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建筑围护结构，通俗地说是指建筑物的四周或“外壳”，如墙体、门窗等，它通过保持均匀的室内温度来抵御恶劣的天气、风和阳光。从技术上讲，建筑围护结构是一个工程系统，它包括结构完整性、湿度控制、温度控制和气压边界在内的许多元素结合到一个单一的设计策略中，旨在最大限度地提高建筑物的总能源使用量。建筑围护结构是基础设施设计的关键组成部分，因为它在内部环境和外部环境之间提供了物理屏障。建筑围护结构可在各种天气条件下，提供高质量风、水、热、光和噪音物理屏障抵御能力。建筑围护结构可以分为三个主要部分：屋顶、墙壁和基础，每个组成密不可分，构成了建筑物的整体结构支撑。在结构层面上，建筑围护结构是由多种材料组成的一系列复合层，包括玻璃、木材、干墙、单板等等。这些材料中的每一种都显示出独特的热特性，建筑设计师在设计最节能的结构时必须考虑这些材料不同特性。
建筑材料的热性能主要通过确定其组件的热导率来获得，这直接对应于材料有效传递热量的能力。具有高导热率值的材料将促进热传递。理想情况下，建筑围护结构应主要由导热率值极低的材料组成，并包含严格充当热隔热体的附加材料，进一步阻止热量从结构内部向外部移动，反之亦然。敦促建筑设计师选择正确的材料组合来自然调节热量运动，而无需昂贵的机械加热和冷却系统。他们选择的所有组件将作为一个单元相互作用，以执行四个关键功能：结构支撑、湿度管理、温度调节和气流调节。后三个是对确保房屋节能、舒适和可持续发展影响最大的特征。
建筑围护结构通常根据其性能分为“紧”或“松”。松散的建筑围护结构允许空气传输，这可以改善室内空气质量并消除对额外机械通风的需要。尽管松散的建筑围护结构可以提供清新的空气，但也因其通风性，让室内温度保温性能降低。由于机械系统需要额外的能源消耗，气流的增加与有害温室气体排放的增加直接相关。就建筑供暖和制冷而言，通风良好的建筑围护结构可能会导致屋主的能源账单大幅飙升。更节能的围护结构将采用紧凑的设计，可以对室内空气质量、温度、湿度水平和能源消耗进行更高程度的控制。紧凑的建筑围护结构设计更加强调选择隔热、嵌缝、胶带和密封剂等有利于散热的材料的重要性。使用额外的密封材料很难出错，因为它们会降低水分侵入的可能性，水分过多会导致霉变或发霉，并且会完全限制不受控制的气流和热量损失。
选择合适的材料无疑是确保建筑围护结构高效的一个重要方面，然而，为了最大限度地发挥其隔热性能，正确使用这些材料几乎同样重要。建筑围护结构的不同区域需要不同的材料，这取决于它们在环境条件下的暴露程度，或者它们在提供建筑结构方面的依赖程度。建筑物的基础提供了大部分的结构，因为它的主要作用是将建筑物经历的重量荷载传递到下面的基底。建筑物基础的结构构件通常由钢筋混凝土墙、板和底座组成。混凝土的导热系数约为0.8 W/（m/K），设计用于控制室内空间内外的水分和热能转移。水是一种天然的导热体，能催化热量的流动，因此，建筑围护结构的防水涂层对阻止水分渗透非常重要。建筑师通过将液体沥青或涂布膜施加到暴露表面来做防水地基；然而，同样重要的是要确保水有地方可以排出，这样它就不会被周围的基质重新吸收。许多承包商将包括在建筑物周边排水，以防止应用于地基的防水膜长期淹没在水下。
除了建筑物的基础外，建筑围护结构的其他方面在选择材料时必须考虑，包括屋面系统、窗户玻璃、门、烟囱、通风口和烘干机/炉子。每个组件的位置和配置将根据气候和单个建筑美学而有所不同。尽管所有这些组件在设计上都被视为独立的实体，但在建造建筑或住宅时，它们被视为一个整体系统。总的来说，建造一个节能型住宅的成本要比尝试翻新一个已有的建筑要低。世界各地都有建筑规范，以确保结构在一定程度上限制其能源使用，然而，在大多数情况下，超过这些最低要求对经济和环境更有利。
窗户是空气泄漏的主要入口，在建筑围护结构中起屏障作用的能力往往被忽视。在寒冷的气候下，经常使用三层玻璃窗来防止风或雪进入室内。双窗格玻璃窗被认为在温度较舒适的气候下同样有效。窗户被赋予称为 U 值的效率等级，数字越小效率越高。类似的动态系统用于对隔热进行分级，该系统使用 R 值完成。这个数字描述了隔热材料抵抗热量通过它的能力。用更科学的术语来说，R值被称为材料的热阻，与材料所表达的热导率成反比。与U值不同，材料的R值越高，其抵抗传热的效率就越高。
保温隔热材料种类、材料类型多样，需要考虑其如何适应各种应用和建筑需求。在现有结构中，通常在表面上涂抹隔热层，然后涂上防水面漆。喷射泡沫是一种很受欢迎的选择或隔热混凝土泡沫，设计用于在浇筑混凝土时就地浇筑。随着全球市场继续转向使用更环保材料的建筑，隔热混凝土泡沫（ICF）的受欢迎程度一直在上升。理想情况下，安装在建筑物中的隔热层的导热系数应小于0.1W/（m/K）。
