21世紀北方節(jié)能建筑的熱工設計

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簡介： 在3年的時間內(nèi)，通過國內(nèi)外調(diào)查研究，設計論證、實施及熱工測試工作。達到了第三階段節(jié)能30％的目標，單位面積的耗熱量為15.95w/㎡，比設計值還要小。當然作好建筑物的節(jié)能工作，在結構、采暖系統(tǒng)、照明等方面都有大量的工作要作。在這暗無天日里只介紹熱工方面的設計工作，供設計人員參考。
關鍵字：節(jié)能建筑 耗熱量 結構 熱工設計

建筑節(jié)能在國內(nèi)外一直是倍受重視的研究課題，優(yōu)其在我國建筑行業(yè)科技發(fā)展與產(chǎn)業(yè)的建設中更是一個緊迫的、重要的研究課題。

一、前言

我國是能源短缺的國家，人均能源占有率不足美國等發(fā)達國家的1/5。但我國的能源浪費又十分嚴重，能源便用不合理。在建筑方面有人作過統(tǒng)計，我國以采暖、空調(diào)為主的建筑能耗占全國能耗的10.7％，占采暖地區(qū)社會能耗的21.4％。具體表現(xiàn)為外墻、屋頂耗能為發(fā)達國家的4倍，門窗為2倍，空氣滲透為5倍。為此國家建設部制訂了建筑節(jié)能規(guī)劃，提出了從1996年至2005年分三個階段，每階段逐級節(jié)能30％。為此1999年我校同德國奧爾登堡高等?？茖W校、長春星宇集團合作在吉林省立頂“21世紀北方節(jié)能建筑的研究”。研究確定建筑耗熱量指標不高于17.4w/㎡。課題結束后，在長春工程學院建成306㎡的示范性綠色節(jié)能建筑，在星宇名家住宅小區(qū)建成6871㎡的示范工程。本文以306㎡的示范工程為基準，對該頂目的熱工設計作以簡單介紹。

二、外墻的熱工設計

為保證建筑耗熱指標17.4w/㎡的限制，外墻的傳熱系數(shù)限值為≤0.3w/㎡k。

1、外墻主體部位的傳熱系數(shù)計算

主墻體結構見圖一：

圖一主墻結構圖

墻體的傳熱系數(shù)的計算用下式：

W/ ㎡.℃ (4)

式中：K---墻體的傳熱系數(shù)，W/㎡．℃；

---墻體內(nèi)外表面的對流換熱系數(shù)，W/㎡.℃；

---墻體各層的厚度，m;

---墻體各層的導熱系數(shù)，W/m．℃。

對于圍護結構內(nèi)表面的換熱系數(shù)，查暖通空調(diào)設計技術措施P28得R=0.133；則=7.52W/ m.℃；查查暖通空調(diào)設計技術措施P30得=23W/ m.℃。查得：水泥沙漿面層的導熱系數(shù)為0.93；增強纖維網(wǎng)布的導熱系數(shù)為0。058；苯板的導熱系數(shù)為0.027；聚合砂漿的導熱系數(shù)為0.93；混凝土空心磚的導熱系數(shù)為0.29；聚合砂漿內(nèi)飾面的導熱系數(shù)為0.93。

代入已知條件得：

W/㎡．℃

主墻體部分的面積為外墻總面積減去窗洞面、窗臺上部冷橋的面積、窗臺下部冷橋的面積、樓處冷橋的面積、外門洞面積、二樓門連窗的面積，本建筑的窗洞面積為，6×1.5×1.6+12×1.8×1.6+6×0.9×1.6=57.6㎡，外門洞的面積有一樓二個M₄，二樓二個M₁，總面積為：1×2×2+0.7×2×2=7.8㎡，

所以主墻體部分的面積為：

㎡

2、外墻周邊熱橋部分的傳熱系數(shù)

（1）窗臺下邊部分的傳熱系數(shù)

窗臺部分見圖二：

圖二窗臺下部墻體圖

窗臺板取100㎜厚，材料為鋼筋混凝土，導熱系數(shù)為1.512W/m．℃，中間苯板的導熱系數(shù)為0.027W/m．℃，內(nèi)表面對流換系數(shù)為7.52W/㎡.℃，外表對流換熱系數(shù)為23W/㎡.℃。則傳熱系數(shù)如下：

W/㎡.℃

窗臺下部冷橋的面積計算，一、二層C₁（洞口尺寸1500*1600）窗共6個，C₂（洞口尺寸1800*1600）窗共12個，C₃（洞口尺寸900*1600）窗共6個，二樓兩個門連窗的下部冷橋的面積，窗臺板伸出窗洞一側為120㎜總面積為：

㎡

（2）窗臺上邊部分的傳熱系數(shù)

窗臺上邊部分的結構見圖三：

圖三窗臺上部墻體圖

各層的導熱系數(shù)同上，代入見下式：

W/㎡．℃

窗臺上部冷橋的面積為過梁長乘厚度，過梁厚為200㎜，過梁長伸出窗洞每側為240㎜，同時包括一樓兩個M₄外門的過梁的冷橋，二樓兩個M₁的過梁的冷橋，二樓兩個MC-1的過梁冷橋，所以面積為：

