寒冷地區(qū)裝配式建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)研究

邸芃，巨斌

（西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

0 引言

結(jié)合各國(guó)經(jīng)驗(yàn)和國(guó)內(nèi)當(dāng)前的建筑能耗水平，可以預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)建筑能耗所占能源消耗總量的比例將達(dá)到35%左右，超越交通、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等其他行業(yè)成為第一耗能產(chǎn)業(yè)[1]。由此可見，建筑節(jié)能無疑是節(jié)約能源最有效的方法之一。裝配式建筑是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的有效途徑。裝配式建筑以施工周期短、現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)少、不受季節(jié)限制以及資源循環(huán)利用率高的優(yōu)勢(shì)，越來越受到人們的青睞。同時(shí)，裝配式建筑建造過程中節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材、保護(hù)環(huán)境，能夠滿足建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需求。未來裝配式建筑將占到新建建筑的比例達(dá)到30%。當(dāng)然也必須注重裝配式建筑在使用過程中的節(jié)能減排。我國(guó)地域遼闊，從北到南氣候變化較大，共有5個(gè)熱工分區(qū)，寒冷地區(qū)建筑能耗體現(xiàn)在冬季保溫和夏季防熱上，因此研究這一地區(qū)的裝配式建筑節(jié)能設(shè)計(jì)意義重大。

1 裝配式建筑的概念及節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

裝配式建筑施工質(zhì)量高、節(jié)省勞動(dòng)力、建造速度快，受氣候條件制約小。裝配式建筑所用構(gòu)件在工廠內(nèi)工業(yè)化生產(chǎn)，如外墻板、內(nèi)墻板等?，F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行大量的裝配作業(yè)，現(xiàn)澆作業(yè)大大減少。用建筑、裝修一體化設(shè)計(jì)、施工，理想狀態(tài)是裝修可隨主體施工同步進(jìn)行。構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和建造時(shí)的信息化管理，極大地提高了裝配式建筑的生產(chǎn)效率，使裝配式建筑能夠高效快速地建造。本文主要研究裝配式住宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)建筑采暖、制冷負(fù)荷的影響，探討模型建筑能否達(dá)到綠色建筑的標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的要求，綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能指標(biāo)優(yōu)于國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并按相應(yīng)的規(guī)則評(píng)分。

2 裝配式建筑采暖和制冷負(fù)荷的影響因素

影響裝配式住宅運(yùn)行負(fù)荷的諸多因素大體可以分為外因和內(nèi)因兩大類。其中外因是指影響住宅室內(nèi)熱環(huán)境的各種擾量，包括住宅所在地域的室外空氣溫度、濕度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度等外擾和住宅內(nèi)人員活動(dòng)和設(shè)備運(yùn)行所產(chǎn)生的熱和濕等內(nèi)擾。外因?qū)ψ≌覂?nèi)環(huán)境負(fù)荷所造成的影響因人因地而異，因此在一般性的住宅能耗計(jì)算過程中不予考慮，內(nèi)因主要指住宅建筑本身，包括建筑朝向、體型系數(shù)、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式和保溫隔熱性能、窗墻比等建筑節(jié)能設(shè)計(jì)參數(shù)。其中外墻、屋面、外窗的保溫隔熱性能和不同朝向窗墻比的設(shè)計(jì)對(duì)建筑運(yùn)行負(fù)荷的影響最大，因此作為本文的研究重點(diǎn)。

