热舒适与保温设计
建筑空间的热环境质量直接影响使用者的生理健康与心理感受。相比于华丽的装饰和复杂的造型，进入一个室内空间时，人们首先关注的往往是温度是否适宜、空气是否流通、是否有冷风直吹或闷热不透气的感觉。这些因素决定了我们在空间中的舒适度与幸福感，甚至影响专注力、工作效率和身体健康。不合理的热环境容易造成冷热不均、湿度失衡，进而引发呼吸系统疾病、关节不适等健康问题。
热舒适设计正是建筑设计中一个虽不可见却时时被感知、至关重要的环节。它不仅仅是通过空调、暖气调节室温，更包括对墙体、门窗、屋顶等维护结构的热工性能优化，通过阻隔热量不必要的流失或进入，使室内温度更加稳定、减少冷热桥的产生。科学合理的保温构造配合通风、遮阳、隔热等多种手段，可以有效改善室内气候环境，削弱冬天冷辐射、夏天酷热，避免“靠近窗户冰冷”或“大太阳爆晒”等常见问题。
舒适的热环境不仅有助于节能环保，减少能源消耗，还能提升居住与工作空间的品质。优质的保温设计，使得建筑冬暖夏凉，无论外部气候多么极端，室内都能保持相对恒定舒适的状态。现代建筑热环境设计，也越来越注重利用自然通风、被动采暖与降温等绿色环保技术，结合高效保温材料和智能控制系统，实现室内的整体热舒适与节能目标。
人体热舒适的本质
人体就像一台精密的生物发动机,时刻进行着新陈代谢并产生热量。在静坐状态下,一个成年人每小时产生的热量约等于一个100瓦的灯泡。这些热量必须通过皮肤表面向周围环境散发,才能维持体温恒定在37℃左右。当散热过快时人会感觉冷,散热过慢时则会感觉热。热舒适状态就是人体产热与散热达到动态平衡,既不感到冷也不感到热的理想状态。
人体向环境散热主要通过四种方式进行。对流散热占据30-40%,通过皮肤表面与周围空气的温度差实现热量交换;辐射散热占45-50%,人体以红外线形式向周围较冷的表面辐射热量;蒸发散热约占20-25%,通过汗液蒸发带走体表热量;传导散热仅占3-5%,主要发生在人体与接触物体之间。这四种散热方式的比例会随环境条件动态调整。
热舒适不仅关乎温度高低,更是温度、湿度、气流、辐射、人体代谢和衣着等多个因素综合作用的结果。单纯追求温度数值往往无法创造真正舒适的环境。
国际标准ISO 7730将热舒适定义为“人对热环境表示满意的意识状态”。这个看似简单的定义背后,蕴含着复杂的生理学和心理学原理。中国《民用建筑热工设计规范》GB 50176结合我国气候特点,对不同建筑类型的热舒适参数做出了明确规定。
热舒适的六大影响因素
环境因素的作用机制
空气温度是最直观的热环境参数。冬季室内温度每降低1℃,人体需要增加约5%的产热来维持体温;夏季温度每升高1℃,人体散热负担增加约7%。但同样是20℃的室内温度,在不同条件下给人的感受可能完全不同。
墙面和围护结构的表面温度对热舒适影响巨大。在冬季,即使室内空气温度达到20℃,如果外墙内表面温度只有12℃,人体会通过辐射向冷墙面大量散热,感觉寒冷。这就是为什么老旧建筑即使开足暖气仍然不够暖和的根本原因。现代建筑通过良好的保温设计,可以使墙面内表面温度与室内空气温度相差不超过3℃,从而显著提升舒适度。
相对湿度通过影响人体蒸发散热过程改变热感觉。在25℃的环境中,相对湿度从30%增加到70%,人的热感觉相当于温度升高了约2℃。南方梅雨季节,即使温度不高但湿度很大,人会感觉闷热难受,正是因为汗液蒸发受阻。北方冬季供暖房间湿度常低至20-30%,虽然不会造成热感觉不适,但会导致皮肤干燥、呼吸道不适等健康问题。
