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跟着菲斯特教授学被动房【二】

来源:沈阳建筑大学建筑节能技术研究中心作者:沃尔夫冈·菲斯特

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《德国被动房基础理论》课程,共8节,由德国被动房研究所沃尔夫冈·菲斯特教授讲授,沈阳建筑大学夏晓东讲述,柴泽宾翻译,沈阳建筑大学建筑节能技术研究中心录制。本课程已获授权,转载必究。



第二节   围护结构的保温隔热


课程PPT及讲义



【P1】


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上一节我们简要介绍了德国被动房的概述,强调了要做好被动房的五个基本规则,我们来回顾一下,第一是高性能的建筑保温隔热;第二是尽可能地避免热桥;第三是高性能的外门窗;第四是提高建筑的气密性;第五是带热回收的新风系统。这一节我们主要讲解不透明围护结构的保温隔热。围护结构分为不透明的和透明的,不透明的部分就是外墙、屋面、地面等,透明的部分就是外窗、外门、幕墙等。


【P2】


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这是一张简化的建筑剖面图。红线的部分就是建筑的围护结构,他划分了建筑的室内和室外,室外的环境是变化较大的,而室内我们需要一个相对稳定的舒适环境。比如室外温度很低-10摄氏度,室内20摄氏度,热量会从高温一侧穿过围护结构向低温一侧传递,为了减少向外损失的热量,我们就需要提高建筑围护结构的保温隔性能。


【P3】


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我们衡量围护结构保温隔热性能通常用“传热系数”这个概念,国内的符号是K值,国外用U值来表示。传热系数的单位是瓦/平方米·开尔文,W/(m2·k),传热系数越小代表围护结构保温隔热性能越好。这是围护结构传热系数的计算公式。


【P4】


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下面我们对传热系数的计算做以简单的介绍,这是一个单一材料的构件,Tl和Tr代表左右两侧的温度,假设Tr是室内高温一侧比如20摄氏度,Tl是室外低温一侧比如-10摄氏度,热量就会从室内通过构件传向室外。这里要引入导热系数λ和传热阻R两个概念,导热系数是一种材料自身的物理性能,它衡量材料传递热量的能力,它的单位是W/m·k,材料导热系数越小,材料传导热量的能力越就差。


传热阻等于材料的厚度d除以λ,也就是R=d/λ,影响传热阻R的因素有两个,一个是材料的厚度,另一个是材料的导热系数,相同厚度的材料,导热系数越小,材料的传热阻就越大;同一导热系数的材料,材料厚度越大,传热阻就越大。


传热阻衡量的是构件对热流传导的阻力,阻力越大穿过构件的热流就越小,传热阻类似于电阻,中学物理所学的电流与电阻的关系I=U/R,电阻越大,物体传导的电流就越小。热量也是如此,构件的传热阻越大,穿过构件的热流就越小,也就是构件的保温隔热性能越好。传热系数U=1/R,传热阻的倒数就是传热系数。也就是构件的传热阻越大,传热系数就越小,构件的保温隔热性能就越好。


通过上面的介绍呢,我们可以得出,要想建筑减小传热损失,就要降低围护结构的传热系数,也就是要增大围护结构的传热阻。要实现增大围护结构传热阻,要从三个方面考虑,一是选用导热系数小的材料,比如我们使用的聚苯板等保温材料;二是增加围护结构的厚度,比如以前传统的用黏土砖建房子,在北京用240墙,在沈阳用370墙,在哈尔滨用490墙,通过增加单一材料的厚度可以增大构件的传热阻,从而提高保温性能;


三是将以上两个方法结合,也就是复合保温,那么就引出了两种或多种材料复合在一起的围护结构构件,这也是我们目前建筑领域普遍采用的方式,内保温、外保温、夹芯保温等都是这种方式。也就是即选择导热系数小的材料,又增加保温层厚度的做法。


