21世纪北方节能建筑的热工设计

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简介： 在3年的时间内，通过国内外调查研究，设计论证、实施及热工测试工作。达到了第三阶段节能30％的目标，单位面积的耗热量为15.95w/㎡，比设计值还要小。当然作好建筑物的节能工作，在结构、采暖系统、照明等方面都有大量的工作要作。在这暗无天日里只介绍热工方面的设计工作，供设计人员参考。
关键字：节能建筑 耗热量 结构 热工设计

建筑节能在国内外一直是倍受重视的研究课题，优其在我国建筑行业科技发展与产业的建设中更是一个紧迫的、重要的研究课题。

一、前言

我国是能源短缺的国家，人均能源占有率不足美国等发达国家的1/5。但我国的能源浪费又十分严重，能源便用不合理。在建筑方面有人作过统计，我国以采暖、空调为主的建筑能耗占全国能耗的10.7％，占采暖地区社会能耗的21.4％。具体表现为外墙、屋顶耗能为发达国家的4倍，门窗为2倍，空气渗透为5倍。为此国家建设部制订了建筑节能规划，提出了从1996年至2005年分三个阶段，每阶段逐级节能30％。为此1999年我校同德国奥尔登堡高等专科学校、长春星宇集团合作在吉林省立顶“21世纪北方节能建筑的研究”。研究确定建筑耗热量指标不高于17.4w/㎡。课题结束后，在长春工程学院建成306㎡的示范性绿色节能建筑，在星宇名家住宅小区建成6871㎡的示范工程。本文以306㎡的示范工程为基准，对该顶目的热工设计作以简单介绍。

二、外墙的热工设计

为保证建筑耗热指标17.4w/㎡的限制，外墙的传热系数限值为≤0.3w/㎡k。

1、外墙主体部位的传热系数计算

主墙体结构见图一：

图一主墙结构图

墙体的传热系数的计算用下式：

W/ ㎡.℃ (4)

式中：K---墙体的传热系数，W/㎡．℃；

---墙体内外表面的对流换热系数，W/㎡.℃；

---墙体各层的厚度，m;

---墙体各层的导热系数，W/m．℃。

对于围护结构内表面的换热系数，查暖通空调设计技术措施P28得R=0.133；则=7.52W/ m.℃；查查暖通空调设计技术措施P30得=23W/ m.℃。查得：水泥沙浆面层的导热系数为0.93；增强纤维网布的导热系数为0。058；苯板的导热系数为0.027；聚合砂浆的导热系数为0.93；混凝土空心砖的导热系数为0.29；聚合砂浆内饰面的导热系数为0.93。

代入已知条件得：

W/㎡．℃

主墙体部分的面积为外墙总面积减去窗洞面、窗台上部冷桥的面积、窗台下部冷桥的面积、楼处冷桥的面积、外门洞面积、二楼门连窗的面积，本建筑的窗洞面积为，6×1.5×1.6+12×1.8×1.6+6×0.9×1.6=57.6㎡，外门洞的面积有一楼二个M₄，二楼二个M₁，总面积为：1×2×2+0.7×2×2=7.8㎡，

所以主墙体部分的面积为：

㎡

2、外墙周边热桥部分的传热系数

（1）窗台下边部分的传热系数

窗台部分见图二：

图二窗台下部墙体图

窗台板取100㎜厚，材料为钢筋混凝土，导热系数为1.512W/m．℃，中间苯板的导热系数为0.027W/m．℃，内表面对流换系数为7.52W/㎡.℃，外表对流换热系数为23W/㎡.℃。则传热系数如下：

W/㎡.℃

窗台下部冷桥的面积计算，一、二层C₁（洞口尺寸1500*1600）窗共6个，C₂（洞口尺寸1800*1600）窗共12个，C₃（洞口尺寸900*1600）窗共6个，二楼两个门连窗的下部冷桥的面积，窗台板伸出窗洞一侧为120㎜总面积为：

㎡

（2）窗台上边部分的传热系数

窗台上边部分的结构见图三：

图三窗台上部墙体图

各层的导热系数同上，代入见下式：

W/㎡．℃

窗台上部冷桥的面积为过梁长乘厚度，过梁厚为200㎜，过梁长伸出窗洞每侧为240㎜，同时包括一楼两个M₄外门的过梁的冷桥，二楼两个M₁的过梁的冷桥，二楼两个MC-1的过梁冷桥，所以面积为：

