馮雅++南艷麗++鐘輝智

摘要：

如何兼顧冬夏兩季建筑供暖空調(diào)負荷和能耗，保證室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量，確定最適宜的熱工特性，是長期困擾中國南方建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工與節(jié)能設(shè)計的難點。通過對夏熱冬冷和夏熱冬暖地區(qū)建筑在采暖、空調(diào)與自然通風條件下動態(tài)熱過程的分析，研究了這一地區(qū)圍護結(jié)構(gòu)熱特性與能耗的制約關(guān)系，以及對室內(nèi)熱環(huán)境與建筑熱穩(wěn)定性的作用機理。在兼顧冬季保溫與夏季隔熱的情況下，將建筑全年能耗作為控制目標，從室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量、節(jié)能效果、圍護結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性、經(jīng)濟性和實用性等角度評價目前所采用的圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)存在的問題，提出一種適宜南方氣候的建筑圍護結(jié)構(gòu)熱特性指標及構(gòu)造形式。

關(guān)鍵詞：

南方地區(qū)；圍護結(jié)構(gòu)；熱工設(shè)計；節(jié)能設(shè)計

Abstract：

In southern area of china， the problem that balancing heating load in winter with cooling load in summer to ensure indoor thermal comfort when designing building envelop still remains. In this article， the correlation between thermal characteristics of building envelope and energy load is found by analyzing dynamic thermal process of buildings in hot summer and cold（warm）winter zones. In addition， the thermal characteristics of building envelope which affect indoor thermal environment and thermal stability of building are revealed. Also， the impact mechanism of enclosure thermal performance on indoor thermal environment and thermal stability is studied. By taking the balance between winter heat preservation and summer heat dissipation into consideration， the calculation of annual building energy consumption would be carried out， based on which the existing enclosure energysaving method is evaluated from the standpoint of energysaving effect， safety， reliability， economy and practicability. Finally， the climaticsuitable thermal design and its structure type of the enclosure is proposed.

Keywords：

southern area；building envelope；building thermal design；energysaving design

圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱是影響建筑節(jié)能最為重要的因素之一，圍護結(jié)構(gòu)材料的保溫性、耐久性和安全性問題也是國內(nèi)外長期關(guān)注的重點。北美、歐盟、日本等發(fā)達國家采用鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)及木框架結(jié)構(gòu)的建筑占70%以上，圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造主要采用龍骨+保溫隔熱材料+裝飾面板的做法，工業(yè)化水平高，質(zhì)量穩(wěn)定，能很好地解決礦（巖）棉、聚苯乙烯泡沫塑料板（EPS）、聚苯乙烯擠塑泡沫板（XPS）等高效有機保溫隔熱材料作為圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱系統(tǒng)的安全性與可靠性、耐候性、透汽性，以及受熱應(yīng)力影響的膨脹與收縮、裂縫、以及材料體系老化等問題[13]。但對于傳統(tǒng)磚石、混凝土外墻等保溫隔熱體系，國外相關(guān)技術(shù)標準[2]并未做出詳細的性能要求。

中國南方地區(qū)建筑非透明圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱技術(shù)，主要采用歐盟和中國北方外墻外保溫技術(shù)思路，即采用高分子化學類（如聚苯乙烯、酚醛泡沫、聚氨酯等）高效保溫材料、巖棉、無機保溫砂漿等各種外墻外保溫技術(shù)[1，4]。從南方地區(qū)的氣候、資源和10多年建筑節(jié)能工作的實際情況來看，現(xiàn)有技術(shù)無法根本解決圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱技術(shù)體系所存在的固有缺陷。尤其央視文化中心、上海膠州教師公寓等建筑相繼由于外墻外保溫材料引發(fā)火災(zāi)，公安部下發(fā)公消[2011]65號文后，南方地區(qū)大量采用無機保溫隔熱材料技術(shù)體系，但其圍護結(jié)構(gòu)熱工性能與相關(guān)的物理力學性能卻難以達到節(jié)能和建筑的質(zhì)量要求。本文根據(jù)南方目前在保溫隔熱技術(shù)體系、設(shè)計施工等方面的實際情況，從技術(shù)體系、節(jié)能效果、安全性、經(jīng)濟性、實用性等方面進行研究，提出一種圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱設(shè)計方法和構(gòu)造措施，為南方地區(qū)非透明外圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計提供一種新的思路和方法。

