第三章 围护结构的节能技术

建筑围护结构（Building envelop enclosure）通常被称为建筑的“皮肤”，是指建筑物及房间各面的围挡物，如墙体、屋顶、门窗、楼板和地面等。它分为透明和不透明两部分：不透明的围护结构有墙、屋顶和楼板等，透明围护结构有窗户、天窗和阳台门等。按是否同室外空气接触，又可分为外围护结构和内围护结构。外围护结构（Outer building enve-lope）是指同室外空气直接接触的围护结构，如外墙、屋顶、外门和外窗等；内围护结构（Inner building envelope）是指不同室外空气直接接触的围护结构，如隔墙、楼板、内门和内窗等。一般不特别指明的情况下，围护结构即为外围护结构。

建筑围护结构的作用是与室外环境进行热量交换，或者阻止与室外环境进行热量交换。建筑围护结构的改善可以相应的减少制冷和制热的能量消耗。因此在建筑节能设计中，提高围护结构的保温隔热性能是降低建筑能耗的关键。

建筑物围护结构的传热量是由通过建筑物围护结构的传热耗热量和通过门窗缝隙的空气渗透耗热量两部分构成。如图3-1可以看出建筑围护结构各部分的能量损失分布情况。

显而易见，窗户损失占50%，其中大约20%损失由于密封不好室外空气透入所致；将近30%的损失由墙体、屋面和地板所引起。因此对围护结构的节能设计中，在保证使用功能和建筑质量并符合经济原则的条件下，有针对性对建筑围护结构进行保温、隔热的设计，进而减少建筑围护结构的能耗。

第一节 围护结构基本热工计算

建筑围护结构基本热工要求主要针对建筑物外围护结构的保温及隔热进行的热工计算。

一、围护结构保温计算

建筑围护结构的保温计算是针对外围护结构在冬季阻止室内向室外传热从而保证室内适当温度的热工计算。冬季室外温度波动较小，建筑外围护结构的冬季传热过程可近似认为稳态传热。严寒地区与寒冷地区的围护结构主要考虑冬季保温的技术要求。

围护结构保温性能，一般从下面几个方面来考虑：保证内表面不结露，即内表面温度不得低于室内空气的露点温度；室内温度与围护结构内表面温度差应满足卫生要求；应满足建筑节能要求；应具有一定的热稳定性。

在稳态传热条件下，室内外温度均不随时间而变，单位时间通过围护结构的热流就必然是一个衡量，热流传递过程不会在那一层增加或减少，即单位时间、单位面积的传热量相等，见图3-2。此时，围护结构传热系数成为反映围护结构保温性能的特征指标，而传热热阻是传热系数的倒数，因此围护结构的保温设计即是确定合理的热阻。当建筑材料一定时，围护结构越薄，热损失越大，传热阻越小，围护结构内表面的温度越低；当围护结构内表面温度过低时，人体向外辐射热量过多，会产生不舒适感，不能满足卫生要求。当围护结构内表面的温度低于室内空气露点温度时，围护结构内表面还会出现结露现象。内表面结露可导致耗热量增大及围护结构易于破坏。因此，围护结构的保温设计，就是应该保证围护结构内表面的温度满足上述要求，这样计算得出的围护结构热阻为冬季围护结构的最小热阻。

1．围护结构最小传热阻的确定

外墙和屋顶围护结构的最小传热阻R0, min按下式计算：

式中：

R0,min——围护结构的最小传热阻，m2·℃/W；

tn——冬季室内计算温度，℃；

tw——围护结构冬季室外计算温度，℃；

αn——围护结构内表面换热系数，W/（m2·℃）；

α——室内外计算温差修正系数；

Δty——冬季室内计算温度与围护结构内表面温度的允许温差，℃。

以上参数的确定原则和选用方法如下。

（1）冬季室内计算温度值因房间使用性质不同而有不同的规定值。一般居住建筑取18℃；高级居住建筑、医疗、托幼建筑，取20℃。

（2）冬季室外计算温度冬季围护结构室外计算温度tw选取，与围护结构的热惰性指标值有关。热惰性指标值大，tw取值较高，热惰性指标值小，tw取值较低。其原因是在进行围护结构保温设计时，假定室内、外温度不随时间变化而改变，但实际上二者是发生变化的。由于不同围护结构对温度变化的抵抗能力不同，亦即围护结构的热惰性不同，同样的温度变化对其内表面温度的影响也就不同。对轻质结构影响大一些，对厚重的砖石结构和混凝土结构影响小一些。针对这种情况，《民用建筑热工设计规范》（GB 50176—1993）给出了具体选取方法。根据围护结构热惰性指标D值将围护结构分成四种类型，其冬季室外计算温度tw根据围护结构热惰性指标D值按表3-1选用。