（3）楼板部分冷桥传热系数

楼板部分结构见图四：

图四楼板部墙体图

代入已知条件计算得：

W/㎡．℃

楼板部分冷桥的面积用楼板厚乘楼板的外截面积，楼板厚取120㎜，则面积为：

㎡

外墙的平均传热系数为：

从设计看出外墙的传热系数为0.203w/㎡k，小于0.3的限定值，符合设计要求。

墙体总面积为：238.258㎡。

三、屋顶热工设计

屋顶传热系数的限值为0.4w/㎡k。

屋顶的结构见下图五：

图五屋顶结构图

屋顶各层结构的热工性能同上，代入已知条件得如下所示：

W/㎡．℃

从计算值看出屋顶的传热系数基本符合限定值的要求。

屋顶的面积为：F_屋=14.86×10.46-3.2×1.5×2-2×4×1.1=137.04m²

四、地面热工设计

地面传热系数的限定值为0.3w/㎡k。

地面的结构见图六：

图六地面结构图

直接铺设在地面上的保温地面，各地带的传热阻用下式计算：

㎡．℃/W （7）

式中：R₀---非保温地面各地带的热阻，分别如下：

第一地带 R₀=2.15 ㎡．℃/W

第二地带 R₀=4.3 ㎡．℃/W

第三地带 R₀=8.62 ㎡．℃/W

第四地带 R₀=14.22 ㎡．℃/W

--保温层厚度，m;

---保温层材料的导热系数，W/m．℃

所以各地带的导热系数如下：

第一地带 R₀=2.15+0.12/0.027=6.59㎡．℃/W

第二地带 R₀=4.3+0.12/0.027=8.74㎡．℃/W

第三地带 R₀=8.62+0.12/0.027=13.06㎡.℃/W

第四地带 R₀=14.22+0.12/0.027=18.664㎡．℃/W

各层的传热系数为：

第一地带 K₀=1/R₀=0.152W/㎡．℃

第二地带 K₀=0.1144 W/㎡．℃

第三地带 K₀=0.077 W/㎡．℃

从计算值看出地面的传热系远小于0.3限定值。

各地面的面积为：

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

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

第三地带 F₀=(14.86-8)×2×2=27.44㎡

第四地带 F₀=0㎡

五、窗和门的热工设计

窗和门的传热系数限定为1.6w/㎡k。

1、窗的热工设计

外窗全部为钢塑窗单框双玻，传热系数均为：K=1.6W/㎡．℃，属合要求。

各朝向的面积分别为：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_东=2×1.5×1.6+2×1.8×1.6=10.56㎡

2、门的热工设计

门的传热系数限定值为1.6w/㎡k。

外门均采用双层保温门，传热系数为：K=1.6 W/㎡．℃，属合要求。各朝向的外门面积为：

F_南=2×0.7×2=2.8㎡，F_北=4×1×2=8㎡

把空气渗入耗热量等计算后得出，单位面积耗热指标为15.55w/㎡。

六、热工测试

星宇名家的6871㎡节能建筑2002年6月完工，2002年12月至2003年1月请哈尔滨工业大学建筑节能检测中心进行了热工测试。检测内容是；1）建筑物单位耗热量；2）建筑物室内平均温度；3）建筑物围护结构传热系数；4）建筑热桥部位的内表面温度；5）建筑物的热工缺陷等。检测结果如下：1）室内平均温度19.51℃；2）室外温度-10.24℃；3）供热量44.73kw；4）建筑物单位采暖耗热量15.95w/㎡。5）热桥内表面温度12.25℃。

七、结论

在3年的时间内，通过国内外调查研究，设计论证、实施及热工测试工作。达到了第三阶段节能30％的目标，单位面积的耗热量为15.95w/㎡，比设计值还要小。当然作好建筑物的节能工作，在结构、采暖系统、照明等方面都有大量的工作要作。在这暗无天日里只介绍热工方面的设计工作，供设计人员参考。