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4.3 围护结构热工性能的权衡判断

4.3.1 第4.1.3条和第4.1.4条对严寒和寒冷地区各子气候区的建筑的体形系数和窗墙面积比提出了明确的限值要求,第4.2.2条对建筑围护结构提出了明确的热工性能要求,如果这些要求全部得到满足,则可认定设计的建筑满足本标准的节能设计要求。但是,随着住宅的商品化,开发商和建筑师越来越关注居住建筑的个性化,有时会出现所设计建筑不能全部满足第4.1.3条、第4.1.4条和第4.2.2条要求的情况。在这种情况下,不能简单地判定该建筑不满足本标准的节能设计要求。因为第4.2.2条是对每一个部分分别提出热工性能要求,而实际上对建筑物采暖负荷的影响是所有建筑围护结构热工性能的综合结果。某一部分的热工性能差一些可以通过提高另一部分的热工性能弥补回来。例如某建筑的体形系数超过了第4.1.3条提出的限值,通过提高该建筑墙体和外窗的保温性能,完全有可能使传热损失仍旧得到很好的控制。为了尊重建筑师的创造性工作,同时又使所设计的建筑能够符合节能设计标准的要求,故引入建筑围护结构总体热工性能是否达到要求的权衡判断法。权衡判断法不拘泥于建筑围护结构各局部的热工性能,而是着眼于总体热工性能是否满足节能标准的要求。
    严寒和寒冷地区夏季空调降温的需求相对很小,因此建筑围护结构的总体热工性能权衡判断以建筑物耗热量指标为判据。

4.3.2 附录A中表A.0.1-2的严寒和寒冷地区各城市的建筑物耗热量指标限值,是根据低层、多层、高层一些比较典型的建筑计算出来的,这些建筑的体形系数满足表4.1.3的要求,窗墙面积比满足表4.1.4的要求,围护结构热工性能参数满足第4.2.2条对应表中提出的要求,因此作为建筑围护结构的总体热工性能权衡判断的基准。

4.3.3 建筑物耗热量指标相当于一个“功率”,即为维持室内温度,单位建筑面积在单位时间内所需消耗的热量,将其乘上采暖的时间,就得到单位建筑面积需要供热系统提供的热量。严寒和寒冷地区的建筑物耗热量指标采用稳态传热的方法来计算。

4.3.4 在设计阶段,要控制建筑物耗热量指标,最主要的就是控制折合到单位建筑面积上单位时间内通过建筑围护结构的传热量。

4.3.5 外墙传热系数的修正系数主要是考虑太阳辐射对外墙传热的影响。
    外墙设置了保温层之后,其主断面上的保温性能一般都很好,通过主断面流到室外的热量比较小,与此同时通过梁、柱、窗口周边的热桥流到室外的热量在总热量中的比例越来越大,因此一定要用外墙平均传热系数来计算通过墙的传热量。由于外墙上可能出现的热桥情况非常复杂,沿用以前标准的面积加权法不能准确地计算,因此在附录B中引入了一种基于二维传热的计算方法,这与现行ISO标准是一致的。
    附录B中引入的基于二维传热的计算方法比以前标准规定的面积加权计算方法复杂得多,但这是为了提高居住建筑的节能设计水平不得不付出的一个代价。
    对于严寒和寒冷地区居住建筑大量使用的外保温墙体,如果窗口等节点处理得比较合理,其热桥的影响可以控制在一个相对较小的范围。为了简化计算方便设计,针对外保温墙体附录B中也规定了修正系数,墙体的平均传热系数可以用主断面传热系数乘以修正系数来计算,避免复杂的线传热系数计算。
    遇到楼梯间时,计算楼梯间的外墙传热,不再计算房间与楼梯间的隔墙传热。计算楼梯间外墙传热,从理论上讲室内温度应取采暖设计温度(采暖楼梯间)或楼梯间自然热平衡温度(非采暖楼梯间),比较复杂。为简化计算起见,统一规定为直接取12℃。封闭外走廊也按此处理。

4.3.6 屋顶传热系数的修正系数主要是考虑太阳辐射对屋顶传热的影响。
    与外墙相比,屋顶上出现热桥的可能性要小得多。因此,计算中屋顶的传热系数就采用屋顶主断面的传热系数。如果屋顶确实存在大量明显的热桥,应该用屋顶的平均传热系数代替屋顶的传热系数参与计算。附录B中的计算方法同样可以用于计算屋顶的平均传热系数。

