外墙传热系数公式计算

保温与建筑节能 Insulation Materials and Building Energy Saving 外墉平均传热象教的计算与。 俞力航 (上海市建筑节能技术研究发展中心，上海 200032) 摘要:提供在住宅建筑的节能中可实际应用的外墙平均传热系数计算方法，包括主墙体和周边热桥 的传热系数计算及各部位面积的确定;介绍计算单元的应用;分析不同保温方式(外保温和内保温)对外墙平均 传热系数的影响。 关键词:外墙平均传热系数;热桥传热系数计算;计算单元;保温方式影响 中图分类号:TU201.5 文献标识码:B 文章编号:1001-702X(2003)11-0054-04 外墙平均传热系数(Km)是外墙包括主墙体及其周边结构 性热桥(构造柱、圈梁以及楼板伸人外墙部分等)部位在内的传 热系数平均值。当主墙体与周边热桥采用不同材料或外墙采用 内保温时，热桥部位的传热系数往往会大于主墙体。故建筑节 能设计都以外墙的平均传热系数作为外墙的一项热工性 能指标和控制指标，这是符合建筑物实际情况的。因此，在进行 建筑物的节能设计时，必须计算外墙的平均传热系数。 在我国夏热冬冷地区，建筑节能实施较晚。过去，建筑师 在设计中很少计算围护结构的传热系数，特别是外墙的平均 传热系数。为便于广大建筑设计人员掌握，本文阐述其具体 的计算方法，特别是热桥部位的计算;并且分析不同保温方 式(外保温和内保温)对平均传热系数的影响。 1外墙平均传热系数的计算方法 1.1 外墙平均传热系数的计算公式 (1)外墙平均传热系数的计算值按外墙主墙体和各周边 热桥部位的传热系数对其面积的加权平均计算求得。其计算 公式如式(1)0 K_二K,. Fo+KB, " FB,+KB2.-FB2+KB,-FB3 川 F,+FB,+FB2+Fo, 式中:KP外墙主墙体的传热系数，,W/(m2-K); F,7-外墙主墙体部位的面积，9m 2; KB, ,Km,KE}-外墙各周边热桥部位的传热系数，W/(m2}K); FBI ,FB2,FB3一外墙各周边热桥部位的面积，m20 如外墙主墙体也由2种材料组成，如短肢剪力墙加填充 墙等，则可在式(1)中增加加权平均因子，将Kp.凡改为凡，· FP,+Ka凡。 (2)根据JGJ 134-2001《夏热冬冷地区居住建筑节能设计 标准》附录A的附图和该地区居住建筑的实际构造情况，在计 算中，外墙主墙体的周边热桥可包括在外墙中构造性(抗震 性)、圈梁和楼板伸人外墙部分(外墙端头)，不包括伸出外墙 的雨蓬、阳台板和分体式空调室外机的搁板，也不包括门窗。 外墙主墙体和周边热桥部位示意如图to IB圈梁 楼板 ‘ 圈梁 一份士匆造扫 一分 ’'750. 2100 750{ A=A 图1 外墙主墙体和周边热桥部位示意 1.2 主墙体和周边热桥部位的传热系数计算 主墙体和周边热桥均为建筑物外墙的组成部分，但两者 在构造和用料上可能不同。如主墙体可采用混凝土空心砌 块、混凝土多孔砖、加气混凝土砌块、粘土多孔砖等砌筑，或 钢筋混凝土现浇;而构造柱、圈梁和楼板则大多为钢筋混凝 土结构(目前已有少数采用钢结构)。然而，对它们传热系数 (K)的计算在方法上是相同的，都是通过对结构热绝缘系数 (R)和传热热绝缘系数(Ro)的计算得出。其中，传热热绝缘系 数(Ro)为结构本身热绝缘系数(R)与内、外表面换热热绝缘 系数(分别为Rj,R,)之和;而在一般情况下，R;,R。可分别取 0.11 M2." 和0.04 m2 " K/W(按冬季条件)。因此，外墙各 部位传热系数的计算式均可表达如式(2) 0 K=李二一1 找。 八1+K+KQ 1 0.11+R+0.04 1 R+0.15 (2) 收稿日期::2003-08-10 作者简介:俞力航，男，1947年生，浙江诸暨人，教授级高工，上海市建 筑节能技术研究发展中心副主任。地址:上海市宛平南路75号，电话: 021-64687421a 由式(2)可知，外墙各部位传热系数的计算，主要是墙体 结构本身热绝缘系数(R)的计算。其要点如下: (1)墙体热绝缘系数(R)为各构造层热绝缘系数((Rn)之 和。对于实体结构，各构造层的热绝缘系数均为构造层厚度 ·54· 新型建筑材料 2003.11 万方数据 Insulation Materials and Building Energy Saving 保温材料与建筑节能 (S)与材料导热系数计算值(入。)之比值，如式(3)0 R=R,+R2 +...+R。二 (3) ? ?? ? ?? ?? ? ? 