2.1 外墻保溫層厚度對(duì)裝配式建筑采暖和制冷負(fù)荷的影響

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱技術(shù)在建筑節(jié)能中非常重要。以1棟采暖居住建筑為例，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失占77%，其中外墻25%、外窗24%、樓梯間11%、屋面9%、陽(yáng)臺(tái)3%、戶門3%、地面2%、門窗空氣滲透23%[2]。因此，降低外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，減小外圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷熱損失，從而降低采暖空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷，是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的有效途徑。目前，國(guó)內(nèi)可作為裝配式外墻板使用的主要墻板種類有：承重混凝土巖棉復(fù)合外墻板、薄壁混凝土巖棉復(fù)合外墻板、混凝土聚苯乙烯復(fù)合外墻板、混凝土膨脹珍珠巖復(fù)合外墻板、鋼絲網(wǎng)水泥保溫夾芯板、SP預(yù)應(yīng)力空心板、加氣混凝土外墻板及真空擠壓成型纖維水泥板（簡(jiǎn)稱ECP板）[3]。本文取混凝土聚苯乙烯復(fù)合外墻板為研究對(duì)象，對(duì)于復(fù)合外墻板來說，保溫層的厚度是其傳熱系數(shù)最主要的影響因素。預(yù)制混凝土夾芯外墻板，分為結(jié)構(gòu)層、保溫層和保護(hù)層，其中結(jié)構(gòu)層厚度為200 mm，保溫層厚度為30～100 mm，外葉厚度為60 mm?，F(xiàn)以XPS夾芯保溫墻板為例，分析保溫層厚度對(duì)外墻傳熱系數(shù)和采暖、制冷負(fù)荷的影響。

XPS板保溫墻體結(jié)構(gòu)構(gòu)造（從室外到室內(nèi)）為：15 mm厚外抹灰混合砂漿、60 mm厚外葉墻板、一定厚度XPS擠塑保溫板、200 mm厚內(nèi)葉墻板、20 mm厚內(nèi)抹白灰砂漿，改變XPS聚苯板保溫層厚度，根據(jù)墻體傳熱系數(shù)計(jì)算公式得出外墻構(gòu)造形式參數(shù)見表1。

為了便于進(jìn)行外墻在不同傳熱系數(shù)下采暖制冷耗負(fù)荷的模擬計(jì)算，選擇長(zhǎng)15 m，寬4.8 m，高3 m的長(zhǎng)方體作為研究用基礎(chǔ)模型[4]。采用清華大學(xué)設(shè)計(jì)研發(fā)的能耗模擬軟件DeST-h，以西安地區(qū)為例，模擬計(jì)算出該模型在不同傳熱系數(shù)下的建筑全年累計(jì)冷熱負(fù)荷，結(jié)果見圖1。

表1 不同傳熱系數(shù)下的外墻構(gòu)造形式參數(shù)

由圖1可知，采暖和制冷總負(fù)荷隨著墻體中保溫層厚度的增加而降低，降低幅度明顯。采暖負(fù)荷、制冷負(fù)荷與采暖和制冷總負(fù)荷變化趨勢(shì)相同，其中采暖負(fù)荷降低幅度明顯，制冷負(fù)荷降低幅度不明顯。由此可以得出，通過改變保溫層厚度降低采暖負(fù)荷效果顯著；在厚度大于70 mm時(shí)，其下降趨勢(shì)趨于平緩，說明此時(shí)通過改變保溫層厚度降低采暖負(fù)荷效果并不明顯。采暖制冷總負(fù)荷和采暖負(fù)荷與保溫層厚度的關(guān)系類似。綜上所述，外墻最佳保溫層厚度為70 mm，對(duì)應(yīng)的外墻傳熱系數(shù)為0.360 W/（m2·K）。

對(duì)不同保溫層厚度下建筑采暖、制冷及采暖制冷總負(fù)荷進(jìn)行量化統(tǒng)計(jì)分析，以更加準(zhǔn)確地描述外墻保溫層厚度與采暖制冷負(fù)荷之間的關(guān)系，如表2所示。

從表2可以看出，保溫層厚度從30 mm增加到40 mm，傳熱系數(shù)由0.713 W/（m2·K）降至0.572 W/（m2·K），單位面積負(fù)荷減小了4.27 kW·h/（m2·a），外墻保溫層厚度增加10 mm，單位面積負(fù)荷遞減百分比為3.0%。保溫層厚度從40 mm增加到70 mm時(shí)，傳熱系數(shù)由0.572 W/（m2·K）下降到0.360 W/（m2·K），單位面積負(fù)荷減小了6.63 kW·h/（m2·a），外墻保溫厚度每增加10 mm，單位面積能耗遞減百分比大于1%，說明通過增加保溫層厚度降低外墻傳熱系數(shù)的做法在一定程度上可以減小全年的單位面積負(fù)荷，保溫層厚度從70 mm增加到100 mm時(shí)，即傳熱系數(shù)由0.360 W/（m2·K）下降到0.262 W/（m2·K），單位面積負(fù)荷減少了3.11 kW·h/（m2·a），外墻保溫厚度每增加10 mm，單位面積能耗遞減百分比小于1%，說明通過增加保溫層厚度降低外墻傳熱系數(shù)的做法對(duì)全年的單位面積負(fù)荷減少效果不明顯。綜上所述，西安地區(qū)裝配式建筑中住宅的外墻XPS保溫層厚度取70 mm為宜，外墻傳熱系數(shù)以0.360 W/（m2·K）為宜，

