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第9章 浙江省居住建筑节能技术研究(1)

1.1浙江省地理气候特征

1.1.1地理特征

浙江省地处我国东南沿海长江三角洲地区,东临东海,南接福建,西与江西、安徽相连,北与上海、江苏接壤。浙江省东西和南北的直线距离均为450公里左右,陆域面积10.18万平方公里,为全国的1.06%,是中国面积最小的省份之一。浙江地形复杂,山地和丘陵占70.4%,平原和盆地占23.2%,河流和湖泊占6.4%,耕地面积仅208.17万公顷,故有“七山一水两分田”之说。地势由西南向东北倾斜,大致可分为浙北平原、浙西丘陵、浙东丘陵、中部金衢盆地、浙南山地、东南沿海平原及滨海岛屿等六个地形区。省内有钱塘江、瓯江、灵江、苕溪、甬江、飞云江、鳌江、京杭运河(浙江段)等八条水系;有杭州西湖、绍兴东湖、嘉兴南湖、宁波东钱湖四大名湖及人工湖泊千岛湖。

1.1.2气候特征

浙江地处中纬度,属于夏热冬冷地区。其最主要的气候特征:一是冬季湿冷,夏季炎热;二是水热同季,湿润多雨;三是受季风影响显着。

1.太阳辐射和日照

受海洋和丘陵两种地形的影响,浙江地区云雨较多,对太阳辐射有较大影响。浙江省各地年太阳总辐射为4100~5000MJ/m2,并呈现出自西北向东南方向递增的趋势。

浙江省年日照时数为1800~2100h,杭嘉湖平原、金衢盆地和舟山群岛多在2000h以上,南部山区较少,基本在1800h以下,其余地区在1900h左右。

2.气温和湿度

浙江省平均气温为15~18℃,自南向北递减。1月平均气温为3~8℃,西北最低,东南最高;7月份平均气温为26~30℃,金衢盆地及其相邻地区是高温中心。浙江省年平均相对湿度为76%~84%,1月份绝对湿度最小,相对湿度为75%左右;7月份绝对湿度最大,相对湿度为70%~95%。

3.风

浙江省受季风影响较大,冬季盛行偏北风,夏季盛行偏南风。同时受地形影响,沿海风速大于内陆,平原大于山区,金衢盆地由于狭管效应,风速较周围地区大。西北山区和南部丘陵平均风速在2.0m/s以下,沿海地区大于3.0m/s,其中浙北沿海大于4.0m/s,海岛可在5.0~7.0m/s以上,金衢盆地也在3.0m/s以上。

4.降水、阴晴日数

浙江省年降水量为1000~1900mm,自西南向东北递减。全省雨量最多区域为东南沿海和西南山区,最少区域分布在舟山和嘉兴。3、4、6和9月是降水较为集中的时期,7、8月份相对较少,10月至次年3月雨量最少。

浙江省各地年平均晴天日数在25~65天,表现为北部多,南部少。杭州湾两岸可达60天以上,是全省最多的区域。

在浙江省居住建筑节能设计过程中,要充分考虑当地地理气候条件,采用合理的建筑节能技术,才能创造出舒适的室内热环境。

1.2建筑规划、设计及围护结构节能设计

1.2.1规划设计

建筑节能是一项综合工程,同时又受外界太阳辐射、大气环流、地理位置等自然因素的制约。因此,在建筑规划及建筑设计时,应综合考虑当地的地理特征和气候特征,避免凹地建筑、避风建宅,争取日照和自然通风。这样,不仅能够有效降低空调能耗,而且,在自然状态下,也能取得较好的热舒适性。

1.选址

建筑选址时,应考虑当地的地形地貌,避免布置在山谷、洼地、沟底等凹地里。凹地建筑不仅不利于夏季自然通风,而且冬季冷气流容易在凹地形成“霜洞”效应和“窝风”现象。

2.朝向

在居住建筑总体布局时,应合理选择建筑朝向。《浙江省居住建筑节能设计标准》(DB33/1015‐2003)中,对建筑的朝向做了如下规定:

北向——北偏东60°到偏西60°范围内;

东向——东偏北30°到东偏南60°范围内;

西向——西偏北30°到西偏南60°范围内;

南向——南偏东30°到南偏西30°范围内。

该建筑物的朝向为南偏东35°,此时,a墙位于西向;b墙位于东向;c墙、d墙位于北向。正确理解建筑朝向,对建筑防热中遮阳形式的选用及建筑节能设计中窗户传热系数K值的确定,均具有重要意义。

研究表明,浙江省居住建筑的适宜朝向为南偏东30°到南偏西15°。在这个范围内,冬季具有良好的日照,太阳辐射得热较多,可降低冬季采暖能耗;夏季太阳辐射相对较少,可降低夏季空调能耗。如果因为居住区空间环境与景观需要,建筑朝向不在适宜朝向范围内时,外窗宜采用适宜的遮阳措施。

