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住宅建筑圍護結構保溫性能的確定分析
  • 發(fā)布日期：2012-08-06      瀏覽次數：2965

      • 摘要：根據北京地區(qū)實際的住宅建筑方案，針對當地冬、夏季不同的室外氣象條件，采用建筑熱環(huán)境模擬軟件DeST，計算分析了房間耗熱量和耗熱量指標隨住宅外圍護結構保溫狀況的變化。通過分析比較，初步確定滿足冬、夏季住宅節(jié)能要求的外圍護結構保溫性能。 
          關鍵詞：住宅建筑 外圍護結構 耗熱量指標 耗冷量指標
          1 前言
      　　在節(jié)能住宅的設計中，圍護結構的保溫狀況是影響住宅冬、夏季能耗指標的重要因素。我國現(xiàn)行的《民用建筑節(jié)能設計標準（采暖居住建筑部分）》從降低冬季采暖能耗的角度，詳細規(guī)定了北方各采暖地區(qū)住宅圍護結構構件傳熱系數的上限值，但這些限值主要是根據冬季的室外氣象參數確定的，并沒有考慮當地夏季室外氣象條件的變化特點。而對于某些采暖地區(qū)（如北京），其室外氣象條件的特點是冬季寒冷和夏季炎熱。此外，作為影響住宅熱狀況的另一個重要外擾，太陽輻射對各個朝向的作用又是有所差別的。因此，為了以zui少的投入獲得的保溫效果，應同時考慮室外氣象條件變化的動態(tài)性和方向性對住宅圍護結構保溫性能的不同要求，合理地確定住宅外墻及屋面的保溫性能。
      　　住宅節(jié)能的主要目的是在滿足人體熱舒適的基礎上，盡可能地降低機械系統(tǒng)的使用能耗。因此，本文以北京地區(qū)實際的住宅建筑作為研究對象，采用建筑熱環(huán)境模擬分析軟件DeST，分析住宅建筑外墻和屋面保溫性能的變化對房間冬季耗熱量指標和夏季（6、7、8月）耗冷量指標的影響，并初步確定同時滿足冬、夏季住宅節(jié)能要求的外圍護結構的保溫性能。
          2 研究方法及工具
      　　采用計算模擬分析的方法。相比于實驗研究，這種方法可以方便有效地研究不同住宅建筑方案在各種內擾和外擾作用下的室內熱狀況特性（室溫和負荷）。
      　　模擬分析的工具是清華大學空調教研組經過20年時間研究開發(fā)的DeST軟件。該軟件對建筑熱過程模擬的可靠性已通過傅里葉變換方法，在不同建筑物結構和不同室內外熱擾狀況下得到了驗證。因此，在建筑描述、室外氣象條件、室內熱擾量及室溫設定值定的情況下，可通過DeST模擬分析。住宅耗熱量指標和耗冷量指標的全年逐時變化情況。 
          3 研究對象
      　　3.1 建筑形式
      　　研究對象為普通的5層居民住宅樓，其標準層的平面布局見圖1所示。
      　　為了簡化問題，選取取底層、中間層（3層）和頂層的中間段及東、西端頭的南、北向房間，分析它們的耗熱量和耗冷量指標的變化。這些房間的功能均為臥室，房間的朝向分別為南向、北向、東南向、東北向、西南向和西北向。 
          3.2 圍護結構
      　　圍護結構材料的選擇應保證它們的傳熱系數不超過新節(jié)能標準中所規(guī)定的相應限值。各部分圍護結構構件的具體構造及其傳熱系數見表1所列。 　　
      　　　

      表1　圍護結構構件及其傳熱系數（W/（m2·K））

       

      構件 具體構造 傳熱系數

      外墻
      內墻
      屋頂
      　　
      樓板
      樓地
      外門
      外窗

      加氣砼300mm。
      砼隔墻140mm，內、外各抹20mm的石灰砂漿
      加氣砼保溫屋面，防水珍珠巖保溫100mm，鋼肋砼150mm，內、外抹灰分別 為15mm和20mm
      鋼肋砼150mm，上下抹灰均勻為20 mm。
      砼保溫樓地，碎石40mm，聚苯保溫150mm，內抹灰20mm。
      單層陽臺木制外門
      單層塑鋼外窗，尺寸120mm×1500mm，5mm平板玻璃。

