【摘要】本文利用TRNSYS軟件建立了位于典型夏熱冬冷地區(qū)成都市辦公房間的模型，并對其的空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行了模擬，研究了外墻保溫對全年負(fù)荷的影響以及其節(jié)能特性。比較一般外墻與保溫外墻房間的負(fù)荷特性，分別得到了制冷負(fù)荷，供熱負(fù)荷，以及全年負(fù)荷的變化關(guān)系。通過對比這些關(guān)系，分析了外墻保溫在夏熱冬冷地區(qū)的節(jié)能特點(diǎn)，得到了節(jié)能量與制冷供熱負(fù)荷比之間的關(guān)系。

【關(guān)鍵詞】夏熱冬冷地區(qū)；外墻保溫； TRNSYS模擬；節(jié)能特性；

0.引言

在我國，建筑用能已達(dá)到全社會商品用能的三分之一，而且在建筑用能的各個環(huán)節(jié)存在著重大節(jié)能潛力。隨著社會的發(fā)展，人們對工作和生活的環(huán)境要求日益提高，室內(nèi)環(huán)境的舒適性和空氣品質(zhì)越來越受到重視。我國的采暖與空調(diào)能耗大約能占據(jù)整個建筑的能源消耗的55%以上，而由圍護(hù)結(jié)構(gòu)引起的空調(diào)負(fù)荷一般占總負(fù)荷的30%，降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的負(fù)荷，對于建筑節(jié)能有重要現(xiàn)實(shí)意義。在建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，外墻節(jié)能對建筑節(jié)能措施的采用十分重要，在整個建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積中外墻的傳熱面積占據(jù)了66%左右，外墻在傳熱方面的損失占到了外圍護(hù)結(jié)構(gòu)總傳熱損失的約48%左右。因此，外墻的保溫隔熱性能對建筑節(jié)能具有重大的影響。夏熱冬冷地區(qū)，又稱過渡地區(qū)，指的是累年日平均溫度穩(wěn)定低于或等于5℃的日數(shù)為60天至89天，以及累年日平均溫度穩(wěn)定低于或等于5℃的日數(shù)不足60天的地區(qū)，但累年日平均溫度穩(wěn)定低于或等于8℃的日數(shù)大于或等于75天的地區(qū)。其氣候特點(diǎn)是夏季酷熱，冬季濕冷。我國緯度跨度大，夏熱冬冷地區(qū)面積廣，這種地區(qū)一般沒有集中采暖，故空調(diào)運(yùn)行時間長，負(fù)荷大。近年來夏熱冬冷地區(qū)的空調(diào)節(jié)能引起了廣泛的重視，國內(nèi)也有諸多有關(guān)該地區(qū)建筑節(jié)能的研究，閆成文等人對該地區(qū)住宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗比進(jìn)行了研究，分析了各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能潛力。

本文主要研究提高外墻保溫特性之后對夏熱冬冷地區(qū)建筑負(fù)荷的影響與能耗變化情況。用TRNSYS軟件建立典型辦公房間的模型，并計(jì)算其全年空調(diào)負(fù)荷。通過比較分析普通外墻與保溫外墻產(chǎn)生的房間負(fù)荷，得到外墻保溫的節(jié)能特性。

1.外墻保溫方式與結(jié)構(gòu)

1.1 常用的外墻保溫方式

常用的外墻保溫方式可分為三種：1）內(nèi)保溫，2）外保溫，3）中間保溫。由于墻體的中間保溫結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工難度比較大，建筑成本高，故較少用于實(shí)際。外保溫即把保溫層放在主體墻的外側(cè)，這樣做既能保護(hù)外墻主體結(jié)構(gòu)，還能在一定程度上延長建筑物使用壽命。相比于內(nèi)保溫墻體，外保溫墻體的室內(nèi)溫度波動比較小，熱穩(wěn)定性好，能改善人居環(huán)境的舒適度；不易形成熱橋；墻體的防水性和氣密性較好；更重要的一點(diǎn)是：外保溫便于對舊建筑物進(jìn)行節(jié)能改造；可以避免室內(nèi)裝修對保溫層的破壞。所以在本研究中，主要考察外墻外保溫對建筑負(fù)荷的影響以及其節(jié)能效果。

2.1 外墻及外保溫結(jié)構(gòu)

一般外墻使用粘土磚墻+外抹灰層。我們考慮三種外保溫技術(shù)，分別是：巖棉外保溫，EPS板薄抹面外保溫和現(xiàn)澆混凝土復(fù)合EPS板外保溫。

巖棉外保溫：以巖棉為主作為外保溫材料與外層墻體一次成型或采取錨固制成，耐火等級高，保溫效果好，為外保溫系統(tǒng)增強(qiáng)防火性能起著重要的作用?；窘Y(jié)構(gòu)為粘土磚墻+巖棉+外抹灰層。