空气流速对对流散热产生直接影响。在夏季28℃的环境中,如果空气完全静止,人会感觉闷热;但当空气流速达到0.5m/s时,通过加强对流散热,人的热感觉相当于温度降低了约2℃。这就是电风扇虽然不降温却能带来凉爽感的原理。但冬季过大的气流会加速对流散热,即使温度足够也会感觉有“穿堂风”的寒冷感。
人体因素的影响
人体的代谢率决定了产热量的大小。静坐办公时,人体代谢率约为1.2 met(代谢当量),产热量约70瓦;快步行走时代谢率达到2.5-3 met,产热量增加到150-180瓦;剧烈运动时代谢率可达6 met以上,产热量超过350瓦。这意味着同样的环境温度下,运动后的人比静坐的人更容易感觉热。健身房的空调温度通常设置在18-20℃,远低于普通办公室的24℃,正是考虑到运动产热的影响。
衣着的热阻直接影响人体向环境散热的速度。服装热阻用clo值表示,1 clo相当于一套标准西服套装的热阻。夏季短袖T恤和薄长裤的热阻约0.5 clo,冬季毛衣加外套的热阻可达1.5 clo。研究表明,衣着增加0.1 clo的热阻,在热舒适条件下环境温度可以降低约0.6℃。这就是为什么夏季办公室穿西装打领带的人总是嫌空调不够冷,而穿短袖的人觉得温度刚好。
建筑保温的工作原理
热量传递的三种路径
热量在建筑围护结构中的传递遵循热力学第二定律,总是从高温侧向低温侧流动。冬季室内温度20℃,室外温度0℃,热量会通过墙体、屋面、门窗等围护结构向室外流失。夏季室外温度35℃,室内开空调降至26℃,热量则从室外向室内传递。保温设计的核心目标就是尽可能减缓这种热量传递的速度。
热传导是热量在固体材料内部通过分子振动传递的过程。不同材料的导热系数差异巨大,金属的导热系数可达50-400 W/(m·K),而保温材料的导热系数通常小于0.05 W/(m·K),相差数千倍。一块20厘米厚的普通混凝土墙体,其保温效果仅相当于2厘米厚的聚苯板。这就是为什么现代建筑必须在结构层外增加专门的保温层。
热对流发生在流体(气体或液体)与固体表面之间。室内空气与墙体内表面之间,室外空气与墙体外表面之间,都存在对流换热。冬季室外风速每增加1m/s,墙体外表面的对流换热系数增加约5 W/(m²·K),热量流失速度明显加快。这就是为什么同样的温度下,有风的天气比无风时感觉更冷,建筑物的热损失也更大。
热辐射是物体通过电磁波形式传递热量的方式。夏季阳光照射在建筑外墙和屋面上,大量太阳辐射热被吸收转化为热量传入室内。一个未做隔热处理的平屋面,夏季表面温度可达60-70℃,与室内形成巨大温差驱动热量传入。使用浅色饰面材料可以将太阳辐射反射率从20%提高到70%,显著减少吸热量。
传热系数K值是衡量围护结构保温性能的核心指标,单位为W/(m²·K)。它表示在内外表面温差为1℃时,每平方米面积每小时传递的热量。K值越小,保温性能越好。一堵200mm厚的普通混凝土墙,K值约为2.8 W/(m²·K);外侧增加60mm厚聚苯板保温层后,K值可降至0.45 W/(m²·K)左右,保温性能提升了6倍多。
常用保温材料的特性
