墙体保温原理及节能措施研究

一、引言

  近年来，随着我国国民经济的迅速发展，国家对环境保护节约能源、改善居住条件等问题极为重视，并相应地制定了一批技术法规和标准规范，尤其对严寒和寒冷地区的采暖民用建筑的保温节能更具有突出经济效益和社会意义。

二、采暖民用建筑节能原理及途径

在冬季，为了保持室内温度，建筑物必须获得热量，主要从采暖设备的供热（70%-75%）、太阳辐射热（15%-20%）和内部得热（7%-8%）获得，这些热量再通过围护结构（外墙、门窗、屋顶）的传热（70%-80%）和空气渗透（20%-30%）向外散失。因此，对建筑物来说，节能的主要途径是减少建筑物外表面面积和加强围护结构保温，以减少传热耗能量，提高门窗的气密性，以减少空气渗透耗能量，最终达到节能的目的。因此围护结构保温尤为重要。

三、围护结构保温的方式

围护结构的保温主要是墙体的保温，新的节能标准（JGJ26-95）要求围护结构节能50%，如哈尔滨地区外墙的传热系数 K=0.52，窗户的传热系数 K=2.5；沈阳地区外墙的传热系数 K=0.68，窗户的传热系数 K=3.0，若用单一材料外墙（如加气块、空心砖等）在严寒地区如哈尔滨外墙厚度需450mm（加气块）、1020mm（空心砖）。显然这是不可行的，因此，在严寒地区必须采用高效保温节能的保温墙体。目前国内主要有三种方式：

a、内保温复合外墙：即在主体结构内侧做保温结构，中间设置空气间层，以防止保温材料受潮，同时提高热阻，但缺点是在丁字墙及拐角等特殊部分形成薄弱节点难以处理。

b、保温材料夹芯复合外墙：是在主体围护墙内夹上一层保温材料，但该结构施工复杂，节点处理难度大，且造价相对较高。

c、外保温复合墙：是在主体结构外侧贴保温层，然后再做饰面层（如玻璃、石材、铝板面层等），它有以下特点：

1对主体结构有保护作用，减少热应力的影响。（附图一）

2有利于室内水蒸气通过墙体向外散发，避免水蒸气在墙体内凝结而使之受潮。（附图二）

3有利于防止薄弱节点产生冷桥。（附图三）

4由于保温材料贴在外侧，墙体减薄，使每户使用面积亦增加，经济价值十分可观。

因此，外保温复合墙是目前常用的结构，过去常用做法是在土建已完成的加气混凝土外贴聚苯板或岩棉，但会在墙体表面产生冷凝水。新的《金属与石材幕墙工程技术规范》（JGJ133-2001）要求幕墙的保温材料可与金属板、石材结合在一起，但应与主体结构外表面有50mm以上的空气层。因此将岩棉板等保温材料直接固定在铝板背部或幕墙横梁上，与幕墙共同形成一个保温体系。主要有以下几种形式

下面为外保温复合墙的平均传热系数计算：

外墙为200厚加气混凝土墙，采用聚苯板外保温（ δ=50mm）外饰面为石材30mm,所用材料的导热系数λ[W/（m.K）]：加气混凝土墙0.22，石材3.49，聚苯板0.05，空气间层热阻R=0.16 m2.K/W

