嚴(yán)寒地區(qū)地面保溫與節(jié)能

張亞華

（赤峰市住建委集中供熱管理辦公室，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

嚴(yán)寒地區(qū)地面保溫與節(jié)能

張亞華

（赤峰市住建委集中供熱管理辦公室，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

嚴(yán)寒地區(qū)冬季耗熱量較大，采暖建筑地面的保溫性能及節(jié)能水平,直接關(guān)系著建筑內(nèi)部的能耗水平，更影響著居民的健康與舒適.本文對(duì)底層地面受到的熱作用進(jìn)行了分析，經(jīng)實(shí)際計(jì)算可知采取保溫措施的建筑地面其節(jié)能效益十分顯著,熱舒適度也相應(yīng)提高.

地面節(jié)能；地面保溫；熱舒適

1 前言

建筑節(jié)能是指在建筑中提高能源利用效率，用有限的資源和最小的能源消費(fèi)代價(jià)取得最大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效應(yīng).建筑節(jié)能具體是指節(jié)約采暖供熱、空調(diào)制冷、采光照明以及調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣、濕度、改變居室環(huán)境質(zhì)量的能源消耗，還包括利用太陽能、地?zé)幔ㄋ┠茉吹木C合技術(shù)工程.[1]包括兩部分內(nèi)容：一部分是加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)得保溫隔熱能力，另一部分是從供暖、供冷的熱源、輸送渠道及實(shí)現(xiàn)方式來節(jié)約能源.

作為維護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分,地面的熱工性能與人體的健康密切相關(guān).除臥床休息以外在室內(nèi)的大部分時(shí)間人的腳部均與地面接觸,人體為了保證健康,就必須維持與周圍環(huán)境的熱平衡關(guān)系而使腳部大量失熱[2].地面溫度過低不但使人腳部感到寒冷不適,而且易患風(fēng)濕、關(guān)節(jié)炎等各種疾病,另外,地面熱工性能也對(duì)室內(nèi)氣溫有很大的影響,良好的建筑地面,不但提高室內(nèi)熱舒適度,而且有利于建筑的保溫節(jié)能.

地面按其是否直接接觸土壤分為兩類，直接接觸土壤地面和不直接接觸土壤地面，不直接接觸土壤地面又稱地板，這部分地板可分為接觸室外空氣地板、不采暖地下室上部地板和底部架空地板等.[3]以前地面的保溫構(gòu)造做法是地面一般不做保溫，與室外空氣接觸的地板做保溫，但僅僅是滿足室內(nèi)地板表面不結(jié)露，其保溫性能不滿足建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的保溫要求(0.55 W／m2·K).地面的保溫達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求不僅僅是耗熱量增大，而且直接影響居住環(huán)境的舒適度，因此地面的保溫不容忽視.

地面節(jié)能主要指毗鄰采暖、不采暖空間及毗鄰室外空氣的地面工程.《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》G B 50189—2005規(guī)定：在嚴(yán)寒地區(qū)地面保溫層各層材料的熱阻R必須大于等于1.8—2.0(m2·K) /W；因此,在設(shè)計(jì)階段選擇適宜熱阻值的保溫材料組合是達(dá)到地面節(jié)能的基礎(chǔ).[4]

2 地面的熱工性能指標(biāo)分析

2.1 底層地面與土壤間的熱作用

底層地面與之間土壤的熱作用就某一房間地面而言，存在三個(gè)部分的熱傳遞：

2.1.1 與深層土壤的熱傳遞：土壤有良好的蓄熱能力，這使得溫度波在土壤中衰減幅度很大，土壤自身溫度變化很小.例如，對(duì)于低溫的日變化而言，在表層以下30 c m的地方變化就已經(jīng)很小了；對(duì)于地溫年變化，不同氣候區(qū)滲透深度不同，但一般在地下30 m的地方，地溫基本不變[5].在春夏之交，當(dāng)室外溫濕度都驟然上升時(shí)，由于土壤的這種特性使得底層地面的溫度仍然很低，當(dāng)?shù)陀诳諝獾穆饵c(diǎn)溫度時(shí)，空氣中的水蒸氣就會(huì)在地面凝結(jié).這是造成地面大面積結(jié)露的主要原因.

