夏熱冬冷地區(qū)居住建筑外墻外保溫的反節(jié)能現(xiàn)象

阮 方, 錢曉倩, 錢匡亮, 余亞超, 施水華

(1.浙江大學 建筑工程學院,浙江 杭州 310058；2.寶業(yè)集團浙江建設產業(yè)研究院有限公司,浙江 紹興 312030)

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夏熱冬冷地區(qū)居住建筑外墻外保溫的反節(jié)能現(xiàn)象

阮 方1, 錢曉倩1, 錢匡亮1, 余亞超2, 施水華2

(1.浙江大學 建筑工程學院,浙江 杭州 310058；2.寶業(yè)集團浙江建設產業(yè)研究院有限公司,浙江 紹興 312030)

針對夏熱冬冷地區(qū)居住建筑現(xiàn)行節(jié)能設計標準中空調系統(tǒng)部分設計工況與該地區(qū)實際情況存在一定出入的問題,以杭州市為例,采用EnergyPlus能耗模擬軟件模擬分析該地區(qū)居住建筑不同用能工況下外墻外保溫的節(jié)能效果.結果顯示,在標準規(guī)定的連續(xù)用能方式下,外墻外保溫節(jié)能效果良好；而在間歇用能方式下,外墻外保溫會增加全年冷負荷.以1971—2000年的日值氣象數(shù)據(jù)為基礎,采用五日滑動平均法,得出實際杭州市的采暖及空調期推薦值.在采用新的采暖、空調期后,外墻外保溫夏季反節(jié)能現(xiàn)象對全年能耗的影響更加顯著,全年節(jié)能率明顯減小.進一步研究表明,對于窗墻比及制冷設定溫度而言,均存在一系列的外保溫反節(jié)能臨界值(窗墻比為0.3,制冷設定溫度為26 ℃),低于此臨界值時外保溫節(jié)能,高于此臨界值時反節(jié)能.

夏熱冬冷；居住建筑；外墻外保溫；間歇用能；采暖期；空調期；反節(jié)能

我國夏熱冬冷地區(qū)最冷月平均溫度為0～10 ℃,日均溫度不大于5 ℃的天數(shù)為0～90 d；最熱月平均溫度為25～30 ℃,日均溫度不小于25 ℃的天數(shù)為40～110 d[1].夏熱冬冷地區(qū)冬夏兩季均需要進行空氣調節(jié)以提高室內舒適度.在能源供應日益緊缺的今天,建筑節(jié)能的重要性不言而喻.在建筑圍護結構中使用保溫材料是降低建筑能耗的有效途徑之一[2-4].目前夏熱冬冷地區(qū)居住建筑圍護結構熱工設計中基本上沿用了嚴寒及寒冷地區(qū)外墻外保溫的形式,其實際節(jié)能效果并不理想,節(jié)能率遠低于預期值[5].造成這一結果的原因主要是由于夏熱冬冷地區(qū)居住建筑現(xiàn)行節(jié)能設計標準中規(guī)定的連續(xù)用能方式和采暖、空調計算期均與實際情況存在一定出入.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.

