淺議建筑外圍護(hù)節(jié)能設(shè)計(jì)和計(jì)算

/淺議建筑外圍護(hù)節(jié)能設(shè)計(jì)和計(jì)算摘要：本文圍繞建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì)就設(shè)計(jì)中一些重要參數(shù)值的計(jì)算方法進(jìn)行了介紹和分析，并通過一些計(jì)算實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí)對(duì)在建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能計(jì)算中的一些留意事項(xiàng)進(jìn)行了說明。關(guān)鍵詞：建筑外圍護(hù)；節(jié)能設(shè)計(jì)；計(jì)算建筑節(jié)能設(shè)計(jì)涉及面很廣，主要的有兩個(gè)方面。一是建筑物在發(fā)揮其正常功能過程中的能耗問題。二是建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫、隔熱問題。也就是高效保溫隔熱材料的合理運(yùn)用和正確布置，以削減外界環(huán)境對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響。即圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)節(jié)能。建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱措施主要包括屋頂、外墻、架空或外挑樓板以及室內(nèi)地面的保溫隔熱構(gòu)造的確定、材料的選用以及接受保溫門窗等措施。體形系數(shù)和建筑外圍護(hù)面積有干脆關(guān)系，從降低建筑能耗的角度動(dòng)身，應(yīng)當(dāng)將體形系數(shù)限制在一個(gè)較低的水平[1]。一般來說，限制體形系數(shù)大小的方法一是通過削減建筑的面寬，加大建筑的進(jìn)深，面寬和進(jìn)深之比不宜過大，長(zhǎng)寬比應(yīng)適宜。二是增加建筑的層數(shù)，多分?jǐn)偽菝婊蚣芸諛前迕娣e。三是建筑體型不宜變更過多，立面不宜太困難，造型宜簡(jiǎn)練。我們可以通過規(guī)范中對(duì)建筑設(shè)計(jì)在節(jié)能方面所需限制并達(dá)到的各項(xiàng)規(guī)定性指標(biāo)及要求來歸納出節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)熟悉并駕馭的有關(guān)熱工參數(shù)及計(jì)算內(nèi)容！一、窗墻比和遮陽系數(shù)計(jì)算分析在建筑的外窗（含透亮幕墻—下同）、墻體、屋面三大圍護(hù)部件中，外窗的熱工性能最差，是影響室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量和建筑能耗的最主要因素之一。它的能耗約為墻體的3倍，屋面的4倍，約占建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)總能耗的40%~50%。因此，加強(qiáng)外窗的保溫隔熱性能，削減窗的熱量損失，是改善室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量和提高建筑節(jié)能水平的特殊重要環(huán)節(jié)。

（一）窗墻面積比和傳熱系數(shù)一般窗戶的保溫隔熱性能差，夏季白天通過窗戶進(jìn)入室內(nèi)的太陽幅射熱也多。窗墻面積比越大，采暖、空調(diào)的能耗也越大。因此從節(jié)能角度動(dòng)身，必需限制窗墻面積比。一般狀況，應(yīng)以滿足室內(nèi)采光要求作為窗墻面積比的確定原則。