3.日照

《浙江省城市建设工程日照分析技术规程》中规定了浙江省不同城市的日照标准。老人公寓的居室窗台冬至日有效日照不应低于2小时,有效时段为9:00-15:00;其他居住类分析对象的日照标准。

4.风环境

良好的通风能改善室内热环境,居住区内建筑间及其内部应组织良好的自然通风。建筑的纵轴垂直于当地夏季主导风向,能够获得良好的通风效果。浙江省居住建筑节能设计过程中,考虑风气候的影响,建筑的重要朝向应避开不利风向;小区应利用组团阻隔冬季冷风,并组织好夏季自然通风;单体建筑要减少冬季冷风渗透的不利影响。

5.布局

建筑布局时尽可能使道路走向平行于当地冬季主导风向,这样不仅可以使建筑主面避开主导风向,还可以减少路面积雪。

建筑布局时还应注意避免形成风漏斗。如果将高度相似的建筑排列在街道的两侧,并用高度是其高度2~3倍的建筑组合,就会形成风漏斗,这种风漏斗会形成高速风,使风速比原来提高30%,加剧建筑物的热量损失。

1.2.2建筑体形

建筑物体形系数越大,说明单位建筑空间上分担的热散失面积越大,能耗就越多,体形越复杂,建筑物能耗越大。研究资料表明:体形系数每增加0.01,热耗量增加2.5%。因此,在建筑设计中,降低体形系数是一项减少能耗的有效措施。

虽然建筑体形系数越小越好,但是,体形系数同时还与建筑造型、平面布局和采光通风等紧密联系。综合考虑各项因素,《浙江省居住建筑节能设计标准》(DB33/1015‐2003)中规定,条式建筑的体形系数不应超过0.35,点式建筑的体形系数不应超过0.40。若体形系数大于规定要求,则屋顶、外墙和外窗等围护构件应加强保温隔热性能,将建筑物能耗指标控制在规定水平,达到节能要求。

1.2.3墙体

在围护结构传热能耗中,外墙约占25%左右。由此可见,改善墙体的保温隔热性能能够明显提高建筑的节能效果。《浙江省居住建筑节能设计标准》(DB33/1015‐2003)中规定了外墙的平均传热系数Km值和热惰性指标D值,要求外墙的平均传热系数为Km≤1.5W/(m2·K)、D≥3.0或Km≤1.0W/(m2·K)、D≥2.5。外墙平均传热系数越小,墙体的保温隔热性能越好。热惰性指标越大,对温度波动的衰减能力越大,穿透围护结构所需要的时间越长,室内内表面温度波动越小。一般而言,轻型结构外墙的平均传热系数较小,热惰性指标也较小。为了防止D值减少后,室内温度波动过大,以及在自然通风条件下,东、西墙夏季内表面温度可能高于室外计算温度的最高值,一般都规定了相应的最小值。当外墙平均传热系数Km值不满足要求时,应按照居住建筑节能设计标准的规定进行围护结构热工性能的权衡判断。当外墙传热系数Km值满足要求,但热惰性指标D值不满足,需要按照《民用建筑热工设计规范》(GB51076‐93)进行隔热设计,以确保外墙内表面温度满足要求。

1.外墙外保温

外墙外保温系统由粘结层(界面层)、保温层、防护层和饰面层组成。外保温能够基本消除热桥的不利影响,防止热桥内表面局部结露;有利于防止或减少保温层内部产生水蒸气凝结;房间的热稳定性好;能够保护主体结构,大大减少温度应力变化,提高围护结构的耐久性;减少保温材料用量;增加建筑的使用面积;特别适用于既有建筑改造。

目前,浙江省工程中使用的外墙外保温系统有不同的分类方法。按照保温材料分主要有两大类:一类为高效保温板外加薄抹灰,包括EPS外墙外保温系统、XPS外墙外保温系统等;第二类为保温砂浆,包括胶粉聚苯颗粒保温砂浆、各种无机保温砂浆等。

高效保温板外加薄抹灰存在的主要问题是其耐久性没有得到确认。浙江省夏热冬冷,气候潮湿,夏季台风盛行,对外墙外保温系统有更高的安全要求,虽然实验室测量数据满足规范要求,但对在实际使用中可能出现的问题,仍没有彻底把握,特别是高层建筑及外贴面砖的场合,其安全性能更不确定。保温砂浆已经得到广泛应用,胶粉聚苯颗粒保温砂浆同样也存在强度不高的问题。无机保温砂浆相对强度较高,并且耐久性好,更具有可推广性。