      0.96
      1.14
      0.54
      　　
      0.70
      0.29
      6.31
      4.70
      3.3 室內熱擾量
      　　住宅臥式內熱源（照明燈具、家用電器及人體）的平均散熱狀況見表2所列。這是通過對100戶住宅內熱源散熱狀況的調查數據統(tǒng)計整理得出。
      　　　表 2 住宅臥室內熱源的逐時散熱狀況
      內熱源 人員總數或功率 運行模式
      人員 2人 0：00～8：00：*，8：00～12：00及15：00～19：00：18%，13：00～14：00：60%，20：00：25%，21：00：40%，22：00：50%，23：00：60%。
      照明燈具 45W 0：00：20%，1：00～18：00：3%，19：00：20%，20：00：30%，21：00：40%，22：00～23：00：50%。
      家用電器 110W 0：00：20%，1：00～18：00：3%，19：00：55%，20：00～22：00：80%，23：00：40%。
          3.4 室外氣象的條件
      　　全年逐時的外溫和太陽輻射值可通過氣象數據隨機生成軟件Medpha得出，它們能夠代表北京地區(qū)室外氣象條件歷年變化的平均狀況。另一方面，為了更真實地反映住宅熱過程的實際變化，在模擬計算中還考慮了南向陽臺底板對太陽直射遮擋所導致的南外墻和南外窗所實際接受太陽輻射的變化，以及冬季由于門窗縫隙的滲透所導致室內外0.5次的通風換氣和夏季的夜間通風。
      　　3.5 室溫的設定值
      　　冬季的室溫設定值為16℃，夏季為28℃。 
          4 冬季耗熱量分析
      　　冬季室外氣象條件的特點是外溫總是低于室溫，從而使得室內熱量向室外散失，而太陽輻射對降低房間冬季耗熱量又總是有利的因素。因此，失熱與得熱這兩者對住宅冬季能耗的影響是相反的?！　?
      　　不同朝向房間的耗熱量指標相差較大。其中南向房間的耗熱量指標zui低，并已達到節(jié)能標準所規(guī)定的要求，北向房間稍偏高，而東北、西北、東南及西南房間則明顯增加。這是由于南向房間所接受的太陽輻射熱較大而外墻面積又較?。欢鴮τ跂|北、西北、東南及西南向房間，外墻表面積的加大同時，導致了房間所接受太陽輻射熱和室內向室外散熱的增加，而太陽輻射熱增加的幅度要小于室內室外散熱的增加幅度，因此，房間的冬季耗熱量指標增加。而不同樓層房間相比較，底層、中間層和頂層對應房間的耗熱量指標則相差較小，這說明通過屋面向室外散失的熱量與所接受的太陽輻射熱基本相等。因此，住宅房間冬季耗熱量指標的大小主要與房間外圍護結構的朝向及其面積大小有關。 　　
      　　各個房間相比較，南向房間耗熱量指標降低的幅度均比對應的北向房間低。因此，南向外墻單獨保溫的效果不如北外墻的好。而同一房間的不同外墻相比較，東、西向及北向外墻單獨保溫后房間耗熱量指標降低的幅度基本相符，這說明這三個朝向外墻單獨保溫的效果基本一致。并且這些雙朝向房間的所有外墻保溫后，其耗熱量指標降低的幅度接近30%，要好于北外墻的單獨保溫效果。而對于屋面保溫，頂層房間的耗熱量指標反而增加。分析圖2和圖3可看出，外墻保溫效果與房間耗熱量指標的變化趨勢相同，即房間的耗熱量指標越大，外墻保溫后的效果越明顯。而對于屋面，由于太陽輻射對室內熱狀況的影響較大，增加其保溫性能反而會增加房間的耗熱量。因此，住宅建筑屋面的保溫性能存在一個臨界值。
      　　根據上述的分析，住宅建筑外圍護結構保溫性能的確定，也應根據其朝向及面積小大采用不均勻分布的原則。對于本文的研究對象。由于東、西向及北向外墻的保溫效果基本一致而且比南向外墻及屋面的保溫效果好；另一方面，東北、西北、東南及西南向房間的耗熱量指標要高于北向房間的耗熱量指標，而南向房間的則已滿足節(jié)能標準的要求。因此，除北墻外，應著重加強東、西外墻的保溫，而對南墻和屋面不采取保溫措施。表3 具體列出了均勻和不均勻保溫方案的保溫狀況及保溫材料的總消耗量。表4列出了在兩種不同的保溫方案下，頂層各房間的耗熱量指標以及各房間對應于南向房間的相對耗熱量指標。
      　

       

      表3 均勻和不均勻方案的圍護結構保溫材料（聚苯板）的厚度（mm）及總消耗量（m3）

       

