建築隔熱

**建築隔熱**（Building insulation）泛指建築物中出於任何目而裝置在建築外殼（英文 Envelope）的隔絕材料。建築外殼則泛指窗、牆、地板、屋頂等，建築物的外表面。雖然建築物中的絕大部分隔絕材料（insulation）都是用於隔熱，但隔熱也適用於隔音、防火或防震（例如，工業設備引起的振動）。

## 保溫層

### 隔熱的定義

隔熱通常是指對建築物使用適當的隔熱材料並進行設計，以減少建築外殼的熱傳遞，從而減少熱量的損失和取得。 熱量的傳遞是由室內和室外之間的溫差引起的。 熱量可以通過熱傳導、熱對流或熱輻射傳遞。傳輸速率與傳播介質的性質密切相關。 通過天花板，牆壁，地板，窗戶和門的傳播會損失或吸收熱量。這種熱量的減少和取得通常是不為樂見的。因為這不僅增加了暖通空調系統的負荷進而導致更多的能源消耗，而且還降低了建築物內人員的熱舒適性。建築物中的隔熱是為其居住者提供熱舒適性的重要因素。 隔熱減少了不必要的熱量損失或取得，並可以減少加熱和冷卻系統的能源需求。它不一定處理足夠的通風問題，並且可能會或可能不會影響隔音。從狹義條件來說，隔絕材料（特指隔熱材）可以指用於減緩熱量散失的隔熱材料，例如：纖維素，玻璃棉，岩棉，聚苯乙烯，聚氨酯泡沫， 蛭石，珍珠岩，木纖維，植物纖維（大麻、亞麻、棉、軟木塞等），再生棉牛仔布，植物秸稈，動物纖維（綿羊毛），水泥或土壤，反射性隔熱材料（也稱為輻射屏障），但也可能涉及多種設計和技術來解決熱傳導、熱對流或熱輻射的材料。

上面所列舉中的大多數材料在材料的分子之間保留了大量的空氣或其他氣體。氣體熱傳導的能力比固體少得多。這些材料會形成氣室，可用於降低熱傳導效率以阻隔熱量。這種情況也發生在動物的皮毛和鳥類羽毛中，動物毛髮可以利用低導熱率的滯留空氣層，達到減少熱量損失的目的。

反射隔熱層（輻射屏障）的原理是通過面向熱源的表面的高反射率來達到阻隔輻射熱的效果。

隔絕材的性能通常以 R 值來表示，其中有兩種常用的單位，SI 制（以 K⋅W-1⋅m2 為單位）和美制單位（以 °F・ft2· H / BTU 為單位），前者的等效數值是後者的 0.176 倍。例如，在美國，閣樓的絕緣標準建議至少為 R-38 US 單位（相當於 R-6.7 或 SI 單位的 U 值為 0.15）。 英國的等效標準在技術上具有可比性，批准的文件 L 通常要求屋頂的平均 U 值在 0.11 到 0.18 之間，具體取決於房屋的使用年限和屋頂結構與類型。較之以前的法規版本，較新的建築物必須滿足更高的標準。重要的是要達到某個特定 R 值或 U 值，而不只考慮到每座建築物的建築品質或當地環境因素。施工品質問題可能包括蒸氣屏障不足以及防風雨問題。另外，隔絕材料本身的性質和密度也很關鍵。大多數國家 / 地區都有檢查或認證安裝人員的制度，以確保良好的建築隔絕效果。

### 建築隔熱的歷史

與其他材料相比，建築隔熱材的歷史不長，但是人類在很久以前就意識到了隔熱的重要性。 在史前時期，人類開始為躲避野生動物和惡劣的天氣而搭建簡單的庇護所時，人類便開始對隔熱材進行初步探索。 史前人民使用動物皮，毛皮和蘆葦，亞麻和稻草等植物材料建造房屋，這些材料首先用作服裝材料，因為他們的房屋是臨時的，因此他們更可能使用這些用於衣服的材料，因為它們很容易取得和加工。 動物皮草和植材在分子之間容納大量空氣，這些充滿滯留空氣的氣室正好可以減少熱交換。