在連續(xù)用能方式下,墻體蓄熱有利于儲存空調的制冷量和制熱量,維持室內空氣溫度穩(wěn)定.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[6-7].但是夏熱冬冷地區(qū)居住建筑中空調大多間歇啟停,且以夜間使用為主.已有文獻研究顯示,在夜間制冷工況下外墻外保溫在存在反節(jié)能現(xiàn)象,室外氣溫在夏季夜晚逐漸下降至低于墻體溫度,保溫層在外側阻礙了墻體向室外散熱,從而使制冷負荷增加[8-14].Bojic等[8-10]針對香港高層居住建筑,采用HTB2軟件進行全年能耗模擬計算后發(fā)現(xiàn),間歇用能條件下外墻外保溫既增加全年冷負荷又增加了冷負荷峰值.Pan等[11]對中國的北京、上海和廣州3種不同氣候地區(qū)的外墻外保溫節(jié)能現(xiàn)象進行了研究.結果表明,在建筑熱負荷占據(jù)主導地位的北京,外墻外保溫節(jié)能效果最佳；在上海,外墻外保溫節(jié)能臨界厚度為26 mm,低于此厚度則可以節(jié)能,而高于此厚度卻反而增加能耗；在廣州,外墻外保溫具有明顯反節(jié)能現(xiàn)象.Masoso等[12]針對非洲博茨瓦納地區(qū)辦公建筑,利用EnergyPlus軟件分析了6種不同空調設定溫度下的建筑間歇運行全年冷熱負荷.結果發(fā)現(xiàn),在較高的室內得熱(15 W/m2)情況下,增加墻體外保溫可以降低全年熱負荷,但卻不一定能降低冷負荷,存在一個臨界空調設定溫度,低于該溫度可以節(jié)能,而高于此溫度卻反而增加能耗.Tummu等[13-14]研究了外墻內外保溫方式在不同窗墻比rww(window to wall ratio, WWR)時的空調間歇運行冷負荷.結果表明rww=0時,內外保溫均可降低建筑能耗,隨著窗墻比逐漸增加,內保溫仍節(jié)約能耗,而外保溫卻會增加能耗.綜上所述,建筑所在地的氣候特征、空調系統(tǒng)的設定溫度及圍護結構窗墻比等都是會顯著影響外墻外保溫的節(jié)能效果.

對于夏熱冬冷地區(qū)居住建筑,外墻外保溫的反節(jié)能現(xiàn)象一直以來都被忽視,主要是由兩方面原因造成.首先,本地區(qū)節(jié)能設計標準沿用了北方地區(qū)全天24 h連續(xù)式運行模式,但實際上本地區(qū)無論是冬季采暖還是夏季制冷,空調均是間歇運行；其次,標準中規(guī)定的采暖期(90 d)長于空調期(78 d),與本地區(qū)實際情況不符,調研顯示,本地區(qū)實際全年空調能耗顯著高于采暖能耗[15].因此,外墻外保溫由于反節(jié)能現(xiàn)象的存在,其對于夏熱冬冷地區(qū)居住建筑的全年節(jié)能率可能遠低于按照規(guī)范規(guī)定工況計算的理論值.

《夏熱冬冷地區(qū)節(jié)能設計規(guī)范》規(guī)范規(guī)定的設定條件與實際用能情況主要存在兩方面的區(qū)別：一是連續(xù)式用能與間歇式用能的區(qū)別,二是采暖及空調計算期不同.在實際用能情況下,外墻外保溫對夏熱冬冷地區(qū)居住建筑的節(jié)能效果,目前罕有文獻進行報導.對此,本文采用EnergyPlus軟件[16],對夏熱冬冷地區(qū)一棟實際建筑進行全年動態(tài)模擬分析,深入研究外墻外保溫的實際節(jié)能效果,為本地區(qū)居住建筑的圍護結構熱工設計提供參考.

1 計算模型

1.1 建筑信息及模擬方案

圖1 用于模擬驗證的實驗建筑外觀Fig.1 Outside view of experiment building used forverifying simulation results

圖2 EnergyPlus建筑模型的標準層布置圖Fig.2 Layout of typical floor in EnergyPlus buildingmodel

模擬建筑所在地為夏熱冬冷地區(qū)典型城市——杭州.建筑層高3 m,建筑外觀如圖1所示, 標準層平面圖如圖2所示,圖中房間A～D為空調用能區(qū)域,窗墻比為0.3.模型建筑共3層,只將中間層的計算結果用于分析比較,建筑圍護結構熱工參數(shù)如表1所示,表中,λ為傳熱系數(shù).模擬軟件使用的氣象數(shù)據(jù)采用的是清華大學與中國氣象局合作開發(fā)的一套以中國1981—2003年的氣象數(shù)據(jù)為基礎得出的建筑能耗模擬分析用典型氣象年數(shù)據(jù)(CSWD)[17].此套典型氣象年數(shù)據(jù)以1 h為時間間隔,為符合精度要求,模擬計算中以30 min為步長.

