建筑热环境理论.docx

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建筑热环境理论

建筑节能技术

摘要：

本文主要阐述了实现建筑节能的相关原则，其中包括按照节能原则设计建筑物和建筑物内部的能源消耗主要来源于可再生能源。

节能原则主要有控制建筑物的体型系数、复合墙体节能（主要说明外保温）以及屋顶节能技术（倒置式屋面、种植屋面和蓄水屋面）；建筑物内部的能源消耗主要来源于太阳能，其中包括太阳能热水器、被动式太阳能采暖（直接受益式、集热蓄热墙式和附加阳光间）、主动式太阳能采暖。

合理利用这些节能措施，会使建筑物的能源消耗大大降低，对我国的节能减排具有重大意义。

关键词：

体型系数；复合墙体节能；屋顶节能；太阳能热水器；被动式太阳能采暖

根据阅读文献得知，实现建筑节能主要有两种方法：

一是按照节能原则设计建筑物；二是建筑物内部的能源消耗主要来源于可再生能源。

1建筑物常用的节能原则

1.1建筑物的体型系数

体型系数是指建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围的体积的比值。

计算公式如下：

式中：

S—体形系数；

Ao—建筑外表面积；

V—建筑与室外大气接触的外表面积所包围的体积；

Aw,o—建筑外墙（含门窗洞）面积；

Ar—建筑屋顶面积。

由上式可知：

体型系数与建筑外墙（含门窗洞）面积的变化趋势基本一致，虽然体型系数还受建筑物屋顶面积的影响，但建筑外墙（含门窗洞）面积对体型系数起决定作用，只有在建筑高度非常小的情况下，建筑物屋顶面积才会对体型系数产生较大的影响[1]。

1.2建筑围护结构节能技术

复合墙体节能是指在墙体主体结构基础上增加一层或几层复合的绝热保温材料来改善整个墙体的热工性能。

这类墙体主要是以砌块或现浇混凝土为承重材料与保温材料（如聚氨酯、聚苯板、岩棉等）组成复合墙体。

其中主要包括墙体外保温和内保温。

墙体外保温的优点（相比内保温而言）：

（1）提高室内舒适度

如承重层材料如砖砌体，钢筋混凝土等都是密实且强度高的材料，其热容量很大。

当室内受到不稳定热作用时，墙体结构层能够吸收或释放热量，有利于保持室温稳定，提高室内环境的舒适度。

（2）基本消除了热桥的影响

图1外墙外保温、内保温

（3）防止或减少围护结构产生凝结水

内部凝结是当水蒸气通过外围护结构时，遇到结构内部温度达到或低于露点温度时，水蒸气即形成凝结水。

在蒸汽渗透过程中，若材料的蒸汽渗透系数出现由大到小的情况，水蒸气在这些界面上遇到了很大阻力。

极易产生冷凝；另一方面，当材料的导热系数出现由小到大的情况，使得结构内部温度出现了很陡的下降，也容易出现冷凝。

根据以上分析，可以得出材料层的布置应遵循“难进易出”的原则。

对外保温而言：

将轻质保温材料布置在外侧，而将密实材料层布置在内侧，水蒸气难进易出，内部不易出现冷凝。

对内保温而言：

将导热系数小，蒸汽渗透系数大的保温材料层布置在水蒸气流入的一侧，将较为密实，导热系数大而蒸汽渗透系数小的材料布置在另一侧。

从而造成水蒸气易进难出，使得内部容易冷凝。

（4）保护主体结构

保温层处于结构层外侧，有效地保护了主体结构，尤其是降低了主体结构内部温湿度应力的起伏，提高了结构的耐久性。

1.3屋面节能技术

由于屋顶的室内外温差最大，因此单位面积的耗热量大于任何一面外墙或者地面的耗热量，因此，提高屋面的保温隔热性能对减少室内的能耗损失极其重要。

主要的保护措施有倒置式屋面，种植屋面，蓄水屋面。

（1）倒置式屋面

倒置式屋面是指将保温层设在防水层之上，大大减弱了防水层受大气臭氧和太阳光紫外线照射等外界环境因素影响，使防水层不易老化；同时防水层受温度变化影响小，热胀冷缩变化也小，减少了由于气温剧烈变化而引起防水层的开裂和老化。

传统屋面常用的屋面保温材料如膨胀珍珠岩，水泥蛭石等大部分都是非增水性的，这类保温材料在吸湿后，含水率上升，其导热系数也大大增加，保温隔热效果降低，因此这类保温材料不适用于倒置式屋面。