後來，人類的長壽和農業的發展決定了他們需要一個固定的住所，避難所，石屋和洞穴居所開始出現。 這些材料的高密度會在熱傳過程中引起時滯效應，這會使內部溫度較為穩定不易隨室外氣溫震盪。這種效果使建築物的內部冬暖夏涼，而且由於容易取得土或石頭等材料，這種設計在早期俄羅斯、冰島格陵蘭等許多地方很常見。

有機材料是第一個用於建造暫時庇護所的材料，以保護他們免受惡劣天氣的影響並幫助他們保持溫暖。 但是棟植物纖維等有機材料容易隨時間劣化，因此這些天然材料不能滿足人們對隔熱的長期需求。因此，人們開始尋找更耐用的替代品。 在 19 世紀，人們不再滿足於使用天然材料進行隔熱，他們加工了有機材料並生產出第一塊隔熱板。 同時，越來越多的人造材料開始出現，並且開發了各種人造隔熱材料，例如岩棉，玻璃纖維，泡沫玻璃和空心磚等。

### 保溫的意義

隔熱材在建築外殼中起著重要的作用，對達到屋內人員的熱舒適性是相當必要的。大約 40％的建築能源消耗是用於暖通空調熱或冷卻室內空氣而消耗。充分的隔熱有助於確保健康的室內環境和防止結構損壞。這也是處理高能耗的關鍵因素，它可以減少通過建築物外殼的熱量。良好的隔熱性能還可以為建築物帶來以下好處：

1. 防止由於建築物外殼內部結露而造成的建築結構損壞。 隔熱材料可確保房間表面溫度不低於臨界溫度，從而避免冷凝和黴菌的形成。 根據建築損壞報告，建築損壞的 12.7％和 14％是由黴菌問題引起的。 如果建築物內沒有足夠的隔熱層，建築物內的高相對溼度將導致結露，最終導致發霉。
2. 為居住在建築物中的人們提供舒適的熱環境。 良好的隔熱性能可在冬季使建築物內部具有足夠高的溫度，並且通過在夏季提供相對較低的空氣溫度也可達到相同水平的熱舒適性。
3. 減少不必要的加熱或冷卻能量輸入。隔熱層減少了通過建築物外殼的熱交換，從而使供熱和製冷機能夠以較少的能量輸入達到相同的室內空氣溫度。

## 規劃與範例

房屋應有多少隔熱層取決於建築設計、氣候，能源成本、預算和個人喜好。建築法規通常會設定消防安全和能效的最低標準，另外為取得綠建築標章如 LEED 的建築可以自願達到超過比最低標準更高的節能等級。

建築物的隔熱策略需要基於對能量傳遞方式以及運動方向和強度的仔細考慮。這可能會在全天和每個季節改變。重要的是選擇合適的設計，材料和建築技術的正確組合以適合特定情況。

### 在美國

美國的隔熱要求遵循 ASHRAE 90.1，這是美國所有商業和部分住宅建築的能源標準。 ASHRAE 90.1 標準考慮了多個角度，例如規範性，建築圍護結構類型和能源成本預算。並且該標準有一些強制性的隔熱要求。 ASHRAE 90.1 中的所有隔熱要求均按氣候帶劃分，這意味著建築物所需的隔熱量由建築物所處的氣候帶決定。保溫要求以 R 值表示，連續保溫 R 值以第二指標表示。 下表顯示了不同類型的牆（木結構牆，鋼結構牆和大質量牆）的要求。

要確定是否應添加保溫材料，首先需要找出您家中和地方已經有多少種保溫材料。合格的家庭能源審核員將隔熱檢查作為整個房屋能源審核的常規部分。 但是，有時您可以在房屋的某些區域（例如閣樓）進行自我評估。在這裡，目視檢查以及尺子的使用可以使您感覺是否可以從額外的絕緣中受益。