EPS板薄抹面外保溫：采用聚苯乙烯泡沫塑料板（EPS板）作為建筑物的外保溫材料，當(dāng)建筑主體結(jié)構(gòu)完成后，將苯板用專用粘結(jié)砂漿按要求粘貼上墻。然后在苯板表面抹聚合物水泥砂漿，最后為涂料裝飾面層?；窘Y(jié)構(gòu)為粘土磚墻+EPS板+外抹灰層。

考慮到目前絕大多數(shù)建筑，尤其是高層建筑，實(shí)體墻都采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，所以還得考慮一種常見的混凝土外保溫?，F(xiàn)澆混凝土復(fù)合EPS板外保溫以EPS板為保溫材料，用玻纖網(wǎng)增強(qiáng)抹面層和飾面涂層作為保護(hù)層，在現(xiàn)場澆灌混凝土?xí)r將EPS板置于外模板內(nèi)側(cè)，保溫材料與混凝土基層一次澆筑成型的外墻外保溫系統(tǒng)?；窘Y(jié)構(gòu)為混凝土墻+EPS板+外抹灰層。

2.房間模型與運(yùn)行參數(shù)

2.1 房間模型介紹

本研究主要研究夏熱冬冷地區(qū)外墻保溫的節(jié)能作用，以位于四川省成都市的辦公室作為研究對象。結(jié)構(gòu)尺寸為10m 10m 3m。為了更好地比較和說明外墻保溫所帶來的影響，我們考慮該房間四面都為外墻，其中東向與西向開有窗，根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，取東向窗墻比為0.3，西向窗墻比為0.45。南面日照時間長，輻射得熱量大，故南面墻體的負(fù)荷相比之下比其他墻體高，作為比較我們只對南面外墻進(jìn)行外保溫，其他朝向墻體均為一般外墻（以下稱為基準(zhǔn)墻體）。

2.2 氣象參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)

夏季空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度定為25℃，冬季采暖溫度設(shè)定為18℃。新風(fēng)量根據(jù)人員確定，為30 m3/人·h。滲透風(fēng)量轉(zhuǎn)化成換氣次數(shù)，設(shè)為0.2 / h。室內(nèi)負(fù)荷由人員、設(shè)備以及照明負(fù)荷組，設(shè)備選擇140W的筆記本電腦，數(shù)量為4；照明設(shè)置為20W/m2。按照辦公室的工作特性，將模型中空調(diào)的運(yùn)行時間設(shè)置為工作日運(yùn)行，周末停機(jī)；每天的運(yùn)行時間為8：00 ～18：00，其余時間均停機(jī)。

3.結(jié)果與分析

3.1 比較對象

本文將各朝向都采用基準(zhǔn)墻體的房間模型定義為基準(zhǔn)模型，依次研究將南面墻體加設(shè)巖棉外保溫，EPS板外保溫，以及混凝土EPS板外保溫后對負(fù)荷的影響。

3.2 結(jié)果與分析

本文用TRNSYS軟件建立前面所介紹的房間模型，氣象參數(shù)使用其數(shù)據(jù)庫對應(yīng)城市的氣象數(shù)據(jù)，模擬空調(diào)運(yùn)行的全年負(fù)荷。再將全年能耗分為制冷負(fù)荷與供熱負(fù)荷，分別討論墻壁外保溫對空調(diào)制冷與供熱的影響。

圖1為基準(zhǔn)模型與其他三種模型運(yùn)行后的制冷負(fù)荷與供熱負(fù)荷。從數(shù)值上來看，無論是哪一種模型，夏熱冬冷地區(qū)房間制冷量都是供熱量的兩倍以上。這和該地區(qū)的氣候特點(diǎn)有直接關(guān)系，典型夏熱冬冷地區(qū)的需要制冷的夏季時間長，空調(diào)負(fù)荷大；相反，供熱季時間短，而且室內(nèi)負(fù)荷也承擔(dān)了一部分的熱負(fù)荷，故供熱量較少。