（3）围护结构内表面换热系数αn。围护结构内表面换热系数αn一般按表3-2选用。

（4）冬季室内计算温度与围护结构内表面温度的允许温差Δty。允许温差是根据卫生和建造成本等因素确定的。按允许温差设计，围护结构的内表面温度不会太低，不会对人体形成过分的冷辐射，也可保证不会产生结露现象，同时，热损失较小。根据房间性质及结构，建筑的允许温差Δty一般可按表3-3取值。

注：表中tn、tl分别为室内空气的干球温度及露点温度，℃。

由表3-3可见，使用功能要求较高的房间，允许温差小一些。在相同的室内外气象条件下，按较小Δty确定的最小传热阻值，其值也就大一些。也就是说，使用功能要求越高，其围护结构应有更大的保温能力。

（5）温差修正系数α。因最小传热阻计算式中采用的是室外空气温度，当某些围护结构的外表面不与室外空气直接接触时，应对温差加以修正，修正系数α见表3-4。

应当注意，按上述求得围护结构最小热阻R0, min，并非是外围护结构的实际热阻一定正好等于该计算数值，它是围护结构热工性能的最低标准值，实际热阻可以大于它，但不得小于它。对于严寒和寒冷地区的采暖居住建筑，暖通专业可协助建筑专业在进行建筑热工设计时，将各部分围护结构的传热系数控制在现行的国家规范、标准规定的限值范围内。

二、围护结构隔热计算

建筑隔热是指围护结构在夏天隔离太阳辐射热和太阳高温的影响从而使其内表面保持适当温度的能力。冬季保温好的房间，为什么夏季非常热？因为冬季传热为稳态传热，而夏季热作用是非稳态传热，日出和日落是非稳态导热的最大因素，需要考虑太阳辐射的周期性变化。夏热冬暖地区围护结构应考虑夏季的隔热，夏热冬冷地区围护结构既要保证夏季隔热为主，又要兼顾冬天保温要求。

1．围护结构隔热计算

评价围护结构的防热优劣是其抵抗波动热作用的能力，通常依据在夏季计算温度条件下，围护结构内表面温度最高值来衡量。因为，内表面温度的高低不仅可以直接反映围护结构的隔热性能；同时，内表面温度直接与室内平均辐射温度相联系，即直接关系到内表面与室内人体的辐射换热，控制内表面最高温度，实际上就控制了围护结构对人体辐射的最大值；而且这个标准既符合当前的实际情况又便于应用。围护结构内表面最高温度可以通过计算求得。

根据《民用建筑热工设计规范》（GB50176—93）的规定：房间在自然通风情况下，建筑物的屋顶和东、西外墙的内表面最高温度，应满足下式要求。

式中：

θi.max——围护结构内表面最高温度，℃；

te.max——夏季室外计算温度最高值，℃。

以上各参数确定方法为如下。

（1）室外综合温度计算。在夏季，建筑物外围结构受到室外温度和太阳辐射两部分的作用，将两者合二为一称为“综合温度”，考虑到太阳辐射对表面换热量的增强，相当于在室外气温上增加了一个太阳辐射的等效温度值。室外综合温度是以温度值表示室外气温、太阳辐射对给定外表面的热作用。它是为了计算方便推出的一个当量室外温度。

