1、,第一篇 热 环 境,第五次作业,1.根据自己出生地所在地城市(或邻近城市)类型和气候区要求,用计算法作相应日期的棒影图(表明城市名,纬度,日期,棒高比例) 2.用上述棒影图,求两同高建筑物正南朝向排列时,保证从11:00到13:00两小时日照,间距D与建筑物高度H之比。,第5章 保温与隔热,1.保温与隔热概述 2.保温隔热设计原理 3.围护结构保温设计 4.围护结构隔热设计,5.1保温与隔热概述 5.1.1基本概念 围护结构：墙、屋顶、门窗、地面,作用有围合、阻隔、 保温、隔热、 通风等。 在我国大约有60的地区冬季室内需要供暖。这些地区的建筑在设计上既要考虑保证良好的室内热环境，还要注意节
2、省采暖的能耗和建造费用。 不让热量从室内传到室外叫保温。,我国南方，40%左右，气候潮湿、炎热，上世纪90年代后，大量空调设备进入普通家庭和各种建筑物，使建筑能耗大大增加。 不让热量从室外传到室内，叫隔热。 保温隔热要求在做到室内舒适、健康的同时，实现能源高效利用。 保温隔热统称为绝热，insulation，断热,5.2保温隔热设计原理,5.2.1围护结构的传热过程,传热的三个基本过程： 内表面感热+ 构件传热+ 外表面感热,（1）内表面感热 围护结构的内表面主要通过对流和辐射方式从室内得到热量，内表面单位面积上在单位时间从室内得到的热量，即到达围护结构内表面的热流密度qi可通过室内气温ti、
3、内表面温度i用下式计算：,ai-为内表面热转移系数，表示当内表面与室内空气之间的温差为 1K（ 1C）时，单位时间单位表面积的传热量。内表面热转移系数应为内表面辐射换热系数（ ri）与内表面对流换热系数（ci）之和。 irici,内表面热转移阻（Ri），即内表面热转移系数的倒数Ri1/i,（2）围护结构导热 稳定传热时，平壁围护结构内各均匀材料层在单位时间、单位面积上的传热量为:,1d1，2d2，3d3，分别代表围护结构各材料层的导热能力，又称为该材料层的“热导”Gi 。热导的倒数称为材料层的“热阻”Ri 。,多层围护结构的热阻应为各层材料热阻之和。,单层材料的热阻就是此层材料热阻。,（3）外
4、表面感热 外表面感热和内表面感热在传热机理上相同，都是表面与周围环境和空气之间通过辐射和对流进行热交换，热流计算为：,与内表面感热在强度上有所不同,e外表面热转移系数 ，外表面热转移系数（ e）的倒数称为外表面热转移阻 Re。,5.2.2围护结构的稳定传热计算,稳定传热条件下，在围护结构的3个传热过程中，其单位时间、单位面积的传热量均相等。 qi=qn=qe=q,(1)密实层稳定传热计算,稳定传热时 qi=qn=qe=q,K-称为围护结构的传热系数，它的意义是当围护结构两侧温度差 1（ 1K）时，在单位时间里通过平壁单位面积的传热量W（m2K）。,R0-为围护结构的传热阻（过去称为总热阻），是
5、传热系数K的倒数，表示热量从围护结构的一侧空间传至另一侧空间所受到的总阻力。,围护结构传热阻R0的计算式为：,对面积为F的围护结构在单位时间内的传热量Q，可用公式表示为：,对面积为F的围护结构在单位时间内的传热量Q，可用公式表示为：,围护结构有时是用两种或两种以上的材料组合而成的组合结构，如空心接板或带肋的填充墙等，由于构件部分的热阻不同，存在着局部传热不均匀。,(1)组合层稳定传热计算,第1层R1=d1/ 1 第3层R3=d3/ 3 第2层（组合层）分块： R21=d2/ 21 R22=d2/ 22 R23=d3/ 23,首先分层，然后计算各层热阻,类似于电路中的并联电阻求法： 1/R2=1
6、/R21+1/R22+1/R23+1/R2n R=R1+R2+ +R3,（3）封闭空气间层的热阻计算 围护结构中设封闭空气间层是常见的保温措施。,空气间层中的传热有辐射、对流、传导3种方式。 线 1-导热量 线2-对流+导热传热量 线3-总传热量。 辐射传热约占总传热量的60 70而传导只占 10左右。因此，空气间层的热阻主要取决于间层两个表面间的辐射和对流换热的能力。,增加空气间层热阻的方法是 减弱辐射传热:布置在冷侧; 加辐射系数小的材料。 空气间层热阻一般用查表法。,1未加反射材料 2一个表面加反射材料 3两个表面加反射材料,当围护结构构造确定后，可以进一步根据室内外的温度条件计算出其内