### 俄國

在俄羅斯，由於民眾可以輕易獲得大量廉價天然氣，導致建築隔熱性能差、暖通空調過度加熱和低效率的能源使用。俄羅斯能源效率中心發現，俄羅斯建築物的供暖溫度時常過高或過低，且通常加熱室內所消耗的熱量和熱水多於所需量的 50％。 俄羅斯 53％的碳排放是通過建築物的取暖和發電產生的。

俄羅斯的能源法規始於 1955 年，其規範和規則首先提到了建築圍護結構的性能和熱量損失，並形成了規範建築圍護結構能源特性的規範。 最新版本的俄羅斯能源法規（SP 50.13330.2012）於 2003 年發布。 俄羅斯的能源法規是由政府機構或 ABOK 等非政府組織的專家制定的。自 1955 年以來，俄羅斯的能源法規已進行了多次修訂，1995 年的版本將每平方米供暖的能源消耗減少了 20％，2000 年的版本減少了 40％。 該規範還對建築物的隔熱進行了強制性規定，並附帶了一些自願性規定，主要集中在建築物外殼的熱損失上。

### 澳大利亞

澳大利亞的隔熱要求取決於建築物所在位置的氣候，下表是基於氣候的最低隔熱要求，由澳大利亞建築法規委員會（英文 Building Codes Board，BCA）確定。 澳大利亞的建築物在屋頂，天花板，外牆和建築物的各個部分（例如炎熱氣候下的涼廊、間隔壁、地板）中使用隔熱材料。 間隔壁（不同高度的天花板之間的牆壁部件）應具有與天花板相同的隔熱水平，因為它們承受相同的溫度。 並且澳大利亞建築物的外牆應進行隔熱處理，以減少各種熱傳遞。 除牆壁和天花板外，澳大利亞能源法規還要求地板（並非所有地板）都需要隔熱。 高架木地板必須在最低木地板下方留有約 400mm 的土壤空隙，以提供足夠的隔熱空間，混凝土板（例如懸浮板和地上板）也應以相同的方式進行隔熱。

### 中國

中國有各種氣候特徵，按地理區域劃分。 因此，中國有五個氣候帶來確定包括隔熱在內的建築設計。（嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區，和溫和地區）。

### 德國

德國於 1977 年確立了對建築節能的要求，並於 2002 年引入了第一個能源法規 - 基於建築性能的節能條例（EnEV）。 2009 年版的《節能條例》提高了建築外殼的絕熱標準（U 值必須低於 0.24 [W/m 2 ・K]），並引入了氣密性測試要求。 《 2013 年節能條例》（EnEV）包含天花板隔熱的要求。它提到如果不滿足天花板要求，則在較高樓層的加熱房間上方的天花板中需要填充隔熱材。

### 荷蘭

荷蘭的建築法令（Bouwbesluit）明確區分了房屋裝修或新建房屋。新建築算作是全新的房屋，但是新增加和擴展也被認為是新建築。此外，將至少 25％的整體建築表面改變或擴大的裝修也被視為新建築。因此，在徹底的翻新過程中，新建築有可能必須滿足荷蘭隔熱保溫的新建築要求。如果裝修規模較小，則適用裝修指令。翻新的例子是空腔牆的後隔熱和傾斜的屋頂對屋頂板或瓷磚下面的隔熱。請注意，每次翻新都必須滿足最小 Rc 值 1.3 W /mK。如果電流絕緣具有較高的絕緣值（合法獲得的水平），則該值將作為下限值。 

### 英國

隔熱要求在《建築規範》中進行了規定，在英格蘭和威爾斯，其技術內容已在批准的條文中發布，文件 L 定義了隔熱要求，並且在設置最低標準時，可以權衡屋頂和牆壁等元素的 U 值其他因素，例如整個建築能耗評估中的供暖系統類型。蘇格蘭和北愛爾蘭具有類似的系統，但詳細的技術標準並不相同。近年來，對標準進行了數次修訂，隨著英國向低碳經濟發展，要求更有效地利用能源。