室外综合温度各小时值按下式计算。

式中：

tsa——室外综合温度，℃；

te——室外空气温度，℃；

I——水平或垂直面上的太阳辐射照度，W/m2；

ρs——太阳辐射吸收系数，与外表面材料、表面状况、色泽有关，按照《民用建筑热工设计规范》（GB50176—93）取值；

αe——外表面换热系数，取19.0W/（m2·K）。

夏季室外热作用呈现周期性变化，是以一天为周期的热波动，室外综合温度昼夜24小时为传热周期。由于室外综合温度昼夜呈周期性波动变化，在围护结构隔热设计的计算中，必须确定昼夜综合温度其最大值、平均值及昼夜温度波动振幅。

1）室外综合温度平均值按下式计算。

式中：

——室外综合温度平均值，℃；

——室外空气温度平均值，℃，按照《民用建筑热工设计规范》（GB50176—93）取值；

——水平或垂直面上太阳辐射照度最大值，W/m2，按照《民用建筑热工设计规范》（GB50176—93）取值。

2）室外综合温度波幅应按下式计算。

式中：

Aisa——室外综合温度波幅，℃；

Ate——室外空气温度波幅，℃，按照《民用建筑热工设计规范》（GB50176—93）取值；

β——相位差修正系数，因为室外气温最大值与太阳辐射等效温度最大值出现时间不一致，因此二者振幅不能取简单代数和，应乘以修正系数。按照《民用建筑热工设计规范》（GB50176—93）取值；

Ats——太阳辐射当温度波幅，℃，其表达式如下。

式中：

Imax——水平或垂直面上太阳辐射照度最大值，W/m2，按照《民用建筑热工设计规范》（GB50176—93）取值；

其他符号表示意义同上。

3）室外综合温度最大值按下式计算。

符号表示意义同上。

（2）围护结构内表面高温度的计算。

1）围护结构内表面最高温度可按下式计算。

2）内表面平均温度可按下式计算。

式中：

θimax——内表面最高温度，℃；

——内表面平均温度，℃；

——室内计算温度平均值，℃，取 ；

Ati——室内计算温度波幅值，℃，取Ati= Ate-1.5（℃）；

Ate——室外计算温度波幅值，按照《民用建筑热工设计规范》（GB50176—93）取值；

R0——围护结构的热阻，（m2·K）/W。

VO——围护结构衰减倍数即室外综合温度振幅与围护结构内表面温度振幅的比值，其表达式为：

式中：

∑D——围护结构热惰性指标，等于各材料层热惰性指标之和；

S1、S2、Sn——各层材料蓄热系数，W/（m2·K）；

Y1、Y2、Yn——各层材料外表面蓄热系数，W/（m2·K）；

αi、αe——分别为内、外表面换热系数，取αi=8.7W/（m2·K）, αe=19.0W/（m2·K）；

Vi——室内温度波动影响到围护结构内表面温度波动的衰减倍数，其表达式如下。

式中：

Yi——内表面蓄热系数，W/（m2·K）；

Ati——室内温度波动的振幅，℃；

Aθi——内表面温度波动的振幅，℃。

式中：

ξ0——温度波通过围护结构的相对延迟，即内表面的最高温度出现时间与室外综合温度最大值的出现时间之差，即围护结构延迟时间，h；

1/15——单位换算值，以1h为15°，将度数换算成小时；

40.5——单位换算值，将弧度换算成度数。

ξi——室内最高温度出现的时间与围护结构内表面的最高温度出现时间之差，即室内温度影响到内表面的延迟时间，h；

其他符号表示意义同上。

由上述分析知，围护结构内表面最高温度不仅受室外综合温度，还受到围护结构衰减倍数延迟时间的影响及室内温度及其波动的影响。

围护结构隔热设计主要是针对建筑外表面的温度，即室外综合温度进行的。室外综合温度不仅以24h为周期进行波动，随围护结构的朝向及外表面对太阳辐射的吸收率不同，室外综合温度有很大的变化。不同朝向表面接受的太阳辐射照度有很大的差异，对同样做法的外墙，西墙、东墙、西南墙、东南墙所受室外热作用比南墙大，其综合温度最高值比南墙高得多，更应做好隔热设计。

围护结构的隔热能力还取决于其对周期性热作用的衰减倍数和延迟时间。同样的综合温度作用下，围护结构的衰减倍数越大其内表面的温度波越小，内表面的最高温度也就越低，即隔热性能越好。同时，同样综合温度作用下，延迟时间越长，围护结构隔热性能就越好。