7、表面和内部各层的温度，从而分析其保温效果和防潮分析。,（4）围护结构内表面及内部温度计算,内表面及内部温度计算式可由稳定传热基本方程导出。,5.2.3 周期性不稳定传热,在周期性不稳定传热过程中，每一个与热流方向垂直的截面上，热流强度都不相等;壁体材料的比热（c）、密度（）和导热系数（）以及热流波动的波幅和周期都影响着壁体内温度升降的速度 。,（1）谐波热作用:,内部任一点温度也做周期性变化。 变化周期与外界热作用周期相同。,（2）半无限大物体周期性传热特点,平均温度相等,振幅有衰减。 衰减度:,时间有延迟,即相位有延迟,（3）有限平壁周期性传热 按照热作用的情况又可分单向周期性热作用和双向周
8、期性热作用.,平壁穿透衰减倍数(平壁衰减倍数) V0=Aef /Aif,双向周期性热作用的外围护结构内部温度变化情况。,有限平壁周期性热作用分解,5.2.4围护结构的热稳定性 在实际使用中，冬季室内供暖常有波动，室外气温也会在一天内有变化，夏季外表面温度因室外气温和太阳辐射也成周期性变化,各种材料和围护结构对波动热作用的抗拒能力（即热稳定性）可用材料蓄热系数（S）、表面蓄热系数（Yi） 、围护结构热惰性指标（D）来体现.,(1).材料蓄热系数（S） 当一种材料厚度为半无限大，并在其一侧受到周期性波动热作用时，表面温度将按同一周期而波动，通过表面的热流波动的振幅Aq与材料表面温度波动的振幅A之比
9、，叫做材料的蓄热系数。 它反映了这种材料对波动热作用反应的敏感程度。在同样波动热流作用下，蓄热系数大的材料，表面温度波动较小，即热稳定性好。,作为材料的一种基本性能，材料蓄热系数（S）数值取决于材料的导热系数及材料体积热容量（即比热与密度的乘积），同时也因波动热作用的周期而异。其计算式为,当热流波动周期为24小时，以24代入Z，则得以24小时为周期的材料蓄热系数S24,(2)表面蓄热系数（Yi） 通过围护结构表面热流波动的振幅Aq与表面温度波动振幅A之比，称为围护结构表面蓄热系数Yi，以公式表示如下：,表面蓄热系数Yi 表示在周期性热作用下，直接受到热作用一侧的表面对周期性热作用反应敏感程度的
10、指标。 Yi越大，表明在同样的周期性热作用下，表面温度波动越小，即温度越稳定。围护结构表面蓄热系数Yi值反映了围护结构表面的热稳定性。,表面蓄热系数的数值和围护结构各层材料的性质及厚度有关，大致可分两种情况加以考虑： A.当围护结构表面由较厚的一种材料组成时，表面蓄热系数可用这层材料的材料蓄热系数（S）值来表示。,B.当围护结构表面材料层不很厚时，如由多层材料构成的屋顶或外墙，其内表面温度的波动振幅不仅与面层材料的物理性能有关，而且与其后面材料的性能有关 。,计算方法：依照围护结构的材料分层，逐层计算。,(3)热惰性指标（D） 当围护结构的表面受到周期性热作用后，温度波将向结构内部传递，同时不
11、断衰减，直到背波面。 热惰性指标是表明背波面上温度波衰减程度的一个主要数值，它表明围护结构抵抗周期性温度波动的能力。,热惰性指标的计算: A.对单一材料围护结构，热惰性指标即其热阻与材料蓄热系数的乘积。表示为： DRS,B.对多层材料的围护结构，热惰性指标为各材料层热惰性指标之和： D R1S1 R2S2 R3S3 D1 D2 Dn R、S分别为各材料层的热阻和蓄热系数。,C.围护结构中空气层的蓄热系数 为0，该层热惰性指标D为0。 D.如围护结构中某层是由几种材料组合时，则需先求出该材料层的平均热阻R和平均蓄热系数S，再加以计算。,当遇到某一材料层是由几种材料组合而成时，则组合材料层的蓄热系
12、数（S）应由各材料蓄热系数按下式加权平均得出：,材料层的热惰性指标愈大，说明温度波在其间的衰减愈大。温度波的衰减倍数与材料层的热惰性指标是呈指数函数关系。,振幅衰减倍数达到2时称这层材料为“厚”层，或“剧烈波动层”， 按照 计算衰减倍数为2，则D值 需等于1，由此得出以热 惰性指标是否大于1作为 材料最是否为“厚”层的判断。,我国规定,建筑保温设计以冬季阴天最不利情况为设计依据,且传热可以粗略地按稳定传热计算。,5.3围护结构的保温设计,5.3.1热桥 （1）热桥概念：在围护结构中，常有保温性能远低于主体部分的嵌入构件，这些部位的传热量比主体部分大得多，所以它们的内表面温度也比主体部分低，在建