2.1.2 經(jīng)大地與室外的傳熱：這部分傳熱對(duì)冬季室內(nèi)環(huán)境影響較大.在寒冷或嚴(yán)寒地區(qū)，冬季室外氣溫很低.對(duì)于靠近外墻的地面，由于與室外的傳熱路徑短，熱阻小，所以散熱量大、地面溫度低.當(dāng)這些表面的溫度低于空氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，水蒸氣會(huì)在這些局部凝結(jié)，造成底層房間角落的潮濕，發(fā)霉等現(xiàn)象.另外，這些溫度很低的表面與人體間形成冷輻射，這也是造成使用者不舒適感的一個(gè)原因.

2.1.3 與鄰室間的傳熱：當(dāng)房間的鄰室是非采暖房間（如樓梯，走道等）或兩房間采暖溫度不同時(shí)，兩房間地面也會(huì)通過土壤來傳熱.

2.2 地面?zhèn)鳠釂栴}的量化分析

實(shí)際地面的傳熱是非常復(fù)雜的三維動(dòng)態(tài)問題，要建立地面的控制方程并求解是很困難的.但對(duì)于地面的穩(wěn)態(tài)傳熱，文獻(xiàn)[6]中運(yùn)用熱流相加法得出了地板傳熱問題的一個(gè)近似理論解.這一方法是基于溫度場(chǎng)的疊加原理，用它我們可以求出地面不同地帶散熱量所占的比例，這對(duì)熱工設(shè)計(jì)是很有意義的.

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，長(zhǎng)方形，設(shè)地板為長(zhǎng)方形，長(zhǎng)為2 a,寬為2 b，墻厚為d,那么地板的總熱流量Q可以用下式計(jì)算：

式中Q——長(zhǎng)為2 a，寬為2 b的地板總的散熱量（W）；

λ——土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，取0.93 W∕m·℃；

t N——室內(nèi)空氣溫度，按穩(wěn)態(tài)計(jì)算，℃；

t W——室外地面平均溫度，取計(jì)算時(shí)間內(nèi)的平均溫度，℃

πA0,πB0——當(dāng)?shù)貙觾?nèi)外構(gòu)造不同或標(biāo)高不一時(shí)，地板的計(jì)算長(zhǎng)度和計(jì)算寬度，m；

Z1，Z2——當(dāng)?shù)貙觾?nèi)外構(gòu)造不同或標(biāo)高不一時(shí)，室內(nèi)外地層的當(dāng)量層厚，m；

αB，αH——室內(nèi)外地面的內(nèi)表面換熱系數(shù)，分別為8.7 W∕m2·℃和23 W∕m2·℃；

δ'1，δ'2——室內(nèi)不同地板層的厚度，m；

λ'1，λ'2——室內(nèi)不同地板層的導(dǎo)熱系數(shù)，W

δ"1，δ"2——室外不同土壤層的厚度，m；

λ"1，λ"2——室外不同土壤層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃

聯(lián)立上面的（1）（2）（3）(4)四式，可以求出整個(gè)地面的總散熱量，當(dāng)對(duì)不同的寬度和長(zhǎng)度范圍進(jìn)行積分時(shí)，可以得到相應(yīng)積分范圍的散熱量.為了求出地面不同范圍的散熱量及其與坐標(biāo)的關(guān)系，這里將計(jì)算地面按照一定的間距劃分成不同的條帶.運(yùn)用上面的公式進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算，結(jié)果如圖.

地面劃帶示意圖

從圖（無保溫層Q）可以看出，在周邊大約4－5個(gè)地帶內(nèi)變化幅度都是最劇烈的.經(jīng)計(jì)算，周邊4個(gè)地帶（即周邊1 m的范圍）內(nèi)的總散熱量為366.24 W，占地面總散熱量的56%.也就是說，周邊1 m的范圍，面積為地面總面積36%，熱量占到了56%.過多的散熱量導(dǎo)致周區(qū)表面溫度很低，這使得這些地區(qū)不但非常易于結(jié)露，同時(shí)也形成了不舒適的冷輻射.為了解決這樣的問題，在其地面的周邊做保溫，尤其是在周邊1 m左右的范圍內(nèi)加100㎜厚聚苯板（λ=0.05 W∕m·℃），結(jié)果同樣列于圖3中（有保溫層Q）.經(jīng)比較可以看出，這種局部的保溫方式是非常有效的.保溫后，1 m范圍內(nèi)的總散熱量減少了151.4 W.這說明，在寒冷地區(qū)地面周邊地區(qū)采取保溫措施是非常重要的.[7]

2.3 吸熱指標(biāo)

