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住宅建筑围护结构保温性能的确定分析
更新时间：2012-08-06      阅读：3194

摘要：根据北京地区实际的住宅建筑方案，针对当地冬、夏季不同的室外气象条件，采用建筑热环境模拟软件DeST，计算分析了房间耗热量和耗热量指标随住宅外围护结构保温状况的变化。通过分析比较，初步确定满足冬、夏季住宅节能要求的外围护结构保温性能。 
    关键词：住宅建筑 外围护结构 耗热量指标 耗冷量指标
    1 前言
　　在节能住宅的设计中，围护结构的保温状况是影响住宅冬、夏季能耗指标的重要因素。我国现行的《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》从降低冬季采暖能耗的角度，详细规定了北方各采暖地区住宅围护结构构件传热系数的上限值，但这些限值主要是根据冬季的室外气象参数确定的，并没有考虑当地夏季室外气象条件的变化特点。而对于某些采暖地区（如北京），其室外气象条件的特点是冬季寒冷和夏季炎热。此外，作为影响住宅热状况的另一个重要外扰，太阳辐射对各个朝向的作用又是有所差别的。因此，为了以zui少的投入获得的保温效果，应同时考虑室外气象条件变化的动态性和方向性对住宅围护结构保温性能的不同要求，合理地确定住宅外墙及屋面的保温性能。
　　住宅节能的主要目的是在满足人体热舒适的基础上，尽可能地降低机械系统的使用能耗。因此，本文以北京地区实际的住宅建筑作为研究对象，采用建筑热环境模拟分析软件DeST，分析住宅建筑外墙和屋面保温性能的变化对房间冬季耗热量指标和夏季（6、7、8月）耗冷量指标的影响，并初步确定同时满足冬、夏季住宅节能要求的外围护结构的保温性能。
    2 研究方法及工具
　　采用计算模拟分析的方法。相比于实验研究，这种方法可以方便有效地研究不同住宅建筑方案在各种内扰和外扰作用下的室内热状况特性（室温和负荷）。
　　模拟分析的工具是清华大学空调教研组经过20年时间研究开发的DeST软件。该软件对建筑热过程模拟的可靠性已通过傅里叶变换方法，在不同建筑物结构和不同室内外热扰状况下得到了验证。因此，在建筑描述、室外气象条件、室内热扰量及室温设定值定的情况下，可通过DeST模拟分析。住宅耗热量指标和耗冷量指标的全年逐时变化情况。 
    3 研究对象
　　3.1 建筑形式
　　研究对象为普通的5层居民住宅楼，其标准层的平面布局见图1所示。
　　为了简化问题，选取取底层、中间层（3层）和顶层的中间段及东、西端头的南、北向房间，分析它们的耗热量和耗冷量指标的变化。这些房间的功能均为卧室，房间的朝向分别为南向、北向、东南向、东北向、西南向和西北向。 
    3.2 围护结构
　　围护结构材料的选择应保证它们的传热系数不超过新节能标准中所规定的相应限值。各部分围护结构构件的具体构造及其传热系数见表1所列。 　　
　　　

表1　围护结构构件及其传热系数（W/（m2·K））

 