【P5】


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这张图是两种材料复合在一起的构件,我们需要分别单独计算每一层材料的传热阻,然后将两层材料的传热阻加和,Rsi和Rse是构件内外表面空气层的传热阻,是一个定值,这样就可以得出构件的传热系数U值或K值。


那么,通过构件的热量Q的计算就是,构件面积m2×构件的U值×室内外两侧的温差ΔT。它的单位就是W。


【P6】


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这是在PHPP建筑能耗计算软件中关于传热系数计算的部分,有一个专门的表格用来计算围护结构的传热系数,也就是U值,按照围护结构的材料与构造层次、材料的导热系数与厚度,分别填入相应的表格中,软件将自动计算出围护结构的U值。


【P7】


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通过计算出的U值,我们就可以计算出通过围护结构常规部分的热传导的损失量Qges,建筑围护结构中有几种构造,就计算几种U值,乘以相应的面积,再乘以室内外温差,从而得出建筑围护结构常规部分的热传导的损失量。比如建筑外墙、外窗、屋顶、地面分别是不同的构造,那么我们就需要计算四种构造的U值,乘以相应的面积,再乘以室内外温差,这样就得出了建筑围护结构热传导的热量损失。HT,e 实际上是所有构件传热系数乘以相应面积之和,通过这个公式我们可以看到,HT,e = Qges/Δθ 它的单位是W/K,实际上当室内外温差是定值的时候,HT,e值越小通过围护结构的热传导的热量Qges就越小。


【P8】


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我们来看一张曲线图,这张图的横轴就是这个HT,e值,纵轴是建筑的采暖能耗,单位是KWh/m2·a,我们可以看到这条红色的曲线,随着HT,e值的减小,建筑的采暖能耗量也在降低,两者接近于线性的关系。


右上方的红色区域是欧洲的低能耗建筑和中国目前正在执行的大部分节能建筑的水平,因为热传导损失HT,e值比较大,所以建筑的采暖能耗是较高的,平均的采暖能耗值在55-60KWh/m2·a之间;绿色的区域是被动房或近零能耗建筑的能耗水平,HT,e值在30-70之间,建筑采暖能耗在10-20之间,他的平均值在15KWh/m2·a,被动房的能耗与HT,e值也是基本呈线性关系。严格意义上来讲,被动房也并不是最完美的,因为再降低可以实现零采暖能耗的建筑,也就是紫色的区域。


随着HT,e值的逐渐降低我们可以看到红色的曲线与绿色的线性关系曲线发生了偏离,如果按照理论上应该是沿着绿色线HT,e值降到30左右,就可以实现零采暖能耗的建筑了,但事实上并不是这么简单,我们发现红色的线逐渐以曲线的方式接近与零,对应的HT,e值降到了10左右,这个时候我们就需要考虑做零采暖能耗建筑的可实施性了,因为需要将HT,e值做到10的投入是巨大的,以沈阳地区为例,做到被动房需要250厚左右的保温隔热层,HT,e值在25左右,如果要达到10,保温隔热层的厚度要增加到1米以上,由此可以看出,想要做成一个绝对意义的零采暖能耗的建筑是非常困难的。相比较而言,做到被动房这个水平是可行的,也就是说15KWh/m2·a这样一个能耗水平,为实现用适量的和经济的可再生能源给建筑供能成为了可能。这也就是为什么被动房的能耗标准被定义在这个范围的原因。


这里需要补充一点,就是可再生能源的经济性问题,建筑采暖能耗在50KWh/m2·a的建筑依然可以实现用可再生能源为建筑供暖,比如太阳能热水采暖,但这就需要设计较大面积的集热器和储热水箱,因为建筑的能耗较高,就不得不加大可再生能源设备的选型来保证建筑的热需求,这样就增加了可再生能源设备的投资。上节课我们也提到过,与建筑围护结构相比,设备的寿命是短暂的,中国普通民用建筑的寿命是50年以上,而设备的使用寿命很难达到50年,而且随着设备使用运行过程中设备的老化,系统能效的降低,需要不断的维修更换等投入。因此,一次性把建筑做好的投入,比不断地维修和更换设备的投入要划算得多。