4.3.7 由于土壤的巨大蓄热作用,地面的传热是一个很复杂的非稳态传热过程,而且具有很强的二维或三维(墙角部分)特性。式(4.3.7)中的地面传热系数实际上是一个当量传热系数,无法简单地通过地面的材料层构造计算确定,只能通过非稳态二维或三维传热计算程序确定。式(4.3.7)中的温差项(tn-tε)也是为了计算方便取的,并没有很强的物理意义。
    在本标准中,地面当量传热系数是按如下方式计算确定的:按地面实际构造建立一个二维的计算模型,然后由一个二维非稳态程序计算若干年,直到地下温度分布呈现出以年为周期的变化,然后统计整个采暖期的地面传热量,这个传热量除以采暖期时间、地面面积和采暖期计算温差就得出地面当量传热系数。
    附录C给出了几种常见地面构造的当量传热系数供设计人员选用。
    对于楼层数大于3层的住宅,地面传热只占整个外围护结构传热的一小部分,计算可以不求那么准确。如果实际的地面构造在附录C中没有给出,可以选用附录C中某一个相接近构造的当量传热系数。
    低层建筑地面传热占整个外围护结构传热的比重大一些,应计算准确。

4.3.8 外窗、外门的传热分成两部分来计算,前一部分是室内外温差引起的传热,后一部分是透过外窗、外门的透明部分进入室内的太阳辐射得热。
    式(4.3.8)与以前标准的引进太阳辐射修正系数计算外门、窗的传热有很大的不同,比以前的计算要复杂很多。之所以引入复杂的计算,是因为这些年来玻璃工业取得了长足的发展,玻璃的种类非常多。透过玻璃的太阳辐射得热不一定与玻璃的传热系数密切相关,因此用传热系数乘以一个系数修正太阳辐射得热的影响误差比较大。引入分开计算室内外温差传热和透明部分的太阳辐射得热这种复杂的方法也是为了提高居住建筑的节能设计水平不得不付出的一个代价。
    太阳辐射具有很强的昼夜和阴晴特性,晴天的白天透过南向窗户的太阳辐射的热量很大,阴天的白天这部分热量又很小,夜间则完全没有这部分热量。稳态计算是一种昼夜平均、阴晴平均的计算。当窗的传热系数比较小时,稳态计算就容易地得出南向窗是净得热构件的结论,就是说南向窗越大对节能越有利。但仔细分析,这个结论站不住脚。当晴天的白天透过南向窗户的太阳辐射的热量很大时,直接的结果是造成室温超过设计温度(采暖系统没有那么灵敏,迅速减少暖气片的热水流量),热量“浪费”了,并不能蓄存下来补充阴天和夜晚的采暖需求。正是基于这个原因,在计算式(4.3.8-2)中引入了一个综合考虑阴晴以及玻璃污垢的折减系数。
    对于标准尺寸(1500mm×1500mm左右)的PVC塑钢窗或木窗,窗框比可取0.30,太阳辐射修正系数Cmci=0.87×0.7×0.7×玻璃的遮阳系数×外遮阳系数=0.43×玻璃的遮阳系数×外遮阳系数。
    对于标准尺寸(1500mm×1500mm左右)的无外遮阳的铝合金窗,窗框比可取0.20,太阳辐射修正系数Cmci=0.87×0.7×0.8×玻璃的遮阳系数×外遮阳系数=0.49×玻璃的遮阳系数×外遮阳系数。
    3mm普通玻璃的遮阳系数为1.00,6mm普通玻璃的遮阳系数为0.93,3+6A+3普通中空玻璃的遮阳系数为0.90,6+6A+6普通中空玻璃的遮阳系数为0.83,各种镀膜玻璃的遮阳系数可从产品说明书上获取。
    外遮阳的遮阳系数按附录D确定。
    无透明部分的外门太阳辐射修正系数Cmci取值0。
    凸窗的上下、左右边窗或边板的传热量也在此处计算,为简便起见,可以忽略太阳辐射的影响,即对边窗忽略太阳透射得热,对边板不再考虑太阳辐射的修正,仅计算温差传热。

4.3.9 通过非采暖封闭阳台的传热分成两部分来计算,前一部分是室内外温差引起的传热,后一部分是透过两层外窗(门)的透明部分进入室内的太阳辐射得热。
    温差传热部分的计算引入了一个温差修正系数,这是因为非采暖封闭阳台实际上起到了室内外温差缓冲的作用。
    太阳辐射得热要考虑两层窗的衰减,其中内侧窗(即分隔封闭阳台和室内的那层窗或玻璃门)的衰减还必须考虑封闭阳台顶板的作用。封闭阳台顶板可以看作水平遮阳板,其遮阳作用可以依据附录D计算。

4.3.10 式(4.3.10)计算室内外空气交换引起的热损失。空气密度可以按照下式计算: