王 燁，胡文婷，孫鵬寶，王繼承

（蘭州交通大學a.環(huán)境與市政工程學院b.鐵道車輛熱工教育部重點實驗室，蘭州， 730070）

建筑圍護結構對室外條件的熱反應取決于其各組成部分材料的熱性能和它的自身結構，其熱工性能是影響建筑能效的決定性因素［1－2］。隨著建筑節(jié)能目標的不斷提升，與建筑圍護結構有關的研究也取得了大量的成果［3－8］。文獻［9］對現(xiàn)有公共節(jié)能建筑圍護結構進行了熱工性能優(yōu)化，從建筑方位、窗墻比、保溫材料和窗戶類型幾個方面對優(yōu)化方案進行了技術經濟分析。文獻［10］研究了中國夏熱冬冷地區(qū)4個城市高層建筑圍護結構熱工性能在不同季節(jié)的主要影響因素。文獻［11］分析了不同建筑圍護結構外表面裝飾材料在太陽輻射作用下對建筑耗熱的影響。文獻［12］對112種墻和屋頂不同材料組合構成的建筑物進行計算，得到了滿足節(jié)能建筑標準要求的隔熱層參數(shù)，并對計算結果進行了實驗驗證。文獻［13］在分析了建筑圍護結構中6個因素對建筑運行能耗影響的基礎上，采用正交試驗設計方法對建筑圍護結構進行了優(yōu)化設計。由于中國寒冷地區(qū)在地域和低溫時段上的大跨度特點，決定了建筑圍護結構熱工性能在不同城市必然表現(xiàn)出不同的耗能特性［14］。那么，對于具有同一熱工屬性的圍護結構建筑物在同一熱工分區(qū)不同城市負荷間的差異究竟如何呢？關于這一問題，目前還未見報道。本文選取同屬寒冷地區(qū)的蘭州和鄭州作為研究目標所在城市，因它們分別屬于中溫帶大陸性氣候區(qū)和暖溫帶亞濕潤季風氣候區(qū)［15］，在耗能方式和對能耗影響的敏感程度也會有所不同，以此為基礎進行建筑圍護結構優(yōu)化設計，以獲得同一熱工分區(qū)不同城市最佳節(jié)能建筑。

1 建筑模型

1.1 基準房間

為了對不同圍護結構計算房間綜合性能進行評價，引入一個外形、大小、朝向、內部空間劃分和使用功能等基本信息與計算房間相同的假想房間，即為基準房間。蘭州、鄭州兩地的基準房間外墻采用300 mm厚黏土多孔磚，窗戶為6 mm單層玻璃塑鋼窗，南北向窗墻比取0.35。該基準建筑沒有采取任何保溫、遮陽措施，其熱工參數(shù)如表1所示。

表1 基準房間熱工參數(shù)Table 1 Thermal parameters of standard room

1.2 計算房間

計算房間如圖1所示，其進深×開間×高＝6.3 m×4.0 m×3.3 m。該房間位于一幢6層辦公樓的3層西南角位置，西墻和南墻為外墻。窗戶在南墻上。墻體內壁面換熱系數(shù)取8.7 W／（m2·K），外壁面換熱系數(shù)在不同地區(qū)受風速影響較大，應按季節(jié)根據(jù)文獻［16］中給定值采用內插法來確定，如表2所示。圍護結構均按節(jié)能65%標準要求進行設計，其熱工參數(shù)如表3和表4所示。建筑體形系數(shù)為0.25，窗墻比分別取0.15、0.20、0.25、0.30，均符合文獻［17］要求。以下計算分析中，不考慮鄰室傳熱。

圖1 計算房間平面圖Fig.1 calculating room

表2 建筑內外壁面換熱系數(shù)Table 2 Heat transfer coefficients of outer and inner wall surfaces W·（m2·K）－1

表3 外墻構造及熱工參數(shù)Table 3 Outerwall construct and thermal parameters

表4 幾種外窗的傳熱系數(shù)KcTable 4 Heat transfer coefficients of windows［W·（m2·K）－1］

2 負荷計算

2.1 供暖期與空調期確定

供暖期以蘭州和鄭州當?shù)卣P于供暖起止日期的文件規(guī)定為準，蘭州供暖期為11月1日至次年3月31日，共150 d；鄭州供暖期為11月15日至次年3月15日，共120 d。

