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再谈建筑绝热的作用与采暖舒适性设计
发布日期:2014-07-15  来源:雅克菲  作者:杜渐  浏览次数:4905
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   上次,我们介绍了德国两个家庭独立采暖能耗的情况,说明建筑绝热对于节能起着极其重要的作用。但是,在我国存在一种错误的偏见,即建筑绝热的作用只是增加围护结构的热阻,使得其传热系数减小、房间的能耗降低;还有人认为,外墙外保温只适用于我国寒冷的北方。

           许多人都有如下的一些体会:当您站在房间冰冷的外墙内侧时,即使这面墙没有设置窗户,您仍会感觉到有一股冷风从您的衣领颈子处沿着脊椎下沉(俗称“穿堂风”);有很多人在安装了采暖系统后感觉房间不暖和,总认为是设计的问题、是设备的问题或者是安装的问题,而测量所得的房间中心温度为20℃,埋怨道:“房间温度应该达到25℃,我才不感到冷”,因此业主经常要求施工人员将水温调高;有些业主在安装了地暖后说仍然感到脚冷;还有些业主说:“以前我们家没有霉菌,现在安装了采暖系统后却发生了。”

         1 穿堂风的形成

          一个建筑构件的表面温度,例如墙面或窗玻璃的表面温度,尤其依赖于内侧室内空气温度、室外温度和建筑构件的传热系数。热的室内空气在冷的外墙和窗户内侧处变凉,因此变重和下沉。墙体绝热越差时,墙体附近的空气冷却就越厉害,其下降速度则越大。室内的空气是在运动的。在一定的温度时,当空气速度超过某一定量,人体感觉就不舒适了。在夏季,对电风扇的高速空气流和在自行车上感受到的迎面风,人体感觉是很舒服的。在空气温度低的时候,有一点空气流动的干扰就觉得不舒服了。

         保健专家确定,在20℃~22℃的空气温度时,人还能忍受的空气速度是0.15至0.2m/s。

          气流的感觉严重地干扰了舒适性。从热工学的角度看,窗户是所有房屋构件环节中最薄弱的。虽然在德国一个新式的绝热玻璃窗具有相对小的传热系数,该值小于1.1~1.3W/m2•K,大约相当于隔热窗或复合玻璃窗传热系数的一半。但是相对于外墙和楼板来说,传热系数至少还是要高出两、三倍以上,特别是还有冷风通过窗户缝隙渗透的情况。在冬天的后果是,相对于其它的建筑构件在玻璃内表面温度下降明显。因此,温暖的室内空气在窗户面上急剧变凉,这里引起被冷却的空气下降。由此造成玻璃的低温表面吸收辐射热。为了避免关键性的下降空气速度过大,窗户的传热系数不可以超过一定的数值。这个值与窗户的高度有关(表1-1)。虽然传热系数小于1的窗户能够制造出来,但是其价格极其昂贵,还没有被市场接受。

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2 “冷湖”与脚冷

        变凉的空气下沉后,分布在地面附近,这个冷的空气层不但形成了导致脚冷的“冷湖”,而且也形成了对散热器的空气流动(即使空气温度为26℃,“冷湖”使人感觉也不舒适)。之所以将这个冷的空气层称为“冷湖”,是因为冷空气沉在那里成为一个层面,并能像水一样在地面流动。在德国,测量在楼顶板和地面之间的温差时有些甚至能达到16℃!

         如果增加地暖加热管的密度(即增加其长度),一方面增加管材的消耗量,另一方面增加了水的容积(即增加了壁挂式锅炉的热负荷);如果提高水温,一方面使人体感觉不舒适,另一方面也会使PE加热管的寿命缩短。

        3 人体的热平衡和房间空气的温度与围护结构内表面的温差

        我们人体在进行理想的新陈代谢的作用时,在变化的外部影响下试图保持其体温的恒定。所以,我们必须在体内产生热量、在过剩时也排出热量。这个事实对于创造一个舒适的环境有着重要的意义。因为人们感觉供热(或供冷)舒适的地方,当然是既不加速也不妨碍体温调节的地方。

        如果我们假设现在您在阅读本文,您周围的空气温度是21℃。空气几乎没有流动,您是普通的穿着。那么在这种情况下,您发出的热量大约相当于两个60W普通白炽灯泡所放出的热量。

        ·这个热量的一部分,约三分之一,通过人体热的皮肤放出、直接热辐射到围护结构的面上(墙体、窗户等)和家具上。

        ·您第二个三分之一的热量通过对流损失掉,即通过热传输散发到室内空气,以及通过身体(脚掌、手、臀部等)与其他物体表面的接触发生的热传导散发热量。

        ·通过水的汽化,即通过呼吸和出汗(排出汽化热),将您剩下的三分之一热量散发到周围环境中。

        经科学试验发现,当房间采暖的空气温度与围护结构内表面的温差≤3℃时,人体向外辐射的热量与接受围护结构与家具辐射的热量基本达到平衡。而当其温差>3℃时,这个热平衡就被破坏掉,或者人体辐射的热量大于或小于围护结构与家具辐射的热量,前者环境下感觉冷,后者环境感觉热,人体感觉就不舒适。