1南方建筑非透明墻體圍護結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀與問題

目前，南方建筑的外墻保溫隔熱技術(shù)主要采用EPS（或XPS、聚氨酯）板薄抹灰外保溫系統(tǒng)，EPS膠粉顆粒外保溫隔熱系統(tǒng)，EPS鋼絲網(wǎng)架板現(xiàn)澆混凝土等高分子化學類高效保溫材料的復(fù)合保溫隔熱體系和無機保溫材料保溫隔熱技術(shù)[1，4]。這些外墻復(fù)合保溫隔熱體系的穩(wěn)定性、安全性、防火性、耐候性等物理力學性能與傳統(tǒng)圍護結(jié)構(gòu)相比有很大區(qū)別，很多性能都還沒有經(jīng)過工程的長期檢驗[2]。在實際工程中，室外氣候和材料固有的性能將嚴重影響圍護結(jié)構(gòu)的耐候性、安全性、使用功能，以及建筑的質(zhì)量[3]。而且，這些保溫隔熱墻體的使用壽命不可能與現(xiàn)有的磚、鋼筋混凝土等材料同壽命。從外墻復(fù)合保溫隔熱施工來看，大都要經(jīng)過界面層處理、粘接劑涂抹、保溫隔熱層施工、抗裂保護層施工（抗裂沙漿、抗裂玻纖布或鋼絲網(wǎng)、抹面層）等6～7道工序。相對傳統(tǒng)圍護結(jié)構(gòu)而言，施工復(fù)雜、要求高。

從南方圍護結(jié)構(gòu)外保溫隔熱工程包工包料的市場價格分析，EPS膠粉顆粒漿料、無機保溫砂漿30 mm厚外保溫隔熱系統(tǒng)絕大部分為50元/m2左右，EPS薄抹灰系統(tǒng)30 mm厚外保溫隔熱系統(tǒng)絕大部分為65元/m2左右。從節(jié)能建筑施工質(zhì)量檢查來看，70%以上的工程存在不同程度的質(zhì)量問題，甚至出現(xiàn)一些虛作假等不良行為，保溫隔熱工程能否達到25 a的設(shè)計使用壽命值得注意。這里不是講這類技術(shù)達不到節(jié)能設(shè)計的要求，而是指目前這一地區(qū)的圍護結(jié)構(gòu)外保溫隔熱工程的質(zhì)量存在問題。即使外保溫隔熱系統(tǒng)有25 a的使用壽命，在建筑50～70 a使用壽命期內(nèi)，是否意味著要再進行2～3次外保溫隔熱改造，在建筑的使用壽命周期內(nèi)采用這一技術(shù)對圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱的投入是否會過大，在整個壽命周期內(nèi)技術(shù)經(jīng)濟指標是否合理等都是應(yīng)認真考慮的問題[5]。

綜上所述，不少圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱系統(tǒng)仍未經(jīng)過大型試驗及工程的長期考驗，特別是耐候性試驗和工程的長時間跟蹤檢驗，缺少相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，現(xiàn)有南方圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱技術(shù)還沒有形成完備的技術(shù)體系，與需求相比、還有較大差距，不能完全解決耐久性（與建筑同壽命）、防火、外貼墻磚、修補維護等技術(shù)細節(jié)問題，現(xiàn)有的技術(shù)還不完善，系統(tǒng)配套差，產(chǎn)業(yè)化程度也不高，環(huán)保、節(jié)能、經(jīng)濟、安全的新型墻體材料匱乏[6]。

2外墻熱工性能對建筑能耗與室內(nèi)熱

環(huán)境的影響

2.1外墻圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)k對能耗的影響

《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》（JGJ 75—2003）編制組對夏熱冬暖地區(qū)不同圍護結(jié)構(gòu)、不同窗墻比共3 000多個建筑節(jié)能方案的建筑能耗和節(jié)能率進行了分析。