建筑能耗分析用的DOE2軟件中，是將5月1日至10月31日設定為空調期。實際上由于建筑氣候環(huán)境的多變性及復雜性，各地的經濟水平、人們的生活習慣等各不相同，使得這一設定的空調期在不同城市能耗統(tǒng)計中均存在較大誤差。考慮到所研究城市氣候特點并不需要整日連續(xù)開啟空調，室外白天高溫溫度波經圍護結構的延遲導致晚間室內溫度可能較高，這可以通過開窗等措施以自然通風方式來降低室內溫度。因此，根據(jù)文獻［18］中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，將蘭州在6月1日至8月31日期間逐時溫度高于26℃的小時數(shù)折算為20個空調連續(xù)運行日；將鄭州在6月1日至9月15日期間逐時溫度高于26℃的小時數(shù)折算為49個空調連續(xù)運行日。這一確定方法和當?shù)貙嶋H氣溫變化以及人們日常生活中的節(jié)約行為是一致的。

2.2 熱負荷計算

供暖房間熱負荷包括圍護結構耗熱量、冷風滲透耗熱量。分別計算如下：

2.2.1 圍護結構耗熱量 圍護結構耗熱量包括圍護結構基本耗熱量和附加耗熱量兩部分。

圍護結構基本耗熱量：

式中：K為該面圍護結構的傳熱系數(shù)，W／（m2·℃）；F為該面圍護結構的面積，m2；tn為室內空氣計算溫度，18℃；tw為供暖室外計算溫度，蘭州為－9.0℃，鄭州為－3.8℃；α為溫差修正系數(shù)，外墻取1.0。附加耗熱量：

式中：βch為朝向修正率，?。?0%；βf為風力附加修正率，取0；βfg為房高修正率，2（H－4）≤15，H為房間凈高，m；βjan為間歇修正率，取0。

2.2.2 冷風滲透耗熱量

式中：Qst為冷風滲透耗熱量，W；Cp為干空氣定壓比熱容，Cp＝1.01 kJ／（kg·℃）；ρw為供暖室外計算溫度下的空氣密度，蘭州取1.298 kg／m3，鄭州取1.322 kg／m3；V為房間的冷風滲透體積流量，m3／h，采用換氣次數(shù)法估算冷風滲透體積流量V。

式中：n為換氣次數(shù)，1／h，取0.5；Vf為房間凈體積，m3。

2.3 冷負荷計算

冷負荷是指由于室內外溫差和太陽輻射作用，通過建筑圍護結構傳入室內的熱量形成的冷負荷。主要由透過玻璃窗的日射得熱引起的冷負荷、玻璃窗瞬變傳熱引起的冷負荷、圍護結構瞬變傳熱引起的冷負荷、內部熱源引起的冷負荷4部分組成。

2.3.1 透過玻璃窗的日射得熱引起的冷負荷 透過玻璃窗進入室內的日射得熱分為兩部分，即透過玻璃窗直接進入室內的太陽輻射熱和窗玻璃吸收太陽輻射后傳入室內的熱量。透過玻璃窗進入室內的日射得熱形成的逐時冷負荷按式（5）計算。

式中：Q（τ）1為透過玻璃窗的日射得熱引起的冷負荷，W；Fc為窗口面積，m2；Ca為有效面積系數(shù)；Cs為窗玻璃的遮陽系數(shù)；Ci為窗內遮陽設施的遮陽系數(shù)；Djmax為日射得熱因數(shù)；CLQ為窗玻璃冷負荷系數(shù)。

2.3.2 玻璃窗瞬變傳熱引起的冷負荷 通過玻璃窗的瞬變傳熱引起的逐時冷負荷按式（6）計算。

式中：Q（τ）2為外玻璃窗的逐時冷負荷，W；Kc為外玻璃窗的傳熱系數(shù)，W／（m2·℃）；tc（τ）為外玻璃窗的冷負荷計算溫度的逐時值，℃。

2.3.3 圍護結構瞬變傳熱引起的冷負荷 這里的圍護結構主要指外墻和屋面部分。通過外墻和屋面瞬變傳熱引起的逐時冷負荷按式（7）計算。

式中：Q（τ）3為通過外墻和屋面的逐時冷負荷，W；tw（τ）為外墻和屋面的冷負荷計算溫度的逐時值，℃。

2.3.4 內部熱源引起的冷負荷 室內熱源散熱主要指室內工藝設備散熱、照明散熱和人體散熱3部分。

1）人體散熱形成的冷負荷

人體散熱形成的冷負荷包括了由顯熱散熱和潛熱散熱引起的冷負荷兩部分。顯熱散熱引起的冷負荷按式（8）計算。

式中：Qx（τ）為人體顯熱散熱形成的冷負荷，W；qs為不同室溫和勞動性質成年男子顯熱散熱量，W；n為室內全部人數(shù)；φ為群集系數(shù)，辦公室群集系數(shù)取φ＝0.90；CLQ為人體顯熱散熱冷負荷系數(shù)。