具体而言,外墙外保温主要存在以下几个问题。

(1)抗风压问题。正风压产生推力,负风压产生吸力,对建筑物外保温层均会造成极大的破坏,这就要求设计人员在选用外墙外保温材料及构造时考虑风压影响,应根据当地的基本风压,计算围护结构所承受的风荷载,确保外保温层具备相当的抗风压能力。就抗负风压而言,要求保温层无空腔,杜绝空气层,从而避免负压状态下保温层内空气层的体积膨胀造成的对建筑物的破坏。保温砂浆外墙外保温系统内无空腔,并采用锚固于主体结构的钢丝网增强,抗风压性能突出。抗风压试验表明:胶粉聚苯颗粒外墙保温系统的抗风压能力为正、负风压均为5000Pa,无裂纹。

(2)防火问题。外墙外保温体系引起火灾的原因主要有:施工过程中有机保温板裸放;无任何防火保护措施;施工现场的防火安全管理措施不到位;动火作业违规操作等;保温材料的阻燃性指标不符合相关产品标准的要求等。

要防止火灾发生,一方面,要研发新型具有高效保温隔热性能的防火保温材料,并提高当前广泛使用的聚苯乙烯泡沫和聚氨酯硬泡保温材料的防火性能。另一方面,要采用合理的防火构造措施,如在建筑的层与层之间设置防火隔离带(一般采用不燃或难燃保温材料),系统的任何材料之间都不留空隙,并具有一定的宽度;在门窗洞口的上边缘设置挡火梁,并伸出门窗洞口竖向边缘一定长度;采用热塑性保温材料系统,为保障系统不具有火焰传播性,可考虑使用金属固件。相关试验表明:聚氨酯系统、胶粉聚苯颗粒保温砂浆系统、胶粉聚苯颗粒浆料贴砌保温板外保温系统、现场喷涂硬泡聚氨酯外保温系统,试验条件下均不具有火焰传播性,防火性能相对较高;目前应用面最广的粘贴聚苯板(EPS、XPS)薄抹灰外保温系统的防火性能相对较低,应通过采取有效的防火构造措施,提高其防火性能。

(3)面砖脱落问题。我国的建筑陶瓷产量居世界第一。与涂料装饰相比,面砖装饰具有耐沾污能力强、色泽耐久性好等优点。目前,国内用面砖作为外饰面的建筑比例相当高。

面砖饰面破坏主要存在三个破坏部位和两个断裂层。三个破坏部位是大面积中间空鼓部位、边角部位、顶层女儿墙与屋面板交圈处。两个断裂层为面砖自己脱落(混凝土墙基底)和面砖与砂浆一起脱落(砖基底)。

在外墙外保温墙面上粘贴面砖时,需要考虑的关键技术因素主要有:保证面砖与基层墙体具有可靠的粘结基层;系统构造应充分考虑对温度应力及其他变形应力的消纳和释放;保温材料应具有较好的防热辐射及防明火性能;系统应具有较强的抗风压、耐候性能,且必须经过大型耐候性试验及抗震试验验证合格。

(4)涂料表面开裂问题。外墙外保温层涂料墙面在不同热应力及风场作用下,表面会产生裂缝。相邻材料导热系数差过大是引起墙面开裂的主要原因。聚苯板面层薄抹灰,在浇注聚苯板后不平整处打磨,保温层附着力不均匀,容易引起表面开裂。聚苯板导热系数为0.042W/(m·K),抹灰砂浆导热系数为0.93W/(m·K),水泥抹灰砂浆的导热系数是EPS板的22倍、XPS板的31倍。浇注聚苯板后采用胶粉聚苯颗粒保温浆料找平,作为过渡层,则能够明显减少开裂现象。胶粉聚苯颗粒保温砂浆的导热系数约为0.07W/(m·K),是水泥抹灰砂浆的13倍。因此,保温层面层不宜采用水泥砂浆,应采用抗裂砂浆或用玻纤网格布或金属网来避免裂缝产生。此外,水的相变作用导致保温层破坏,也会引起面层开裂。因此,保温体系要有阻水、透气的基本功能。

综上所述,外墙面层应由刚渐柔,比如采用胶粉聚苯颗粒保温浆料系统,同时采用耐碱玻璃纤维网格布、柔性底子、弹性涂料,能够有效控制裂缝产生。

2.外墙内保温

与外墙外保温相比,外墙内保温不能使热桥受到保护;保温效果较差;房间热稳定性差;围护结构不能受到保护;在住宅二次装修中可能受到破坏,且占用室内面积。但是,由于保温层在内侧,也有不少优点:不存在雨水渗入保温材料的危险;对强度要求相对较低,即对保温层材料要求不高;价格便宜,易于实施;供热升温快,适用于间歇性供热建筑,如礼堂、剧场等。

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