1、窗墻面積比計(jì)算：

計(jì)算公式是：，ΣAc——同一朝向的外窗（含透亮幕墻）及陽臺(tái)門透亮部分洞口總面積（m2）。

ΣAw——同一朝向外墻總面積（含該外墻上的窗面積）

這里還要明白的是要明白平均窗墻比的計(jì)算。整棟建筑某一相同朝向的外墻面上的窗及陽臺(tái)門的透亮部分的總面積和該朝向的外墻面的總面積（包括外墻中窗和門的面積）之比。（二）外窗遮陽夏熱冬冷地區(qū)，通過外窗進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射熱幾乎不經(jīng)過時(shí)間延遲就會(huì)對(duì)房間產(chǎn)生熱效應(yīng)。因此，實(shí)行有效的遮陽措施，降低外窗太陽輻射形成的空調(diào)負(fù)荷，是實(shí)現(xiàn)居住建筑節(jié)能的有效方法。由于一般公共建筑的窗墻面積比較大，因而太陽輻射對(duì)建筑能耗的影響很大[2]。為了節(jié)約能源，應(yīng)對(duì)窗口和透亮幕墻實(shí)行外遮陽措施。遮陽系數(shù)的定義為在法向入射條件下，通過玻璃構(gòu)件（包括窗的透亮部分和不透亮部分）的太陽輻射得熱率，和相同入射條件下的標(biāo)準(zhǔn)玻璃（3mm厚）的太陽輻射得熱率的比值，也可認(rèn)為是太陽輻射能透過指數(shù)，一般狀況下是越小越好。

例：某辦公建筑南面為（4米，8開間）32m，層高3米，四層，每層設(shè)窗（3米寬×1.5米高）各8個(gè)，每扇窗頂均設(shè)0.6m水平遮陽，求其水平外遮陽系數(shù)。按上?！豆步ㄖ?jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DGJ08-205-2011，水平遮陽板的外遮陽系數(shù)應(yīng)按下列公式計(jì)算確定：

水平遮陽板：（-1）

遮陽板外挑系數(shù)：PF＝A／B（A.0.1.3）

式中SDH——水平遮陽板夏季外遮陽系數(shù)；

ah、bh、—計(jì)算系數(shù)，按表A.0.1取定；

PF——遮陽板外挑系數(shù)，當(dāng)計(jì)算出的PF＞1時(shí)，取PF＝1；

A——遮陽板外挑長(zhǎng)度（圖A.0.1）；

B——遮陽板根部到窗對(duì)邊距離（圖A.0.1）。圖遮陽板外挑系數(shù)（PF）計(jì)算示意圖外遮陽系數(shù)查P38公式—1，水平遮陽板查表A.0.1南向，ah=0.47，bh=－0.79，按公式及題目所給數(shù)據(jù)計(jì)算，其水平外遮陽系數(shù)為0.759。

例題中其他條件不變，現(xiàn)按節(jié)能要求選擇6+12+6一般中空玻璃斷熱鋁合金窗，請(qǐng)計(jì)算此方向窗是否能滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DGJ08-205-2011中規(guī)定性遮陽系數(shù)要求。依據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DGJ08-205-2011，查表《乙類建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)限值》得乙類建筑窗墻比為0.375，則K≤3.0；南側(cè)遮陽系數(shù)≤O.50；查表-3，6+12+6一般中空玻璃，K=2.8，SC（玻璃)=0.86，按上題所求：水平外遮陽系數(shù)SDh＝0.759；

綜合遮陽系數(shù)＝。

按規(guī)范要求南側(cè)遮陽≤0.50，計(jì)算結(jié)果為0.653大于0.5限值，故不滿足遮陽系數(shù)要求。若將題中的水平遮陽改為室外卷簾百葉，同樣玻璃規(guī)格，則當(dāng)其為甲類建筑時(shí)，此方向可達(dá)到最大的窗墻比為多少?

查表上標(biāo)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DGJ08-205-2011，室外卷簾百葉遮陽系數(shù)為0.3，則此建筑的綜合遮陽系數(shù)為SC=0.86×0.3=0.258，查P9表.1，得到當(dāng)其為甲類建筑時(shí)此方向窗墻比為0.5-0.7。

從上述的計(jì)算中我們可知，固定水平外遮陽所達(dá)到的遮陽效果遠(yuǎn)不如室外卷簾百葉的遮陽效果。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮造型、經(jīng)濟(jì)、美觀、好用要求。為滿足節(jié)能要求應(yīng)優(yōu)先接受活動(dòng)式外遮陽。二、維護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì)和計(jì)算這里首先要知道幾個(gè)重要的計(jì)算公式。（一）熱阻計(jì)算：

1、單一材料層的熱阻計(jì)算

δj——材料層厚度（m）

λcj——材料計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)[w/(m·k)]。

計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)為材料導(dǎo)熱系數(shù)和其修正系數(shù)之積