人體潛熱散熱引起的冷負荷按式（9）計算。

式中：Qq（τ）為人體潛熱散熱形成的冷負荷，W；q1為不同室溫和勞動性質成年男子潛熱散熱量W。

2）照明散熱形成的冷負荷

照明燈具散熱形成的逐時冷負荷按式（10）計算。

式中：Qd（τ）為照明散熱形成的冷負荷，W；n1為鎮(zhèn)流器消耗功率系數(shù)，取1.0；n2為燈罩隔熱系數(shù)，取0.55；N為照明工具所需功率，k W；CLQ為照明散熱冷負荷系數(shù)。

3）室內設備散熱形成的冷負荷

室內電腦、電視機等的散熱形成的冷負荷按式（11）計算［19］。

式中：Qs（τ）為室內設備散熱形成的冷負荷，W；CLQ為設備散熱冷負荷系數(shù)；N為電動設備的安裝功率；k W；η為電動機效率；n1為利用系數(shù)，即電動機最大實效功率與安裝功率之比，一般可取0.7～0.9；n2為電動機負荷系數(shù)，對計算機可取1.0；n3為同時使用系數(shù)，一般取0.5～0.8。

2.4 基準房間負荷計算

根據(jù)基準房間圍護結構參數(shù)及兩城市相關設計參數(shù)，按照2.1～2.3節(jié)計算過程，可得基準房間負荷，如表5所示。

表5基準房間負荷匯總表Table 5 Heating and cooling loads of standard room

2.5 熱工參數(shù)對負荷的影響

表3中4種外墻類型、表4中3種外窗類型以及4個窗墻比組合，形成48個不同熱工屬性的圍護結構計算房間。按照2.1～2.3節(jié)計算過程，可得不同房間在不同季節(jié)位于不同城市時的年累積供暖熱負荷、年累積空調冷負荷以及全年總負荷。下面給出其他條件不變，外墻類型、外窗類型以及窗墻比變化時不同計算房間負荷計算結果。

2.5.1 外墻類型對負荷的影響 圖2為外墻傳熱系數(shù)變化時計算房間在兩地的負荷計算結果，蘭州和鄭州地區(qū)各12種方案。圖2（a）為外窗1、窗墻比取0.15、4種外墻類型對應的負荷計算結果；圖2（b）為外窗2、窗墻比取0.2時4種外墻類型對應的負荷計算結果；圖2（c）為外窗3、窗墻比取0.25時4種外墻類型對應的負荷計算結果。圖2（a）中4個方案對應熱負荷均在7.0×106～8.5×106k W 之間變化；圖2（b）中4個方案對應熱負荷均在8.3×106～9.7×106k W之間變化；圖2（c）中4個方案對應熱負荷均超過了9.8×106k W。各方案對應的空調冷負荷在蘭州和鄭州地分別穩(wěn)定在2×106和6.0×106k W左右。外墻傳熱系數(shù)增大27.4%，窗墻比為0.15時，方案4比方案1的供暖期累積熱負荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了19.0%和20.4%，窗墻比為0.2時，方案20比方案17的供暖期累積熱負荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了15.8%和17.1%，窗墻比為0.25時，方案36比方案33的供暖期累積熱負荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了13.2%和14.4%。這說明即使按照65%的節(jié)能標準選擇圍護結構，具有不同參數(shù)的圍護結構組合對應的熱負荷差異也很大，而且，同一圍護結構建筑物在鄭州地區(qū)的熱負荷對外墻類型的敏感性要高于在蘭州地區(qū)的情況。這也為地方設計規(guī)范和節(jié)能標準的制定、實施提供了思路。