保温材料的核心特征是材料内部含有大量微小封闭的空气孔隙。空气的导热系数仅为0.026 W/(m·K),是优良的保温介质。但空气必须被限制在微小孔隙中才能发挥保温作用,如果孔隙过大,空气会产生对流,反而降低保温效果。优质保温材料的孔隙直径通常控制在0.1-5毫米之间,孔隙率达到80-95%。
膨胀聚苯板(EPS板)是应用最广泛的有机保温材料,由聚苯乙烯颗粒经加热膨胀后模压成型。其导热系数为0.038-0.041 W/(m·K),密度仅为18-22 kg/m³,质轻价廉,施工方便。但EPS板的抗压强度相对较低,吸水后保温性能下降明显,燃烧性能为B2级(可燃),在外墙外保温系统中需要配套防火隔离带。
挤塑聚苯板(XPS板)采用挤出工艺制造,内部为连续均匀的闭孔蜂窝结构。其导热系数为0.028-0.030 W/(m·K),优于EPS板,抗压强度达到200-300 kPa,吸水率小于1%,尺寸稳定性好。XPS板常用于地面、地下室等需要承重和防潮的部位,价格约为EPS板的1.5-2倍。
岩棉板是以玄武岩等天然矿石为主要原料,经高温熔融后采用离心法制成的无机纤维板材。其导热系数为0.038-0.045 W/(m·K),保温性能与EPS板接近,但最大优势是不燃性能达到A级,耐高温可达600℃以上。岩棉板还具有良好的吸音性能,常用于对防火要求高的高层建筑和公共建筑外墙。缺点是材料较重,施工时容易产生粉尘,需要防护措施。
聚氨酯硬泡是保温性能最优异的材料之一,导热系数低至0.022-0.028 W/(m·K)。可以现场发泡喷涂,与基层粘结牢固,形成无缝保温层,特别适合异形部位和管道保温。但聚氨酯材料价格较高,约为EPS板的3-4倍,且燃烧性能为B1级(难燃),需要严格的防火措施。
保温构造的设计要点
保温层位置的选择
外墙保温系统根据保温层位置不同分为外保温、内保温和夹心保温三种形式。外保温是将保温层设置在结构层外侧,用保护层和饰面层覆盖。这种做法使建筑结构层处于保温层的保护下,冬季墙体温度保持在较高水平,避免了结构层受冻融循环破坏。结构层的蓄热能力也能得到充分利用,室内温度波动小,热稳定性好。
外保温系统消除或大幅减弱了热桥效应。热桥是指围护结构中保温性能薄弱的部位,如混凝土柱、梁、楼板等穿过保温层的结构构件,以及外墙转角、窗口周边等特殊节点。在内保温或夹心保温系统中,这些结构构件成为热量快速流失的通道,局部内表面温度过低,容易产生结露发霉。外保温系统将整个建筑如同穿上一件连续的“保温外套”,有效解决了热桥问题。
内保温是在结构层内侧设置保温层,施工简便,造价相对较低,曾在20世纪90年代广泛应用。但内保温存在诸多缺陷。首先是保温效果差,结构层暴露在室外温度变化中,墙体蓄热能力无法利用;其次是热桥问题严重,每个楼板、隔墙交接处都是热桥,室内墙角处容易结露发霉;第三是占用室内使用面积,降低了建筑的使用效率。因此,内保温系统现已基本淘汰,仅在少数既有建筑改造受限的情况下采用。
夹心保温是将保温层夹在内外两层结构墙体之间,常见于混凝土自保温砌块墙体。这种做法保温层受到保护,耐久性好,但外侧墙体与保温层之间容易形成空气夹层,降低保温效果。同时,夹心保温对施工质量要求高,保温层与内外墙体必须有可靠连接,否则容易产生脱落隐患。目前夹心保温主要用于低层住宅和部分既有建筑改造项目。
外保温系统虽然性能优越,但对施工质量要求很高。保温板粘贴不牢、锚固件安装不规范、防护层开裂等问题都可能导致保温层脱落,造成安全隐患。施工过程必须严格遵循规范要求,并进行质量验收。
