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能使建筑冬暖夏凉的建筑热工节能设计方法

时间:2019-08-18 21:31:44   作者:   来源:网络   阅读:61  
内容摘要:凡住过传统砖土结构建筑的,一般都有这种体会:在夏季室外很热的情况下,即使不开空调,室内也很凉爽,而在冬天即将供暖的时候,即使室外很冷,屋子里却很暖和,即使晚供暖半个月甚至一个月,屋子里也不觉着冷,这种就是冬暖夏凉建筑。如果用一个量化标准来评估,那就是:在夏天,只要一天之中低于23℃的时间超过4小时,并及时通风,无论白天...


凡住过传统砖土结构建筑的,一般都有这种体会:在夏季室外很热的情况下,即使不开空调,室内也很凉爽,而在冬天即将供暖的时候,即使室外很冷,屋子里却很暖和,即使晚供暖半个月甚至一个月,屋子里也不觉着冷,这种就是冬暖夏凉建筑。

如果用一个量化标准来评估,那就是:在夏天,只要一天之中低于23℃的时间超过4小时,并及时通风,无论白天最高气温是多少,只要白天热的时候及时关窗,就用不着开冷气空调;或者在冬季供暖季节前后过渡季节,只要一天中高于21℃的时间超过4小时,在温暖时注意通风,无论夜晚最低气温有多低,只要不开窗,就用不着开热风,这种居住建筑就是冬暖夏凉建筑。

或者说,在正常天气情况下(不是十年一遇的寒流、热浪),如果严寒地区的中小城市建筑,夏季需要开空调;如果夏热冬暖地区建筑,冬季需要开暖风,这种居住建筑一般就不是冬暖夏凉建筑。如果不是冬暖夏凉建筑,建筑能耗就比较高。




本文针对全国各主要气候地区的不同气候特点,根据建筑物理计算理论(建筑热工原理),介绍几种能实现冬暖夏凉的建筑热工设计思路、方法,希望建筑设计人员尽可能通过建筑本身热工性能实施建筑节能设计,尽可能少用或不用空调。

1.北方严寒地区

北方严寒地区(中国东北、内蒙大部分地区),夏季一般不需要开空调,冬季供暖能耗占能耗的绝大部分。根据《民用建筑热工设计规范》GB50176-93,主要通过加大建筑围护结构的热阻、厚度,减少传热,提高建筑的气密性和保温性能,来降低供暖热负荷。

建筑围护结构主要包括窗户、墙体。

窗户的保温:主要是采用双层窗户、双层玻璃、隔热玻璃膜,以减少透过玻璃的热导和热辐射,同时要加强气密性。

墙体的保温:主要是加大建筑外保温材料热阻、厚度。



具体主要包括以下措施:

1)建筑墙体内侧以钢筋混凝土结构等重质材料为主,墙体外侧配置轻质外保温材料,厚度最少在80mm以上,外保温材料越厚,建筑冬季保温节能性能越好,而且外保温材料质轻,蓄热低,还有助于降低“城市热岛效应”,(“城市热岛效应”不但增大夏季炎热,还会加重城市空气污染)。

2)北方严寒地区乡村或者建筑密度不高的中小城市,建筑外墙颜色可以选择深色(红色、深褐色、深灰色、黑色),这样春冬秋季可以增大建筑表面吸收得太阳辐照热量,在日照较强的情况下,有部分热量能透过外保温材料传入室内。但大城市建筑外墙颜色,要尽可能选择浅色(白色、浅黄色、浅绿色、淡蓝色),浅色外墙比深色外墙能少吸收一半的太阳辐射热量,可有效降低“城市热岛效应”。

3)为了消除大城市的“城市热岛效应”,仅建筑外墙外保温层就应接近达到《民用建筑热工设计规范》GB50176-93所规定的隔热指标,这样就不会把内部的重质材料晒热,而规范规定的隔热指标,是针对整个墙体结构的,太阳辐射能透过外保温层把内部重质材料晒热,形成建筑蓄热,夜晚释放到室外就会形成“城市热岛效应”,对室内会增大空调负荷。

内侧墙体要采用重质钢筋混凝土材料,表面抹灰层要尽可能薄。

在冬季供暖季节,室内重质钢筋混凝土材料,能起到稳定室内温度的作用,当供暖量偏高时,内部重质墙体材料能够吸热、蓄热,当供暖不足时,内部重质墙体能释放蓄热,以维持室温的现对稳定。

