阮 方，錢曉倩，錢匡亮，傅 新

(浙江大學 建筑工程學院，杭州 310058)

人行為模式對外墻內外保溫節(jié)能效果的影響

阮 方，錢曉倩，錢匡亮，傅 新

(浙江大學 建筑工程學院，杭州 310058)

針對現行夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準中規(guī)定的連續(xù)用能方式與該地區(qū)實際用能情況存在嚴重偏離的問題，在該氣候區(qū)典型城市杭州開展居民空調用能行為的問卷調研，發(fā)現本地區(qū)居住建筑普遍具有間歇用能的特點，空調開啟行為受人體熱感受影響，室內氣溫偏離人體舒適度范圍越大空調開啟率越高.然后，采用DeST建筑能耗模擬軟件分析不同類別用能方式下居住建筑外墻內外保溫的全年節(jié)能效果.結果表明，在連續(xù)用能方式下，外保溫的全年節(jié)能效果優(yōu)于內保溫；在不考慮容忍溫度的間歇用能方式下，內保溫的全年節(jié)能效果優(yōu)于外保溫.容忍溫度可變的情況下，內外保溫節(jié)能效果相同的容忍溫度臨界點為夏季31.8 ℃、冬季13.4 ℃.當容忍溫度低于臨界點時，內保溫節(jié)能效果更優(yōu)；當容忍溫度高于臨界點時，外保溫節(jié)能效果更優(yōu).合理規(guī)定節(jié)能設計標準中的空調運行工況是準確評價外墻保溫措施節(jié)能效果的重要前提.

夏熱冬冷；居住建筑；外保溫；內保溫；間歇用能；容忍溫度

目前國內外大量研究表明，建筑的實際運行能耗不僅與圍護結構和空調系統(tǒng)的性能有關，很大程度上還與使用者的行為密切相關[1-3].根據日常經驗，居住者開關空調的行為受室內氣溫與人體耐受度的綜合影響.只有當室內溫度環(huán)境偏離人體舒適區(qū)域(高于或低于某一水平)時，形成了對人體的有效刺激，居住者才會產生開啟空調的動作.以夏季制冷為例，當室內環(huán)境溫度達到26～30 ℃時，高耐受度的人員可能不會選擇開啟空調，當環(huán)境溫度高于30 ℃后，人員才開啟空調，室內溫度便從30 ℃降至26 ℃.而按照目前中國各地區(qū)建筑節(jié)能設計的規(guī)范計算工況，人員在室時段內，當室內環(huán)境溫度高于空調設定值26 ℃后空調便開啟，沒有考慮居住者對溫度具有一定耐受性的客觀情況.因此，實際人行為下建筑采暖及制冷負荷可能遠低于按規(guī)范規(guī)定公開計算出的軟件模擬值.

中國的夏熱冬冷地區(qū)居住建筑中，夏季制冷及冬季采暖時空調運行普遍具有間歇啟停的特點[4-5].目前，夏熱冬冷地區(qū)居住建筑圍護結構熱工設計中，基本沿用嚴寒及寒冷地區(qū)外墻外保溫的形式，其實際節(jié)能效果并不理想，節(jié)能率遠低于預期[6].這一現象可能是由本地區(qū)居住建筑現行節(jié)能設計標準中規(guī)定的用能方式與該地區(qū)實際情況存在偏離導致的.外墻外保溫在標準工況下節(jié)能效果顯著，但在實際工況下可能效果甚微.燕達等[7]模擬分析了一棟上海地區(qū)居住建筑后發(fā)現，外墻外保溫在連續(xù)采暖方式下節(jié)能效果顯著，而在間歇用能方式下節(jié)能量很少.目前，國內外對于實際人行為模式下，夏熱冬冷地區(qū)居住建筑外墻內外保溫的全年節(jié)能效果罕有文獻報導.對此，本文在夏熱冬冷地區(qū)的典型城市杭州開展了大規(guī)模的居民空調用能行為問卷調研，理清本地區(qū)的實際采暖及制冷的空調用能行為模式.采用DeST建筑能耗模擬分析軟件[8]，對夏熱冬冷地區(qū)一棟實際建筑進行了全年動態(tài)模擬分析，研究不同人行為方式對本地區(qū)居住建筑外墻內外保溫全年節(jié)能效果的影響.

1 問卷調研

此次問卷調研時間為2014年10月，調研對象為杭州市居民，主要調查住戶在采暖及制冷時空調設備的使用情況.調研共發(fā)放500份問卷，回收有效問卷422份.