圖2 外墻類型對兩地建筑負荷的影響Fig.2 Influence of outwall type on building load of two cities

2.5.2 外窗類型對負荷的影響 圖3為不同外窗類型時計算房間在兩地的負荷計算結果，蘭州和鄭州地區(qū)各12種方案。圖3（a）為外墻1、窗墻比取0.15時4種外窗類型對應的負荷計算結果；圖3（b）為外墻2、窗墻比取0.2時4種外窗類型對應的負荷計算結果；圖3（c）為外墻3、窗墻比取0.25時4種外窗類型對應的負荷計算結果；圖3（d）為外墻4、窗墻比取0.3時4種外窗類型對應的負荷計算結果。各方案對應的空調冷負荷在蘭州地區(qū)基本上穩(wěn)定在2×106k W左右，在鄭州地區(qū)基本上穩(wěn)定在6.0×106k W左右。外窗傳熱系數(shù)增大74%，窗墻比為0.15時，方案9比方案1的供暖期累積熱負荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了11.9%和12.7%，窗墻比為0.2時，方案22比方案14的供暖期累積熱負荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了13.8%和14.9%，窗墻比為0.25時，方案35比方案27的供暖期累積熱負荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了15.4%和16.9%，窗墻比為0.3時，方案48比方案40的供暖期累積熱負荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了16.8%和18.3%?？梢钥闯觯獯皩傩詫︵嵵莸貐^(qū)建筑熱負荷的影響要比蘭州地區(qū)明顯一些，但隨著外墻傳熱系數(shù)和窗墻比的同時增大，這一差異在逐漸減小。

圖3 外窗類型對兩地建筑負荷的影響Fig.3 Influence of window type on building load of two cities

2.5.3 不同窗墻比下負荷比較 圖4為不同窗墻比時計算房間在兩地的負荷計算結果，蘭州和鄭州地區(qū)各12種方案。圖4（a）為外墻1、外窗1時4種窗墻比對應的負荷計算結果；圖4（b）為外墻2、外窗2時4種窗墻比對應的負荷計算結果；圖4（c）為外墻3、外窗3時4種窗墻比對應的負荷計算結果。各方案對應的空調冷負荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別在2×106和6.0×106k W左右。窗墻比增大了100%，方案37比方案1的供暖期累積熱負荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了23.8%和19.9%，方案42比方案6的供暖期累積熱負荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了25.7%和22.7%，方案47比方案11的供暖期累積熱負荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了28.3%和25.4%。窗墻比對蘭州地區(qū)建筑熱負荷的影響要比鄭州明顯一些，但隨著外窗和外墻傳熱系數(shù)同時增大，窗墻比對建筑熱負荷的影響在逐漸減弱。

圖4 外窗類型對兩地建筑負荷的影響Fig.4 Influence of window-to-wall ratio on building load of two cities

2.5.4 各因素綜合影響下負荷及節(jié)能率比較 圖5為各因素綜合影響下48種圍護結構構造方案對應的建筑負荷在蘭州和鄭州兩地區(qū)的變化趨勢。可以看出，蘭州地區(qū)的冷負荷隨各因素變化很微弱，但熱負荷變化顯著，呈鋸齒狀分布，年總負荷變化趨勢與熱負荷變化趨勢比較接近；鄭州地區(qū)的冷負荷隨各因素變化也很微弱，熱負荷變化較顯著，也呈鋸齒狀分布，年總負荷變化趨勢與熱負荷變化趨勢比較接近。對于前24種方案，鄭州的全年累積總負荷稍高于蘭州地區(qū)的水平，后面24種方案，兩者基本持平。

圖5 各因素綜合影響下建筑負荷Fig.5 Building loads under collective factors

圖6為不同方案構造圍護結構對應的負荷與基準建筑圍護結構對應的負荷相比較所得節(jié)能率計算結果?？梢钥闯?，蘭州地區(qū)的節(jié)能率變化范圍基本上在35%～58%之間波動，在48種構造方案中，方案1的節(jié)能率最高，為58%，方案48的節(jié)能率最低，為35%；鄭州地區(qū)的節(jié)能率變化范圍基本上在29%～49%之間波動，在48種構造方案中，方案1的節(jié)能率最高，為49%，方案48的節(jié)能率最低，為29%。這說明圍護結構熱工性能對建筑負荷的敏感

圖6 節(jié)能率比較Fig.6 Comparison of energy saving

性是與氣候條件密切相關的，如何合理結合當?shù)貧夂蛱卣鲀?yōu)化建筑圍護結構是建筑節(jié)能工作的重要內容之一。

3 結論

以蘭州和鄭州地區(qū)作為研究對象所在城市，4種外墻類型、3種外窗類型及4個窗墻比組合形成48種可能的圍護結構，計算了年熱負荷、年冷負荷以及全年總負荷，比較了各計算房間在蘭州和鄭州地區(qū)的節(jié)能率。得到了如下主要結論：

1）按照65%的節(jié)能標準選擇圍護結構，具有不同參數(shù)的圍護結構組合對應的熱負荷差異也很大，而且，同一圍護結構建筑物在鄭州地區(qū)的熱負荷對外墻類型的敏感性要高于在蘭州地區(qū)的情況。