## 不同氣候下的技術和策略

#### 寒冷氣候下的策略

在寒冷的條件下，主要目的是減少熱量從建築物中流出。建築外殼的組成部分，如窗戶、門、屋頂、地板、牆壁和空氣滲透等，都是重要的熱損失源。 在原本隔熱良好的房屋中，窗戶將成為重要的熱源。 傳統單層玻璃的 R 值約為 0.17K⋅W-1⋅m2，只有典型的雙層玻璃的一半（另外玻璃棉氈隔熱材的 R 值為 2 至 4 m2⋅K⋅W−1 ）。良好的耐候性，整體絕緣性以及將非隔熱玻璃的數量降至最低，可以減少損失。室內熱輻射在光譜選擇性玻璃（低輻射、低輻射率）上也可能是一個缺點。

#### 寒冷氣候下的技術

真空面板和氣凝膠壁表面隔熱是兩項技術，可以提高寒冷地區（如新英格蘭和波士頓）的住宅建築和商業建築的能源性能和隔熱效果。 過去，顯示出高隔熱性能的隔熱材料的價格非常昂貴。 隨著材料工業的發展和科學技術的蓬勃發展，20 世紀越來越多的保溫材料和保溫技術應運而生，這為我們提供了各種建築保溫的選擇。尤其是在寒冷氣候地區，需要大量的隔熱材料來應對寒冷天氣（滲透，通風和輻射）造成的熱量損失。有兩種技術值得討論：

##### 基於真空隔熱板（VIP）的外部隔熱系統（EIFS）

VIP 具有極高的耐熱性， 其耐熱能力是傳統泡沫隔熱材料的四到八倍。與傳統材料相比，它使建築外殼的隔熱層厚度更薄。 VIP 通常由核心面板和金屬外殼組成。 用於生產內芯板的常見材料是熱解法和沉澱法二氧化矽，開孔聚氨酯（PU）和不同類型的玻璃纖維。並且核心面板被金屬外殼覆蓋以創建真空環境，金屬外殼可以確保核心面板保持在真空環境中。 儘管這種材料具有很高的熱性能，但在過去的 20 年中仍然保持著很高的價格。

##### 氣凝膠的內外牆表面絕緣

氣凝膠是 1931 年由塞繆爾・史蒂芬斯・基斯特（Samuel Stephens Kistle）首次發現的。 液體部分被氣體代替是一種凝膠，它實際上由 99％的空氣組成。 這種材料具有相對較高的 R 值，約為每英寸 R-10，與常規的塑料泡沫絕緣材料相比，該值要高得多。但是加工困難和生產率低下限制了氣凝膠的開發， 這種材料的成本價格仍然保持在較高水平。美國只有兩家公司提供商業化的氣凝膠產品。

### 炎熱氣候

#### 炎熱氣候下的策略

在炎熱的條件下，最大的熱能來源是日射量。 它可以直接通過窗戶進入建築物，也可以將建築外殼加熱到比空氣溫度更高的溫度，從而增加了通過建築外殼進入室內的熱通量。 標準單層玻璃的太陽熱增益系數（ 英文 Solar Heat Gain Coefficient，SHGC） （太陽熱透射率的一種度量方式）約為 78-85％。可以通過以下方法減少太陽光的吸收：充足的陽光遮蔽，淺色的屋頂，光譜選擇性的（熱反射）油漆和塗料以及其餘部分的隔熱層。特殊塗層的玻璃可以將 SHGC 降低到 10％左右。輻射屏障對於炎熱氣候下的閣樓空間非常有效。輻射屏障在炎熱氣候下比寒冷氣候更有效。

如果在炎熱潮濕的氣候中使用製冷空調，則密封建築物圍護結構尤為重要。潮濕空氣滲透的除濕會浪費大量能量。另一方面，一些建築設計基於有效的交叉通風而不是製冷空調，以通過盛行的微風提供對流冷卻。