        如果通过提高采暖系统热水的温度来提高空气的温度,去抵消因冷的围护结构表面引起的舒适性的干扰,会增加较大的能耗。这是我国目前绝大多数家庭和公共建筑所采用的不得要领的措施。

       因此,这个人体热平衡过程对于舒适性的设计有着重要的意义:

       ·人们感觉供热(或供冷)舒适的地方,必然是既没有加速、也没有妨碍身体温度的自然调节。

      ·人们感觉不舒适的地方,一定是由于外部的意外状况大大地加速或降低了身体热量正常的散发,干扰了热平衡。

       4 结露与霉菌

        如果通常的室内热空气在冷的建筑构件表面变凉,构件表面会变潮湿。原因是空气相对湿度增加了,在比较冷的围护结构表面结露。墙体的湿度一方面会进一步降低薄弱的绝热;另一方面,它又导致围护结构表面温度的进一步下降。室内空气中越来越多的水分凝聚在受害的位置。遗憾的是,人们不能立刻看出冷凝水在墙上的生成,因为冷凝水是无色透明的、人们不能通过墙看到。

        从“外观的视觉效果”看,某些部分的外墙先转变成不易发觉的潮湿的面,晚些时候则可以看到生霉菌的墙面。特别危险的地方是可能在房间的角落、在踢脚板区域、或者在橱柜的后面,那里的温度特别低。在窗户上,由于玻璃的透明,薄薄的一层雾气刚刚显示就可以看出冷凝结露的效果;而当人们在不易分辨清楚的墙体上看出时就太晚了——霉菌发生了。

        所以,对于霉菌的生长,是由于直接在较冷的表面降低空气温度而决定性地提高了室内空气的相对湿度,霉菌在这种环境下容易逐渐繁殖。

        但是,一定的空气流动对于散热器热量的输送(通过对流的热量分配)是需要的,同样对于物质的输送(水蒸气和有害物质的排出)也是需要的。创造一种没有空气流动的、推荐几种所谓的纯粹由热辐射来达到的采暖气氛,这不是目标。而且实际上这种没有流动的空气人体也无法适应。在空气温度和室内围护结构面的温度差为2℃时,微弱的空气流动是不可避免的和明确希望的。

        如果您通过改善外墙、地面、楼板和窗户的良好绝热来提高表面的温度,那么在空气温度保持不变时,人体和物体由于热辐射缺失的热量又降低。减少了在冷表面的室内空气温度的冷却。在地面的冷空气层的形成受到抑制。就不再有穿堂风,不再需要额外的热能,舒适性增加了,又减少了能耗(见表1-2)。

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      传热系数越小、围护结构越厚,则绝热性能越好、表面温度越高、舒适性增加得越多、采暖费用下降得越大、冷凝水的危害就越小(见图1-1和1-2)。

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  每一个建筑工程设计的目标都必须尽可能使围护结构表面的温度接近室内空气的温度,即两者的温差不大于3℃。这个目标应该通过与室外建筑构件之间良好的绝热和不形成热桥来实现。

         所以,建筑绝热,即建筑构件内侧表面的温度大小有着重要的意义。

         凡是建筑绝热未做或做得不好的,不仅增加了围护结构的热传导,造成能耗增加;而且一方面造成“冷湖”和脚冷、有穿堂风等,影响着人体的舒适感;另一方面可能会造成冷凝水的析出,进而导致霉斑的生成。不过必须强调,这不是采暖设计者和施工人员的任务,应该向建筑设计者和业主明确说明厉害关系,提出改善的建议。

         要避免以上所提到的采暖不舒适感,采暖设计者需要注意的是:

         ⑴调节空气流动,均匀的通风可以到达房间的深处。

         ⑵空气速度不要超过0.1~0.15m/s,以便于在较低的室内温度时,不会产生不适。

         建议采用下列措施,就可以实现这样的没有穿堂风、但还是有空气流动的气氛:

         a 要避免出现冷的围护结构表面——应该通过建筑构件良好的绝热来提高窗户和外墙的表面温度;

         b 散热器安装在外墙与窗户下面(虽然大家都懂这条原则,但是一些业主由于安装了落地窗帘,为了美观,要求施工人员将散热器安装在内墙的实例不在少数);

         c 假使要用散热器来弥补房间总的热负荷,最好在每扇窗户下面安装散热器,避免使用刚好满足要求的散热器(较小的、紧凑型散热器);

         d 采暖系统的供水温度降低到50℃~55℃(由此,散热器的尺寸就要大些、不可避免地具有一个较大的正立面,但是也减少了对流功率,同时按比例提升了辐射功率。因为靠水温增加时,虽然辐射热量也增加,但是对流所占的百分率却增加得更快。例如890W的散热器水温从30℃升到50℃,散热器的辐射绝对功率从113W升到209W,但是辐射所占的百分率却降至12%);

         e 使用长条型的、不太高的散热器,它会产生尽可能宽的、较低气流速度的空气圆柱体,有利于降低空气对流速度;

         f 特别是在房间的基本面不规则时,用若干个散热器来分配热负荷。

        [编辑:孟扬]

 

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