臥室空調使用方式情況如表1所示，大部分住戶選擇看情況開空調(夏季制冷時為98.3%，冬季采暖為82.7%).在選擇開情況的住戶中，夏季制冷空調行為及其概率如表2所示，最符合實際情況的居民使用方式是覺得熱時開空調，覺得冷時或者起床之后關空調.冬季采暖時的空調行為及其概率如表3所示，最符合實際情況的是覺得冷時開空調，覺得熱時關.綜合表1～3可知，夏熱冬冷地區(qū)居住建筑臥室空調采暖及制冷具有間歇用能的特點，且空調開啟行為受人體熱感受影響.

表1 臥室空調使用方式Tab.1 A/C operation pattern for bedroom %

表2 臥室夏季制冷空調行為Tab.2 Bedroom occupant behavior for summer cooling %

表3 臥室冬季采暖空調行為Tab.3 Bedroom occupant behavior for winter heating %

2 計算模型

2.1 建筑信息

模擬建筑所在地為杭州，建筑共4層，層高3 m，窗墻比0.3.建筑標準層如圖1所示，圖中房間A～D為用能房間.夏熱冬冷地區(qū)居住建筑大多采用分室用能方式(以房間為單位進行制冷或采暖)，因此，可以按戶為單位進行能耗分析.本文只將第3層的計算結果用于討論分析，便于除去頂層和底層的影響，使結論更具代表性.建筑圍護結構熱工參數如表4所示.

圖1 模型中建筑中間層布置Fig.1 Layout of typical floor in the building model

2.2 空調參數及作息設定

本模型中用能房間采用分體空調進行溫度調節(jié).空調參數設定參照本地區(qū)節(jié)能設計標準[9]的規(guī)定：室內控制溫度分別為18 ℃(采暖)和26 ℃(制冷).空調運行時段空氣滲透換氣次數為1.0 次/h，空調關閉時段自然通風換氣次數范圍取1.0～5.0 次/h.室內平均得熱強度取4.3 W/m2.采暖期為當年12月1日至次年2月28日；空調期為6月15日至8月31日.根據調研結果，將人行為典型工況抽象為表5所示的3種模式，其中考慮容忍溫度的間歇運行模式又分為3檔容忍溫度度等級.間歇用能方式的人員在室時段為22：00至次日6：00.

表4 建筑模型圍護結構熱工參數Tab.4 Thermal parameters of building envelop for the building model

表5 不同空調運行模式Tab.5 Different A/C operation modes

3 結果分析

3.1 不同用能模式下的空調作息

不保溫方式下房間A在不同空調運行模式下，臥室空調全年開啟情況如圖2 (a)～ (j)所示.橫坐標表示空調開啟時刻，縱坐標表示采暖及空調期的具體日期，黑色部分為空調開啟時段.圖2(a)、(b)為連續(xù)用能方式下臥室空調啟停情況，實際上夏熱冬冷地區(qū)臥室空調在整個采暖及空調期內連續(xù)開啟的情況不多見.圖2(c)、(d)為不考慮容忍溫度的間歇用能方式臥室空調開啟情況，采暖及空調期內空調基本上在22:00—次日6:00全部開啟，此用能模式下空調開啟情況與連續(xù)用能模式相比，離實際情況更近，但是與夏熱冬冷地區(qū)臥室空調實際的開啟情況仍然有一定距離.圖2(e)～(j)為考慮不同容忍溫度等級的間歇用能方式臥室空調開啟情況，可以看出，在考慮容忍溫度的間歇用能方式下，采暖及空調期的空調設備開啟頻率更貼近本地區(qū)的用能實際.

圖2 不同運行模式下的臥室空調開啟情況Fig.2 Bedroom air conditioning operating situation under different operation modes

3.2 不同運行模式下的年采暖及空調能耗

對于夏熱冬冷地區(qū)居住建筑，采暖及制冷基本上以用電為主，由于用電設備不同能效比也不同.因此，本文中的制冷能耗(采暖能耗)定義為考慮能效比之前的空調制冷(熱)量，總能耗定義為制冷能耗加采暖能耗.不同保溫方式建筑在不同空調運行模式下的全年能耗如圖3(a)～(c)所示，間歇運行方式下空調全年能耗顯著低于連續(xù)運行方式.結合圖2(a)、(b)可知，在連續(xù)采暖時，白天室內溫度大多超過空調設定溫度，空調自動停止，而連續(xù)制冷時則大部分時間空調會全天連續(xù)開啟.因此，圖3顯示，間歇用能相對連續(xù)用能而言全年采暖能耗的減少程度小于全年制冷能耗.

隨著容忍度的逐漸增加，全年能耗逐漸減小.目前已有文獻給出了本地區(qū)夏季空調用能行為下的容忍度水平，而本地區(qū)冬季容忍度水平還未見文獻報道.文獻[10-12]中的研究表明，模式3b更符合本地區(qū)夏季實際的用能工況.