#### 炎熱氣候的技術

在埃及和非洲等炎熱乾燥的地區，夏季的熱舒適性是主要問題。為滿足人們對對熱舒適性的需求，暖通空調系統可消耗將近一半的總能源。許多開發中國家在由於越來越普遍地使用冷氣機，導致夏季的電力短缺。 一種名為 Cool Roof 的新技術被用於改善這種情況。 過去，建築師使用高熱容量的建材來提高熱舒適性，厚重的隔熱層可以帶來溫度的時滯效應，從而可能減緩乾燥氣候區較大的晝夜溫差，使室內溫度保持在一定範圍內。

涼爽的屋頂是基於太陽能反射率和熱輻射率的低成本技術，該技術使用反射材料和淺色來反射太陽輻射。 太陽反射率和熱輻射率是決定屋頂熱性能的兩個關鍵因素，並且由於大約 30％的太陽輻射會反射回天空，因此它們還可以提高隔熱效果。 屋頂的形狀也在考慮之中，與傳統形狀相比，彎曲的屋頂可以接收更少的太陽能。 同時，該技術的缺點很明顯，即高反射率會導致視覺不適。另一方面，屋頂的高反射率和熱輻射率會增加建築物的供暖負荷。

## 方向 - 被動式太陽能設計

考慮到太陽輻射對建築物和微風的影響，建築物元件（例如，窗戶，門，加熱器）的最佳放置可在保溫中發揮重要作用。反光層壓板可幫助減少杆倉，車庫和金屬建築中的被動太陽熱。

## 施工

有關窗戶的討論，請參見中空玻璃。

### 建築外殼

隔熱層定義了房屋中的空調或居住空間。閣樓或地下室可能包含或可能不包含在此區域中。減少建築內外的空氣交換可以顯著減少對流傳熱。確保低對流傳熱還需要注意建築結構和正確安裝隔熱材。

進入建築物的自然氣流越少，將需要更多的機械通風來維持人體舒適感。高濕度可能是與缺乏氣流相關的重要問題，它會導致凝結，使建築材料腐爛並促進微生物滋生，例如黴菌和細菌。潮氣還會通過形成熱橋（見下文）而大大降低隔熱效果。可以將空氣交換系統主動或被動地合併以解決這些問題。

### 熱橋

熱橋是建築物圍護結構中允許導熱的點。由於熱量流經阻力最小的路徑，因此熱橋會導致較差的能量性能。當材料在整個溫度差中形成一條連續的路徑時就會形成熱橋。在該路徑中，熱量的流動不會因隔熱而中斷。較差的絕緣體的常見建築材料包括玻璃和金屬。

建築物設計在結構的某些區域的隔熱能力可能有限。常見的建築設計基於雙頭螺栓牆，其中熱橋常見於木質或鋼製雙頭螺栓和托梁，通常用金屬固定。最常見的缺乏足夠絕緣的區域是建築物的拐角處，以及為了確保系統基礎設施而已移走絕緣或移去絕緣的區域，例如配電箱（插座和電燈開關），管道，火災報警設備等。

熱橋也可以通過不協調的結構來創建，例如通過在完全絕緣外牆之前將其關閉。壁腔內缺乏絕緣的無法接近的空隙的存在可能是熱橋的來源。

某些形式的絕緣材料在潮濕時更容易傳遞熱量，因此在這種狀態下也可以形成熱橋。

可以通過以下任何一種方式使導熱最小化：減小橋的橫截面積，增加橋的長度或減少熱橋的數量。

減少熱橋效應的一種方法是在外牆外部安裝隔熱板（例如，泡沫板 EPS XPS，木纖維板等）。另一種方法是使用隔熱木材框架在牆內進行熱破壞。 

### 安裝

在建築過程中對建築物進行隔熱比翻新要容易得多，因為通常情況下，隔熱層是隱藏在建築結構內的，需要解構才能對建築物的隔熱層進行施工。

## 用料

本質上，建築隔熱可分為兩種類型：體積隔熱和反射隔熱。大多數建築物使用兩種類型的組合來構成整個建築物的隔熱系統。所使用的絕緣材料類型相匹配，可為建築物的三種熱傳遞形式（傳導、對流和輻射）中的每一種產生最大的阻力。