在夏季炎热季节,在夜晚气温转凉的时候,要尽可能开窗通风,以降低室内重质墙体表面温度,这样就能起到蓄冷作用,等白天气温升高时,要少开窗通风,温度较低的重质墙体就能吸收人体散热,从而起到“天然空调”作用。

只有建筑外墙外保温层能接近达到规定隔热指标的情况下,室内重质墙体才能起到“天然空调”作用。此“天然空调”功率取决于昼夜温差和夜间通风程度、钢筋混凝土结构厚度。

如果“城市热岛效应”不严重,北方严寒地区昼夜温差会更大,通过外墙保温材料隔热,重质内墙蓄冷,就能实现冬暖夏凉,夏季就可以不开或少开空调。



2. 北方寒冷地区(华北地区)

北方寒冷地区,冬季供暖占大部分能耗,夏季有近两个月时间需要开空调,所以建筑热工节能设计要以冬季保温为主,兼顾夏季隔热。

1)整体结构与北方严寒地区相似,通过外墙外保温结构设计,既能满足冬季保温要求,又能满足夏季隔热需要,外保温材料厚度最低70mm,越厚越好。

2)无论乡村还是大城市,建筑外墙颜色都尽可能选择浅色(淡绿、淡黄、浅灰)这可以明显减少建筑表面吸收的阳光辐射热量,提高建筑夏季隔热性能。如果一定要选用深色涂料,最好选择深色近红外反射涂料,否则就得把外保温层设计的比较厚才能达到建筑隔热性能要求,具体厚度要根据当地太阳辐射强度进行隔热计算来确定。

可采用近红外反射涂料来实施建筑隔热,但不能因此降低外墙外保温材料厚度,因为近红外反射涂料只能提高隔热性能,不能保温;而外墙外保温材料,既起到冬季保温,又起到夏季隔热的双重作用。

3)建筑北侧、西侧、南侧外窗,采用双层玻璃、隔热玻璃膜,以减少透过玻璃的热传导和热辐射,或采用高反射率的半透光窗帘,冬季拉开即取暖,夏季拉上即隔热。

4)外墙外保温层若近于达到《民用建筑热工设计规范》GB50176-93的隔热计算指标要求,就可以通过室内重质墙体材料,夏季蓄冷吸热,冬季稳定室内供暖温度,从而实现冬暖夏凉。但有两种情况应注意:

一种情况是,如果当地春秋过渡季节持续时间很短(供暖停止后,天气很快转热),室内重质墙体材料表面最好不抹灰,只薄薄地打一层腻子,即刷涂料,这种建筑墙体能最大限度地实现“冬暖夏凉”。

另一种情况是,如果当地供暖期很短,而春秋过渡季节持续时间却很长,在春秋过渡季节,室内会比较阴冷,这种情况,应在内部重质材料表面涂抹一层8-10mm彩票app下载厚的保温砂浆,这既有利于维持室温的稳定,又避免春秋过渡季节室内过于阴冷。北方地区建筑如果有内保温层,容易形成墙体结露,应根据当地气候做好墙体结露计算。





3. 夏热冬暖地区(华南地区)

夏热冬暖地区(华南地区),冬季一般不要求供暖,主要是做好建筑的夏季隔热设计。根据《民用建筑热工设计规范》GB50176-93所提供的建筑隔热设计计算方法,主要是通过加大建筑围护结构(窗户、墙体)的隔热性能,来减低空调设备冷负荷。

窗户隔热比较好理解:主要通过遮阳设计、隔热玻璃等措施,减少室外向室内辐射红外热量。

墙体隔热则比较复杂,以广州为例,墙体可采取以下隔热措施:

1)建筑内墙采用钢筋混凝土结构,外墙采用外保温材料隔热,外保温材料厚度要根据墙体涂料颜色配套设计,要尽可能选择浅色(白色、淡绿、淡黄),因为红色、黑色建筑会多吸收一倍的太阳辐射热量。

