2.2 墙体节能基础知识
2.2.1 基本概念
（1）导热系数λ。材料两侧存在温差时，热量从高温一侧向低温一侧传递的能力，用符号“λ”表示，单位为W/（m·K）。导热系数是某一材料的固有属性，导热系数越小，绝热性能越好。材料导热系数的大小与材质、孔隙率、孔隙特征、温度、湿度、热流方向有关。一般而言，金属材料大于非金属材料，无机材料大于有机材料。材料密度越大，导热系数也越大。如建筑钢材、钢筋混凝土、聚氨酯硬泡沫塑料的导热系数分别为58.2W/（m · K）、1.74W/（m · K）、0.033W/（m · K）。工程中通常把λ不大于0.23W/（m · K）的材料称为绝热材料。当材料受潮或结冰时，导热系数会急剧增大，因为干燥的空气导热系数很小，只有0.029W/（m·K），而水和冰的导热系数分别为0.58W/（m·K）和2.20W/（m·K）。
（2）蓄热系数S。材料的蓄热系数是指材料在热作用下蓄存或放出热量的能力，用符号“S”表示，单位为W/（m2 · K）。材料的蓄热系数越大，说明材料储存热量的能力越大，材料内表面温度波动越小，升温降温也就越慢。在选择建筑围护结构的材料时，可通过材料蓄热系数的大小来调节温度波动的幅度，使围护结构具有良好的热工性能。一般来说，密度越大的材料，蓄热系数也越大。比如，刚才前面提到的夯土建筑冬暖夏凉，夯土的蓄热系数约为12.99W/（m2 · K），密度约2000kg/m3。建筑钢材的密度为7850kg/m3 ，其蓄热系数高达126.1W/（m2 · K）。
（3）热阻R。热阻表示热量经过材料层时所受的阻力，用符号“R”表示，单位为（m2 · K）/W。热阻越大，说明材料的绝热性能越好，热量越不容易通过。热阻与材料的导热系数成正比、与厚度成反比。垂直于热流方向由多层匀质材料（包括封闭的空气间层）做成的墙体，如有内、外粉刷的砖墙等可视为多层匀质材料层，其总热阻为各层热阻（包含室内外空气层热阻之和）。
在墙体砌筑方式中，常有内部材料层由两种以上材料组合而成的情况，如各种形式的空斗墙等。这种构造层在垂直于热流方向已非匀质材料，内部也不是单向传热。在计算热阻时，平行于热流方向沿着组合材料层中不同材料的界面，则由各部分按照面积加权平均求得。
封闭干燥的空气层是非常好的保温隔热材料，其性能较固态的绝热材料更好。研究表明，常温下一般建筑材料的空气间层的三种传热方式中，辐射换热约占70%，对流和导热共占30%。因此，不能简单套用均质材料或复合材料的计算公式进行计算。表2-6为《民用建筑热工设计规范》（GB 50176—93）（以下简称《规范》）中列出的空气间层热阻值。
表2-6 空气间层热阻值Rag 单位：（m2 · K）/W
2.2.2 墙体保温
1.墙体保温指标
（1）传热系数K。热量经过围护结构传递，其传递热量的多少与快慢主要取决于材料的传热系数。传热系数有别于前面提到的导热系数。导热系数表示单一材料的热工性能，建筑构件的热工性能则用传热系数K表示，墙体两侧空气温差为1℃或1K时，单位时间内通过单位面积的传热量用K表示，单位为W/（m2 · K）。传热系数和传热阻互为倒数。传热阻表示热量从墙体的一侧空间传向另一侧空间所受到的总阻力大小。传热阻越大，则通过墙体的热量越少；传热系数越小，则通过墙体的热量越少。传热系数越小，墙体保温隔热性能越好。
（2）平均传热系数。在建筑墙体中，除了主体部位外，还有一些用钢筋混凝土或钢材或其他金属材料制作的梁、板、柱等。这些部位与墙体的主体部位而言，传热系数小，热量容易通过。在建筑中，把这些构件称为热桥（图2-1）。热桥对整个墙体的热工影响很大。一方面，钢筋混凝土或金属材料的导热系数较大，例如，钢筋混凝土的导热系数为1.74W/（m · K），钢材的导热系数更是高达58.4W/（m · K），而普通黏土砖的导热系数为0.81W/（m · K），一些新型节能墙体材料的导热系数则更小。另一方面，热桥部位在墙体中占有一定比例，这个比例根据建筑结构形式不同而不同；但随着近年来，农村建筑窗墙面积比的不断增加，热桥占墙面面积（不包含门窗）的比例也越来越大。因此，在评价墙体节能效果时，热桥占有举足轻重的作用，需要综合考虑热桥的作用。外墙平均传热系数就是指建筑墙体中，热桥与墙体的面积加权平均。