外墙总热阻       R0=Ri+∑R+Ra+Re

式中  

R0-----外墙总热阻

Ri-----内表面换热阻， 取0.11 m2.K/W

R-----外墙材料层热阻， R=δ/λ

δ-----材料层厚度（m）

λ-----材料的计算导热系数（W/m.K）

Ra-----空气层热阻   Ra=0.16 m2.K/W

Re-----外表面换热阻， 冬季取0.04 m2.K/W

传热系数K0=1/ R0=1/（Ri+∑R+Ra+Re）

=1/（0.11+0.2/0.22+0.05/0.05+0.03/3.49+0.16+0.04）

=1/2.227=0.449（W/ m2.K）

哈尔滨地区外墙的传热系数 K=0.52，因此满足节能标准（JGJ26-95）

K0被称为总传热系数，R0被称为总传热阻，R0=1/K0，K0和R0是在门窗、幕墙热工计算中的两个非常重要的物理量。

四、外墙保温材料

材料的保温隔热性能好坏是由材料导热系数的大小决定的，导热系数愈小，保温、隔热性能愈好，建筑外墙保温材料主要有以下几种：

a、岩棉及其制品：以精选的玄武岩或绿岩为主要原料，经高温熔融制成的人造无机纤维。防火效果好，可耐8000C高温。

b、矿棉及其制品：是利用工业废料矿渣为主要原料，经熔化采用高速离心法或喷吹法工艺制成的棉丝状无机纤维。

c、玻璃棉及其制品：是以硅砂、石灰石等矿物为主要原料，经熔化将熔融玻璃液制成的无机纤维，保温效果比岩棉更好，但不耐高温。

d、聚苯乙烯泡沫塑料板（聚苯板）：是以聚苯乙烯树脂为基料，加入发泡剂等辅助材料，经加热发泡而成的轻质材料。

以上材料均具有容重小、隔热、吸声、导热系数低、不燃、化学稳定性好等特点，均适用于围护墙的保温。

五、  幕墙建筑节能的设计原则

1.严寒地区、寒冷地区和温和地区的幕墙要进行冬季的保温设计；

2.我国目前尚没有专门的幕墙热工设计标准或规范，幕墙热工设计依据国家现行的《民用建筑热工设计规范》（GB50176-93）、《采暖居住建筑节能标准》（JGJ26-95）

3.进行幕墙热工设计时，必须对其复杂的传热过程和传热方式进行分析和研究。

3.1幕墙外表面与周围空气和外界环境间的对流换热；

3.2幕墙内表面与室内空气和室内环境间的换热；

3.3幕墙和金属框格的传热；

3.4通过玻璃的镀膜层减少辐射换热；

4.幕墙传热的基本方式有三种：导热、对流换热和辐射换热。

六、  铝合金门窗及幕墙保温节能技术

建筑的节能包含很多方面，而铝合金门窗及玻璃幕墙的节能是其重要组成部分。节能30%的原标准（JGJ26-86）和节能50%的新标准（JGJ26-95）对门窗保温性能的要求见下表

围护结构传热系数比较

（1）玻璃节能法

（2）减少空气渗透量

（3）铝合金断热型材节能法

（4）双（多）层结构体系节能法

（5）遮阳体系节能法

（一）玻璃节能法：

对于铝合金窗及玻璃幕墙来说，由于玻璃的面积占据立面的绝大部分，可以参与热交换的面积较大，就决定了玻璃是窗、玻璃幕墙节能的关键。

1.根据玻璃是否镀膜及膜层材质可初步确定其节能效果，通常情况下，玻璃可分为以下几大类：1）浮法清玻璃2）在线镀膜玻璃3）离线镀膜玻璃4）低辅射在线镀膜玻璃5）低辅射离线镀膜玻璃。这些玻璃传热系数虽然没有明显的变化，但由于膜层对光（能量）的控制能力不同，使其节能效果依次增加。

2.根据玻璃结构形式，又可分以下几类：1）单层玻璃2）中空玻璃3）多层中空玻璃。其传热系数依次降低，即节能效果逐次增强。通过计算和实验数据显示，通常单片玻璃的传热系数K=6 W/m2·K左右，中空玻璃（普通）K=2.3—3.2 W/m2·K，而采用离线低辅射镀膜中空玻璃（中空层充惰性气体）K=1.4—1.8 W/m2·K。