根据BEED建筑热工节能设计计算软件的隔热计算,如果广州地区外墙采用白色涂料,41mm厚的挤塑聚苯板外保温材料,再加上15mm厚的钢筋混凝土材料,就能达到建筑隔热计算要求;但如果外墙采用黑色涂料,需要采用82mm厚的挤塑聚苯板作外墙保温材料,再加上15mm厚的钢筋混凝土材料才能达到建筑隔热计算要求,由此可见建筑外墙颜色对建筑隔热性能影响很大。如果一定要选用深色涂料,最好选择深色的近红外反射涂料,这样,外保温层就不用设计的那么厚,具体厚度应依据涂料的太阳辐射吸收系数,通过建筑隔热计算来确定。

如果刷涂白色近红外反射涂料,能将85%的太阳辐射热量都反射掉,只需15mm厚的外墙保温材料和15mm厚的钢筋混凝土材料就能达到建筑隔热要求。采用这种隔热结构墙体,建筑外表面温度能下降15-25℃,室内温度能下降5-10℃。如果整个城市都采用这种隔热结构墙体,整个城市日夜都比较凉爽。(前提是城市周围地区建筑也都采用隔热结构墙体,或者都是农田绿地)

因为近红外反射涂料比较贵,采用浅色涂料加50mm厚的外保温材料,也能起到相近的隔热降温效果。

通过上述建筑隔热设计,即使在夏季最热那天,太阳辐射透过外保温层,也只能把靠近外保温层的15mm厚钢筋混凝土材料烤热,对室温基本形不成明显影响。所以,要想让建筑冬暖夏凉,仅建筑外墙外保温层就应接近达到《民用建筑热工设计规范》GB50176-93所规定的整个墙体结构隔热指标(该规范规定的建筑隔热计算方法非常好,但规范规定指标偏低),内侧墙体应该设计成重质钢筋混凝土材料,墙体内侧表面抹灰层要尽可能地薄。如果是整个墙体结构刚好达到《民用建筑热工设计规范》GB50176-93所规定的隔热指标,太阳辐射仍能通过外保温层把内部重质材料晒热,形成建筑蓄热,夏季仍会显著增大空调负荷。

2)建筑西侧、南侧外窗,采用隔热玻璃,以减少透过玻璃的热传导和热辐射,或者采用高反射率半透光窗帘遮阳,冬季打开即取暖,夏季拉上即隔热。

3)在外保温层近于达到建筑隔热要求的前提下,利用内部重质钢筋混凝土材料蓄冷吸热。

如果当地昼夜温差比较小,空调间歇开启,且时间较短,内部重质墙体材料表面要涂抹8-10mm厚的保温砂浆,这样可以减少内墙蓄冷所消耗的空调负荷。

如果当地昼夜温差比较大,或者空调24小时连续开启,内部重质墙体材料表面抹灰层应尽可能薄,这样有利于热交换。在夜晚气温转凉的时候,可通过自然通风降低重质内墙温度而蓄冷,等白天气温升高的时候,可以吸收白天的室内散热,形成一个“天然空调”。“天然空调”功率主要取决于夜间室内外温差和夜间通风程度、钢筋混凝土结构厚度。

彩票app下载 如果整个城市建筑都采用良好的建筑隔热设计,“城市热岛效应” 完全可以消除,城市昼夜温差能和远郊农村地区一样大,内部重质墙体的蓄冷吸热性能可更充分地发挥出来。





4. 夏热冬冷地区(长江中下游地区)

夏热冬冷地区,夏季空调能耗占大部分,但冬季有近两个月时间比较冷,所以,以夏季隔热为主,兼顾冬季保温。

虽然夏热冬冷地区的建筑节能设计应以建筑隔热设计为主,但如果完全照搬夏热冬暖地区的设计方案,虽然夏季能耗能大幅降低,屋子里也更凉爽,但到了冬季,室内会更冷冰冰的。

而且夏热冬冷地区,江河纵横,昼夜温差较小,这一地区居民又喜欢开窗,无论冬季取暖,还是夏季空调,一般都间歇开启,如果暖通空调每天得开启时间不长,重质内墙体的蓄热蓄冷功能,虽然夏季能降低建筑冷负荷,但冬季也会增大建筑热负荷。

如果夏热冬冷地区的小区建筑,冬季能24小时供暖,其建筑节能设计可以参照北方寒冷地区(华北地区)进行设计,只需把外保温材料进一步加厚就行了,加厚外保温材料层的目的,并不是为了提高建筑的冬季保温性能,而主要是为了提高建筑的夏季隔热性能。