、?? ? ? ?? (2)对非实体结构，如采用混凝土空心砌块、混凝土多孔 砖作结构层的墙体，或带有空气间层的墙体，其结构层的热 绝缘系数可按《民用建筑热工设计规范》GB 50176-93(以下 简称《热工规范》)规定的计算方法进行计算。 (3)墙体热绝缘系数计算中，构造层材料的导热系数计 算值(入C)必须取应用状态即自然平衡湿度条件值，而不能直 接取绝干状态的测试值。具体取值可按《热工规范》、有关的 建筑节能应用技术规程()，或根据绝干状态的导热 系数标准值乘以相应的修正系数确定。 1.3 丁字墙构造柱部位和楼板端头部位传热系数 的计算要求与公式 由图1可知，外墙主墙体的周边热桥主要包括构造柱、 圈梁和楼板端头3部分。其中构造柱位于有内隔墙的丁字墙 部位，而楼板端头是与楼板整体相连，因而这两个热桥部位 的传热系数计算有其一定的特殊性(圈梁或如有位于主墙体 中间的构造柱，其计算与主墙体完全相同)，其K值的计算应 明确如下2项要求: (1)热绝缘系数(R)的结构计算厚度应与主墙体相同。如主 墙体有内保温层或内抹灰层，应分别计入与内保温层或内抹灰 层相同厚度的内隔墙或楼板的热绝缘系数值;如主墙体有外保 温或外抹灰层，则热桥部位也应计人其热绝缘系数值(见图2), 根据上述2项计算要求，对照图2可列出丁字墙构造柱 部位传热系数(KBi)和楼板端头部位传热系数(KB3)的具体计 算如式(4)和式(5): (1)丁字墙构造柱部位传热系数KBl KBI_一干友 _1KB' R,+R2+R3+0.15 1 (4) 入.. 式中:s,一外墙内抹灰层或内保温层的厚度，m; 入。.、一丁字墙部位内隔墙材料的导热系数计算值，W/ (m"K); s,一构造柱厚度(一般为与主墙体厚度相同),m; 1.74一构造柱采用钢筋混凝土时，材料的导热系数计算 值，W/(m-K); 8,一外墙外抹灰层或外保温层的厚度，m; 入。3一外墙外抹灰层或外保温层材料的导热系数计算值， W/(m-K)。 (2)楼板端头部位传热系数KB3 K。= 二1一 二_一尸一一二— 一((5) 1‘创一 R,+R2+R3+0.15立_+氏十五二+0.15 1.74 1.74 X, (8)丁字墙构造柱部位(平面图) 式中:8.-主墙体结构层的厚度，m; 1.74一钢筋混凝土楼板材料的导热系数计算值，W/(m- K)。 1.4 主墙体和周边热桥部位面积的确定 面积的确定是指为了K。的计算，需分别计算出主墙体 和各周边热桥在外墙表面所占的面积。在建筑物的结构设计 和外墙构造设计(或方案)完成后，计算上述各部位的面积应 是不困难的。但对于建筑面积大或体形变化多的工程，其计 算会感到麻烦。因此，上海市工程建设规范DG/TJ 08-206- 2002《住宅建筑围护结构节能应用技术规程》对上述面积的 确定提出了几项简化计算的规定: (1)对设置钢筋混凝土构造柱和圈梁的混合结构多层住宅 或采用内保温做法的钢筋混凝土剪力墙结构高层、小高层住宅， 当建筑物各朝向窗墙面积比的平均值不大于0.31时，可按表1 列出的外墙计算单元各部位面积计算整幢建筑的外墙Km值。 表1 外墙Km值计算单元各部位面积 (b)楼板端头部位(剖面图) 图2 两个热桥部位K值计算厚度 (2)虽该2处热桥内侧分别有内隔墙或楼板延伸，在计 算传热热绝缘系数(Ro)时，仍应计入与主墙体部位相同的 内、外表面换热热绝缘系数值，即0.11+0.04=0.15 M2. " a 外墙结构层 厚度/mm 计算单元外 墙面积/m2 外墙各部位面积/m2 主墙体 构造柱 圈梁 楼板端头 180 190 200 240 250 6.93 6.93 6.93 6.93 6.93 5.058 5.034 5.010 4.914 4.890 0.504 0.532 0.560 0.672 0.700 0.855一0.513 0.853 0.511 0.850 】 0.510 0.840 0.504 0.838{ 0.502 注:本表适用于4个朝向平均窗墙面积比不大于0.31的混合结 构或剪力墙结构外墙;构造柱截面尺寸同主墙体结构层厚度。 NEW BUILDING MATERIALS ·55 万方数据 保温材料与建筑节能 Insulation Materials and Building Energy Saving 计算值取入C二0.059x1.15=0.068 W/*K)o 2.2 计算与结果 先分别计算主墙体和构造柱、圈梁和楼板端头部位的传 热系数KP,K,,,K,,K二值;各部位在外墙中的面积可直接采 用计算单元面积(见表1);外墙结构层厚度为190 mm(不需 另行计算);再按式(1)计算K，值。 (1)采用外保温做法时 围护结构各部位对应面积和传热系数如下: ①主墙体:F,=5.034 m2 ? ??? ? ? ??? ? ? ?? ? ? ? ?? ? 计算单元的图示如图1，其层高为2.8 m，可适用于目前 绝大多数住宅的各种开间。 该项简化计算的依据是:窗墙面积比是影响主墙体面积 的决定因素，在窗墙面积比不变的情况下，房屋开间大小对 K,、值的影响很小;取各朝向窗墙面积比平均值不大于0.31, 符合当前我国夏热冬冷地区住宅建筑的实际情况，且其计算 结果略偏保守，具有较高的准确性。 (2)当外墙热桥部位尺寸与计算单元图示有较大差异时 (如短肢剪力墙结构、异形柱框架结构等)，或设计建筑物各 朝向窗墙面积比的平均值大于0.31时，可按设计建筑物一个 有代表性楼层(如标准层等)外墙各部位的实际构造尺寸计 算整幢建筑的外墙K。值。 (3)当外墙主墙体与周边热桥采用相同材料时(如全现 浇钢筋混凝土剪力墙结构的高层、小高层住宅等)，对下列2 种情况，可不计算主墙体和热桥部位面积，直接以主墙体传 热系数(KP)作为外墙K。值:①外墙采用外保温做法;②外墙 无保温措施。 2 外墙平均传热系数计算实例 试分别计算190 mm厚双排孔混凝土小砌块外墙采用 30 mm厚胶粉聚苯颗粒保温浆料作外保温或内保温 (见图 3)后的外墙平均传热系数值。 K-_ 一一二_ --一 二1.124 0.02 .U.19 .0.03 .n，二 一 0.87十0.69十0.068宁V.1 j ②构造柱:凡.=0.532 m2 ?? ? ? ? ?? ???、?? ?Kn,=0.02.0.19. 二-二二二-十~~ 十 U.b9 1.74 371 +0.15 ③圈梁:F,=0.853 m2 KB2= 10.02.0.19.0.03 厄 二二二.+ .二-二-二 个丫二一二户二不万一 0.87 1.74 0.068 二1.382 +0.15 ④楼板端头:FB3=0.511 m2 KM= 10.02.0.19 . 0.03 十于二二下-十 二 +~二一二刃丁一 1.74 1.74 U.U68 1.405 +0.15 (a)外墙外保温做法 (b)外墙内保温做法 图3 计算实例的外墙构造平面示意 2.1 已知条件 (1)建筑物开间3.6 m、层高2.8 m,4个朝向窗墙面积比 平均值0.30;钢筋混凝土构造柱、圈梁和楼板设置同图1，构 造柱截面尺寸为190 mmx190 mm; (2)采用外保温时，砌体外侧无水泥砂浆找平层，内侧有 20 mm厚水泥混合砂浆抹灰层;采用内保温时，砌体内侧无 找平层，外侧有20 mm厚水泥混合砂浆抹灰层; (3)双排孔混凝土小砌块砌体的平均导热系数计算值xc 0.69 W/(m-K)，钢筋混凝土材料的入=1.74 W/(m.K)，水泥 棍合砂浆kl 0.87 W/(m-K); (4)胶粉聚苯颗粒保温浆料导热系数X习.059 W/(m-K), Km 1.124x5.034+1.371x0.5325.034+0.532结嚣揣.853+1.405x0.511.511 二1.20 [W/(m2- K)] (2)采用内保温做法时 围护结构各部位对应面积和传热系数如下: ①主墙体:凡=5.034 m2 K，二一 升1- 一 二1.124 ”0.03 --+-U. 19 + U.U2 +0.150.068 0.69 0.87 ②构造柱:凡1=0.532 m2 Ka二一_ T具-一 一二3.071 一‘0.03十0.19+ U.U2十0.巧 0.69 1.74 0.87 ③圈梁:F,=0.853 m2 K。二一 ==1.382 一0.03 +0.19 +0.01 +0.150.068 1.74 0.87 ④楼板端头:F,,=0.511 m' K。二一 =3.340 一O.OS+0.19+0.01+0.151.74 1.74 0.87 ·56· 新型建筑材料 2003.11 万方数据 Insulation Materials and Building Energy Saving 保温材料与建筑节能 1.124x5.034+3.071x0.532+1.3820.853+3.3404.511 5.034+0.532+0.853+0.511 二1.47 [W/(M2 -K)] 3外墙K。值与主墙体K。值的差异分析 (1)对于无复合保温措施的住宅建筑外墙，当墙体中周边 热桥材料(一般为钢筋混凝土)的导热系数大于主墙体时，外 墙平均传热系数(Km)就大于主墙体的传热系数(KI)，其增幅 表2 n种外墙的Km值与Kp 随两者材料导热系数差值的增大而提高，并随主墙体厚度的 增大而有所增大。表2是上海地区几种常用材料外墙K。与 K,之比较。