【P9】


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我们来看这张图片,我们通常说的保温层,在夏季的时候也是非常好的隔热层,夏季与冬季相反,室外是高温40摄氏度,室内是26摄氏度,热量会由室外穿过围护结构向室内传递,优良的保温隔热性能会阻止热量的传递。举个例子,我们小的时候看到在街上推车卖雪糕的,推的是一个泡沫箱子,里面裹着棉被,把雪糕放在里面在太阳下面走一个下午雪糕也不融化,就是这个道理。


这里重点强调一下,很多人认为保温隔热只有在北方严寒和寒冷地区有用,在南方不需要保温隔热层,这是一个误解,实际上保温层在英文翻译里叫做“绝热层”,他主要是阻止高温一侧向低温一侧传递热量,无论温度在哪一侧高。那么顺便说一句,一个地区的保温隔热层的厚度到底是根据什么确定的?答案是受室内外两侧温差的影响决定的。


前面讲过一个公式Q = A·U·ΔT,这是通过围护结构构件热量的计算公式,如果假设热损失Q是定值,那么当面积A一定,室内外温差ΔT越大,就需要越小的传热系数U值与其平衡,才能保证Q不增大。因此,越严寒或越炎热的地区都需要较大厚度的保温隔热层,这是与我们传统认为“南方建筑不需要保温”的观念完全不同的。当然,在南方高湿地区,需要另外解决除湿的问题,但这并不影响建筑需要做保温隔热层。说个简单的例子,沙漠里的狐狸也不是裸奔的,也是有厚厚的绒毛作为隔热层,就是这个道理。


【P10】


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我们来看这样一张节点图,这是一个典型的欧洲木结构建筑,坡屋面的简化节点图,这里不只有保温隔热层,还有其他的一些材料和构件,我们来看一看:屋面的覆盖物,比如各类瓦,瓦的下面会有挂瓦条、顺水条、防水层、木望板等层次,然后下面是保温隔热层,在欧洲木结构建筑系统里,主要使用岩棉作为保温隔热材料,保温隔热层靠近室内一侧需要有气密层,这是一种典型的不透明围护结构的构造,每一层都有功能。屋面瓦的主要功能就是排水,保温隔热层的作用是冬夏季的保温隔热,室内的气密层是防止室外的空气从围护结构构件及缝隙渗透进室内,同时气密层对保证围护结构的干燥也有很大作用。


【P11】


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使建筑保持干燥是延长建筑寿命和保证建筑性能的关键因素,如果建筑结构或围护结构内部含湿量过大,会对保温材料甚至结构材料起到破坏的作用,尤其是在湿冷冻融等条件下的破坏更为严重,我们使用的保温隔热材料通常都是多孔材料,实际上是用孔隙内的干空气来保温,因为干空气的导热系数很小0.023-0.026,保温材料大多都会吸湿,如果保温材料受潮或进水,导热系数会明显上升,因为水的导热系数比较大0.6,如果湿汽或水在保温材料内结冰,那么保温材料将丧失保温能力,冰的导热系数非常大。


对于控制围护结构的湿有三个措施,干燥的英文单词是“dry”,干燥的设计、干燥的施工和保持运行的干燥。简称三个D原则。


【P12】


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现在我们来看一看有哪些会影响建筑的湿。第一个就是降雨,80-90%的雨量会沿着瓦屋面排走,但是依靠瓦屋面解决100%的雨水是很困难的,因为瓦与瓦之间存在缝隙,并且并没有密封。


【P13】


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随着我们自然环境的不断变化,极端天气在增加,狂风骤雨时有发生,那么就会有一部分的水透过瓦屋面渗透到下面,那么下面的第二道防水层就发挥了作用,此外在瓦屋面与防水层之间是由挂瓦条和顺水条支撑的空腔,通风可以带走这之间的渗下来的水份,这就是通风屋面的好处。这个通风屋面是比较重要的。