      　　
      東向保溫材料
      西向保溫材料
      南向保溫材料
      北向保溫材料
      總消耗量

      均勻保溫方案

      不均勻保溫方案

      30

      80

      30

      80

      30

      0

      30

      20

      74.5

      43.4

       

      　　　　　　　　　表4 均勻和不均勻方案下頂層房間的耗熱量指標（w/m2）及相對耗熱量（%）

       

      　　
      保溫方案
      房間朝向
      總和
      南向
      北向
      東南
      西南
      東北
      西北
      耗熱量指標
      （w/m2）
      均勻
      13.9
      15.4
      20.5
      20.4
      21.5
      22.2
      114
      不均勻
      15.9
      15.5
      19.7
      19.6
      19.8
      19.6
      110
      相對耗熱量指標
      （%）
      均勻
      1.0
      1.1
      1.5
      1.5
      1.5
      1.6
      　
      不均勻
      1.0
      0.97
      5 夏季耗冷量分析
      　　北京夏季室外氣象條件的特點是白天的外溫高于室溫，太陽輻射強烈，從而導致熱量由室外向室內傳遞；而夜間外溫則基本處在較舒適的溫度范圍內。鑒于室外氣象條件的特點，住戶一般白天拉窗簾，夜間開窗通風，因此，在模擬分析住宅夏季熱狀況時，應考慮夜間通風，本文設定夜間通風的換氣次數為4次。　　　　　　
          很明顯，頂層房間的耗冷量指標要遠大于中間層和底層的房間，而不同朝向的耗冷量指標的差異則很小，但房間耗冷量指標隨朝向的變化趨勢與耗熱量指標相似。南向房間的耗冷量指標zui小，東北、西北、東南及西南向房間的耗冷量指標則較大，北向房間的介于其中。由于太陽輻射對住宅夏季熱狀況是非常不利的因素，而南外墻由于南向陽臺底板對太陽直射的遮擋作用，使得其接受的太陽輻射熱zui少；東、西向外墻的夏季太陽輻射得熱zui高，北向介于其中。因此，外圍護結構接受太陽輻射熱的增加相應會提高對其保溫性能的要求，故滿足冬、夏季住宅節(jié)能所要求的外墻保溫性能相同。這與圖5所示的結果基本一致。不同房間相比較，東外墻和西外墻的保溫效果*。而同一房間相比較，各房間均是屋面保溫后，耗冷量指標降低的幅度要遠遠大于其它外墻，這是由于屋面所接受的太陽輻射熱構成了頂層房間夏季得熱的主要部分。因此，與冬季狀況不同的是為了滿足夏季的住宅節(jié)能，應加大頂層房間屋面的保溫熱阻值。
      　　外墻保溫后，部分房間的耗冷量指標反而有所增加。這是由于圍護結構保溫性能的增加不利于夜間室內向室外散發(fā)熱量。因此，應加大室內、外的夜間通風換氣，以充分利用室外的低溫環(huán)境降低室溫而達到減少能耗的目的。在相同的保溫狀況下，分別對應于不同的夜間通風條件，頂層各房間夏季耗冷量指標相對于基本狀況的變化幅度。
      　　加大夜間通風后，各個房間的耗冷量指標降低幅度都得到明顯增加。故為了滿足住宅的夏季節(jié)能要求，除增強外圍護結構，尤其屋面的保溫性能外，應著重加大室內、外的夜間通風換氣。
      　　但在上一節(jié)的分析中得出：住宅屋面的保溫性能存在一個臨界值，超過這個臨界值，房間的耗熱量指標反而會加大。因此，冬夏季不同的室外氣象條件對屋面保溫性能的要求是相互矛盾的。
      　　住宅房間耗冷量指標隨屋面?zhèn)鳠嵯禂稻€性變化增加的趨勢十分明顯，而房間耗熱量指標雖然隨屋面?zhèn)鳠嵯禂档募哟蠖档?，但降低的幅度非常小。因此，屋面保溫性能對住宅夏季耗冷量指標的影響要比對冬季耗熱量指標的影響大，故屋面的保溫性能應主要根據夏季的室外氣象條件決定。
          6 結語
      　　住宅建筑外圍護結構保溫性能的確定，應根據其朝向及面積大小采取不均勻分布的原則，其中外墻的保溫性能主要由冬季的室外氣象條件決定，而屋面保溫性能的確定應主要保證降低頂層房間夏季耗冷量指標的大小，同時綜合考慮頂層房間冬季耗熱量指標的變化。由于本文僅以一個住宅建筑方案作為研究對象，故對住宅建筑圍護結構保溫性能的定量還有待于今后更深入的研究

     
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