夏热冬冷地区,如果冬季不能24小时供暖,比较厚的外墙外保温设计就只起到夏季隔热功能,冬季并不能起到有效的保温作用(因为也隔绝了冬季太阳辐射得热)。所以,在夏热冬冷地区,要实现“冬暖夏凉”,应采取以下措施:

1)因为夏热冬冷地区对窗户保温要求不高,若能采用高反射的半透光窗帘,夏季拉上窗帘,就可以遮阳隔热,冬季拉开窗帘可以利用阳光辐射取热。所以,若采用高反射的半透光窗帘,窗户还可以设计的更大一些,这是实现夏热冬冷地区建筑冬暖夏凉的最简捷途径。

2)屋顶、墙体采用空气间层设计,夏季,通过空气间层的自然通风,将墙体蓄热带走,冬季将风道关闭,利用墙体吸收太阳辐射蓄热来取暖,室内墙体表面应涂抹比较薄的保温砂浆来维持室温的相对稳定。

3)如果不采用空气间层设计,夏热冬冷地区建筑外墙颜色应尽可能选择浅色(白色、淡绿、淡黄),这样就可以大大减少建筑表面吸收更多阳光辐照,同时,外侧墙体要配置50-70mm厚的外墙保温材料,若采用深色墙体,应进一步加厚外保温层厚度,具体厚度需根据当地夏季的日照情况进行建筑隔热计算来确定。

如果刷涂白色近红外反射涂料,将85%的阳光辐射能量都反射掉,只需很薄的外墙外保温材料,就能达到建筑隔热要求,采用这种隔热结构墙体,在夏季,建筑外表面温度能降低15-25℃,室内温度能下降5-7℃。如果大城市所有建筑都采用这种隔热结构,在夏季,大城市的夜晚气温能降低8-10℃。

4)夏热冬冷地区,如果要兼顾冬季保温要求,建筑内墙不宜采用比较厚的重质材料蓄冷隔热,否则,冬天屋子里象冰窖一样冷,空调若间歇供暖,空调能耗会明显增大。

所以,夏热冬冷地区建筑热工节能设计,应首先做好外墙外保温层的隔热设计(需要计算隔热),同时重质内墙表面要涂抹8-10mm厚度的保温砂浆,将钢筋混凝土等重质材料象夹心饼一样包在里头。冬季,内侧墙体因为有内保温而不会阴冷,再通过透过窗户的太阳辐射给室内增温;夏季,太阳辐射不能透过外保温隔热层把墙体内部的重质材料烤热,这样,被夹在内部的重质结构墙体既不会因吸收太阳辐射而蓄热,也不会因为重质内墙吸收空调冷热气,而加大夏季空调冷热负荷。如果实施墙体内保温,一定要做好墙体结露计算,否则,室内的湿气会透过内保温层,在保温层内的重质墙体表面形成结露。




总之,本文的主要思路是:

主要原理是,通过足够厚度的外墙外保温隔热设计,使建筑围护结构具有良好的冬季保温、夏季隔热性能,再充分利用建筑内侧重质钢筋混凝土墙体的蓄热功能,发挥其在白天天热时,吸热(蓄热),夜晚天冷时,散热(蓄冷)的“天然空调”作用。只要当地夏天夜晚最低温度在比空调冷气设定温度低,或者在春秋冬季节室外最高温度比空调暖风设定温度高,就可以利用建筑内部重质墙体的蓄冷吸热性能,施以通风使建筑室内冬暖夏凉,从而尽可能地少开空调。

如果整个城市建筑都实施这样的建筑隔热设计,就可以消除“城市热岛效应”,城市昼夜温差就可以和象乡村一样大,这样就更能充分发挥重质建筑内墙的“天然空调”作用。

但如果当地夏季昼夜温差较小,又间歇开启空调,或者冬季、春秋季连续阴冷,在这种情况下,仍要做好建筑外墙颜色、外保温材料等外保温层隔热设计,但重质内墙要做得薄一些,或者在比较厚的重质内墙表面抹一薄层保温砂浆,避免重质内墙蓄冷蓄热消耗间歇空调的冷、热负荷。


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