和建筑能耗的最主要因素之一。

它的能耗约为墙体的3倍，屋面的4倍，约占建筑围护结构总能耗的40%~50%。

因此，加强外窗的保温隔热性能，减少窗的热量损失，是改善室内热环境质量和提高建筑节能水平的非常重要环节。

（一）窗墙面积比和传热系数

普通窗户的保温隔热性能差，夏季白天通过窗户进入室内的太阳幅射热也多。

窗墙面积比越大，采暖、空调的能耗也越大。

因此从节能角度出发，必须限制窗墙面积比。

一般情况，应以满足室内采光要求作为窗墙面积比的确定原则。

1、窗墙面积比计算：

计算公式是：

，

ΣAc——同一朝向的外窗（含透明幕墙）及阳台门透明部分洞口总面积（m2）。

ΣAw——同一朝向外墙总面积（含该外墙上的窗面积）

这里还要明白的是要明白平均窗墙比的计算。

整栋建筑某一相同朝向的外墙面上的窗及阳台门的透明部分的总面积与该朝向的外墙面的总面积（包括外墙中窗和门的面积）之比。

（二）外窗遮阳

夏热冬冷地区，通过外窗进入室内的太阳辐射热几乎不经过时间延迟就会对房间产生热效应。

因此，采取有效的遮阳措施，降低外窗太阳辐射形成的空调负荷，是实现居住建筑节能的有效方法。

由于一般公共建筑的窗墙面积比较大，因而太阳辐射对建筑能耗的影响很大[2]。

为了节约能源，应对窗口和透明幕墙采取外遮阳措施。

遮阳系数的定义为在法向入射条件下，通过玻璃构件（包括窗的透明部分和不透明部分）的太阳辐射得热率，与相同入射条件下的标准玻璃（3mm厚）的太阳辐射得热率的比值，也可认为是太阳辐射能透过指数，一般情况下是越小越好。

例：

某办公建筑南面为（4米，8开间）32m，层高3米，四层，每层设窗（3米宽×1.5米高）各8个，每扇窗顶均设0.6m水平遮阳，求其水平外遮阳系数。

按上海《公共建筑节能设计标准》DGJ08-205-2011，水平遮阳板的外遮阳系数应按下列公式计算确定：

水平遮阳板：

（A.0.1-1）

遮阳板外挑系数：

PF＝A／B（A.0.1.3）

式中SDH——水平遮阳板夏季外遮阳系数；

ah、bh、—计算系数，按表A.0.1取定；

PF——遮阳板外挑系数，当计算出的PF＞1时，取PF＝1；

A——遮阳板外挑长度（图A.0.1）；

B——遮阳板根部到窗对边距离（图A.0.1）。

图A.0.1遮阳板外挑系数（PF）计算示意图

外遮阳系数查P38公式A.0.1—1，水平遮阳板查表A.0.1南向，ah=0.47，bh=－0.79，按公式及题目所给数据计算，其水平外遮阳系数为0.759。

例题中其他条件不变，现按节能要求选择6+12+6普通中空玻璃断热铝合金窗，请计算此方向窗是否能满足《公共建筑节能设计标准》DGJ08-205-2011中规定性遮阳系数要求。

根据《公共建筑节能设计标准》DGJ08-205-2011，查表《乙类建筑围护结构传热系数和遮阳系数限值》得乙类建筑窗墙比为0.375，则K≤3.0；南侧遮阳系数≤O.50；

查表4.0.5-3，6+12+6普通中空玻璃，K=2.8，SC（玻璃）=0.86，按上题所求：

水平外遮阳系数SDh＝0.759；

综合遮阳系数＝。

按规范要求南侧遮阳≤0.50，计算结果为0.653大于0.5限值，故不满足遮阳系数要求。

若将题中的水平遮阳改为室外卷帘百叶，同样玻璃规格，则当其为甲类建筑时，此方向可达到最大的窗墙比为多少?