13、筑热工学中，这种容易传热的部件叫作“热桥”。,（2）热桥分类: 贯通式和非贯通式 贯通式热桥对内表面温度影响最大，在建筑中应尽量避免采用，或在热桥部位加设高效保温材料。对非贯通式热桥，则最好将热桥布置在靠近室外一侧。,热(冷)桥处内表面温度的计算,在“冷桥”部位的内表面温度既受“冷桥”处的传热热阻R0和构造方式的影响，也受主体部分热阻R0的影响。热桥保温设计时，使其热阻与主体结构热阻相同。,5.3.2主体围护结构的保温设计,（1）主体围护结构分类: 围护结构一般都需满足承重和保温要求。 按材料构造分 单一材料:既承重又保温,如砖砌体（墙）、加气混凝土（墙、屋顶）等。 复合围护结构:由两种类型（
14、或两种以上）材料组成,分别满足保温和承重的需要，成为复合围护结构。,复合围护结构可以充分发挥材料的特性，以强度大的材料承重，以轻质材料（如岩棉、膨胀珍珠岩制品，或泡沫聚苯乙烯等）作为保温。随着对围护结构保温要求的增加，复合构造也使用得日益广泛。 （2）复合围护结构保温分类及优缺点,A外保温 B内保温 C中间保温,三种保温层设置方式的比较 内表面温度的稳定性 热桥问题 防止保温材料内部凝结水 对承重结构的保护 旧房改造 外饰面处理,外保温和中间保温作法，能大大减小室外温度波动对内表面温度的影响,内表面温度相对稳定。 对一天中只有短时间使用的房间，用内保温可使室内温度上升快。,比较内容一:内表面温
15、度的稳定性比较,内保温作法常会在内外墙联接以及外墙与楼板联接等处产生热桥。中间保温的外墙也由于内外两层结构需要拉接而增加热桥耗热。而外保温在减少热桥方面比较有利。,比较内容二:热桥问题,外保温和中间保温作法，可防止保温材料由于蒸汽的渗透积累而受潮。 内保温作法则保温材料有可能在冬季受潮。,比较内容三:防止保温材料凝结水,外保温可避免主要承重结构受到室外温度的剧烈波动影响，从而提高其耐久性 。,比较内容四:对承重结构的保护,为节约能源而增加旧房的保温能力时，利用外保温，在施工中可不影响房间使用，同时也不占用室内面积，但施工技术要求高。,比较内容五:旧房改造,外保温作法对外表面的保护层要求较高;因
16、受外界因素影响大. 内保温和中间层保温则由于外表面是由强度大的密实材料构成，饰面层的处理比较简单。,比较内容六:外饰面处理,总之，外保温优点较多；但内保温往往施工比较方便；中间保温则有利于用松散填充材料作保温层。,（3）主体围护结构保温设计依据 满足最小总热阻要求。 在我国现行的民用建筑热工设计规范 （GB5017693）和民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）（JGJ2686）对围护结构的保温要求都作了规定。围护结构保温能力的选择主要是根据气候条件和房间的使用要求，并按照经济和节能的原则而定。主体围护结构规定了最小传热阻以保证使用者的最基本卫生要求。,最小传热阻（低限热阻） 围护结构对室内
17、热环境的影响，主要是通过内表面温度体现的。如内表面的温度太低，不仅对人产生冷辐射，影响到人的健康，而且如温度低于室内露点温度，还会在内表面产生结露，并使围护结构受潮，严重影响室内热环境并降低围护结构的保温性和耐久性。,A.保证围护结构内表面温度接近室内空气温度。 B.控制围护结构内表面不结露。 C.同时考虑人体卫生保健的基本需要。 D.控制通过围护结构的热损失 在一定范围之内围护结构的传热阻就不能小于某个最低限度值，这个最低限度的传热阻称为最小传热阻R0min。,规定最小总热阻作用,最小总热阻计算： 根据民用建筑热工设计规范（GB50176一93）最小传热阻的计算公式如下：,经济热阻,经济热阻