按GB50176-93規(guī)范63頁附表4.1可得到各材料的λ值。2、多層圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻計(jì)算Rn圍護(hù)結(jié)構(gòu)各層的單一熱阻3、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱阻（R0）計(jì)算

R0=Ri+ΣR+Re

Ri——內(nèi)表面換熱阻。按GB50176-93規(guī)范27頁附表2.2。

Re——外表面換熱阻。按GB50176-93規(guī)范28頁附表2.3。

內(nèi)表面換熱阻（Ri）、外表面換熱阻（Re）——圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)表面空氣邊界層阻抗傳熱實(shí)力的物理量。一般狀況下Ri=0.11（m2·k）/w。Re=0.04（m2·k）/w（冬季）或0.05（m2·k）/w（夏季）。

（二）傳熱系數(shù)（K）計(jì)算

R0圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱阻1、外墻平均傳熱系數(shù)（Km）計(jì)算(特殊重要）：

Kp——外墻主體部位的傳熱系數(shù)。

KB1、KB2、KB3——外墻周邊熱橋部位的傳熱系數(shù)。

Fp——外墻主體部位的面積（m2）。

FB1、FB2、FB3——外墻周邊熱橋部位的面積（m2）。2、主體部位（墻體）傳熱系數(shù)計(jì)算：3、周邊熱橋（鋼筋砼梁、板、柱）傳熱系數(shù)計(jì)算4、主體部分面積

Fp=房間開間×層高－梁、板、柱和外門窗積。

5、周邊熱橋部分面積

FB1、FB2、FB3=鋼筋砼梁、板、柱各自的面積。某居住建筑其結(jié)構(gòu)體系為框架結(jié)構(gòu)，其外墻主體為240厚P型燒結(jié)多孔磚，保溫層為35厚膠粉聚苯顆粒漿料；其外墻主體部位構(gòu)造及主要熱工值分別為：

20厚混合砂漿R=0.023

240厚P型燒結(jié)多孔磚R=0.414

35厚膠粉聚苯顆粒漿料R=0.486

5厚抗裂砂漿(玻纖網(wǎng))R=0.005

彈性底涂、柔性膩?zhàn)?，外墻涂料；熱阻不?jì)

計(jì)算此外墻主體部位的傳熱系數(shù)。查閱《全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施——節(jié)能專篇／建筑》P68頁公式(-1)查得傳熱系數(shù)K計(jì)算，其中Ri—內(nèi)表面換熱阻=0.11；Re一外表面換熱阻=0.04，可計(jì)算得K為0.93。同一建筑其熱橋部分構(gòu)造和主體相同主要熱工值分別為：

20厚混合砂漿R=0.023

240厚鋼筋混凝土梁、柱(墻)R=0.115

（為簡(jiǎn)化計(jì)算將熱橋部分的計(jì)算厚度和外墻主體的計(jì)算厚度取值相同）

35厚膠粉聚苯顆粒漿料R=0.486

5厚抗裂砂漿(玻纖網(wǎng))R=0.005

彈性底涂、柔性膩?zhàn)?，外墻涂料；熱阻不?jì)

框架結(jié)構(gòu)體系，外墻主體和結(jié)構(gòu)性熱橋的面積比例為A=0.65，B=0.35，試計(jì)算此建筑外墻的平均傳熱系數(shù)。若此建筑的熱惰性指標(biāo)D大于3.0，接受這種節(jié)能構(gòu)造能否滿足《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DGJ08-205-2011中外墻規(guī)定性指標(biāo)要求?