查表4.0.9上标《公共建筑节能设计标准》DGJ08-205-2011，室外卷帘百叶遮阳系数为0.3，则此建筑的综合遮阳系数为SC=0.86×0.3=0.258，查P9表4.2.1.1，得到当其为甲类建筑时此方向窗墙比为0.5-0.7。

从上述的计算中我们可知，固定水平外遮阳所达到的遮阳效果远不如室外卷帘百叶的遮阳效果。

设计时应综合考虑造型、经济、美观、实用要求。

为满足节能要求应优先采用活动式外遮阳。

二、维护结构的节能设计与计算

这里首先要知道几个重要的计算公式。

（一）热阻计算：

1、单一材料层的热阻计算

δj——材料层厚度（m）

λcj——材料计算导热系数[w/（m·k）]。

计算导热系数为材料导热系数与其修正系数之积

按GB50176-93规范63页附表4.1可得到各材料的λ值。

2、多层围护结构热阻计算

Rn---围护结构各层的单一热阻

3、围护结构传热阻（R0）计算

R0=Ri+ΣR+Re

Ri——内表面换热阻。

按GB50176-93规范27页附表2.2。

Re——外表面换热阻。

按GB50176-93规范28页附表2.3。

内表面换热阻（Ri）、外表面换热阻（Re）——围护结构两侧表面空气边界层阻抗传热能力的物理量。

一般情况下Ri=0.11（m2·k）/w。

Re=0.04（m2·k）/w（冬季）或0.05（m2·k）/w（夏季）。

（二）传热系数（K）计算

R0---围护结构传热阻

1、外墙平均传热系数（Km）计算（非常重要）：

Kp——外墙主体部位的传热系数。

KB1、KB2、KB3——外墙周边热桥部位的传热系数。

Fp——外墙主体部位的面积（m2）。

FB1、FB2、FB3——外墙周边热桥部位的面积（m2）。

2、主体部位（墙体）传热系数计算：

3、周边热桥（钢筋砼梁、板、柱）传热系数计算

4、主体部分面积

Fp=房间开间×层高－梁、板、柱和外门窗积。

5、周边热桥部分面积

FB1、FB2、FB3=钢筋砼梁、板、柱各自的面积。

某居住建筑其结构体系为框架结构，其外墙主体为240厚P型烧结多孔砖，保温层为35厚胶粉聚苯颗粒浆料；其外墙主体部位构造及主要热工值分别为：

20厚混合砂浆R=0.023

240厚P型烧结多孔砖R=0.414

35厚胶粉聚苯颗粒浆料R=0.486

5厚抗裂砂浆（玻纤网）R=0.005

弹性底涂、柔性腻子，外墙涂料；热阻不计

计算此外墙主体部位的传热系数。

查阅《全国民用建筑工程设计技术措施——节能专篇／建筑》P68页公式（10.1.1-1）查得传热系数K计算，其中Ri—内表面换热阻=0.11；Re一外表面换热阻=0.04，可计算得K为0.93。

同一建筑其热桥部分构造与主体相同主要热工值分别为：

20厚混合砂浆R=0.023

240厚钢筋混凝土梁、柱（墙）R=0.115

（为简化计算将热桥部分的计算厚度与外墙主体的计算厚度取值相同）

35厚胶粉聚苯颗粒浆料R=0.486

5厚抗裂砂浆（玻纤网）R=0.005

弹性底涂、柔性腻子，外墙涂料；热阻不计

框架结构体系，外墙主体与结构性热桥的面积比例为A=0.65，B=0.35，试计算此建筑外墙的平均传热系数。

若此建筑的热惰性指标D大于3.0，采用这种节能构造能否满足《居住建筑节能设计标准》DGJ08-205-2011中外墙规定性指标要求?