圖1所示為廣州住宅全年空調(diào)耗電量與外墻傳熱系數(shù)k的關(guān)系， 當k從2.72 W/（m2·K）分別降低到1.95和1.13 W/（m2·K）時，全年空調(diào)耗電量指標分別下降8%和3.1%，收效甚微。研究結(jié)果表明，這一地區(qū)圍護結(jié)構(gòu)的隔熱，外窗的遮陽是影響建筑能耗的主要因素[7]。當圍護結(jié)構(gòu)傳熱阻達到某一值時，圍護結(jié)構(gòu)的溫差傳熱是有限的，過分地降低墻體的傳熱系數(shù)值，隔熱性能不會有明顯改善，同時，也不經(jīng)濟。

同樣，《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》（JGJ 134—2010）編制組對夏熱冬冷地區(qū)現(xiàn)有建筑能耗基數(shù)進行了研究，得出圍護結(jié)構(gòu)夏季負荷占46.2%～52.8 %，冬季負荷占67.4%～80.3 % 。而窗的夏季負荷是墻的2倍多，冬季負荷是墻的80 %，而且，單位面積窗的用電負荷是墻的3～8倍，用電量約為墻的4倍[8]。

圖2所示為南京、重慶、成都住宅全年供暖空調(diào)耗電量與外墻傳熱系數(shù)的關(guān)系，表明外墻圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)對空調(diào)制冷影響是有限的，對冬季供暖影響明顯。

2.2不同外墻保溫隔熱系統(tǒng)傳熱特點

采用南方典型住宅的標準平面中南向、北向臥室為研究對象，以成都典型的氣候為例，借助DOE2模擬軟件，分析外墻圍護結(jié)構(gòu)在等效傳熱系數(shù)相等條件下（k=1.0 W/（m2·K），外保溫、內(nèi)保溫、自保溫3種不同保溫隔熱體系的熱過程特性。

圖3～6分別給出南北朝向房間在冬季和夏季工況下不同保溫體系的傳熱特性?？梢钥闯觯诘刃鳠嵯禂?shù)相等的情況下外保溫傳熱量的波動最小，說明外保溫熱穩(wěn)定性好，但與內(nèi)保溫相比這個優(yōu)點并不明顯[9]。自保溫外墻傳熱波動明顯大于其他兩種保溫形式，主要原因是自保溫墻體屬于輕質(zhì)墻體，其熱容性小。

2.3能耗特征分析

在2.2節(jié)計算模型基礎(chǔ)上，假設(shè)南向臥室采用間歇式空調(diào)與采暖，在外墻等效傳熱系數(shù)相同（k=1.0 W/（m2·K）條件下，分析外保溫、內(nèi)保溫、自保溫3種不同保溫體系的能耗特征。圖7給出了不同保溫體系在成都地區(qū)的全年逐月能耗比較。圖8給出3種保溫體系全年單位面積能耗比較。

從結(jié)果可以看出，自保溫體系年能耗量略高于其他兩種情況，但超過量不大。外保溫與內(nèi)保溫相比基本相等。所以，在外墻等效傳熱系數(shù)相同情況下，3種保溫體系外墻動態(tài)傳熱特性有差別但全年能耗量基本相等[9]。

從節(jié)能標準所規(guī)定的熱工指標來看，南方地區(qū)住宅圍護結(jié)構(gòu)對節(jié)能的貢獻率只占節(jié)能標準要求的節(jié)能指標的40%～50%，公共建筑占30%～40%左右。而且南方地區(qū)建筑的供暖空調(diào)主要以間歇運行為主。因此，這一地區(qū)建筑圍護結(jié)構(gòu)除了采用外保溫隔熱外，內(nèi)保溫隔熱和墻體自保溫隔熱技術(shù)都是適合這一地區(qū)很好的構(gòu)造形式[10]。這3種技術(shù)在南方的應(yīng)用中，不同功能的建筑、建筑的不同運行方式所產(chǎn)生的節(jié)能效果和環(huán)境指標是完全不一樣的，應(yīng)選擇相適應(yīng)的保溫隔熱技術(shù)[1112]。

2.4圍護結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性對熱環(huán)境的影響

中國南方地區(qū)夏季實測屋面外表面綜合溫度，南京可達62 ℃、武漢64 ℃、重慶61 ℃、廣州60 ℃、南寧60 ℃以上，西墻外表面溫度南京可達51 ℃、武漢55 ℃、重慶56 ℃、廣州52 ℃、南寧54 ℃以上，在夏季室外綜合溫度熱作用下，圍護結(jié)構(gòu)熱特性除了用傳熱系數(shù)這個參數(shù)外，還應(yīng)有抵抗溫度和熱流波在圍護結(jié)構(gòu)中傳播的熱惰性指標D、衰減倍數(shù)ν、和延遲時間τ等熱穩(wěn)定性指標來評價[13]。