表6為各容忍度等級間歇運行模式下空調設備全年運行小時數統(tǒng)計結果.容忍度越高，空調運行小時數會顯著減小.進一步通過表6計算出在全年間歇用能時間段內，各保溫方式建筑的房間A在不同溫度區(qū)間的全年小時數分布，如圖4所示.特定溫度區(qū)間范圍內小時數越多，此溫度區(qū)間相關的兩種容忍度等級的用能方式空調開啟時長相差也越多.如圖4顯示，溫度在(12,14]及(30,32]范圍的小時數分布最多，因此，高容忍度(模式3c)空調運行模式下全年能耗減小最為明顯.

圖3 不同保溫方式建筑在不同空調運行模式下的全年能耗

Fig.3 Annual total energy consuming amount of different buildings in different A/C operation mode

表6 間歇運行模式下空調設備全年運行時間

Tab.6 Annual A/C operating time under the intermittent operation mode h

墻體類型無容忍度低容忍度中容忍度高容忍度采暖制冷采暖制冷采暖制冷采暖制冷不保溫716503675449555354325184外保溫717504672449519344271184內保溫716500671448532354288192

3.3 不同運行模式下內外保溫的節(jié)能效果

外墻內外保溫在不同空調運行模式下的全年節(jié)能量如圖5(a)～(c)所示.由圖5(a)、(b)可以看出，外墻內外保溫的全年采暖節(jié)能量均高于制冷，一方面是因為冬季室內外溫差大于夏季，更好地發(fā)揮了材料的保溫效果；另一方面是因為保溫層令內墻及樓板等內圍護結構在白天接收的太陽輻射熱得以保存，這有利于冬季保溫，卻不利于夏季散熱.

圖4 不同溫度區(qū)間的全年小時數分布

Fig.4 Distribution of hours in different temperature range throughout the year

圖5 外墻內外保溫在不同空調運行模式下的全年節(jié)能量

Fig.5 Annual energy saving amount of external and internal insulation in different A/C operation mode

在連續(xù)用能(模式1)方式下，外墻外保溫的全年采暖及制冷效果均好于內保溫.在空調連續(xù)開啟的情況下，墻體能夠憑借較高的熱容儲存空調的制冷和制熱量，進而維持室內空氣溫度穩(wěn)定，若保溫層置于外墻外側能有效減少墻體和室外環(huán)境之間的熱交換，從而降低建筑冷熱負荷；若保溫層置于外墻內側，則室內空氣溫度穩(wěn)定性較差，空調反復啟停，節(jié)能效果較差.

與連續(xù)用能相反，在間歇用能(模式2)方式下，外墻內保溫的全年采暖及制冷效果均好于外保溫.在空調間歇開啟的情況下，墻體蓄熱的過程一直伴隨在整個空調用能周期內，成為了空調負荷的主要部分[13-15]，若保溫層置于內側，則大部分空調的制冷及制熱量可以用于改變空氣溫度，從而更有效地降低建筑空調負荷.圖6為冬季典型日(01月01日)，不同保溫方式的房間A能耗隨時間逐時變化.在空調開啟的第1個小時，空調的供熱主要用于加熱空氣.不保溫房間比內外保溫房間室溫更低，因此，第1個小時內外保溫方式的房間能耗差異不大，且均小于不保溫方式房間.在間歇用能接下來的幾個小時，對不保溫或者外保溫而言，由于墻體較大的熱容，使得墻體傳熱伴隨在整個間歇用能時段.若保溫層放置在外墻內側，則可以有效減少墻體蓄熱造成的熱負荷.因此，在空調開啟的第2～8小時，內保溫房間逐時熱負荷低于外保溫房間.

圖6 冬季典型日各保溫方式房間熱負荷逐時變化

Fig.6 Heating load change situation of rooms with different insulation methods on one typical day in winter

在不同容忍溫度等級的間歇用能(模式3a～3c)方式下，外墻內外保溫相對全年的節(jié)能效果也不同.如圖5(a)、(b)所示，在低檔及中檔溫度耐受等級的情況下，外墻內保溫全年采暖及制冷節(jié)能效果好于外保溫；而在高檔的溫度耐受等級情況下，外墻外保溫全年采暖及制冷節(jié)能效果比內保溫更好.這是因為中低檔容忍溫度的間歇用能方式下，內保溫減少了空氣與墻體之間的傳熱.而在高容忍度的間歇用能方式下，空調用能均發(fā)生在室內外溫差較大的天氣環(huán)境下，此時墻體蓄熱的優(yōu)勢得以發(fā)揮.若保溫層在內側則空調反復啟停，節(jié)能效果不大，而保溫層在外側則可以更好地利用墻體蓄熱，穩(wěn)定室內溫度.進一步計算可得，在本文的建筑模型條件下，外墻內外保溫節(jié)能效果相同的容忍溫度臨界點為夏季31.8 ℃、冬季13.4 ℃.