【P14】


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还有一个原因是冷凝水,比如秋季夜间瓦屋面温度较低时,空气中的水蒸气会在瓦屋面上形成凝结水,也就是结露现象,空腔中的自然通风也可以带走这之间的水份。


【P15】


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那么第二道防水如果有渗漏,下面的保温隔热层中需要通风吗?关于这个问题产生过很多的争论,最后被Helmut Künzel这位德国弗劳恩霍夫研究所的研究者终止了争论。他的结论是,只要渗入的水份可以从外层扩散出去,且围护结构内侧是高气密性的,那么保温隔热层中就不需要通风了。


围护结构内的蒸气扩散是要向建筑外部扩散的。这也遵循了建筑物理中围护结构控湿的原则,“进难出易”原则,水蒸气由室内进入围护结构要非常难,一旦围护结构有湿气进入,要从外侧容易排出去。


这个屋面的构造呢,我们会发现它没有隔汽层,在国内的屋面构造做法中,通常在保温层的下面要做隔汽层,然后做保温隔热层,保温层的上面是找坡找平,然后做防水层。隔汽层的作用就是防止室内的水蒸气渗透进入保温层,因为进入了保温层后上面是防水层,水蒸气无法向外渗透了,都会闷在防水层下面,形成凝结水,导致保温层的性能下降。


【P16】


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那么室内高气密性的构造,可以使蒸汽渗透量保持在5g/m2/天这样一个程度,这个量是非常少的,通过通风间层可以有效的带走这部分水蒸气,这样从长期来看,保温层内是相对比较干燥的,这也是我们推荐的通风屋面的构造做法。在这里呢,室内的高气密性措施是非常重要的,他可以有效地减少进入围护结构内的水蒸气量。


这里我们区分一下气密性和水密性,气密性意味着空气不可以通过,水密性代表水蒸气不能通过。比如我们常见的A4纸,它具有气密性,因为干空气是不能透过A4纸的,但是它不具有水密性,如果你把一张A4纸盖在一个盛满水的杯子上,还是会有水蒸气透过A4纸,但是它的透过量很少,大约5g/m2/天这样一个程度。


【P17】


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那么我们再来进一步看气密层,如果在建筑中用A4纸作为气密层会怎么样呢,大家知道A4纸很容易撕裂,建筑在使用过程中,会受到各种各样的外力影响,那么如果气密层开裂了,会有怎样的结果呢?空气会很容易地从缝隙进入围护结构内部,空气中的水蒸气也会大量的进入围护结构内部。


实验表明,1mm宽,1m长的缝隙,每天通过它的水蒸气量是360g水。大约相当于一小瓶矿泉水的量,那么这么多的水进入围护结构中,会对建筑结构产生较大的影响,因为欧美国家木结构建筑技术体系非常普遍,湿环境会对建筑结构的耐久性产生较大的影响。


比如我们看到的北京故宫木建筑,木材用大漆防水,并且定期维护,可以保持几百年上千年,而把木材放在湿环境中,几年时间就会出现变形开裂等问题。这就是为什么我们强调在室内这一侧需要有气密层的原因。


【P18】


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那么我们再来看一看没有通风的屋面。前面我们提及过我国的平屋面构造,在没有通风间层的屋面构造中,需要在室外侧有致密的防水层,保温隔热层内侧需要有隔汽层,隔汽层实际上是保证水密性。如果保温隔热层里面有水份,那么他的干燥能力大概是72g水/m2·a,主要是通过材料的蒸汽渗透,这个数值是非常小的,因为保温材料两侧都是水密性材料,这样一个构造,首先要保证封闭外侧防水层施工时保温隔热层是绝对干燥的,这里有个在干燥的时期施工的条件,比如在春、秋、冬季相对来讲都是比较干燥的时期。