1.2 空調參數(shù)及作息設定

夏熱冬冷地區(qū)居住建筑中采暖及制冷主要以分體空調為主[18],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(shù)設定參照本地區(qū)節(jié)能設計標準[19]的規(guī)定：室內控制溫度分別為18 ℃(采暖)和26 ℃(制冷),設備額定能效比分別為1.9(采暖)和2.3(制冷).空調運行時段空氣滲透換氣次數(shù)為1.0次/h,空調關閉時段自然通風換氣次數(shù)取3.0 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.模擬計算中考慮2種典型的空調運行模式：一種為連續(xù)式用能,即空調全天24 h開啟；一種為間歇式用能,空調開啟時段選取為22:00至次日6:00.此間歇用能的開啟及關閉時間是由本文課題組根據(jù)528份杭州市居民空調使用調研問卷的統(tǒng)計結果梳理得出.

1.3 軟件模擬與實測的對比分析

將夏季某日實際天氣數(shù)據(jù)導入EnergyPlus軟件,以1 min為步長模擬實際建筑外保溫外墻內壁面溫度受室外溫度波動的影響,并與實驗結果進行對比.選取文章中圖2中房間A為實驗驗證房間,外墻內表面溫度采用鉑電阻溫度傳感器(Pt100)進行測量.外墻外保溫內壁面溫度的模擬值與實測值對比如圖3所示.圖中,θ為溫度.圖3顯示,軟件模擬結果與實測結果具有較好的一致性.

圖3 外墻外保溫內壁面溫度的模擬值與實測值對比Fig.3 Internal surface temperature of exterior wall with external insulated in simulation and experiment

圍護結構構造λ/(W·m-2·K-1)外墻外保溫13厚水泥砂漿抹面/240厚實心粘土磚/30厚XPS保溫板/13厚水泥砂漿抹面0.703不保溫13厚水泥砂漿抹面/240厚實心粘土磚/13厚水泥砂漿抹面1.854內墻25厚紙面石膏板/100厚空氣間層/25厚紙面石膏板1.639樓地30厚木地板/70厚砂漿找平/100厚鋼筋混凝土/130厚泡沫塑料0.250窗戶3厚玻璃/13厚空氣層/3厚玻璃(雙層中空,遮陽系數(shù):0.794)1.960門100厚松木門1.16

2 結果分析

2.1 間歇用能與連續(xù)用能對結果的影響

圖4 外墻外保溫在不同空調運行模式下的全年能耗Fig.4 Annual energy consumption of external insulation for exterior wall in different AC operationmethods

外墻外保溫在不同空調運行模式下的節(jié)能效果如圖4所示.圖中,EA為全年單位面積能耗.在連續(xù)用能模式下,外墻外保溫能夠降低全年制冷能耗7.31%,降低全年采暖能耗44.58%.外墻外保溫的采暖節(jié)能率高于制冷節(jié)能率,一方面是由于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；另一方面是由于外墻外保溫的存在,使得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.在典型夜間間歇用能工況下,外墻外保溫降低了全年采暖能耗的36.71%,卻增加0.06%的全年制冷能耗,在夜間間歇制冷工況下會出現(xiàn)反節(jié)能現(xiàn)象.

本地區(qū)節(jié)能設計標準中規(guī)定的采暖期天數(shù)(90 d)顯著多于空調期(78 d),與實際情況相反,這將嚴重低估外墻外保溫反節(jié)能現(xiàn)象對其全年節(jié)能率的影響.因此,在實際采暖及空調期長度下,外墻外保溫的節(jié)能效果值得進一步深入探究.