容忍度越高，空調運行時間越少，外墻保溫的全年節(jié)能量理論上也會越小.但事實上圖5(a)、(b)顯示，僅內保溫在制冷時會出現容忍度越高節(jié)能量越少的情況.造成這一現象的原因是隨著容忍度的升高，大多數情況下外墻保溫相比不保溫而言其空調運行小時數減小的更多，這一點從圖4可以得到驗證.圖4中，對于采暖情況而言，從無容忍度等級到高容忍度等級，外墻內外保溫空調設備全年運行小時數的減小程度均顯著高于不保溫方式，這與圖5(a)中外墻內外保溫全年采暖總節(jié)能量隨著容忍度的增加而增加的結果相符.對于制冷情況而言，僅外墻外保溫在(28，30]的溫度區(qū)間內的小時數顯著高于不保溫，這也與圖5(b)中僅外墻外保溫的模式3b的全年制冷節(jié)能量高于模式3a的結果相符.外墻內外保溫能不同程度地緩解外界環(huán)境溫度波動對室內的影響，因此，出現了越高溫度耐受性行為方式下節(jié)能量越大的現象.

4 結 論

1)夏熱冬冷地區(qū)居住建筑普遍具有間歇用能的特點，空調開啟行為受人體熱感受影響，室內氣溫偏離人體舒適度范圍越大空調開啟率越高.

2)在連續(xù)用能方式下，外墻外保溫的全年采暖及制冷效果均好于內保溫.在不考慮容忍溫度等級的間歇用能方式下，外墻內保溫的全年采暖及制冷效果均好于外保溫.

3)在不同容忍溫度等級的間歇用能方式下，外墻內外保溫的相對節(jié)能效果也不同.在低檔及中檔溫度耐受等級的情況下，外墻內保溫全年采暖及制冷節(jié)能效果好于外保溫；而在高檔的溫度耐受等級情況下，外墻外保溫全年采暖及制冷節(jié)能效果比內保溫更好.外墻內外保溫節(jié)能效果相同的容忍溫度臨界點為夏季31.8 ℃，冬季13.4 ℃.

在夏熱冬冷地區(qū)居住建筑圍護結構節(jié)能設計實踐中，應該采用更符合本地區(qū)用能實際的計算工況，才能準確評價不同保溫方式的節(jié)能效果.

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Influence on energy saving effects of internal and external wall insulations for different occupant behaviors

RUAN Fang, QIAN Xiaoqian, QIAN Kuangliang, FU Xin

(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

Aiming at the problem of serious deviation from the actual energy consumption for the calculated energy consumption with the continuous operation mode prescribed in current design standard for residential building energy efficiency in hot summer and cold winter zone, a questionnaire survey for the use mode of air conditioner has been conducted in Hangzhou, a typical city in this climate zone. It was found that there widely exists intermittent energy consuming method in the residential buildings of this area. The air conditioning using behavior was affected by thermal feeling of human body. The greater the indoor air temperature deviates from the the human body comfort scope, the higher the air conditioning opening rate is. DeST was employed to calculate the annual energy consumption of the residential building with internal and external wall insulations under different occupant behaviors, and then the annual energy saving effects were analyzed. The results show that in continuous energy consuming method, the annual energy saving effect for external insulation is better than that for internal insulation; in intermittent energy consuming method without considering tolerate temperature, the annual energy saving effect for internal insulation is better than that for external insulation. Under the condition of variable tolerate temperature, the critical tolerate temperature point for internal and external insulation with the same energy saving effect is 31.8 ℃ in summer and 13.4 ℃ in winter. When tolerate temperature is lower than the critical point, the internal insulation has better energy saving effect; when tolerate temperature is higher than the critical point, the external insulation has better energy saving effect. The choice of reasonable insulation means in this region was greatly affected by the air-conditioning behaviors and occupants’ thermal tolerance. The critical tolerate temperature for the same energy saving of the internal and external insulations is 31.8 ℃ in summer and 13.4 ℃ in winter. Therefore, setting reasonable air-conditioning behavior in the design standard for energy efficiency is an important premise for accurately evaluating the energy saving effect of exterior wall insulation measures.

hot summer and cold winter zone; residential building; external insulation; internal insulation; intermittent energy consuming; tolerate temperature

10.11918/j.issn.0367-6234.2017.02.018

2016-03-07

“十二五”國家科技支撐計劃(2012BAJ12B02)

阮 方(1990—)，男，博士研究生; 錢曉倩(1962—)，男，教授，博士生導師

錢曉倩，qianxq1@zju.edu.cn

TU111

A

0367-6234(2017)02-0109-07