隔热材料分为三类，即矿物纤维、泡沫塑料和植物/动物衍生材料。矿物纤维包括岩棉、矿渣棉和玻璃棉等材料，所有这些都可以从回收的废物中获取。这些天然材料在使用寿命结束时也可以重复使用，用于多种行业的未来应用。泡沫塑料产品是油衍生产品，包括硬质聚氨酯、酚醛、发泡聚苯乙烯和挤塑聚苯乙烯。这些产品通常以松散填充物、硬质板材或泡沫的形式提供。过去，这些产品的生产涉及使用多种臭氧消耗剂，如氟氯烃。自1987年《蒙特利尔议定书》实施以来，这些有害物质被禁止使用，这些隔热塑料的生产开始使用中性碳氢化合物作为替代品。大多数隔热塑料都有回收利用的能力，但这是一个非常耗时和费力的过程，因此它们通常在使用寿命结束时被焚烧以回收能量。植物和动物源性隔热材料是另一种正在成为工厂生产产品的环保替代品的产品。这些类型的隔热材料包括纤维素纤维、羊毛、棉花和亚麻，所有这些材料通常以纤维、棉絮或压缩板的形式出现。它们的生产涉及化学处理，以确保水和耐火性等性能得到维持，然而，这种处理过程使它们难以回收用于未来的应用，并通过焚烧回收能量。
建筑围护结构隔热材料的开发出现了两个新趋势，其中包括创新地使用相变材料 (PCM) 和天然原材料作为隔热材料。PCM 的功能基于潜热储存原理，该原理指出“当温度升高时，潜热储存器的温度不会增加，但介质会从一种物理状态变为另一种物理状态，从而存储能量。” 在发生了几次相变之后，温度只会升高一个可检测的量。当发生相变时，反应中涉及的潜热等于存储介质的熔化热或结晶热。PCM 的主要优点是可以在狭窄的温度范围和各种环境条件下储存大量的热量或冷量。这些创新材料仍处于研发阶段，但由于重量轻、易于应用且与传统施工方法兼容，它们是一项很有前途的技术。
隔热领域的第二个新兴趋势是使用原材料、天然材料作为隔热材料。一种风靡世界的地球衍生隔热材料的例子就是未经处理的稻草捆。这些草捆夹在耐火包层材料（如金属或基础包层）之间，以克服与它们易发生火灾相关的潜在风险。空气是另一种用于建筑围护结构隔热的天然元素，因为它的导热率极低，约为 0.025W/(m/K)。通过在壁腔中设计气隙来利用空气隔热，以提高隔热性能。单独使用气隙对于温带地区的建筑物是不够的，但在温和的气候条件下就足够了。
在大多数发达国家，建筑围护结构必须包括符合当地管辖法规的隔热材料。拥有足够隔热的房屋主要是为了确保能源效率并为居住者维持健康的生活环境。对高质量隔热产品的广泛需求为隔热制造商提供了一个相当稳定的市场，他们继续在隔热产品的生产中扩展和体现新的和改进的设计。与特定种类的隔热材料相关的成本是根据材料的每单位面积（尺寸）和每单位热导率值的计算机模型确定的。松散填充产品的安装成本通常较低，因为它们更容易安装。然而，松散填充隔热通常缺乏防止水分渗透和害虫侵扰的保护，与其他产品相比，这大大降低了它们的长期耐用性。还需要考虑一种隔热材料的维护成本，比如地窖塑料在初次安装后几乎不需要维护。在为家庭选择隔热材料之前，气候、建筑材料类型和水分暴露等其他因素都是重要的考虑因素。
随着全球许多地区继续实施碳税，气候问题也越来越受到全球决策者的重视，拥有一个节能住宅变得更加重要。由于对能源的高需求和使用不可持续的资源来获取这种能源，北美普通家庭消耗的能源量是一个主要的经济和环境问题。住宅和建筑占美国总能源使用量的40%以上，而降低这种高需求的最简单方法之一就是提高建筑围护结构的热效率。随着时间的推移，这将限制对不可再生、排放温室气体的燃料的依赖，这些燃料是目前威胁我们地球健康的无数气候问题的根源。
作者：Kallista Wilson |技术指导| Thermtest
参考文献：
Building envelope thermal insulation—Energy Efficiency | CTCN. (n.d.). Retrieved June 22, 2021, from https://www.ctc-n.org/technologies/building-envelope-thermal-insulation
Energy efficient building design—Energy Education. (n.d.). Retrieved June 21, 2021, from https://energyeducation.ca/encyclopedia/Energy_efficient_building_design
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Your Full Guide to The Building Envelope [2020 Edition]. (2020, May 27). ECHOtape. https://www.echotape.com/blog/contractors-field-guide-building-envelope/
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