建筑热环境设计

建筑热环境设计建筑保温空气湿度和围护结构防潮建筑防热建筑日照与遮阳在我国大约有占全国总面积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，还要注意节省采暖的能耗和建造费用，即注意建筑保温问题。建筑保温设计考虑的不利情况是在冬季阴天。建筑保温主要包括围护结构保温建筑方案设计中的保温综合处理建筑保温设计考虑的不利情况是在冬季阴天，室外为稳定低温，并且昼夜温度波动较小，室内是由供暖设备保持一定温度，热量持续由室内流向室外，因此冬季围护结构的传热可以粗略的主要按稳定传热计算围护结构传热过程、传热量基本传热过程及每个过程的主要传热方式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–qi=i(ti-i)–i=ri+ci–Ri=1/i(m²•K/W)–qi=(ti-i)/Ri构件传热qi=n/dn*(n-n+1)–热导G=/d热阻R=d/–构件热阻表示围护结构中各材料层对热流的阻挡能力，热阻越大则通过的热流密度越小表面散热qe=e(e-te)围护结构传热过程、传热量内表面换热系数的定义为：当内表面与室内空气之间的温差为IK（IC）时，单位时间内通过单位表面积的传热量。内表面换热系数应为内表面辐射换热系数（αri）与内表面对流换热系数（αci）之和。αi＝αri＋αciae——外表面换热系数外表面换热系数（αe）的倒数称为外表面换热阻围护结构传热系数、传热阻一般构造的传热系数、传热阻计算–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=qe=qn=q–按照稳定传热计算，平壁围护结构内各材料层在单位时间、单位面积上的传热量为λ1／d1，λ2／d2，λ3／d3，分别代表围护结构各材料层的传热能力，又称为该材料层的“热导”。热导的倒数称为“构件热阻”–K称为围护结构的传热系数，可以说明围护结构在稳定传热条件下的保温性能围护结构传热系数、传热阻一般构造的传热系数、传热阻计算–内表面换热系数的倒数称为内表面换热阻（Ri）。即Ri＝1/αi或。αi＝1／R–构件热阻（R）表示围护结构中备材料层对热流的阻挡能力，热阻愈大则通过的热流密度（q）愈小。围护结构传热系数、传热阻组合构造的热阻–在实际应用中，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，局部存在着二维传热。封闭空气间层的热阻–空气间层中的传热不以导热为主，包括三种形式窗的传热阻–窗是保温能力最低的围护结构，一般通过单层窗的传热量是同等面积外墙的3--5倍–外表面换热阻的影响较大围护结构热稳定性------蓄热系数和热惰性指标实际使用中室内供暖常有波动，室外气温也会在一天内有变化，各种材料和围护结构对热波动作用的抵抗能力（即热稳定性）可用以下指标表示：–材料蓄热系数S–围护结构内表面蓄热系数Y–围护结构热惰性指标D围护结构的热稳定性——蓄热系数和热惰性指标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Aθ之比，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。围护结构的热稳定性——蓄热系数和热惰性指标材料蓄热系数（S）：作为材料的一种基本性能，其数值取决于材料的导热系数及材料a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小时时，以24代入Z，则得以24小时为周期的材料蓄热系数S24围护结构的热稳定性——蓄热系数和热惰性指标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数（S）应由各材料蓄热系数按下式加权平均得出：通过围护结构内表面热流波动的振幅Aq与内表面温度波动振幅Aθ之比，称为围护结构内表面蓄热系数Yi内表面蓄热系数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特性的指标。Yi越大，表明在同样的周期性热作用下，内表面温度波动越小，即温度越稳定。围护结构内表面蓄热系数Yi值反映了围护结构内表面的热稳定性。围护结构的热稳定性——蓄热系数和热惰性指标内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：–（1）当围护结构内面由较厚的一种材料组成时，内表面蓄热系数可用这层材料的材料蓄热系数（S）值来表示。–（2）当围护结构内面材料层不很厚时，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。围护结构的热稳定性——蓄热系数和热惰性指标围护结构热惰性指标（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。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：D＝R·S围护结构的热稳定性——蓄热系数和热惰性指标对多层材料的围护结构，热惰性指标为备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。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。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，再加以计算围护结构的热稳定性——蓄热系数和热惰性指标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”，按照如衰减倍数为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。