（3）樓板部分冷橋傳熱系數(shù)

樓板部分結構見圖四：

圖四樓板部墻體圖

代入已知條件計算得：

W/㎡．℃

樓板部分冷橋的面積用樓板厚乘樓板的外截面積，樓板厚取120㎜，則面積為：

㎡

外墻的平均傳熱系數(shù)為：

從設計看出外墻的傳熱系數(shù)為0.203w/㎡k，小于0.3的限定值，符合設計要求。

墻體總面積為：238.258㎡。

三、屋頂熱工設計

屋頂傳熱系數(shù)的限值為0.4w/㎡k。

屋頂?shù)慕Y構見下圖五：

圖五屋頂結構圖

屋頂各層結構的熱工性能同上，代入已知條件得如下所示：

W/㎡．℃

從計算值看出屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)基本符合限定值的要求。

屋頂?shù)拿娣e為：F_屋=14.86×10.46-3.2×1.5×2-2×4×1.1=137.04m²

四、地面熱工設計

地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的限定值為0.3w/㎡k。

地面的結構見圖六：

圖六地面結構圖

直接鋪設在地面上的保溫地面，各地帶的傳熱阻用下式計算：

㎡．℃/W （7）

式中：R₀---非保溫地面各地帶的熱阻，分別如下：

第一地帶 R₀=2.15 ㎡．℃/W

第二地帶 R₀=4.3 ㎡．℃/W

第三地帶 R₀=8.62 ㎡．℃/W

第四地帶 R₀=14.22 ㎡．℃/W

--保溫層厚度，m;

---保溫層材料的導熱系數(shù)，W/m．℃

所以各地帶的導熱系數(shù)如下：

第一地帶 R₀=2.15+0.12/0.027=6.59㎡．℃/W

第二地帶 R₀=4.3+0.12/0.027=8.74㎡．℃/W

第三地帶 R₀=8.62+0.12/0.027=13.06㎡.℃/W

第四地帶 R₀=14.22+0.12/0.027=18.664㎡．℃/W

各層的傳熱系數(shù)為：

第一地帶 K₀=1/R₀=0.152W/㎡．℃

第二地帶 K₀=0.1144 W/㎡．℃

第三地帶 K₀=0.077 W/㎡．℃

從計算值看出地面的傳熱系遠小于0.3限定值。

各地面的面積為：

第一地帶 F₀=14.86×2×2+(10.46-4)×2×2=85.28㎡

第二地帶 F₀=(14.86-4)×2×2+(10.46-8)×2×2=53.28㎡

第三地帶 F₀=(14.86-8)×2×2=27.44㎡

第四地帶 F₀=0㎡

五、窗和門的熱工設計

窗和門的傳熱系數(shù)限定為1.6w/㎡k。

1、窗的熱工設計

外窗全部為鋼塑窗單框雙玻，傳熱系數(shù)均為：K=1.6W/㎡．℃，屬合要求。

各朝向的面積分別為：F_南=8×1.8×1.6=23.04㎡

F_西=2×1.8×1.6+2×1.5×1.6=10.56㎡

F_北=8×0.9×1.6+2×1.5×1.6=16.32㎡

F_東=2×1.5×1.6+2×1.8×1.6=10.56㎡

2、門的熱工設計

門的傳熱系數(shù)限定值為1.6w/㎡k。

外門均采用雙層保溫門，傳熱系數(shù)為：K=1.6 W/㎡．℃，屬合要求。各朝向的外門面積為：

F_南=2×0.7×2=2.8㎡，F(xiàn)_北=4×1×2=8㎡

把空氣滲入耗熱量等計算后得出，單位面積耗熱指標為15.55w/㎡。

六、熱工測試

星宇名家的6871㎡節(jié)能建筑2002年6月完工，2002年12月至2003年1月請哈爾濱工業(yè)大學建筑節(jié)能檢測中心進行了熱工測試。檢測內(nèi)容是；1）建筑物單位耗熱量；2）建筑物室內(nèi)平均溫度；3）建筑物圍護結構傳熱系數(shù)；4）建筑熱橋部位的內(nèi)表面溫度；5）建筑物的熱工缺陷等。檢測結果如下：1）室內(nèi)平均溫度19.51℃；2）室外溫度-10.24℃；3）供熱量44.73kw；4）建筑物單位采暖耗熱量15.95w/㎡。5）熱橋內(nèi)表面溫度12.25℃。

七、結論

在3年的時間內(nèi)，通過國內(nèi)外調(diào)查研究，設計論證、實施及熱工測試工作。達到了第三階段節(jié)能30％的目標，單位面積的耗熱量為15.95w/㎡，比設計值還要小。當然作好建筑物的節(jié)能工作，在結構、采暖系統(tǒng)、照明等方面都有大量的工作要作。在這暗無天日里只介紹熱工方面的設計工作，供設計人員參考。