查阅《全国民用建筑工程设计技术措施——节能专篇／建筑》P68页公式（10.1.1-1）查得传热系数K计算，热桥部分K=1.346，外墙平均传热系数

。

结论：

采用这种节能构造因其热惰性指标D大于3.0，所以能满足《居住建筑节能设计标准》DGJ08-205-2011中外墙规定性指标K≤1.5的要求。

通常情况下，维护结构主体与热桥部位用相同厚度保温材料，即可满足规定性指标的要求。

不同结构体系的建筑，可通过简化的手法估算出主体结构与热桥部分的面积比例，按照各构造材料的热工值，计算出其平均传热系数。

三、屋面的保温隔热

屋面在整个建筑围护结构面积中所占的比例虽远低于外墙，但对顶层房间而言，却是比例最大的外围护结构，相当于五个面被室外气候所包围。

屋面保温隔热性能太差，对顶层房间的室内热环境和建筑采暖空调能耗的影响是比较严重的。

因此各节能规范对屋面的热工性能均做了严格的规定。

为了提高屋面的保温隔热性能，设计应遵循以下原则：

1、应选用导热系数（λ）小，蓄热系数（S）大的保温隔热材料。

2、宜采用倒置式屋面保温隔热系统，防水层设置在结构层以上、绝热材料之下，兼作隔气层。

由于绝热材料的保护作用，使防水材料避免受到室外空气温度的剧烈波动变化和紫外线辐射影响及施工原因，造成防水层的损坏。

3、保温隔热材料不宜选用吸水率较高的绝热材料，以防屋面湿作业时，保温隔热层大量吸水，降低热工性能。

否则应设排水孔[3]。

一般采用：

聚苯乙烯泡沫塑料板（EPS板）、挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板（XPS板）、聚氨酯泡沫塑料等。

屋顶透明部分（玻璃顶）设计：

公共建筑屋顶透明部分（玻璃顶）的面积不应大于屋顶总面积的4%。

居住建筑屋顶天窗必须采取节能设计。

（上海市标准《公共建筑建筑节能设计标准》（DGJ08-205-2011）第4.0.11规定。

）

屋面的热工计算遵循维护结构各项计算公式如：

传热系数、热惰性指标等，其中一个比较实用的用来计算保温层厚度的公式为：

--保温层厚度（m）；

--保温材料的计算导热系数[w／（m·k）]；

--规定的传热系数限值[W／（m·k）]（根据所要计算的维护结构部位决定）；

--构造层中除保温层外的各层材料热阻之和（㎡·／K／W）

分别查阅《居住建筑节能设计标准》DB33／1015—2003中的两种；K1=1.0；K2=0.8，用公式

，=0.03X1.1=0.033，

K1=1.0时：

即约21mm厚。

K2=0.8时：

即约29mm厚；

同理可计算各类公共建筑的屋面保温层厚度的经济值。

至此，我们可得出结论，不同性质建筑由于规范对其节能的规定性指标要求不一样，即使采用相同的屋面构造做法，其保温层厚度可有所不同。

不需采用一刀切的手法。

由于大部分屋面其构造做法相对统一，因此利用公式及各层材料的热工参数，可方便地计算出保温层厚度。

此外，值得注意的是，通常情况下，居住建筑的楼板如不作保温处理，则其传热系数是不能满足规定性指标的要求的。

各类建筑中底部接触室外空气的架空或外挑楼板作为外维护结构的一部分，应进行保温构造设计。

《公共建筑建筑节能设计标准》（DGJ08-205-2011）要求根据4.0.13条规定的各类公共建筑，围护结构的热工性能应分别符合表4.0.13的规定，其中外墙的传热系数为包括结构性热桥在内的加权平均值Km。

当本条文的规定不能满足时，必须按本标准的规定进行权衡判断。

参考文献：

[1]郭飞.上海高层住宅被动式节能技术与策略研究[D].同济大学建筑与城市规划学院,2008.

[2]张亚杰.寒冷地区居住建筑能耗限额研究[D].山东建筑大学,2009.

[3]朱佳音.寒冷地区“被动式房屋”模式研究及能耗分析[D].大连理工大学,2011.