外墙平均传热系数有两种解释，一种是以单位房间墙面（由房间轴线和层高所围合而成），热桥梁、板、柱等面积与主体墙面（不包括门窗）的传热系数的面积加权平均。对于建筑而言，仅个单元墙面的平均传热系数不具有代表性。另一种是将同一朝向的热桥与墙面的传热系数进行面积加权平均。
图2-1 热桥示意图
以砖混结构农房为例，某一计算单元的外墙平均传热系数Km的计算方法如式2-3所示。
式中 Km——外墙平均传热系数，W/（m2·K）；
K P——外墙主体部位的传热系数，W/（m2·K）；
——钢筋混凝土柱（构造柱）部位的传热系数，W/（m2 · K）；
——钢筋混凝土柱（构造柱）部位的面积，m2；
——钢筋混凝土梁（圈梁）部位的传热系数，W/（m2 · K）；
——钢筋混凝土梁（圈梁）部位的面积，m2；
——钢筋混凝土过梁部位的传热系数，W/（m2 · K）；
——钢筋混凝土过梁部位的面积，m2；
——钢筋混凝土楼板部位的传热系数，W/（m2 · K）；
——钢筋混凝土楼板部位的面积，m2。
（3）体型系数。体型系数是指建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围的体积的比值。外表面积中，包括与室外空气接触的架空楼板的面积，但不包括地面、不采暖楼梯间隔墙、户门、女儿墙、屋面层的楼梯间与设备用房等的墙体。体型系数对建筑能耗影响很大。体型系数越大，说明建筑的外表面积越大，围护结构的热损失越大。体型系数与建筑的层数、体量、形状等因素有关，直接影响建筑造型、平面布局、采光通风。体型系数小，将会限制建筑师的创造性，建筑造型呆板、平面布局困难，甚至影响建筑的使用功能。
（4）窗墙面积比。窗墙面积比简称窗墙比，狭义的窗墙比是指窗户洞口面积与房间立面单元面积（即房间层高与开间定位线围成的面积）的比值。广义的窗墙面积比是指某一朝向的窗户洞口面积与墙面面积的比值。朝向主要指东、南、西、北向。在《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ 134—2010）中，“东、西向”代表从东或西偏北30°（含30°）至偏南60°（含60°）的范围；“南向”代表从南偏东30°至偏西30°的范围。另外，窗户洞口面积还包括幕墙、阳台门、户门等中的透明部分。
普通窗户相对于建筑墙体而言，属于围护结构中的薄弱构件。通常，窗户的传热系数较大，在冬季热量容易通过门窗散失；在夏季，炎热的太阳辐射容易通过透明玻璃进入室内。因此，窗墙面积比越大，建筑采暖空调能耗也越大。近年来，农村建筑的窗墙面积比有越来越大的趋势，这得益于墙体材料轻质化和结构形式多样化的结果，同时也是村民追求通透明亮的居住环境的结果。越来越大的窗墙面积比，使得墙体部分的热桥比例增大，从而使得整个墙体的热工性能下降。因此，从建筑节能的角度而言，合理控制窗墙面积比是很有必要的。
2.墙体保温构造
（1）外保温。外保温是指保温层位于墙体结构层外侧的保温方式[图2-2 （a）]。外保温能防止热桥内表面结露；保护墙体的主体结构，提高墙体的耐久性，便于维修。但保温层容易受雨水侵蚀；安全性能差，面层容易开裂或剥落。