【P19】


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室内的湿气是怎么来的呢,我们来看这样一张建筑简图。在采暖的冬季,室外温度4摄氏度,室内温度为20摄氏度的环境。我们在室内的生活带来了大量的水蒸气,比如烧水、烹饪、空气加湿等等。那么在室内垂直方向上,大概会有3Pa的压差,水蒸气分压力最大可以达到20Pa的压差。


【P20】


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那么我们来看一下采暖期建筑的湿传递情况,它有几个规律。第一,蒸汽渗透的过程总是由室内向室外迁移的;第二,室内的水蒸气含量总是高于室外的,这将导致湿气将渗透进入围护结构内部;第三,在严寒寒冷地区的围护结构内部将会产生冷凝;第四,与蒸汽渗透相比,会产生高湿的气流的情况。


【P21】


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下面我们来看一张图片,这是一个木结构屋面构造,它是没有通风间层的屋面,它的构造层次自下而上依次是:室内石膏板、气密层(防水隔汽膜)、OSB板(定向刨花板,也叫欧松板)、I型桁架内填保温、OSB板、防水层、卵石保护层、种植屋面;我们在这个屋面的横断面上放置了五个温湿度传感器,用来观测围护结构内部的温湿度变化情况。


【P22】


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这是监测了一个月的数据记录,红色的是室内空气的湿度(30-50%之间),橘红色的是气密层上面的OSB板的相对湿度(30-50%之间),黄色和绿色的是保温层内的相对湿度,黄色的(40-65%之间),绿色的(70-80%之间),蓝色的细实线是屋面防水层下面OSB板的相对湿度(没有超过91%,对应的含水量在13.7%左右),黄绿色的点状虚线是模拟的湿度曲线,那么总体看这个建筑围护结构,内部的湿环境保持的很好,重要的因素是这个气密层(防水隔气),做好气密层才能保持这样的效果。


【P23】


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这是这个屋面的构造照片,左侧图片中,左右两边的是I型桁架,上面是OSB板,下面是木龙骨和OSB板,中间空腔填充的是保温材料,这个保温材料是现场用设备吹进去的,右侧的图片是铺设室内侧的防水隔汽膜,接缝处用气密性胶带粘结牢固。


【P24】


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这是德国对木质建材含水率的要求,是不能超过18%的,那么前面我们提到的加了防水隔气膜之后的建筑围护结构内部含水率没有超过13.7%,是保持得很好的。


【P25】


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这是几种典型的建筑围护结构的节点详图,左侧的图是预制木结构屋面的屋檐部位节点,中间的图片是坡屋面的构造,上面的图是在屋架椽条上方做保温隔热层的做法,下面的图是在屋架椽条下方做保温隔热层的做法,右侧的图片是钢筋混凝土屋面外保温的做法。也就是说每种技术体系经过科学合理的构造设计之后,都可以实现优良的保温隔热效果。


这里我们想补充的是,每种体系都有最适合的建筑类型,比如钢结构、钢筋混凝土结构适合中高层和高层,轻钢结构、轻木结构等适合低多层,选择技术体系还是要根据实际情况论证。


【P26】


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下面我们以几种木结构体系来阐述一下造价问题,这张图表横轴是保温层的厚度,纵轴是造价,单位是欧元/m2,纵轴的基准线不是从零开始的,而是从50开始,也就是正常做建筑的结构需要的造价就是50欧元/m2。


在德国很多的老建筑是采用这种木龙骨的形式,每根木龙骨的截面尺寸是100宽,160高,龙骨间距630mm,在龙骨两侧铺钉OSB板,中间空腔填充保温材料,那么这样一个构造,他的传热系数U值在0.25左右,它的造价在80欧左右,当然这个造价会有一定的浮动空间,图表中的竖线就是浮动的空间;