屋面保温的特殊考虑
屋面是建筑围护结构中保温要求最高的部位。夏季屋面直接暴露在太阳辐射下,表面温度可达60-70℃,向室内传热量约为外墙的2-3倍;冬季屋面又是热空气上浮聚集的地方,热损失同样远大于外墙。因此,屋面保温层厚度通常为外墙的1.5-2倍。
平屋面保温分为正置式和倒置式两种构造。正置式保温是传统做法,保温层设置在防水层下方,结构层上方。这种做法保温效果好,但防水层直接暴露在屋面,承受温度变化、紫外线照射和机械损伤,使用寿命较短,一般为8-10年。倒置式保温将保温层放在防水层上方,防水层受到保温层保护,温度变化小,使用寿命可延长至20年以上。但倒置式保温要求保温材料必须具有极低的吸水率和足够的抗压强度,通常采用挤塑聚苯板或泡沫玻璃。
坡屋面保温常采用在椽条或檩条之间填充保温材料的做法。保温材料可选用玻璃棉毡、岩棉毡等柔性材料,或硬质聚氨酯板、挤塑聚苯板等。保温层下方必须设置防潮层,上方必须留有通风间层,厚度不小于30mm,以便排出可能渗入的水汽。通风间层在屋檐和屋脊处应设置通风口,利用热压和风压实现自然通风,保持保温层干燥。
门窗的保温薄弱环节
门窗是建筑围护结构中保温性能最薄弱的部位。普通单层玻璃窗的传热系数高达5.8 W/(m²·K),是保温墙体的10倍以上。在冬季供暖建筑中,门窗热损失占总热损失的30-40%。提升门窗的保温性能是建筑节能的重要环节。
中空玻璃通过两层玻璃之间的空气层或惰性气体层阻隔热量传递。常见的中空玻璃为6mm+12mm+6mm结构,即两片6mm厚玻璃中间留有12mm空气层。这种中空玻璃的传热系数约为2.8 W/(m²·K),保温性能比单玻璃提升一倍。如果在空气层中充入氩气或氪气等导热系数更低的惰性气体,传热系数可降至2.5 W/(m²·K)左右。
低辐射(Low-E)镀膜玻璃在玻璃表面镀上一层极薄的金属或金属氧化物薄膜,厚度仅几十纳米。这层镀膜对可见光具有高透过率,对红外辐射则有高反射率。冬季,室内物体发出的红外辐射被Low-E膜反射回室内,减少辐射散热;夏季,室外太阳辐射中的红外线被反射,减少热量进入室内。Low-E中空玻璃的传热系数可达到1.8-2.0 W/(m²·K),是目前住宅建筑窗户的主流配置。
三玻两腔中空玻璃采用三层玻璃,形成两个空气层,进一步提升保温性能。配合Low-E膜和惰性气体填充,传热系数可降至1.5 W/(m²·K)左右。这种高性能窗户主要用于严寒地区和超低能耗建筑。窗框材料也对整窗保温性能有重要影响。铝合金窗框导热系数高,必须设置断热桥,在室内外两侧铝型材之间插入聚酰胺隔热条;塑钢窗框本身导热系数低,保温性能优于铝合金;木窗框保温性能最好,但造价高且需要维护。
中国气候分区与保温要求
五大建筑气候区的划分
中国幅员辽阔,南北纵跨近50个纬度,气候类型复杂多样。《民用建筑热工设计规范》GB 50176根据各地冬季和夏季的气候特点,将全国划分为五个建筑气候区,每个区域的保温隔热要求差异显著。
南方地区长期以来没有集中供暖系统,导致冬季室内热环境质量较差。随着生活水平提高和节能意识增强,夏热冬冷地区的冬季供暖需求日益增长。提高建筑保温性能可以显著降低分户供暖的能耗和运行费用。
不同气候区的设计策略