2）外窗類型對鄭州地區(qū)建筑熱負荷的影響要比對蘭州地區(qū)建筑熱負荷的影響明顯，但隨著外墻傳熱系數(shù)和窗墻比的同時增大，這一差異在逐漸減小。

3）窗墻比對蘭州地區(qū)建筑熱負荷的影響要比對鄭州地區(qū)建筑熱負荷的影響明顯，但隨著窗戶和外墻傳熱系數(shù)的同時增大，窗墻比對建筑熱負荷的影響在逐漸減弱。

4）獲得了同屬寒冷地區(qū)的蘭州和鄭州地區(qū)的最優(yōu)建筑圍護結構，相對于本文構造的基準建筑，在蘭州和鄭州地區(qū)的節(jié)能率分別為58%和49%。

［1］Balaji N C，Venkatarama R B V.Discerning heat transfer in building materials ［J］.Energy Procedia，2014，54：654-668.

［2］Hu R，Niu J L.A review of the application of radiant cooling ＆ heating systems in Mainland China ［J］.Energy and Buildings，2012，52：11-19.

［3］Zou P H，Zhao Q F，Ren X C，et al.Study on the rule of indoor air temperature falling in damage accident of heat-supply network ［J］.Journal of Harbin Institute of Technology：New Series，2007，14：190-193.

［4］Zhou J J，Zhang G Q，Lin Y L，et al.Coupling of thermal mass and natural ventilation in buildings［J］.Energy and Buildings，2008，40（6）：979-986.

［5］Carlini M，Allegrini E，Zilli D，et al.Simulating heat transfers through the building envelope：A useful tool in the economical assessment［J］.Energy Procedia，2014，45：395-404.

［6］ Sotehi N， Chaker A. Numerical analysis of simultaneous heat and mass transfer in cork lightweight concretes used in building envelopes ［J］.Physics Procedia，2014，55：429-436.

［7］Dong H R，Qi S M.Application of double-sided heat flow meter in testing of overall heat transfer coefficient of building envelope ［J］.Applied Mechanics and Materials，2013，353／354／355／356：2872-2876.

［8］Petrosova D V，Kuzmenko N M，Petrosov D V.A field experimental investigation of the thermal regime of lightweight building envelope construction ［J］.Magazine of Civil Engineering，2013，43（8）：31-37.

［9］Huang J N，Lyu H L，Gao T，et al.Thermal properties optimization of envelope in energy-saving renovation of existing public buildings［J］.Energy and Buildings，2014，75：504-510.

［10］Yu J H，Tian L W，Yang C Z，et al.Sensitivity analysis of energy performance for high-rise residential envelope in hot summer and cold winter zone of China［J］.Energy and Buildings，2013，64：264-274.

［11］Chen J P，Dong H R.Influence of solar radiation of external decorative materials on heat consumption of buildings［J］.Advanced Materials Research，2012，512／513／514／515：2758-2761.

［12］Ashok K，Suman B M.Experimental evaluation of insulation materials for walls and roofs and their impact on indoor thermal comfort under composite climate［J］.Building ＆ Environment，2013，59：635-643.

［13］Zhu J J，Chew D A S，Lyu S N，et al.Optimization method for building envelope design to minimize carbon emissions of building operational energy consumption using orthogonal experimental design （OED）［J］.Habitat International，2013，37：148-154.

［14］GB 50176—93民用建筑節(jié)能設計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1993.

GB 50176—93 Civil building energy saving design specification ［S］.Beijing：China Building Industry Press，1993.

［15］中華人民共和國建設部.GB 50178—1993建筑氣候區(qū)劃標準［S］.北京：中國計劃出版社，1993.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.GB 50178—1993 Standard of climatic regionalization for architecture［S］.Beijing：China Planning Press，1993.

［16］陸耀慶.實用供熱空調設計手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

Lu Y Q.Practical heating air conditioning design manual ［M］. Beijing： China Building Industry Press，2007.

［17］中華人民共和國建設部.GB 50189—2005公共建筑節(jié)能設計標準［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.GB 50189—2005 Design standard for energy efficiency of public buildings［S］.Beijing：China Building Industry Press，2005.

［18］中國氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學建筑技術科學系.中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

Meteorological information center data room of China meteorological administration，Department of building science of Tsinghua University.China building thermal environment analysis of meteorological data ［M］.Beijing：China Building Industry Press，2005.

［19］陸亞俊，馬最良，鄒平華.暖通空調［M］.2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

Lu Y J，Ma Z L，Zou P H.Heating，ventilation and air conditioning［M］.second edition.Beijing：China Building Industry Press，2007.

（編輯王秀玲）