面層材料的吸熱指標(biāo)是影響地面舒適度的另一個(gè)因素.人的足部與地面直接接觸導(dǎo)致地面直接從人體吸熱.吸熱的速度和數(shù)量取決于地面的吸熱指標(biāo)B.B值越大，地面從人腳吸取的熱量越多越快.長(zhǎng)期停留在B值很大的房間中，腳步的過冷不僅很不舒適同時(shí)也給人體健康造成一定的威脅.經(jīng)研究表明，地面對(duì)人體熱舒適及健康影響最大的厚度約為3—4 m m的面層材料.理論解析得出

B=f(b 1)

b 1=（λ1 c 1 ρ1）0.5

式中b 1———面層材料的熱滲透系數(shù),W/(m2·h-1/2·K)；

λ1——面層材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃

c 1——面層材料的比熱容，W·h（㎏·K)；

ρ1——面層材料的密度，㎏/m3.

根據(jù)上式可以求出b 1.實(shí)際情況下可以近似認(rèn)為B=b 1.

地面面層材料的選擇應(yīng)該在滿足《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》的同時(shí)，盡量選擇B值小的面層材料一提高地面的熱舒適度.

3 結(jié)論

3.1 地面的保溫有兩個(gè)含意：一是使地面吸熱量少，即使其B值越小越好；二是使地表面的溫度越高越好.吸熱計(jì)算和提高地面的表面溫度是保溫設(shè)計(jì)的兩個(gè)方面.地面保溫措施不但提高地面的熱舒性，有利于人體保健，而且可以節(jié)約大量的建筑采暖能耗，這是建筑節(jié)能的重要組成部分，另外，節(jié)約建筑能耗的同時(shí)，也就減輕了采暖熱爐帶來的空氣污染，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境.

3.2 底層地面的基本構(gòu)造宜為面層、墊層和地基，樓面的基本構(gòu)造層宜為面層找平層和樓板，當(dāng)?shù)讓拥孛婧蜆敲鎸拥幕緲?gòu)造不能滿足節(jié)能要求時(shí)，可增設(shè)結(jié)合層、隔離層、填充層、找平層等其它構(gòu)造層.保溫地面主要是增設(shè)保溫填充層，填充層的厚度根據(jù)選用的填充材料經(jīng)熱工計(jì)算后確定.當(dāng)建筑物為不采暖地下室地面時(shí)，在地下室上部設(shè)計(jì)吊頂鋪巖棉保溫板，可滿足節(jié)能要求且防火性能也較好.見下圖3.當(dāng)為接觸室外自然地面時(shí)，應(yīng)做松散的保溫材料、板狀或整體保溫材料，如頁巖陶粒、焦渣、硬質(zhì)聚氨脂泡沫塑料板及憎水珍珠巖板、聚苯板等微孔復(fù)合砌塊，同時(shí)還應(yīng)考慮邊遠(yuǎn)地區(qū)、山區(qū)的就地取材情況.[8]見圖4.

圖3

圖4

3.3 地面節(jié)能是現(xiàn)在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)普遍忽略的地方，然而地面節(jié)能能起到非常重要的作用，在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)可以通過增加地面節(jié)能設(shè)計(jì)來大幅度提高建筑節(jié)能率.為了實(shí)現(xiàn)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,建筑節(jié)能設(shè)計(jì)勢(shì)在必行.只要結(jié)合我國(guó)國(guó)情和建筑所在地區(qū)的實(shí)際情況,綜合利用各種節(jié)能技術(shù)措施,趨利避害,選擇經(jīng)濟(jì)合理的節(jié)能設(shè)計(jì)方案,必定可以獲得顯著的節(jié)能效果.

〔1〕鐘日成.建筑節(jié)能圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫措施的探討[J].建筑與文化,2008.

〔2〕柳孝圖.建筑物理[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.

〔3〕華玉斌.建筑節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用.國(guó)際建筑中心聯(lián)盟2001年大會(huì)論文集.

〔4〕劉向明.淺析建筑節(jié)能設(shè)計(jì)[J].廣西師范學(xué)院學(xué)報(bào),2007（32）.

〔5〕山田雅士.建筑絕熱[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1987.

〔6〕陳啟高.建筑熱物理基礎(chǔ)[M].西安交通大學(xué)出版，1991.

〔7〕朱新榮.底層地面?zhèn)鳠岱治雠c熱工設(shè)計(jì).西安建大科技，2007.

〔8〕鐘日成.建筑節(jié)能圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫措施的探討[J].建筑與文化,2008.

T U 761.1+2

A

1673-260 X（2012）09-0059-03