其中，砂加气砌块的导热系数计算值约为钢筋混 凝土热桥的1/10,200 mm厚外墙(具有自保温能力的墙体) 的K。值比凡提高91%;双排孔、三排孔混凝土小砌块、混凝 土八孔砖、KP，型粘土多孔砖等墙体材料的平均导热系数在 0.630.74 W/(m-K)，为钢筋混凝土的36%-43%，外墙K。值 仅比K。提高16%-21%,, 值比较(无复合保温措施) 墙体材料名称 主墙体材料X,/[W/(m " K)]}墙体厚度/mm K?/[W/(m2 " K)]一K?,/[W/(j些些工 ?? ? ?? ， ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ???… … ? ? ???? ?? ? ，??? ? ? ? ， ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?? ? ? ? ? ，， ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ， ? ， ? ? ? ? ， ? ? 200砂加气砌块(B05级) 190三排孔混凝土砌块 240粘土多孔砖(KP,型) 190双排孔混凝土砌块 240混凝土八孔砖 190单排孔灌芯混凝土砌块 200厚钢筋混凝土 0.180 0.625 0.640 0.690 0.739 1.02 1.74 1.49 2.36 2.11 2.45 2.24 2.81 3.24 K?,/K, 】91 注:表中Km均为建筑物四朝向的窗墙面积比平均值在0.31时的计算值;周边热桥材料均为钢筋混凝土X,.----1.74 W/(m"K)o (2)对于有复合保温措施的节能住宅外墙，保温层位于 外墙的外侧(外保温)或内侧(内保温)，其主墙体的传热系数 (Kp)是相同的(参见图4)。但内保温做法在丁字墙构造柱和 楼板端头部位无保温层(参见图3)。因此，即使主墙体与热桥 部位材料的导热系数相同，如全现浇钢筋混凝土剪力墙结构 (见表3中8#墙)，外墙的K。值也比K。值高31.5%, 笔者专门计算了不同导热系数材料外墙内、外保温做法 的K。值，并作比较(见表3): ①主墙体材料导热系数从0.601.74 W/(m"K)，外墙采 用外保温时，K。值与K。相比，其最大增幅仅6.3%; ②采用内保温时，弋的增幅可高达40.5%; ③外墙采用内保温时，K。值比外保温高31%-32%。因 此，为有效提高节能效率，外墙应采用外保温; ④在一定范围内，表3列出的K。值增幅可用于外墙K,? 值的简易计算。 ???? ? ? ????? ? ? ??????? ? ? ????? 圈4 表3计算中主墙体的构造 表3 不同保温做法《外保温与内保温)外墙K,?值比较 ?、 ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ， ?、 ? ? ﹂ 主墙体结构层材料 入/[W/(m"K)] 主墙体结构 层厚度/mm 主墙体KP/ [W/ (m'- K)] 30 mm厚EPS板外保温 30 mm厚EPS板内保温 K,,/K ? ? ，? ，? ，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?、 ? ?? ?? ，、 ? ? ????? ? … ?? ，? ??? ，? ? ，? ， ? ? ? ? ? ?? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0.847 0.882 0.911 0.934 0.954 0.971 0.986 1.038 Km,遭W/(mz " K)] 0.900 0.926 0.947 0.964 0.979 0.991 1.002 1.040 K,/K, 1.063 1.050 1.040 1.032 1.026 1.021 1.016 1.002 K,/[W/(mz' K)] 1.190 ? ? 1.322 1.320 1.319 1.318 1.317 1.316 1.315 1.313 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ，?? ， ? ?、 注:(1)主墙体构造如图4,墙体内外侧均有20 mm厚水泥混合砂浆抹灰(或作找平用)层;(2)内保温做法中，主墙体传热系数K。值与外 保温相同;(3)膨胀聚苯板(EPS板)的导热系数计算值X,=0.042x1.1=0.046 W/(m"K)o NEW BUILDING MATERIALS ·57· 万方数据