2.2 采暖、空調計算期變化對結果的影響

夏熱冬冷地區(qū)地理面積廣闊,各城市之間采暖及空調期長度存在差異：以采暖期為例,省會城市中天數(shù)最長的是南京(75 d),最短的是成都(0 d)[1].但是,本地區(qū)節(jié)能設計標準中對于采暖及空調計算期僅使用了一個通用值,并未考慮各城市之間的氣候差異.以城市為單位劃分采暖及空調期更符合各地的實際情況,有利于準確分析外墻外保溫的節(jié)能效果.

此外,受上世紀八十年代以來出現(xiàn)的全球氣候變暖[20]現(xiàn)象的影響,我國各城市的采暖及制冷期也發(fā)生了顯著改變.史珺等[21]研究了天津地區(qū)1961—2010年的氣候變化對采暖及制冷度日數(shù)的影響,發(fā)現(xiàn)天津采暖度日數(shù)呈下降趨勢,制冷度日數(shù)呈上升趨勢.本文以杭州市1951—2010年的日值氣象數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來源：中國氣象數(shù)據(jù)網[22])為基礎,采用五日滑動平均法,得出了不同累計年份下的平均氣溫及采暖、空調期計算結果,具體如表2所示.表中,tave為平均氣溫,tmax為極端最高氣溫,tmin為極端最低氣溫.其中,采暖期天數(shù)按照累年(連續(xù)30 a)日平均溫度穩(wěn)定低于或等于5 ℃的總日數(shù)確定,制冷期天數(shù)按照累年日平均溫度穩(wěn)定大于或等于25℃的總日數(shù)確定[1,23-24].

由表2可知,1951年以來杭州市平均氣溫、極端最高氣溫及極端最低氣溫均有不同程度上升,而且氣候變暖的趨勢從1980年開始有所加劇.累計年份的時段越近,計算出的采暖期天數(shù)越少,空調期天數(shù)越多.考慮到近2年來冬季氣溫較往年同期有所下降[23],選用由1971—2000年的數(shù)據(jù)得出的采暖及空調期相對更為貼近實際情況.從數(shù)據(jù)匹配性的角度考慮,目前用于建筑能耗模擬計算的常用典型氣象年逐時數(shù)據(jù)多依據(jù)1971—2000年的氣象數(shù)據(jù)[25].本文在EnergyPlus模擬軟件中使用的氣象數(shù)據(jù)采用的也是一套以中國1971—2003年的氣象數(shù)據(jù)為基礎得出的典型氣象年數(shù)據(jù)[17].由杭州市1971—2000年的氣象數(shù)據(jù)得出的采暖及空調期與本地區(qū)行業(yè)標準[10]相比,采暖期顯著縮短(標準90 d、實際36 d),而空調計算期基本不變(標準78 d、實際77 d).

在采用新的采暖、空調計算期(采暖期1月4日至2月8日,空調期6月24日至9月8日)進行全年能耗模擬計算后,外墻外保溫節(jié)能效果如圖5所示.由于外墻外保溫的采暖節(jié)能率高于制冷,采暖期

表2 杭州市不同累計年份氣溫情況及相應的采暖/空調計算期

的縮短使得外墻外保溫全年節(jié)能率明顯降低.結合圖4、5可知,連續(xù)用能模式下,外墻外保溫全年節(jié)能率由26.05%降至18.07%；間歇用能模式下,全年節(jié)能率由18.86%降至11.37%.因此,合理的采暖及空調計算期設定是準確評價外墻外保溫節(jié)能措施的重要前提.

圖5 采暖/空調期變化后不同空調運行模式下外墻外保溫的全年能耗Fig.5 Annual energy consumption for exterior wall in different AC operation method after changing heating/cooling period

2.3 不同設定條件下窗墻比對結果的影響

單位面積外窗引起的采暖及空調負荷比外墻要大得多,而且窗戶是室內獲得直接太陽輻射得熱的主要途徑.因此,窗墻比對外墻外保溫的節(jié)能效果也可能產生顯著影響.如圖6所示為規(guī)范設定條件與實際用能條件下窗墻比對外墻外保溫節(jié)能效果的影響(采暖設定溫度為18 ℃,制冷設定溫度為26 ℃).圖6中,規(guī)范設定條件為連續(xù)式用能,采暖及空調期采用規(guī)范設定值；實際用能條件為間歇式用能,采暖及空調期采用杭州市的推薦值.