构件 具体构造 传热系数

外墙
内墙
屋顶
　　
楼板
楼地
外门
外窗

加气砼300mm。
砼隔墙140mm，内、外各抹20mm的石灰砂浆
加气砼保温屋面，防水珍珠岩保温100mm，钢肋砼150mm，内、外抹灰分别 为15mm和20mm
钢肋砼150mm，上下抹灰均匀为20 mm。
砼保温楼地，碎石40mm，聚苯保温150mm，内抹灰20mm。
单层阳台木制外门
单层塑钢外窗，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 室内热扰量
　　住宅卧式内热源（照明灯具、家用电器及人体）的平均散热状况见表2所列。这是通过对100户住宅内热源散热状况的调查数据统计整理得出。
　　　表 2 住宅卧室内热源的逐时散热状况
内热源 人员总数或功率 运行模式
人员 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%。
照明灯具 45W 0：00：20%，1：00～18：00：3%，19：00：20%，20：00：30%，21：00：40%，22：00～23：00：50%。
家用电器 110W 0：00：20%，1：00～18：00：3%，19：00：55%，20：00～22：00：80%，23：00：40%。
    3.4 室外气象的条件
　　全年逐时的外温和太阳辐射值可通过气象数据随机生成软件Medpha得出，它们能够代表北京地区室外气象条件历年变化的平均状况。另一方面，为了更真实地反映住宅热过程的实际变化，在模拟计算中还考虑了南向阳台底板对太阳直射遮挡所导致的南外墙和南外窗所实际接受太阳辐射的变化，以及冬季由于门窗缝隙的渗透所导致室内外0.5次的通风换气和夏季的夜间通风。
　　3.5 室温的设定值
　　冬季的室温设定值为16℃，夏季为28℃。 
    4 冬季耗热量分析
　　冬季室外气象条件的特点是外温总是低于室温，从而使得室内热量向室外散失，而太阳辐射对降低房间冬季耗热量又总是有利的因素。因此，失热与得热这两者对住宅冬季能耗的影响是相反的。　　
　　不同朝向房间的耗热量指标相差较大。其中南向房间的耗热量指标zui低，并已达到节能标准所规定的要求，北向房间稍偏高，而东北、西北、东南及西南房间则明显增加。这是由于南向房间所接受的太阳辐射热较大而外墙面积又较小；而对于东北、西北、东南及西南向房间，外墙表面积的加大同时，导致了房间所接受太阳辐射热和室内向室外散热的增加，而太阳辐射热增加的幅度要小于室内室外散热的增加幅度，因此，房间的冬季耗热量指标增加。而不同楼层房间相比较，底层、中间层和顶层对应房间的耗热量指标则相差较小，这说明通过屋面向室外散失的热量与所接受的太阳辐射热基本相等。因此，住宅房间冬季耗热量指标的大小主要与房间外围护结构的朝向及其面积大小有关。 　　
　　各个房间相比较，南向房间耗热量指标降低的幅度均比对应的北向房间低。因此，南向外墙单独保温的效果不如北外墙的好。而同一房间的不同外墙相比较，东、西向及北向外墙单独保温后房间耗热量指标降低的幅度基本相符，这说明这三个朝向外墙单独保温的效果基本一致。并且这些双朝向房间的所有外墙保温后，其耗热量指标降低的幅度接近30%，要好于北外墙的单独保温效果。而对于屋面保温，顶层房间的耗热量指标反而增加。分析图2和图3可看出，外墙保温效果与房间耗热量指标的变化趋势相同，即房间的耗热量指标越大，外墙保温后的效果越明显。而对于屋面，由于太阳辐射对室内热状况的影响较大，增加其保温性能反而会增加房间的耗热量。因此，住宅建筑屋面的保温性能存在一个临界值。
　　根据上述的分析，住宅建筑外围护结构保温性能的确定，也应根据其朝向及面积小大采用不均匀分布的原则。对于本文的研究对象。由于东、西向及北向外墙的保温效果基本一致而且比南向外墙及屋面的保温效果好；另一方面，东北、西北、东南及西南向房间的耗热量指标要高于北向房间的耗热量指标，而南向房间的则已满足节能标准的要求。因此，除北墙外，应着重加强东、西外墙的保温，而对南墙和屋面不采取保温措施。表3 具体列出了均匀和不均匀保温方案的保温状况及保温材料的总消耗量。表4列出了在两种不同的保温方案下，顶层各房间的耗热量指标以及各房间对应于南向房间的相对耗热量指标。
　

 

表3 均匀和不均匀方案的围护结构保温材料（聚苯板）的厚度（mm）及总消耗量（m3）

 

　　
东向保温材料
西向保温材料
南向保温材料
北向保温材料
总消耗量

均匀保温方案

不均匀保温方案

30

80

30

80

30

0

30

20

74.5

43.4

 