查閱《全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施——節(jié)能專篇／建筑》P68頁公式(-1)查得傳熱系數(shù)K計(jì)算，熱橋部分K=1.346，外墻平均傳熱系數(shù)。結(jié)論：接受這種節(jié)能構(gòu)造因其熱惰性指標(biāo)D大于3.0，所以能滿足《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DGJ08-205-2011中外墻規(guī)定性指標(biāo)K≤1.5的要求。通常狀況下，維護(hù)結(jié)構(gòu)主體和熱橋部位用相同厚度保溫材料，即可滿足規(guī)定性指標(biāo)的要求。不同結(jié)構(gòu)體系的建筑，可通過簡(jiǎn)化的手法估算出主體結(jié)構(gòu)和熱橋部分的面積比例，依據(jù)各構(gòu)造材料的熱工值，計(jì)算出其平均傳熱系數(shù)。三、屋面的保溫隔熱屋面在整個(gè)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積中所占的比例雖遠(yuǎn)低于外墻，但對(duì)頂層房間而言，卻是比例最大的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于五個(gè)面被室外氣候所包圍。屋面保溫隔熱性能太差，對(duì)頂層房間的室內(nèi)熱環(huán)境和建筑采暖空調(diào)能耗的影響是比較嚴(yán)峻的。因此各節(jié)能規(guī)范對(duì)屋面的熱工性能均做了嚴(yán)格的規(guī)定。

為了提高屋面的保溫隔熱性能，設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：1、應(yīng)選用導(dǎo)熱系數(shù)（λ）小，蓄熱系數(shù)（S）大的保溫隔熱材料。2、宜接受倒置式屋面保溫隔熱系統(tǒng)，防水層設(shè)置在結(jié)構(gòu)層以上、絕熱材料之下，兼作隔氣層。由于絕熱材料的愛惜作用，使防水材料避開受到室外空氣溫度的猛烈波動(dòng)變更和紫外線輻射影響及施工緣由，造成防水層的損壞。

3、保溫隔熱材料不宜選用吸水率較高的絕熱材料，以防屋面濕作業(yè)時(shí)，保溫隔熱層大量吸水，降低熱工性能。否則應(yīng)設(shè)排水孔[3]。一般接受：聚苯乙烯泡沫塑料板（EPS板）、擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板（XPS板）、聚氨酯泡沫塑料等。

屋頂透亮部分（玻璃頂）設(shè)計(jì)：公共建筑屋頂透亮部分（玻璃頂）的面積不應(yīng)大于屋頂總面積的4%。

居住建筑屋頂天窗必需實(shí)行節(jié)能設(shè)計(jì)。（上海市標(biāo)準(zhǔn)《公共建筑建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DGJ08-205-2011）第規(guī)定。）屋面的熱工計(jì)算遵循維護(hù)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)計(jì)算公式如：傳熱系數(shù)、熱惰性指標(biāo)等，其中一個(gè)比較好用的用來計(jì)算保溫層厚度的公式為：--保溫層厚度(m)；--保溫材料的計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)[w／(m·k)]；--規(guī)定的傳熱系數(shù)限值[W／(m·k)]（依據(jù)所要計(jì)算的維護(hù)結(jié)構(gòu)部位確定）；

--構(gòu)造層中除保溫層外的各層材料熱阻之和(㎡·／K／W)

分別查閱《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DB33／1015—2003中的兩種；K1=1.0；K2=0.8，用公式

，=0.03X1.1=0.033，K1=1.0時(shí)：即約21mm厚。K2=0.8時(shí)：即約29mm厚；同理可計(jì)算各類公共建筑的屋面保溫層厚度的經(jīng)濟(jì)值。至此，我們可得出結(jié)論，不同性質(zhì)建筑由于規(guī)范對(duì)其節(jié)能的規(guī)定性指標(biāo)要求不一樣，即使接受相同的屋面構(gòu)造做法，其保溫層厚度可有所不同。不需接受一刀切的手法。由于大部分屋面其構(gòu)造做法相對(duì)統(tǒng)一，因此利用公式及各層材料的熱工參數(shù)，可便利地計(jì)算出保溫層厚度。

此外，值得留意的是，通常狀況下，居住建筑的樓板如不作保溫處理，則其傳熱系數(shù)是不能滿足規(guī)定性指標(biāo)的要求的。各類建筑中底部接觸室外空氣的架空或外挑樓板作為外維護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分，應(yīng)進(jìn)行保溫構(gòu)造設(shè)計(jì)?！豆步ㄖ?/p>