圖6 窗墻比對外墻外保溫節(jié)能效果的影響Fig.6 Influence of window to wall ratio (WWR) on energy saving effect of external insulation

在規(guī)范設定條件下,外保溫沒有出現(xiàn)反節(jié)能現(xiàn)象.在實際用能條件下,當窗墻比較小時,外保溫減少全年冷負荷,當窗墻比較大時,外保溫增加全年冷負荷,出現(xiàn)了反節(jié)能現(xiàn)象.經擬合后得出,外保溫反節(jié)能現(xiàn)象的臨界窗墻比約為0.3.全年能耗方面：當rww=0時外保溫在2種設定條件下節(jié)能率相差不大(規(guī)范設定條件下為37.51%,實際用能條件下為30.22%)；在rww=0.6時,外保溫在規(guī)范設定條件下的全年節(jié)能率為15.02%,而在實際用能條件下,全年節(jié)能率微乎其微,只有3.88%.由于規(guī)范設定條件下采暖期過長,掩蓋了外保溫夏季反節(jié)能現(xiàn)象對于全年總能耗的影響,實際外墻外保溫對于全年節(jié)能效果遠低于按規(guī)范計算出的理論值.

2.4 不同設定條件下設定溫度對結果的影響

由文獻[11]可知,外墻外保溫的反節(jié)能現(xiàn)象存在一個臨界設定溫度,因此設定溫度也可能對外墻外保溫全年節(jié)能效果產生影響.文獻[23]中規(guī)定,人員長期逗留區(qū)域室內計算溫度冬季應為18～24 ℃,夏季應為24～28 ℃;人員短期逗留區(qū)域,冬季宜降低1～2 ℃,夏季宜提高1 ～2 ℃.據(jù)此,本文將采暖及空調設定溫度根據(jù)耐受度劃分為7個等級進行分析,具體如表3所示.表中,tset-h為采暖設定溫度,tset-c為制冷設定溫度.采暖設定溫度越低,制冷設定溫度越高,耐受度等級越高.

表3 采暖及制冷的不同溫度設定等級

Tab.3 Different grades of heating and cooling temperaturesetting

耐受度等級tset-h/℃tset-c/℃耐受度等級tset-h/℃tset-c/℃12424518282222561729320267163041927———

圖7 溫度設定對外墻外保溫節(jié)能效果的影響Fig.7 Influence of set temperature on energy saving effect of external insulation

如圖7所示為規(guī)范設定條件與實際用能條件下設定溫度對外墻外保溫節(jié)能效果的影響(rww=0.3).由圖7可知,隨著溫度設定耐受度等級的增加,全年能耗逐漸減小.在規(guī)范設定條件與實際用能條件下,外保溫對于制冷的反節(jié)能現(xiàn)象均存在一個設定溫度的臨界值.當高于這一設定溫度時,外保溫增加全年制冷能耗,而當?shù)陀谶@一設定溫度,外保溫能減少全年制冷能耗.換言之,外保溫反節(jié)能現(xiàn)象會在高耐受度的溫度設定等級下得到放大.

經過擬合后得出,在保溫層厚度為30 mm、rww=0.3的情況下,外墻外保溫反節(jié)能的臨界設定溫度在規(guī)范設定條件下為29.5 ℃,在實際用能條件下為26 ℃.相對規(guī)范設定條件,實際用能條件下外保溫反節(jié)能的臨界溫度有所降低,外保溫更可能發(fā)生反節(jié)能現(xiàn)象.