3.对玻璃除上述方法外，还可以采用贴节能膜方法，提高节能效果。

（二）减少空气渗透量

1．密封条的设置：设置密封条是达到气密、隔声的必要措施之一。采用耐老化性、耐候性、耐冲击性和抗低温性能的三元乙丙胶条，提高铝合金门窗和幕墙密封性能。

2．设计合理的结构形式减少空气渗透量。高性能平开窗的气密性等级可达到Ⅰ级，空气渗透量<0.5(m3/m.h), 推拉窗的气密性等级可达到Ⅱ-Ⅲ级，空气渗透量<2.5(m3/m.h)。

（三）铝合金断热型材节能法：

铝合金型材在窗及幕墙系统中，不但起着支承龙骨的作用，而且对节能效果也有较大影响。通常情况下，铝合金型材断面比玻璃面积小得多，为此，导热对节能效果的影响较大，

铝型材的传热阻：R0=Ri+R+Re

式中  

R0-----铝型材的传热阻

Ri-----内表面换热阻， 取0.11 m2.K/W

R-----铝型材热阻，取0.002 m2.K/W 

Re-----外表面换热阻， 冬季取0.04 m2.K/W

传热系数K0=1/ R0=1/（Ri+R +Re）

=1/（0.11+0.002+0.04）

=1/152=6.58 （W/ m2.K）

上式得出的计算结果是无断热铝型材的传热系数，与单层窗户的传热系数6.4 W/ m2.K基本相同，为此，我们开发了断热型材。根据断热铝型材加工方法的不同，分为灌注式断热铝型材和插条式断热铝型材。这两种形式的铝合金断热型材共同的特点都是在内、外两侧铝材中间采用有足够强度的低导热系数的隔离物质隔开。从而降低传热系数，增加热阻值。即使在炎热的夏季，当太阳暴晒的情况下，断热型材室外部分表面温度通常可达35—85℃，而室内仍可维持在24—28℃左右，有效地减少传到室内的热量，可减少制冷费用；而在寒冷的冬季，室外铝材的温度可与环境温度相当（一般-28℃—-20℃）而室内铝材仍然可以达到8—15℃，从而减少热量损失，节约冬季取暖的费用，从而达到节能目的。

（四）双（多）层结构体系节能法。

通常的窗及玻璃幕墙，在温暖地区，一般为单层结构，而在寒冷地区，则可以采用多层（双）层窗或双层幕墙/动态幕墙的方法，利用两层结构间的空气层（通过设计的空气层），降低系统总传热系数的办法，来实现节能目的。

（五）遮阳体系节能法：

由于铝合金窗及玻璃幕墙大面积采用玻璃，太阳的照射是辅射热。节能的本质就是如何实现在烈日炎炎的夏季将光（能量）挡在室外，或在寒冷的冬季能让充足的光（能量）传入室内。尽管建筑材料的研究人员做了不少的努力，但仍然难以找到理想的材料来解决这个问题。在铝合金窗和幕墙体系上融入遮阳技术也是节能的有效途径之一。在国外，已有系统的遮阳产品得到广泛应用，并取得显著节能效果，相信在国内也必然受到青睐。

七、  玻璃结露计算

建筑构件的表面温度等于或低于空气的露点温度，则在构件表面上出现结露。选择单片和中空两种类型分别计算

设室内温度为20oC,相对湿度60o/o，室外温度为－20oC。

（一） 计算玻璃内表面结露时的室外温度

1.单层玻璃内表面结露时的室外温度

由图表5-17查出露点温度tsi =12.3oC,(建筑物 气候 能量 中国建设工业出版社)

根据公式    tsi= tai－Rsi*U*（tai－tao）

.tao =1.45×tsi－0.45×tai

              tao---玻璃内表面结露时的室外温度

tai---室内温度

Rsi---室内表面热阻，取0.11（m2.K/W）

U---传热系数，单层玻璃取6.4 W / m2 ．K, .双层玻璃取2.8 W / m2 ．K

tao.=(1.45×12.3)－(0.45×20)