随着对建筑技术研究的深入,一些设计师提出了更好的解决优化方案,典型的一种办法就是将木龙骨的截面变窄变高,变成60mm宽,260mm高,龙骨增高后抗弯性能提高,因此龙骨之间的间距也可以增大至1m,这样保温隔热材料的厚度也增加了,他的U值大概在0.14左右,而他的造价依然在80多欧元左右,这就是通过科学合理的设计优化了部分结构投入,使结构投入减少了,增加了保温隔热的投入,从而使整个系统的造价并没有大幅增加,这也是欧洲目前比较常见的构造形式。


【P27】


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如果我们继续优化木结构本身,就产生了这种I型龙骨的形式,它相当于将单根龙骨变成了桁架,这是根据桁架的受力和建筑热工的综合考量后设计出来的,做成I型的桁架既能保证结构受力,又可以降低木骨架的传热,因为截面形式像英文字母I,所以就叫做I型龙骨。


这个I型龙骨中间的竖,是由OSB板等材料制作而成的,也可以用一些高强度的稻草板,他的截面高度达到了350mm。这样做之后进一步增大了墙体的厚度,可以使用更大厚度的保温隔热材料,从而提高了围护结构的保温隔热性能,他的U值大概在0.11左右,他的造价在85-95欧元左右,也并没有太大幅的增加。


【P28】


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那么总体看来,他的增量成本的规律是每增加1cm的保温造价增加0.5欧元,当然,新事物需要一个被接受的过程,当技术被大众接受,可以量产的时候它的造价就不会那么高了。


【P29】


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那么我们再来看一下保温隔热层的增加对建筑能耗的影响,这张图表水平横轴是保温层厚度,单位是cm,左侧纵轴,红色的,是能耗和投资净现值,右侧纵轴,也就是绿色的,是建筑建造和运行的能耗,单位是kWh/m2·a,一次能源消耗量。我们可以看到,随着保温层厚度的增加红色的曲线先大幅下降,然后在25cm处趋于平缓,保温的厚度从25-57cm是最经济的区域,而看建造到运行的总能耗,绿色的曲线却还在继续下降,也就是生态环境的最优厚度在45-100cm之间。总体来讲建筑保温隔热的投入在0.69€/cm/m2。


【P30】


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上面是欧洲典型的坡屋面建筑构造图,如果不想把墙体做的太厚,还想要提高保温隔热性能,就需要采用一些特殊的绝热材料,比如真空层,真空层可以有效地降低围护结构传热系数,而且不需要很厚,但是真空是不容易永久保持的,比如说我们用的暖瓶是真空的,他的绝热性能非常好,但是暖瓶的真空寿命并不是很长,因此在建筑中采用需要慎重。同样,气密层是布置在围护结构的室内侧的。


【P31】


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上面是欧洲典型的平屋面建筑构造图,左侧的图片是木结构的屋面,没有通风间层的屋面,保温隔热层的上面需要防水层,下面是需要隔汽层的,而且必须要密闭才能保持围护结构内部的干燥;


第二个图是钢筋混凝土结构的外保温,而且带有通风间层的屋面,这种屋面需要较高的通风间层,才能把湿气通过通风带走,相对来讲这种屋面技术体系有点贵;第三个图片是钢筋混凝土结构外保温屋面,是倒置式屋面,传统做法是防水层在保温层上方,而倒置屋面是防水层在保温层的下面,在保温层上方做防水透气层,因为保温层的保温隔热性能会受到自然环境的影响,尤其是在干燥程度上,这种技术在被动房里面应用不太多;


最后一张图片是将倒置屋面与传统屋面保温做法相结合的方式,先做完钢筋混凝土屋面板,然后做隔气层,铺保温隔热层,再做防水层,在防水层的上方又做了保温层,其上做防水透气层,然后是屋面保护层,这种做法比较复杂,也更贵。


【P32】


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上面是典型的几种欧洲建筑墙体构造做法,第一张是复合砌块,第二张是EPS模块,左下方两张是复合木结构墙体,右边的图片是各个生产商的几种建筑墙脚部位构造图,这几种都是外保温体系的做法。


好,这节课就讲述到这里。谢谢大家!


【注:灰色文字为夏晓东增补解释内容】


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