無論是自然通風、連續(xù)空調(diào)還是間歇空調(diào)，熱穩(wěn)定性好的厚重結(jié)構(gòu)與加氣混凝土、混凝土空心砌塊以及金屬夾芯板等熱穩(wěn)定性差的輕質(zhì)圍護結(jié)構(gòu)相比，外圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度波幅差別很大。在傳熱系數(shù)相同條件下，連續(xù)空調(diào)時，240 mm空心磚外墻內(nèi)表面溫度波幅為0.5～1.0 ℃，加氣混凝土外墻內(nèi)表面溫度波幅為1.5～2.0 ℃，金屬夾芯板外墻內(nèi)表面溫度波幅為2.0～3.0 ℃。在間歇空調(diào)時，內(nèi)表面溫度波幅比連續(xù)空調(diào)還要增加1.0～2.0 ℃。自然通風時，輕型結(jié)構(gòu)外墻和屋頂?shù)膬?nèi)表面使人明顯的感到一種烘烤感。研究表明，熱穩(wěn)定指標越大，說明圍護結(jié)構(gòu)抵御室外溫度波擾動能力，自身被動調(diào)節(jié)室外自然環(huán)境的能力越強。

3南方地區(qū)建筑圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計

3.1南方建筑圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計理論

根據(jù)以上分析，南方地區(qū)降低圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)有利于降低冬季采暖能耗；而要降低夏季空調(diào)能耗，必須提高圍護結(jié)構(gòu)的隔熱性能。但無論冬季還是夏季，提高圍護結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性，都有利于提高或降低外墻內(nèi)表面溫度，有效地延遲和衰減室外溫度波的作用，改善室內(nèi)環(huán)境。

按照熱舒適理論，人的熱感覺主要受室內(nèi)空氣溫度（t）、空氣濕度（φ）、圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面平均輻射溫度（MRT）和室內(nèi)風速（v）的影響，而建筑的形態(tài)，平、立面空間形式（窗墻面積比S）、圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)k、熱惰性指標D等熱工參數(shù)對圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面平均輻射溫度（MRT）起到非常重要的作用。在特定的氣候條件下，人體的主觀熱反應(yīng)TSV（Thermal Sense Vote）基本處于可接受的熱舒適區(qū)[-1，+1]范圍，即

具有氣候適應(yīng)性的圍護結(jié)構(gòu)將有利于自調(diào)節(jié)作用，這也是自古以來人類總結(jié)出的，今天流行的被動節(jié)能技術(shù)設(shè)計方法。即通過被動式自然能源的應(yīng)用，對建筑進行優(yōu)化設(shè)計，利用圍護結(jié)構(gòu)的蓄熱，自然通風等對室外溫度波的衰減、延遲特性，將圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面平均輻射溫度（MRT）的日平均值和波幅值控制在人可接受的范圍內(nèi)。因此，采用被動與主動相結(jié)合的節(jié)能技術(shù)，盡可能延長基本熱舒適時間，減少采用主動干預(yù)室內(nèi)熱環(huán)境的方式實現(xiàn)熱舒適環(huán)境時間，即盡量減少空調(diào)和采暖時間，是氣候適應(yīng)性節(jié)能建筑的核心，也是建筑熱工學與節(jié)能建筑最重要的科學原理，這才是中國南方建筑節(jié)能的技術(shù)路線和方向。

3.2一種新型發(fā)泡混凝土保溫隔熱技術(shù)

根據(jù)以上理論，從中國南方建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)總體發(fā)展狀況和特點出發(fā)，對耐久性、安全防火、技術(shù)的可靠性、經(jīng)濟成本、環(huán)境影響等進行分析，才能得到本地區(qū)適宜的節(jié)能技術(shù)，同時，也保證了建筑工程的質(zhì)量。為此，特別提出一種新型發(fā)泡混凝土內(nèi)保溫和自保溫技術(shù)[14]，其構(gòu)造形式如圖9、圖10所示，發(fā)泡混凝土保溫隔熱板主要技術(shù)參數(shù)如表2所示[15]。該體系為采用新型發(fā)泡混凝土外包梁、柱填充墻和保溫隔熱一體的自保溫隔熱構(gòu)造，在夏熱冬冷、夏熱冬暖地區(qū)作為單一材料應(yīng)用可滿足當?shù)責峁ば阅芤蟆?/p>