由于倒置式屋面中，保温层在防水层之上，因此应选用憎水性保温材料。

图2倒置式屋面

（2）种植屋面

在夏天，利用植物叶面的蒸腾作用增加蒸发散热量，降低建筑物周围的局部温度；同时利用植物培植基质材料的热阻与热惰性，降低内表面平均温度和温度振幅，达到隔热的目的。

在冬季，绿化屋顶像一个温暖罩保护着建筑物，可以显著减少热量损失，达到保温的目的。

屋顶花园不占用土地，却增加了城市的绿化面积。

绿色植物能够吸收空气中的尘埃，同时，吸入二氧化碳，放出氧气，在一定程度上改善城市中的空气质量。

屋顶绿化能够把大部分降水储存起来，大约有一半的降水会存在于基层上或通过植物蒸发掉，因此屋顶绿化可以为下水道和蓄水池减轻负担。

图3种植屋面

（3）蓄水屋面

一方面，由于水分的蒸发作用，可以带走蓄水屋顶吸收的大量太阳辐射热。

分析表明：

水分蒸发散热量可达太阳辐射得热量的60%；另一方面，水的比热容较大，蓄热能力强，热稳定性好，能有效地延迟和衰减室外温度对室内热环境的影响。

蓄水屋面尤其适用于日温度差较大，相对湿度小的干热地区。

图4蓄水屋面

2太阳能热利用技术

2.1太阳能热水器

太阳能热水器是目前我国太阳能热利用最成熟的方法。

目前的太阳能集热器有平板式和真空管式两种。

平板型太阳能热水器的平均日效率在48%~58%之间，全玻璃真空管太阳能热水器的平均日效率约在45%~55%之间。

平板型太阳能热水器的热效率比全玻璃真空管太阳能热水器高约5%。

因此，国外90%以上太阳能热水系统都采用平板型太阳能集热器。

我国更多采用真空管式，包括热管式和全玻璃式真空管集热器。

太阳能热水器可以采用多种循环方式，目前我国的家用太阳能热水器和小型太阳能热水系统一般都采用自然循环式，而用平板型集热器或真空管集热器组成的大中型太阳能热水系统，通常都采用强制循环。

为了降低热水器的成本我国的热水器绝大多数都采用了单循环，即集热器内被加热的水直接进入储水箱提供使用，不过在硬水质的地区这种单循环往往造成集热器流道内结垢，降低集热器的热性能甚至堵塞流道；在冬季寒冷的北方地区，单循环还可能造成集热器内的水结冰，导致吸热体冻裂，因此在这些地区最好采用双循环。

双循环利用通过集热器作一次循环的工作介质间接加热水箱水，例如热管式真空管集热器太阳能热水系统采用的就是双循环；采用双循环只要在一次循环的工作介质中加入防冻液，就可以达到防冻目的。