围护结构的热稳定性——蓄热系数和热惰性指标围护结构保温层设置方式单一构造复合构造结构。它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。–外保温优点较多–内保温施工方便–中间保温有利于用松散材料作保温层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。围护结构保温层设置方式从建筑热工角度上看，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。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–外饰面处理三种保温层设置方式的比较内表面温度的稳定性：外保温和中间保温作法，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。热桥问题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。三种保温层设置方式的比较防止保温材料凝结水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对承重结构的保护：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，从而提高其耐久性三种保温层设置方式的比较旧房改造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。外饰面处理外保温作法对外表面的保护层要求较高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。地面保温地面保温地面是与人脚直接接触而传热的由于地面下土壤温度的年变化比室外空气小很多，因此冬季地面散热的最大部分是靠近外墙的地面，宽度约在0。5--2M左右地面舒适条件取决于地面的吸热指数B值地面的吸热指数B值是由地面所采用的构造和材料决定的。地面保温根据B值我国将地面划分成3类木地面、塑料地面等属I类；水泥砂浆地面等属II类；水磨石地面及其它石类地面属III类。建筑保温设计的有关规定围护结构的最小传热阻（低限热阻）R0•min围护结构对室内热环境的影响，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耐久性。最小传热阻在稳定传热条件下，内表面温度取决于室内外温度和围护结构的传热阻。保证围护结构内表面温度接近室内空气温度。控制围护结构内表面不结露同时考虑人体卫生保健的基本需要。并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R0．min。最小传热阻并不意味着围护结构的实有传热阻一定要刚好等于最小传热阻，它只是起码的标准，为满足热舒适和建筑节能的需要，实有的传热阻完全可以高于它，但不得低于它。R0•min=（ti-te)n*Ri/[t]对于热稳定性要求高的建筑采用轻型结构式时，应对R0•min采用附加修正经济热阻经济热阻及建筑节能设计标准中对围护结构传热系数和居住建筑耗热量指标的规定围护结构的经济热阻即建造费与采暖费之和最低的围护结构热阻值对围护结构传热系数和居住建筑耗热量指标按最小传热阻确定的外围护结构，可以满足基本卫生要求并节省建造费用，但常常不可避免地会增加建筑物使用时的采暖费，浪费采暖能耗。经济热阻每m2外围护结构（外墙或屋顶）平均到使用期内每年的建造费和采暖费与其所用保温材料厚度之间的关系对于围护结构来说，综合考虑建造费与采暖费，可以得出所用保温材料的最经济厚度。经济热阻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应有的经济热阻值均远远大于按最小传热阻计算的结果。建筑保温综合措施建筑师手中最少拥有40%的节能效果建筑体型朝向与保温节能减少冷风渗透窗的设置和保温热桥处理利用太阳能采暖建筑体型朝向与保温节能一般来说：低层、体型复杂的建筑的耗热指标大；东西向比南北向建筑耗热指标大；对于寒冷地区的建筑，从体型上考虑节能问题主要包括两个方面：一是尽量节省外围护结构面积,用尽可能小的表面积覆盖尽可能大的空间，将散热面积减至最少；二是使建筑物能充分争取到冬季的日辐射得热。建筑体型朝向与保温节能体型系数（S）即一栋建筑的外表面积F0与其所包的体积V0之比，即S＝F0／V0–建筑的长宽比越大则体型系数就越大–多层居住建筑的S以0.3以下为宜–建筑层数S的影响随着体型系数的增加，单位体积的传热量也相应加大。一般是总建筑面积愈大时，要求建筑层数也相应加多，对节能有利。建筑体型朝向与保温节能如建筑物的高度相同，则其平面形式为圆形时体型系数最小，依次为正方形、长方形，以及其他组合形式体型系数是对建筑体型（球体、正方体、长方体、多面体等）的反映，也是对建筑尺度的准确描述。建筑体型朝向与保温节能对于不同体量、规模（建筑面积）的建筑，其体型系数是完全不具有可比性的。单从体型系数来判断建筑节能的优劣是非常片面和不准确的，特别是对于小体量的建筑。在围护结构热工性能得到保证的前提下，将庞大的建筑体量小尺度化（增加体型系数），以获得自然采光和通风，是当今生态技术采取的一项重要策略。建筑体型朝向与保温节能体型朝向对日辐射得热的影响–正南向建筑其长宽比愈大，日辐射得热愈多–屋顶简单而鲜明的气候策略：最大限度地保温–在北半球，冬季南向窗口获得的日辐射量远大于其他朝向保温设计综合措施——最佳节能体型建筑作为一个整体，其最佳节能体型是和各地区的室内外空气温度、太阳辐射量、风向、风速以及围护结构面积大小和其热工特性等各方面因素有关，不能由单一因素决定。但在某一具体情况下，以上各因素的影响大小也不相同。同