18、的计算值不仅和当地气候因素有关，还取决于建筑的使用年限，所用的建筑材料和采暖用燃料的价格以及银行利率等因素。 一般情况下，经济热阻值均远远大于按最小总热阻计算的结果。,近20年来世界上各发达国家都在逐渐提高其建筑物外围护结构的保温标准。 我国在1986年制定民用建筑节能设计标准，1995年制定民用建筑节能设计标准（采暖居住部分）。,5.3.3特殊部位的保温设计,（1）热(冷)桥 厚度d=(R0-R0) a1.5 a, l2.0,（2）外墙角 ： 由于在墙角部分的室内空气流动速度慢、感热阻大；墙角的放热面大于吸热面，因此墙角部分的内表面温度远比主体部分的内表面温度为低。,在主体部分因属一维传热，
19、等温线是一系列与结构表面平行的直线；在交角处属二维传热，所以等温线成了曲线。,（3）窗门保温 A.加强密封 B.增加窗扇 C.增加玻璃厚度 D.增加玻璃层数（设密闭空气间层） E.选用导热系数小的窗框材料,（4）地板保温 特点：涉及热舒适与节能问题 吸热系数B 按B对地板分类 保温措施,例题：外墙为240厚砖墙，带钢筋混凝土圈梁，房间开间3.3 m，层高2.7 m，窗户1.5 m1.5 m， 采用饰面石膏聚苯板(厚=50mm)内保温，外墙构造如图所示，所用材料的导热系数为：砖墙081，钢筋混凝土1.74，聚苯板0.045；空气间层热阻R=0.16 m2KW。试求外墙的平均传热系数。,解答： (
20、1) 主体部分： Kp=1/0.115+0.05/0.045+0.16+0.24/0.81+0.04 =0.58W/m2K 面积Fp=(3.3-0.122)(0.9+1.5) 1.51.5=5.09m2 (2)热桥部分： a抗震柱 KB1=1/0.11+(0.05+0.02)/0.81+0.24/1.74+0.04 =2.67W/m2K 面积FB1=2.70.24=0.65m2,b圈梁： KB2=1/0.11+(0.24+0.02+0.05)/1.74+0.04 =3.047W/m2K 面积FB2=（3.3-0.12 2）0.14=0.4284 m2 KB3=1/0.11+0.24/1.74+
21、0.16+0.05/0.045+0.04 =0.641W/m2K 面积FB2=（3.3-0.24）0.16=0.4896 m2,(3)墙体平均传热系数 K=(KpFp+KB1FB1+KB2FB2+KB3FB3)/ (Fp+FB1+FB2+FB3) =(0.58 5.09+2.67 0.65+3.047 0.4284+0.641 0.4896)/(5.09+0.65+0.4284+0.4896) =(2.9522+1.7355+1.3053+0.3138)/6.658 =0.947W/m2,5.4建筑围护结构隔热设计,5.4.1隔热设计概述 一些冬季保温好的房间，夏季非常热，这是什么原因呢？因为
22、夏季热作用有不同的特点，需要考虑太阳辐射的周期性变化。日出和日落是不稳定传热的最大因素。 不稳定传热，不是单纯的热传递问题，还需要考虑围护结构自身的蓄热和放热。,周期性传热：白天，太阳辐射强度大，围护结构外表面的温度大大高于室外的空气温度，热量从围护结构外表面向室内传递。,夜间，围护结构的外表面温度迅速降低，甚至低于室外空气温度，热量从室内向室外传递。,围护结构隔热设计要按周期性不稳态传热来设计： 评价围护结构的隔热优劣的标准是其抵抗波动热作用的能力。,5.4.2室外综合温度概念及计算 考虑到室内有人活动，一般认为，夏季的室内空气温度高于室外空气温度。对于通风的房间,围护结构受热的作用是室内外
23、波动温度。 对于空调的房间,围护结构受热的作用是室外波动温度。,(1)室外综合温度概念 是一种假想的温度,它对围护结构外表面的热作用效果等于室外气温与太阳辐射对围护结构外表面宗合的热作用效果。 室外综合温度室外气温太阳辐射当量温度 。,/e 称为太阳辐射的“当量温度”，或称为“等效温度”，表示为： teq=/e,综合温度随围护结构的朝向及外表面对日辐射的吸收率不同而有很大的变化。 不同朝向表面接受的太阳辐射照度有很大的差异，见图。,(2)室外综合温度计算 室外综合温度是波动的，以一天为周期，为了进行隔热计算，还需要确定综合温度的最大值、昼夜平均值和温度波动振幅。 A.综合温度平均值计算,B.综