2.2 屋面保溫層厚度對(duì)建筑采暖和制冷負(fù)荷的影響

參照西安某住宅建筑屋面構(gòu)造做法，屋面板為疊合板（在預(yù)制板60 mm上做100 mm的現(xiàn)澆層），利用上述研究方法計(jì)算得到該屋面XPS保溫層厚度取60 mm為宜，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)以0.417 W/（m2·K）為宜。

2.3 外窗類型及窗墻比對(duì)建筑采暖和制冷負(fù)荷的影響

2.3.1 基礎(chǔ)模型外窗類型選擇

寒冷地區(qū)裝配式建筑研究過程中普通節(jié)能建筑常用的外窗類型可以滿足要求，西安地區(qū)住宅建筑的外窗在考慮到透光率、遮陽(yáng)系數(shù)、傳熱系數(shù)、經(jīng)濟(jì)成本等影響因素下，在一般的集合住宅中，采用斷橋塑鋼中空玻璃或者在窗墻比較小的外窗采用斷橋塑鋼普通雙玻。目前，西安市場(chǎng)可以選用的節(jié)能窗戶的熱工性能：?jiǎn)螌硬Ａ茕摯?、單框雙層塑鋼窗、中空玻璃塑鋼窗的傳熱系數(shù)[5]分別為4.7、2.7、2.6 W/（m2·K）。

2.3.2 南向外窗窗墻比

對(duì)不同塑鋼窗戶在南向外窗不同窗墻比條件下建筑采暖與制冷總負(fù)荷用DeST-h能耗模擬軟件進(jìn)行模擬分析，結(jié)果見圖2。

圖2 采暖與制冷總負(fù)荷與南向外窗窗墻比的關(guān)系

由圖2表明，3種不同形式的外窗隨著南向窗墻比的增大，全年建筑總負(fù)荷均增大。其中中空玻璃塑鋼窗和單框雙層塑鋼窗的負(fù)荷量明顯小于單層玻璃塑鋼窗，且漲幅較為緩慢，因此，南向外窗優(yōu)先選用中空玻璃塑鋼窗和單框雙層塑鋼窗，當(dāng)窗墻比＜0.6時(shí)，優(yōu)先選用中空玻璃塑鋼窗，當(dāng)窗墻比＞0.6時(shí)，優(yōu)先選用單框雙層塑鋼窗。

綜上所述，寒冷地區(qū)裝配式建筑住宅南向外窗類型為中空玻璃塑鋼窗和單框雙層塑鋼窗，應(yīng)該在滿足日照、天然采光和自然通風(fēng)中對(duì)各使用房間限值的基礎(chǔ)上盡可能降低窗墻比設(shè)置。

2.3.3 北向外窗窗墻比

對(duì)不同塑鋼窗戶在北向外窗不同窗墻比條件下建筑采暖與制冷總負(fù)荷用DeST-h能耗模擬軟件進(jìn)行模擬分析，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，3種不同形式的外窗隨著北向窗墻比的增大，全年建筑總負(fù)荷均增大。其中中空玻璃塑鋼窗和單框雙層塑鋼窗的負(fù)荷量明顯小于單層玻璃塑鋼窗。因此，單框雙層塑鋼窗和中空玻璃塑鋼窗最適宜用于北向外窗，其中單框雙層塑鋼窗適用于北向窗墻比＜0.5的情況，中空玻璃塑鋼窗適用于北向窗墻比＞0.5的情形。