### 保溫材料的分類

根據三種熱交換方式，我們在建築中使用的絕大部分隔熱材料可分為兩類：導電和對流絕緣體以及輻射隔熱層。並且有更詳細的分類來區分不同的材料。許多隔熱材料通過在分子之間形成微小的空氣腔而起作用，該空氣腔可大大減少通過材料的熱交換。但是有兩個例外，它們不使用氣孔作為其功能部件來防止熱量傳遞。一種是反射隔熱材料，它通過在一側或兩側貼附金屬箔而形成輻射屏障，從而形成了一個很大的空間，這種隔熱材料主要減少了輻射熱傳遞。儘管附著在材料上的拋光金屬箔只能阻止輻射傳熱，但其阻止傳熱的作用卻非常明顯。另一個不使用空氣腔的絕熱材料是真空絕熱材料，真空絕熱板可以阻止各種對流和傳導，還可以大大減輕輻射熱傳遞。但是真空絕熱的有效性也受到材料邊緣的限制，因為真空板的邊緣會形成熱橋，從而導致真空絕熱的有效性降低。真空絕緣的有效性也與真空板的面積有關。

### 導電和對流絕緣子

大塊絕緣子會阻止傳導熱傳遞和對流流入或流出建築物。材料越密，導熱性就越好。因為空氣的密度很低，所以空氣是非常差的導體，因此是很好的絕緣體。阻止傳導熱傳遞的絕緣材料利用纖維之間，泡沫或塑料氣泡內部以及閣樓等建築空腔中的空隙。這在主動冷卻或加熱的建築物中是有益的，但在被動冷卻的建築物中可能是一個缺點。需要有足夠的通風或輻射冷卻措施 。

#### 纖維絕緣材料

纖維材料是由直徑很小的纖維製成的，這些纖維均勻地分布在空氣空間中。 常用的材料是二氧化矽，玻璃，岩棉和礦渣棉。玻璃纖維和礦棉是這種類型中使用最廣泛的兩種絕緣材料。

#### 蜂窩絕緣材料

蜂窩狀絕緣層由彼此分開的小蜂窩組成。 常見的多孔材料是玻璃和泡沫塑料，例如聚苯乙烯，聚烯烴和聚氨酯。

### 輻射熱障

輻射屏障與空氣空間協同工作，以減少輻射熱量跨空氣空間的傳遞。輻射絕緣或反射絕緣可以反射熱量，而不是吸收熱量或讓熱量通過。經常會看到使用輻射屏障來減少向下的熱流，因為向上的熱流傾向於以對流為主。這意味著對於閣樓，天花板和屋頂，它們在炎熱的氣候中最有效。 它們還可以減少涼爽氣候下的熱損失。但是，通過添加大塊絕緣子可以實現更大的絕緣（請參見上文）。

某些輻射屏障具有光譜選擇性，與其他波長相比，將優先減少紅外輻射的流量。例如，低輻射率（low-e）窗戶會將光和短波紅外能量傳輸到建築物中，但會反射室內家具產生的長波紅外輻射。同樣，特殊的熱反射塗料比可見光能反射更多的熱量，反之亦然。

熱發射率值可能最好地反映了輻射屏障的有效性。一些製造商引用了這些產品的「等效」 R 值，但這些數字可能難以解釋，甚至會產生誤導，因為 R 值測試是在實驗室環境中測量總熱量損失，而不控制造成熱量損失的類型。最終結果（輻射，傳導，對流）。

灰塵或濕氣的薄膜會改變發射率，從而改變輻射屏障的性能。

### 環保保溫

環保絕緣是用於對環境影響有限的絕緣產品的術語。確定絕緣產品（但實際上任何產品或服務是否環保）的普遍接受的方法是進行生命周期評估（LCA）。大量研究比較了絕緣材料在其應用中對環境的影響。比較表明，最重要的是產品的絕緣值是否符合應用的技術要求。僅在第二步驟中，材料之間的區別才有意義。比利時政府委託 VITO 撰寫的報告 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）是此類研究的一個很好的例子。圖形化表示這種結果的一種有價值的方法是使用蜘蛛圖 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）。

## 參考資料