2.1.1平板型集热器

平板型集热器的种类很多，目前生产量最多的是铜—铝复合平板型集热器，典型的平板型集热器主要由透明盖板，吸热板（镀吸收膜）和保温材料等组成，如图5：

图5平板型集热器示意图

提高太阳能平板型集热器热效率的方法主要有涂选择性吸收涂层，放置内部透明隔层，改进透明盖板等方法。

选择性吸收涂层指覆盖在吸热板上的深色涂层。

其原理为利用涂层的光学特性与波长有关的特点保证在尽可能多的吸收太阳辐射的同时，尽量减少吸热板本身的热负荷损失。

太阳辐射能量主要集中在波长为（0.3~2.1）um的可见光谱范围内。

吸热板的温度一般在400~1000K之间，其辐射能量集中在红外区。

为减少辐射热损失，要求吸收薄膜在红外区有尽可能低的发射率，否则吸收的短波能量又以长波形式辐射掉。

因此选择性吸收薄膜的光谱选择性就是对可见光区有较高的吸收率α，对红外光区有较低的发射率ε。

放置内部透明隔层是提高平板型集热器效率的一种简单，有效的方法。

文献[2]对此问题进行一定的理论分析和研究，得出放置内部透明隔层，提高集热器效率的必要条件。

结果显示，必须选择透明度高，发射率低，薄且轻的材料做内部隔层。

当条件满足时，夹层内部对流换热运动受到了限制，同时由于减少了两相邻盖板间的温差，故使辐射热损失也有所降低，从而使总的热损失比单层集热器要小。

第三种提高平板型集热器热效率的方法是改进透明盖板。

目前国外的平板型集热器透明盖板采用高透过率（90%以上）的钢化平板玻璃，而国内通常采用低透过率（80%）的平板玻璃。

2.1.2热管式真空管集热器

热管式集热器通常由热管，吸热板，玻璃管和热管冷凝端等部分组成，集热器采用双循环间接加热方式，结构如图6所示：

图6热管式真空管集热器

热管式真空管太阳能热水器的工作原理：

热管式真空管分为下面的蒸发段和上面的冷凝段。

下面的蒸发段由内外两层同心玻璃圆管组成，外层圆管为透明玻璃管，太阳能以很高的透射率穿过外层玻璃管。

内层玻璃管外表面涂有吸收太阳能的涂层，内外管间被抽成真空，以阻止内层吸热后的散失。

内层玻璃管内装有易蒸发的液体，太阳光透过外管被内管外表面涂层吸收，内层管内液体受热成为蒸汽。

蒸汽上升至冷凝段，冷凝段为蒸发段内层的延伸，只有一层玻璃管，外表面没有涂层。

冷凝段插入热水器储水箱中，与水箱的冷水接触，蒸汽被水箱中的冷水冷却为液体，向冷水放出热量加热冷水，冷凝的液体在重力的作用下流回下面的蒸发段进行循环工作。

通过热管内工质周而复始的在蒸发段吸收太阳能成为蒸汽，蒸汽在冷凝段向水箱内水凝结放热的过程，储热水箱内水温不断上升，从而获得热水。

由于热管传热特有的单向性，可以把集热器收集的太阳能通过工质送至水箱，晚上水箱水温高于集热器工质不会把水箱的热量传回集热器，避免热水器不必要的热损失，提高了热水器的热效率。

2.1.3全玻璃真空管集热器

全玻璃真空管太阳集热器是由多根全玻璃真空管太阳集热器管插入联箱而组成的。

全玻璃真空管太阳集热管由内、外两层玻璃管构成，内管外表面具有高吸收率和低发射率的选择性吸收膜，夹层之间抽成高真空，其形状如一个细长的暖水瓶胆。

如图7：

图7全玻璃真空管集热器

目前，硼硅玻璃3.3是生产制造真空集热管的首选材料。

其热膨胀系数为3.3×10-6/℃，玻璃中的氧化铁含量为0.5%以下，耐热温差大于200℃，集热管的真空度应小于或等于5×10-2Pa。

2.2太阳能采暖

2.2.1被动式太阳能采暖

被动太阳能采暖是建筑师在进行建筑设计时，通过建筑朝向和周围环境的适当布置，建筑内外空间布局的巧妙处理以及维护结构和建筑材料的合理选择，使建筑物本身在冬季具有集取，贮存和分配太阳热能的功能，在夏季又能遮蔽太阳辐射，散逸室内热量。

其基本原理是玻璃等材料可透过太阳短波辐射而不能透过长波热辐射的“温室效应”。

因此，在住宅的南向立面设置足够面积的透光面，集取太阳热能，同时增加围护结构保温和透光面的夜间可移动保温措施，就可在不同程度上满足其冬季的采暖要求。

（1）直接受益式

在日照阶段，太阳光透过南向玻璃窗进入室内，地面和墙体吸收热量，表面温度升高，所吸收的热量一部分以对流的方式供给室内空气，另一部分以辐射的方式与其他维护结构内表面进行热交换，第三部分则由地板和墙体的导热作用把热量传入内部储存起来，当没有日照时，被吸收的热量释放出来，主要加热室内空气，维持室温，其余则传递到室外。