（2）内保温。内保温是指保温层位于墙体内侧的保温方式[图2-2（b）]。内保温安全性好，对保温材料和外墙饰面材料要求较低。但无法解决梁、柱等热桥部位的保温，易发生结露；占用室内面积；不利于节能改造及室内装修；墙体不能受到保温层保护。严寒地区室内外温差大，采用内保温方式容易发生结露现象。夏热冬冷地区室内外温差相对较小，对于居住建筑一般不会发生结露问题。张三明、王美燕在《墙体内保温体系冷桥部位结露分析》中分别研究了胶粉聚苯颗粒保温砂浆、石膏板岩棉和高强水泥珍珠岩板这3种墙体内保温体系冷桥部位在夏热冬冷的杭州地区整个典型气象年采暖期间结露情况，结果表明冷桥部位一般会发生结露现象，但是由于墙体具有一定的自调功能，结露形成的冷凝水会蒸发，不至于经过累积而导致保温层受潮、发霉。
（3）自保温。外墙自保温是用导热系数较小的材料砌筑外墙，如轻质空心砌块墙、加气混凝土砌块墙等。自保温结构保温与承重相结合，既能承重又能保温。但是，由于热桥存在，保温效果往往较难满足，梁、柱等部位需要特殊处理。
（4）复合保温[图2-2（c）]。复合保温是指保温层位于结构层中间的一种保温方式，包括夹心保温和构件复合保温构造。当单一墙形式的保温无法满足时，可采用复合保温的形式。夹心保温是在多孔或空心墙体材料中填充保温材料，这也是自保温的一种方式。构件复合保温构造是利用构造方式在中间设置保温材料。复合保温跟自保温具有类似的特点。另外，复合保温中的内保温层容易受潮、发霉，不利于维修。因此，要注意在施工、使用过程中不发生结露。
图2-2 外墙的保温方式
2.2.3 墙体隔热
1.墙体隔热指标
（1）热惰性指标D。热惰性指标表示围护结构在热作用下抵抗温度波动的能力，用符号“D”表示。热惰性指标为热阻和蓄热系数的乘积，属于无量纲。同导热系数与传热系数的关系一样，蓄热系数表示某种材料对热量存储和释放的能力，热惰性指标则表示由材料所组成的构件抵抗温度作用的能力。构件的热惰性指标与各层材料的厚度和蓄热系数有关，材料越厚、蓄热系数越大，构件的热惰性指标也就越大。建筑围护构件的热惰性指标越大，内表面温度越低，这样在炎热的夏季，室内就不会有烘烤感。
处于自然气候条件下的建筑物，必然受到大气层各种气候因素的影响，而气候因素的变化接近于周期性变化。夏季日出日没，昼夜交替，室外温度可视为呈周期性变化。热惰性指标D表示围护结构在谐波热作用下反抗温度波动的能力。D值越小，墙体内表面温度波动越大，散热越快。
多层均质材料墙体的热惰性指标为各分层材料热惰性指标之和。若其中有封闭空气间层，因间层中空气的材料蓄热系数甚小，接近于零，间层的热惰性指标可以忽略不计。如果墙体中间某层由两种以上材料组成时，则应先求得该层的平均导热系数和平均蓄热系数，以其平均热阻求取该层热惰性指标。
（2）外墙内表面最高温度。夏季，对建筑防热而言最不利的情况是晴天，太阳辐射强度很大。白天，在强烈阳光照射下，围护结构外表面的温度远远高于室内空气温度，热量从围护结构外表面向室内传递。夜间，围护结构外表面温度迅速降低，由于受向天空长波辐射的影响，外表面温度甚至可低于室外空气温度。对于多数无空调的建筑而言，在夜间，热量从室内向室外传递。基于室外热作用的特点，夏季围护结构的传热应以24h为周期的周期性不稳定传热计算。
2.墙体隔热措施
（1）外墙采用浅色饰面。浅色饰面，如浅色涂料、面砖和粉刷等，太阳辐射吸收系数小，热反射率大。采用浅色饰面的外墙，在夏季可以反射较多的太阳辐射热，从而减少室内得热，降低墙体的表面温度。
（2）设置隔热层。通过设置隔热层的方式隔绝热量，其工作原理同建筑保温。不同之处在于，建筑保温是为了防止冬季室内热量散佚到室外，而夏季则要隔绝室外热量进入室内。
（3）控制合适的窗墙面积比，并做好窗户遮阳。
（4）东西向外墙采用花格构件或攀爬植物遮阳。利用天然植物进行遮阳，既可以改善生态环境，又能取得遮阳的实效。在外墙种植可以沿墙体攀爬的爬山虎、常春藤，或者沿架攀爬的葡萄、紫藤等植物，夏季可以利用植物的蒸腾和遮阴作用起到遮阳的效果；冬季植物叶子掉落，不会影响冬季的太阳照射。这种做法遮阳效果明显，盛夏季节外墙外表面温度可降低4～5℃，室内气温和外墙内表面温度也会有所下降。