24、合温度最大值 计算 C.综合温度振幅计算 D.太阳辐射等效温度振幅计算,5.4.3围护结构隔热评价方法 围护结构隔热好坏是以内表面最高温度和其出现的时间来很量的。 取决于围护结构在具体的气候状态下，对室外周期性热作用的衰减和延迟。 衰减倍数 和延迟时间是衡量围护结构隔热好坏的两个指标。,（1）围护结构衰减倍数：围护结构在室外综合温度波的作用下，温度沿着厚度方向逐渐衰减，振幅越来越小。室外综合温度振幅与围护结构内表面的温度振幅的比值称为围护结构的衰减倍数。,衰减倍数与材料的导热系数、比热、密度和热作用周期有关。热作用周期越短，对围护结构的影响越小。 围护结构的衰减倍数与热惰性总和有关。 外层衰减
25、大内层衰减小 相对有利 外层衰减小内层衰减大 相对不利 最好采用外保温材料，尽量在外层衰减。 衰减倍数计算：,(2)围护结构延迟时间,延迟时间计算：,5.4.4 围护结构内表面温度计算,（1）当房间为空调房间时：,规范规定，内表面最高温度不能超过某个值。,内表面平均温度计算：,内表面最高温度计算：,内表面最高温度出现的时间：,（1）当房间为自然通风房间时：,要考虑双向温度波的影响，还要计算室内的温度波衰减和时间延迟。,内表面平均温度计算：,内表面最高温度计算：,内表面最高温度出现的时间：,规范规定：对于自然通风房间，隔热必须满足,5.4.5 隔热能力的选择 隔热能力的选择考虑因素 （1）建筑类
26、型 自然通风建筑：白天主要隔绝太阳辐射,使得围护结构内表面温度不高于室外空气温度。夜间室内热量尽快散发出去。 空调建筑：围护结构隔热性能应优于一般建筑。,（2）气候状况 干热地区：日夜温差大，采用热惰性指标大，厚重的材料。增加对温度波动的衰减和延迟。 湿热地区：湿度大，通风降温。 （3）建筑使用特点 白天使用的房间：将内表面最高温度出现的时间和使用时间错开。,（4）围护结构朝向 不同朝向受太阳辐射的强度不同，综合温度最高值及其出现的时间也不一样。 隔热重点： 屋顶和天窗 东、西向墙和窗 南向墙和窗 北向墙和窗,5.4.5外墙和屋顶的隔热措施 隔热措施：设计方案隔热围护结构隔热 （屋顶、墙面朝向
27、、颜色和通风间层）,（1）减少日辐射的吸收 A.采用吸收率小的材料。 B.颜色浅色化。白色表面的温度低于其他颜色，浅色低于深色。,（2）使用实体隔热材料或封闭空气间层 提高材料的热阻和热惰性指标值，加大对温度波的衰减，提高衰减倍数和延迟时间。降低内表面平均温度和最高温度。,聚苯板保温隔热屋面,架空型岩棉板绝热屋面,架空型聚苯板绝热屋面,集保温和找坡一体屋面,（4）在围护结构内设通风层 空气间层与室外相通，利用热压或者风压使间层空气流动，带走进入间层的辐射热，有效降低围护结构内表面的温度。白天隔热好，夜间散热快。,架空通风屋顶：长度（小于10m）和高度（200-300mm），面层不保温材料，基层
28、采用适当保温材料 。,风口朝向夏季主导风向。 檐口形式：有利于将风引入间层。风兜出风口涂黑。,几种通风屋面,几种通风屋面,几种通风墙面,混凝土花格墙及板材通风遮阳墙,双层皮技术,370mm砖墙的热惰性指标是5.06 通风墙的热惰性指标为1.58 夏季内表面温度相差不大,砖墙和通风墙的隔热比较,（5）利用水的蒸发降温 水比热大,为4.186KJ/kg，蒸发热也大2428kJ/kg,容易获取，消耗太阳辐射热。（蓄水高度50mm以上200mm）,定时洒水屋面,（6）利用植被降温 利用叶面的蒸腾作用和光合作用吸收太阳辐射。能够起到和地面绿化一样的调节气候的作用。 一棵大树每天能蒸发450升的水，相当与消耗23万千卡的蒸发能量，相当于5台每小时消耗2500千卡的空调机每天工作19个小时。,无土栽培（培养液水渣、珍珠岩、陶粒）。植物通过新陈代谢的蒸发作用，能够控制环境的温度和湿度。,某些植物在7cm厚的砾石土和沙土中就能够生长，一些耐寒植物能够在这样浅的土壤和腐殖物的环境中成活。屋顶庭院还可以用于城市农业，许多蔬菜只要在不到20cm的土壤中就可以生长。,几种屋顶的构造与隔热效果,