表3給出了200 mm加氣混凝土外墻自保溫、30 mmEPS外墻外保溫及60 mm厚新型發(fā)泡混凝土外墻內(nèi)保溫3種圍護結(jié)構(gòu)類型在自然通風條件下，西向墻體內(nèi)表面溫度的計算值。由計算結(jié)果可得出，發(fā)泡混凝土保溫體系熱穩(wěn)定性好，與前兩種外墻保溫類型相比，內(nèi)表面溫度可以降低1.2 ℃以上。

新型發(fā)泡混凝土外墻保溫隔熱技術(shù)具有以下特點：

1）解決了現(xiàn)有復(fù)合外保溫隔熱技術(shù)目前無法根本解決的缺陷，尤其高層建筑在保溫隔熱系統(tǒng)外飾面所帶來的安全、防火、耐候性等問題，無論采用內(nèi)保溫、外保溫還是自保溫技術(shù)，施工簡單，與現(xiàn)有建筑施工技術(shù)不發(fā)生沖突，保證了工程施工質(zhì)量和節(jié)能效果，真正做到與建筑同壽命。

2）良好的熱工性能，圍護結(jié)構(gòu)平均傳熱系數(shù)k能控制在1.0 W/（m2·K）以內(nèi)，即使混凝土剪力墻內(nèi)貼 60 mm厚保溫材料，傳熱系數(shù)也能控制在1.2 W/（m2·K）以內(nèi)，其熱工指標超過370 mm磚墻，徹底解決南方高層住宅建筑混凝土剪力墻的保溫隔熱要求，冬暖夏涼，具有被動節(jié)能建筑的特點。

3）該系統(tǒng)經(jīng)濟成本低，材料與施工成本不高于現(xiàn)有外保溫隔熱技術(shù)。

4）缺點僅僅是建筑采用內(nèi)保溫時，墻體加厚50～60 mm，建筑室內(nèi)面積減小1.0%～1.5%，對于公共建筑，相應(yīng)平面尺度更大，減小的面積比例會更小。但與現(xiàn)有外墻外保溫技術(shù)存在的安全、防火、耐候性等問題相比，犧牲建筑面積是值得的，從建筑的全壽命周期來看更為經(jīng)濟節(jié)約。

4結(jié)論

通過對南方典型氣候條件下建筑在采暖、空調(diào)與自然通風條件下圍護結(jié)構(gòu)動態(tài)熱過程的分析，得出以下結(jié)論：

1）南方建筑圍護結(jié)構(gòu)熱過程為室內(nèi)外雙向熱量傳遞，與北方采暖建筑熱量單向傳遞具有明顯的差別，圍護結(jié)構(gòu)保溫構(gòu)造形式對建筑年能耗影響不大，但對建筑室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量具有明顯的影響。

2）圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱體系，除了滿足節(jié)能標準的要求外，建筑圍護結(jié)構(gòu)的物理力學可靠性、耐候性、防火性、施工裝修簡單、經(jīng)濟合理、技術(shù)體系的壽命等更為重要。

3）新型發(fā)泡混凝土導(dǎo)熱系數(shù)可以達到0.1 W/（m2·K）以下，材料本身具有燃燒性能為A級，強度高，與建筑全壽命周期等優(yōu)點。對于框架結(jié)構(gòu)，填充墻部位采用新型發(fā)泡混凝土自保溫，框架結(jié)構(gòu)梁柱部位的處理采用該材料50～60 mm厚內(nèi)外保溫，可以滿足夏熱冬冷、夏熱冬暖地區(qū)的圍護結(jié)構(gòu)熱工性能指標要求；對于剪力墻結(jié)構(gòu)，外墻采用50～60 mm新型發(fā)泡混凝土內(nèi)保溫，亦可以滿足相應(yīng)的節(jié)能設(shè)計要求。因此，建筑自保溫和內(nèi)保溫技術(shù)是非常適合南方地區(qū)的圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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