严寒地区的建筑设计必须采取综合保温措施。除了围护结构保温达标外,建筑体形应力求紧凑,减小体形系数(建筑外表面积与体积的比值)。体形系数每增加0.01,建筑能耗约增加2.5%。因此,严寒地区建筑多采用接近方形或矩形的平面,避免过多的凹凸和转角。建筑朝向应争取南北向布置,南向开窗面积宜大,以充分利用冬季太阳辐射得热;北向开窗面积应尽量减小,减少热损失。
入口空间设计对严寒地区建筑的热环境影响显著。住宅楼梯间宜采用封闭式设计,有条件的应设置保温门;公共建筑主入口应设置两道门,形成门斗或旋转门,避免开门时冷风直接灌入室内。管道井、电梯井等竖向通道是容易被忽视的保温薄弱环节,应采取保温措施,并确保井道在每层楼板处的封堵严密,防止烟囱效应加剧热损失。
夏热冬冷地区建筑的难点在于冬夏兼顾。这些地区冬季虽然不如北方寒冷,但室外湿度大,阴雨天多,体感温度低,室内如果没有采暖设施会感觉很不舒适。同时,夏季高温高湿,空调负荷大。建筑设计应在保温与隔热之间寻找平衡点。外墙采用中等厚度保温层(30-50mm),既能满足冬季保温需求,又不至于在夏季储存过多热量。屋面除保温层外,应增设隔热层或采用通风屋面,阻隔太阳辐射热。
东西向外墙和窗户是夏热冬冷地区夏季隔热的关键。东西向墙面接受早晚低角度阳光照射,太阳辐射强度大,外墙应采用浅色饰面或增加保温层厚度。东西向窗户应设置外遮阳设施,如百叶、遮阳板等,遮阳系数控制在0.5以下。南向窗户应设计适当的水平遮阳,既能遮挡夏季高角度阳光,又允许冬季低角度阳光进入室内。
夏热冬暖地区建筑设计应以隔热通风为主导。这些地区全年高温时间长,太阳辐射强烈,建筑防热的重要性远大于保温。屋面是接受太阳辐射最多的部位,应采取多种隔热措施。架空通风屋面通过在屋面板上架设隔热架空层,利用自然对流带走热量,隔热效果显著,可使楼板表面温度降低5-8℃。种植屋面利用植物遮阳和土壤蓄热,隔热效果更佳,同时改善生态环境。
外墙隔热可采用外表面反射型隔热措施,使用白色、浅灰、浅黄等浅色涂料或面砖,将太阳辐射反射率提高到60-70%,显著减少墙体吸热。窗户应采用低遮阳系数的热反射镀膜玻璃,遮阳系数不大于0.5,同时设置外遮阳装置。建筑平面和空间设计应充分考虑自然通风,利用主导风向组织穿堂风,加快室内空气流动,提升夏季热舒适度。
被动式超低能耗建筑通过极致的保温隔热设计,使围护结构传热系数比常规建筑降低60-80%,建筑能耗降低80-90%以上。在寒冷地区,这类建筑的外墙传热系数可达到0.15 W/(m²·K),窗户传热系数0.8 W/(m²·K),冬季几乎不需要主动供暖,室内温度仍可保持在20℃以上。
保温设计与节能效益
保温投资的经济性分析
提升建筑保温性能需要增加初期投资,但可以带来长期的节能效益。以夏热冬冷地区一栋100m²住宅为例,外墙外保温系统(50mm厚EPS板)的造价约为外墙面积×120元/m²。假设外墙面积为120m²(扣除门窗),保温系统投资约14400元。更换Low-E中空玻璃窗户(相比普通中空玻璃增加费用约80元/m²),窗户面积20m²,增加投资1600元。保温改造总投资约16000元。
保温改造后,冬季供暖能耗可降低40-50%,夏季空调能耗降低25-35%。假设该住宅原冬季供暖费用2400元/年,夏季空调费用1600元/年,全年冷热费用4000元。保温改造后,冬季费用降至1400元,夏季费用降至1100元,全年费用2500元,每年节省1500元。保温系统的静态投资回收期约为16000÷1500≈10.7年。考虑能源价格上涨因素,实际回收期会更短。