圖3 采暖與制冷總負(fù)荷與北向外窗窗墻比的關(guān)系

綜上所述，寒冷地區(qū)裝配式建筑建筑（住宅）北向外窗類型為中空玻璃塑鋼窗和單框雙層塑鋼窗，應(yīng)該在滿足日照、天然采光和自然通風(fēng)中對(duì)各使用房間限值的基礎(chǔ)上盡可能降低窗墻比設(shè)置。

2.3.4 東西向外窗窗墻比

對(duì)不同塑鋼窗戶在東西向外窗不同窗墻比條件下建筑采暖與制冷總負(fù)荷用DeST-h能耗模擬軟件進(jìn)行模擬分析，結(jié)果見圖4。

圖4 采暖與制冷總負(fù)荷與東、西向外窗窗墻比的關(guān)系

由圖4可知，3種不同形式的外窗隨著東西向窗墻比的增大，全年建筑總負(fù)荷均增大。其中，中空玻璃塑鋼窗和單框雙層塑鋼窗的負(fù)荷量明顯少于單層玻璃塑鋼窗。因此，對(duì)于這3種形式的外窗，單框雙層塑鋼窗和中空玻璃塑鋼窗最適宜用于東西向，其中單框雙層塑鋼窗適用于東西向窗墻比＜0.4的情形，中空玻璃塑鋼窗適用于東西向窗墻比＞0.4的情形。

綜上所述，寒冷地區(qū)裝配式建筑建筑（住宅）東西向外窗類型宜選用中空玻璃塑鋼窗和單框雙層塑鋼窗，應(yīng)該在滿足日照、天然采光和自然通風(fēng)中對(duì)各使用房間限值的基礎(chǔ)上盡可能降低窗墻比設(shè)置。

3 裝配式建筑模型優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

3.1 住宅模型的建立

以西安市某裝配式住宅為例，該住宅地上6層，采用裝配式的建造方式進(jìn)行建造。本文以其中一戶為例，建立住宅模型對(duì)其進(jìn)行能耗模擬分析。住宅平面如圖5所示。

圖5 某裝配式住宅模型

3.2 優(yōu)化方案模擬分析

利用DeST-h對(duì)模型建筑進(jìn)行能耗模擬分析，房間類型選擇普通房間，房間功能按戶型圖設(shè)置有主臥室、次臥室、陽(yáng)臺(tái)、衛(wèi)生間、廚房。內(nèi)部熱擾選擇系統(tǒng)默認(rèn)值，調(diào)整燈光最大功率為5 W，房間通風(fēng)選擇“通風(fēng)范圍定義”，房間與外界最小通風(fēng)次數(shù)在冬季及夏季空調(diào)開啟時(shí)設(shè)定換氣次數(shù)為0.5次/h，在夏季空調(diào)未開啟時(shí)設(shè)定為2次/h；房間與外界最大通風(fēng)次數(shù)為5次/h；建筑空調(diào)面積優(yōu)化和統(tǒng)計(jì)值為91.22 m2，住宅負(fù)荷計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 某裝配式住宅全年負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

從表3可以得出，住宅模型全年累計(jì)熱負(fù)荷為3442.26 kW·h。與優(yōu)化前相比，供暖空調(diào)全年計(jì)算負(fù)荷降低幅度可以滿足綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的要求。

4 結(jié)論

（1）寒冷地區(qū)（西安）裝配式建筑中住宅的外墻XPS保溫層厚度取70 mm為宜，外墻傳熱系數(shù)以0.360 W/（m2·K）為宜；屋面XPS保溫層厚度取60 mm為宜，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)以0.417 W/（m2·K）為宜。

（2）寒冷地區(qū)（西安）裝配式住宅最佳外窗類型宜選用中空玻璃塑鋼窗和單框雙層塑鋼窗，且應(yīng)該在滿足日照、天然采光和自然通風(fēng)中對(duì)各使用房間限值的基礎(chǔ)上盡可能降低窗墻比設(shè)置。

（3）結(jié)合工程實(shí)例，某裝配式建筑住宅模型全年累計(jì)熱負(fù)荷為3442.26 kW·h。與優(yōu)化前相比，供暖空調(diào)全年計(jì)算負(fù)荷降低幅度可以滿足綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的要求。

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