　　　　　　　　　表4 均匀和不均匀方案下顶层房间的耗热量指标（w/m2）及相对耗热量（%）

 

　　
保温方案
房间朝向
总和
南向
北向
东南
西南
东北
西北
耗热量指标
（w/m2）
均匀
13.9
15.4
20.5
20.4
21.5
22.2
114
不均匀
15.9
15.5
19.7
19.6
19.8
19.6
110
相对耗热量指标
（%）
均匀
1.0
1.1
1.5
1.5
1.5
1.6
　
不均匀
1.0
0.97
5 夏季耗冷量分析
　　北京夏季室外气象条件的特点是白天的外温高于室温，太阳辐射强烈，从而导致热量由室外向室内传递；而夜间外温则基本处在较舒适的温度范围内。鉴于室外气象条件的特点，住户一般白天拉窗帘，夜间开窗通风，因此，在模拟分析住宅夏季热状况时，应考虑夜间通风，本文设定夜间通风的换气次数为4次。　　　　　　
    很明显，顶层房间的耗冷量指标要远大于中间层和底层的房间，而不同朝向的耗冷量指标的差异则很小，但房间耗冷量指标随朝向的变化趋势与耗热量指标相似。南向房间的耗冷量指标zui小，东北、西北、东南及西南向房间的耗冷量指标则较大，北向房间的介于其中。由于太阳辐射对住宅夏季热状况是非常不利的因素，而南外墙由于南向阳台底板对太阳直射的遮挡作用，使得其接受的太阳辐射热zui少；东、西向外墙的夏季太阳辐射得热zui高，北向介于其中。因此，外围护结构接受太阳辐射热的增加相应会提高对其保温性能的要求，故满足冬、夏季住宅节能所要求的外墙保温性能相同。这与图5所示的结果基本一致。不同房间相比较，东外墙和西外墙的保温效果*。而同一房间相比较，各房间均是屋面保温后，耗冷量指标降低的幅度要远远大于其它外墙，这是由于屋面所接受的太阳辐射热构成了顶层房间夏季得热的主要部分。因此，与冬季状况不同的是为了满足夏季的住宅节能，应加大顶层房间屋面的保温热阻值。
　　外墙保温后，部分房间的耗冷量指标反而有所增加。这是由于围护结构保温性能的增加不利于夜间室内向室外散发热量。因此，应加大室内、外的夜间通风换气，以充分利用室外的低温环境降低室温而达到减少能耗的目的。在相同的保温状况下，分别对应于不同的夜间通风条件，顶层各房间夏季耗冷量指标相对于基本状况的变化幅度。
　　加大夜间通风后，各个房间的耗冷量指标降低幅度都得到明显增加。故为了满足住宅的夏季节能要求，除增强外围护结构，尤其屋面的保温性能外，应着重加大室内、外的夜间通风换气。
　　但在上一节的分析中得出：住宅屋面的保温性能存在一个临界值，超过这个临界值，房间的耗热量指标反而会加大。因此，冬夏季不同的室外气象条件对屋面保温性能的要求是相互矛盾的。
　　住宅房间耗冷量指标随屋面传热系数线性变化增加的趋势十分明显，而房间耗热量指标虽然随屋面传热系数的加大而降低，但降低的幅度非常小。因此，屋面保温性能对住宅夏季耗冷量指标的影响要比对冬季耗热量指标的影响大，故屋面的保温性能应主要根据夏季的室外气象条件决定。
    6 结语
　　住宅建筑外围护结构保温性能的确定，应根据其朝向及面积大小采取不均匀分布的原则，其中外墙的保温性能主要由冬季的室外气象条件决定，而屋面保温性能的确定应主要保证降低顶层房间夏季耗冷量指标的大小，同时综合考虑顶层房间冬季耗热量指标的变化。由于本文仅以一个住宅建筑方案作为研究对象，故对住宅建筑围护结构保温性能的定量还有待于今后更深入的研究

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