保温系统的使用寿命通常为25-50年,在系统寿命期内可以累计节省费用3.75-7.5万元,经济效益显著。更重要的是,良好的保温性能显著提升了室内热舒适度,冬季室内温度更均匀,墙面温度提高,没有冷辐射感;夏季室内温度更稳定,空调启动次数减少。这些舒适度的提升很难用金钱量化,但对居住品质的改善是实实在在的。
从社会角度看,建筑节能的意义更为深远。中国建筑能耗占全社会总能耗的27%左右,其中建筑供暖和空调能耗约占建筑总能耗的50-60%。如果全国城镇建筑都能达到现行节能标准,每年可节约标准煤约1.1亿吨,相当于减排二氧化碳2.9亿吨。保温节能不仅节省个人开支,更是应对气候变化、实现双碳目标的重要措施。
保温施工的质量控制
保温系统的节能效果和安全性能在很大程度上取决于施工质量。外墙外保温系统由保温层、保护层、饰面层等多层材料复合而成,每一层的施工质量都会影响整个系统的性能。保温板的粘贴是施工的第一步,也是最关键的环节。粘结砂浆必须覆盖保温板面积的40%以上,采用点框粘结法时,板周边涂抹砂浆条宽度不小于50mm,中部点状涂抹直径不小于100mm。
锚固件是保温系统的安全保障。外墙外保温系统必须同时采用粘结和锚固相结合的固定方式,锚固件数量一般不少于5个/m²,在建筑转角、洞口周边等应力集中部位应加密布置,不少于7个/m²。锚固件长度应根据保温层厚度计算,锚固深度进入基层墙体不小于50mm。锚固件安装位置应在保温板接缝处,以避免在板中心打孔形成热桥。
保温板之间的接缝处理直接影响保温效果和系统耐久性。保温板应紧密铺贴,板与板之间的缝隙不应大于2mm。如果缝隙过大,应用相同材料的保温条填充,严禁用粘结砂浆填缝。保温板应错缝粘贴,竖向接缝应逐层错开,错缝长度不小于200mm,避免形成贯通缝。建筑外墙转角处的保温板应交错互锁,确保转角处的整体性。
网格布的铺设是抗裂保护层施工的重点。标准网格布的单位质量不应小于160 g/m²,耐碱断裂强力不应小于1000N/5cm。网格布应压贴在抹面砂浆中,不得干搭、空铺或皱褶。网格布搭接宽度不应小于100mm,在洞口转角等应力集中部位应增设斜向加强网格布,宽度300mm×400mm。禁止将网格布铺设在保温板表面后再抹砂浆,这种做法会导致网格布外露,失去保护作用。
饰面层施工前必须确认保护层已充分干燥养护。涂料饰面应采用抗裂性能好、透气性强的弹性涂料,避免使用成膜型涂料封闭墙面,导致水汽无法排出。面砖饰面应采用柔性粘结砂浆,单块面砖面积不宜大于1000cm²(约30cm×30cm),并应设置足够的变形缝,释放温度应力。质量验收时,应检查保温系统的拉拔强度,要求不应小于0.1MPa,且不得在保温层内部破坏。
外墙外保温系统脱落事故时有发生,主要原因包括基层处理不当、粘结砂浆质量差、锚固件数量不足或长度不够、施工不规范等。保温系统脱落不仅造成经济损失,更可能危及人身安全。必须严格按规范施工,加强质量监督。
热舒适与保温设计是建筑热环境控制的基础,涉及传热学、气候学、材料学、构造学等多学科知识。通过科学的保温设计,可以创造冬暖夏凉的室内环境,显著降低建筑能耗,减少碳排放,实现经济效益和社会效益的统一。随着人们对居住品质要求的不断提高和国家节能减排政策的持续推进,建筑保温技术将向着更高性能、更长寿命、更环保的方向发展。