如图8：

图8直接受益采暖方式

（2）集热蓄热墙

1956年，法国学者Trombe等提出了一种即热方案，在直接受益式太阳窗的后面筑起一道重型结构墙。

利用重型结构墙的储热能力和延迟传热的特性获取太阳的辐射热。

这种形式的太阳房在供热机理上与直接受益式不同，属于间接受益太阳能采暖系统。

如图9：

图9集热蓄热墙式太阳房冬季采暖示意图

（2）附加阳光间

在向阳侧设透光玻璃构成阳光间接受日光照射，阳光间与室内空间由墙或窗隔开，蓄热物质一般分布在隔墙内和阳光间地板内。

其机理完全与集热墙式太阳房相同，是直接受益式和集热蓄热式的组合。

如图10：

图10附加阳光间式太阳房采暖方式

2.2.2主动式太阳能采暖

主动式太阳能采暖系统是以一种能控制的方式，通过收集，贮存和输配太阳能转换而得到的热量，达到建筑物所需要的室温。

太阳能供热采暖系统由太阳能集热系统，蓄热系统，末端供热采暖系统，自动控制系统和其他能源辅助加热构成。

如图11：

图11太阳能供热采暖系统的构成

按太阳能集热器类型，可分为液体集热器太阳能供热采暖系统和空气集热器太阳能供热采暖系统。

按太阳能集热系统运行方式，可分为直接式太阳能供热采暖系统和间接式太阳能供热采暖系统。

前者是指由太阳能集热器加热的热水或空气直接用于采暖的系统；后者是指由太阳能集热器加热的传热介质，通过换热器对水进行加热，然后再将热水用于采暖。

由于目前太阳能集热器在冬季产生的是低温热水，所以适宜的末端设备是地板辐射采暖系统（供水温度在30～40℃）。

由于太阳能本身的局限性，为保证全日供热水和冬季的连续采暖，必须同时设置使用常规能源的辅助热源，以补充阴雨天和夜间太阳能的不足。

（1）太阳能热水地板辐射采暖系统

太阳能地板辐射采暖是一种以采集的太阳能作为热源，通过铺设于地板中的盘管加热地面进行供暖的系统。

地面辐射供暖系统的供水温度范围是30～40℃，在太阳能热水地面辐射供暖系统中则建议取40℃左右，所以，太阳能集热系统的出水温度在45℃左右即可。

该系统还可以有效利用地板的蓄热功能，将白天采集的太阳能转移到夜间使用，既可以减少蓄热水箱的容积，在没有设置常规辅助能源的场合又可以有效改善夜晚室内环境的舒适度。

图12太阳能热水地板辐射采暖系统原理图

加热盘管的布置方式对室内的有效得热量和热辐射的均匀性有关键性的影响。

研究表明，采用双回型布置方式是较为理想的[3][4]。

（图13）

图13加热盘管的铺设

（2）太阳能—地埋管地源热泵地板辐射采暖系统

太阳能热泵地板辐射采暖系统主要通过地下辐射换热盘管，利用地面自身的蓄热辐射将热量向地面空间散发，维持该空间具有较稳定的舒适状态。

低温地板辐射供暖给人以脚暖头凉的舒适感，符合人体生理学调节特点，提高了室内环境的舒适度。

但是太阳能具有昼夜的间断性，同时还受天气等随机因素的强烈影响，是一种不稳定的能源，难以满足全天候供热的需求。

要解决这一问题，一是要在系统中设置储热装置（通常采用储热水箱）；二是必须设置辅助热源。

太阳能热泵地板辐射采暖系统就是以热泵作为辅助热源，来辅助调节太阳能不足时满足地板采暖的要求。

太阳能—地埋管地源热泵供暖系统原理图如图14所示。

该系统主要由四个子系统组成，分别为太阳能集热系统，热泵机组，地埋管换热系统和地板辐射供暖供冷系统。

图14太阳能—地埋管地源热泵供暖系统原理图

该系统的冬季运行模式有如下三种：

1）太阳能和地埋管地源热泵交替供暖—即白天晴天利用太阳能集热器收集的热量直接供暖，阴天和晚上采用地埋管地源热泵供暖。

这种运行模式的好处是直接利用太阳能供暖而不经过热泵，能节省一部分电能，而且省去了蓄热水箱，减少了初投资。

2）太阳能热泵和地埋管地源热泵交替供暖—即白天太阳能集热器的水温达不到供暖要求的水温，所以通过热泵提升水温后在供暖。

3）同时利用两种热源的联合供暖—即同时利用太阳能集热水温经板式换热器提高地埋管循环水温再通过热泵机组，水温达到要求后供暖。

与上一个系统形式不同的是，热泵在供暖时需要的供水温度较低，15℃左右即可正常工作，所以，太阳能集热系统可以工作在相对较低的温度下，一般出水温度在25～30℃就可以了，使集热器效率提高，减少集热面积和系统造价。

参考文献

[1]吕建，李星魁，张君美.三步节能居住建筑的设计要点[J].煤气与热力.2007（03）：

71-73

[2]曹惠玲,俞颐秦,加内部透明隔膜提高平板型太阳能集热器效率的条件[J].新能源,1997,19（7）:

5-8

[3]朋汪勤,全炳杰,马博等.低温地板辐射采暖构造层传热模拟[J].节能技术,2004（3）:

40-43

[4]程锦红.低温地板辐射采暖设计中的一些问题[J].新疆有色金属