對比制冷負(fù)荷可以看出，外墻進(jìn)行外保溫之后，負(fù)荷并沒有減少，相反還增加了4%。造成這種變化主要有兩點(diǎn)：第一，在制冷季，熱量應(yīng)該從室內(nèi)散發(fā)至室外，否則將會形成室內(nèi)冷負(fù)荷，而保溫外墻的熱阻增大，傳熱系數(shù)減少，將這部分應(yīng)該散發(fā)的熱量阻擋到室內(nèi)，增大了室內(nèi)冷負(fù)荷。第二，保溫層在增大了墻體厚度的同時也增大了墻體的熱容使其蓄熱能力增強(qiáng)，白天室外溫度高于室內(nèi)溫度，墻壁吸收熱量溫度上升；當(dāng)夜間室外溫度下降到室溫以下，墻體卻將這部分熱量釋放到室內(nèi)，從而使室溫增高，增加負(fù)荷。對于供熱季來說，以上分析的兩點(diǎn)恰好能降低供熱負(fù)荷。熱阻的增大更能使得外墻散熱量減少，起到了保溫的作用，而蓄熱能力的增強(qiáng)更利于吸收白天的太陽能來填補(bǔ)室內(nèi)熱負(fù)荷。外保溫墻體的傳熱系數(shù)由大到小依次為巖棉保溫，混凝土EPS保溫，EPS保溫；熱負(fù)荷減少比例則由小到大：18.13%（巖棉保溫），21.58%（混凝土EPS保溫），24.46%（EPS保溫）。

全年負(fù)荷的模擬比較如圖2所示，可以看出，外保溫對全年負(fù)荷的減少作用并不大。最大的節(jié)能量為5.56%（EPS保溫），造成這樣的原因可以從外保溫面積和負(fù)荷組成兩方面分析。模型中進(jìn)行保溫的部分只有南面外墻，僅僅是占全部圍護(hù)結(jié)構(gòu)的1/4，導(dǎo)致計(jì)算后負(fù)荷減少不多。模擬得到的數(shù)據(jù)表明冷負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱負(fù)荷，并且墻體進(jìn)行外保溫之后，冷負(fù)荷還得到了增加。熱負(fù)荷的減少量大部分被冷負(fù)荷的增加量抵消，導(dǎo)致實(shí)際上全年負(fù)荷的減少量降低。

表2給出了基準(zhǔn)墻與外保溫結(jié)構(gòu)模型的具體負(fù)荷變化量。我們可以看出，制冷量的增加量與外墻傳熱系數(shù)沒有直接明顯關(guān)系，負(fù)荷增長量都在4%左右，而且混凝土EPS保溫沒有粘土磚EPS保溫的傳熱效果好，冷負(fù)荷卻少于后者。但是EPS保溫外墻減少了高達(dá)24.46%的供熱負(fù)荷，即使用了巖棉保溫技術(shù)，該減少量也達(dá)到了18.13%，證明外墻外保溫技術(shù)確實(shí)能在供熱季起到很好的節(jié)能效果。

式中A、B分別為供熱量與制冷量，a為供熱量的減少百分比，b為制冷量的減少減少百分比（兩者均變化不大），c為全年負(fù)荷的減少量。將上式變形解得：

在式（4）中，制冷量B值越大，c值越小。當(dāng) 時，c值變?yōu)樨?fù)值，既是全年負(fù)荷開始增加，對外墻進(jìn)行保溫達(dá)不到任何節(jié)能效果。所以，外墻保溫在夏熱冬冷地區(qū)的節(jié)能效果與負(fù)荷組成有關(guān)。冷負(fù)荷所占比重越小，外保溫越節(jié)能；相反，冷負(fù)荷越大，不但節(jié)能量減少，更有可能增加其全年能耗。

3.結(jié)論

通過對典型夏熱冬冷地區(qū)成都市的一間辦公用房進(jìn)行全年空調(diào)負(fù)荷模擬，分別對比基準(zhǔn)墻體與外墻保溫的制冷、供熱以及全年總負(fù)荷，得到外墻保溫對負(fù)荷的影響。通過以上分析，我們可以得到如下結(jié)論：

1）夏熱冬冷地區(qū)建筑外墻的外保溫的確能降低其空調(diào)負(fù)荷，減少了全年能耗， 全年負(fù)荷減少量可以達(dá)到5%。并且，外墻的傳熱系數(shù)越小，保溫性能越好，全年負(fù)荷的減少量越大。不考慮材料的成本時，保溫性能越好的材料越節(jié)能。

2）從供熱負(fù)荷與制冷負(fù)荷的角度來看，夏熱冬冷地區(qū)制冷量遠(yuǎn)大于供熱量。外墻保溫減少了房間的供熱量，但是卻增加了房間的制冷量。雖然全年負(fù)荷減少了，但是增加的制冷量使得這種減少不那么顯著。

3）經(jīng)過分析，負(fù)荷組成直接影響著外保溫的節(jié)能效果。假設(shè)外保溫對供熱負(fù)荷的減少比例與對制冷負(fù)荷的增加比例不變，制冷負(fù)荷越大，全年負(fù)荷的減少量越小。所以，在夏熱冬冷地區(qū)，如果建筑的制冷負(fù)荷遠(yuǎn)大于供熱負(fù)荷，則對外墻進(jìn)行保溫得不到節(jié)能的目的；當(dāng)制冷負(fù)荷相近于供熱負(fù)荷，外墻保溫所帶來的節(jié)能影響才變的顯著。

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