                .=8.84 oC

2.中空玻璃内表面结露时的室外温度

 tao.=2.9×tsi－1.9×tai

 tao.=(3.25×12.3)－(2.25×20)

                .=－5.025oC

（二）计算玻璃内表面结露量

1. 单玻璃内表面结露量

单层玻璃内表面温度

              θ= tn－Rn/ Ro(tn－tnw) (民用建筑热工设计规范  中国建设工业出版社)

              θ---玻璃内表面温度 ( oC)

              Rn---内表面换热阻,取0.11 m2 ．K/W

              Ro---总热阻,  单层玻璃取0.156 m2 ．K/W, .双层玻璃取0.36 m2 ．K/W

tn---室内计算温度（20 oC）

twn---室外计算温度（-20 oC）

θ=20－0.11/0.156×(20－(－20))=－8.205 oC

结露量计算,室内风速0.3m/s,接触玻璃的空气按6mm一层考虑,则每平方米玻璃每小时接触空气量为

1（m）×6(m)/1000×0.3(m/s)×3600(s)=6.48 m3

20 oC  100 o/o相对湿度  含水量17.26（g/ kg干空气）

20 oC  60 o/o相对湿度   含水量17.26×60o/o=10.356（g/ kg干空气）

－8.025 oC  100 o/o相对湿度 含水量3.75－0.09×3.025=3.461（g/ kg干空气）

室内20 oC, 相对湿度60 o/o  室外温度降到－20 oC结露量：（10.356－3.461）×6.48=44.68 g/ m2．h

2. 中空玻璃内表面结露量

中空玻璃内表面温度

              θ= tn－Rn/ Ro(tn－tnw)

θ=20－0.11/0.36×(20－(－20))=7.778 oC

 结露量计算,室内风速0.3m/s,接触玻璃的 空气按6mm一层考虑,则每平方米玻璃每小时接触空气量为

1（m）×6(m)/1000×0.3(m/s)×3600(s)=6.48 m3

20 oC  100 o/o相对湿度含水量17.26（g/ kg干空气）

20 oC  60 o/o相对湿度含水量17.26×60o/o=10.356（g/ kg干空气）

7.778 oC  100 o/o相对湿度含水量6.76＋0.52×2.778=8.205（g/ kg干空气）  

室内20 oC,相对湿度60 o/o室外温度降到－20 oC结露量：（10.356－8.205）×6.48=13.94 g/ m2．h

（三）散湿量(蒸发量)的计算

G=β(Pq.b-Pb)A×B/B`  (简明通风设计手册 中国建设工业出版社)   

G---敞露水面散湿量    kg/h0

A---蒸发表面积   m2

 Pq.b---相应于水表面温度下的饱和空气的水蒸气分压力  Pa

Pb---室内空气中的水蒸气分压力  Pa

B---标准大气压  Pa

B`---当地实际大气压  Pa

β---蒸发系数  kg/ m2．h．Pa

   蒸发系数的确定

              β=（α＋0.00013v）

               v---蒸发表面得空气流速  m/s

              α---周围空气温度15-30 oC，再不同水温下的扩散系数   kg/ m2．h．Pa

水蒸气扩散系数

简化计算水表面蒸发量，在标准大气压下，室内20 oC，室内相对湿度60o/o，室内风速0.3m/s水表面蒸发量可直接查表求得（表2-16 简明通风设计手册 中国建设工业出版社）

G=190 g/ m2．h

现假设玻璃内表面结露直流到横框上，横框长度为1m，宽为60mm,则结露的每小时蒸发量为：

G1=190×（1×0.06）= 11.4g/ h  (此处没有考虑玻璃表面的蒸发量)

    单玻璃每小时每平方米结露量44.68 g

    中空玻璃每小时每平方米结露量13.94 g

  由此可以看出在室内温度为20oC,相对湿度60o/o，室外温度为－20oC的情况下，中空玻璃的结露量和蒸发量相近，可以不考虑结露的影响。