5 結 論

(1)在典型連續(xù)用能模式下,外墻外保溫對于采暖及制冷能耗均能夠起到降低作用；在更符合夏熱冬冷地區(qū)居住建筑用能實際的間歇用能模式下,外墻外保溫出現(xiàn)了增加全年制冷能耗的反節(jié)能現(xiàn)象.

(2)在采用新的采暖、空調計算期(采暖期1月4日至2月8日,空調期6月24日至9月8日)后,外墻外保溫夏季反節(jié)能現(xiàn)象對全年能耗的影響更加顯著,全年節(jié)能率明顯減小.

(3)采用間歇用能模式并關聯(lián)實際采暖及空調期后,計算發(fā)現(xiàn)存在外墻外保溫制冷反節(jié)能臨界窗墻比(本文模型中rww≈0.3),當窗墻比高于這一值時,外墻外保溫能增加全年制冷能耗.受外保溫反節(jié)能現(xiàn)象的影響,當窗墻比較大時,外墻外保溫全年節(jié)能率微乎其微.

(4)在規(guī)范設定條件與實際用能條件下,對于外保溫的反節(jié)能現(xiàn)象,均存在一個制冷設定溫度臨界值.當制冷溫度高于該臨界值時,外墻外保溫可以增加全年制冷能耗.實際用能條件下的外保溫反節(jié)能臨界溫度(26 ℃)低于規(guī)范設定條件下的溫度值(29.5 ℃).

由此可見,外墻外保溫對實際建筑的節(jié)能效果與按照規(guī)范規(guī)定的設計工況計算出的結果存在明顯差異,評價外墻外保溫的節(jié)能效果應以該地區(qū)用能實際為前提.隨著建筑節(jié)能技術的進步,圍護結構蓄能技術以及夜間通風技術已有較多的研究成果以及工程應用,本文提出的反節(jié)能臨界值問題在這些新的節(jié)能措施下的變化還有待于深入研究.

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Anti-insulation behavior for exterior wall external insulation on residential buildings in hot summer and cold winter zone

RUAN Fang1, QIAN Xiao-qian1, QIAN Kuang-liang1,YU Ya-chao2,SHI Shui-hua2

(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,Hangzhou310058,China; 2.ZhejiangConstructionIndustryResearchInstitute,BaoyeGroup,Shaoxing312030,China)

The EnergyPlus simulation software was employed to analyze the energy saving effect of exterior wall external insulation in residential building of the hot summer and cold winter zone. Hangzhou was taken for an example to address the problem of the discrepancy between the actual air conditioning (AC) working conditions and design conditions in standards for residential building energy efficiency in this region. Results show that under the standard way of continuous AC operation method, exterior insulation has good energy saving effect; however, under intermittent AC operation method, external insulation can increase the annual cooling load. Based on daily meteorological data from 1971 to 2000, the five days moving average method was adopted to obtain the recommended value of heating and cooling period, which is more accordant with the actual situation of Hangzhou. After using the new heating and cooling period, the influence of anti-insulation behavior for exterior insulation on annual energy consumption is more significant; the annual energy saving rate significantly reduced. Further research shows that for the window to wall ratio (WWR) and cooling set temperature, there are a series of critical value for anti-insulation behavior in summer cooling (0.3 for WWR and 26 ℃ for cooling set temperature). When WWR and cooling set temperature are lower than the critical value, external insulation saves energy; when WWR and cooling set temperature are higher than the critical value, total energy consumption increases.

hot summer and cold winter zone; residential building; exterior wall external building; intermittent energy consuming; heating period; cooling period; anti-insulation behavior

2015-11-29.

“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2012BAJ12B02).

阮方(1990—)，男，博士生，從事建筑節(jié)能研究. ORCID： 0000-0002-7626-5529.E-mail: ruanfang@zju.edu.cn 通信聯(lián)系人：錢曉倩，男.教授.ORCID： 0000-0003-4649-1557. E-mail: qianxql@zju.edu.cn

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.12.014

TU 111

A

1008-973X(2016)12-2343-07