基于DeST的建筑圍護結(jié)構(gòu)綜合傳熱性能研究

（安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

1 引言

目前全國建筑能耗總量每年以5%遞增，建筑節(jié)能問題不容忽視。其中，通過圍護結(jié)構(gòu)的傳熱損失約占建筑總能耗損失70%～80%，所以對圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的優(yōu)化成為建筑節(jié)能的一項重要措施。但是目前大多數(shù)研究都是針對保溫層厚度，Al-Khawaja使用壽命周期費用法對卡塔爾首都區(qū)域的墻體進行研究分析，確定了最佳保溫層厚度。Mahlia等使用現(xiàn)值法對馬爾代夫商業(yè)建筑進行分析，得出了不同材料的最佳保溫層厚度。Al-Sanea等采用動態(tài)方法計算建筑物的能耗，并分析了保溫層的最佳厚度。

部分研究是針對圍護結(jié)構(gòu)各組成部分的優(yōu)化組合。王厚華等通過正交試驗設(shè)計模擬實驗組合方案，獲得圍護結(jié)構(gòu)各部件的優(yōu)化組合方案，即屋面、外窗、外墻傳熱系數(shù)分別取 1.0W/（m·K），2.0W/（m·K），0.74W/（m·K），夏 熱 冬冷地區(qū)7個典型城市的全年節(jié)能率為34.0%～42.8%。黃建恩等提出圍護結(jié)構(gòu)等效傳熱系數(shù)限值，綜合考慮窗戶的朝向、窗墻比、窗戶的類型等因素，建立了外墻保溫層厚度計算模型和圍護結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)優(yōu)化模型。房濤等研究了不透明圍護結(jié)構(gòu)的保溫層厚度、外窗傳熱系數(shù)以及窗墻比對住宅采暖、制冷能耗的影響，并通過模擬確定了寒冷地區(qū)被動房住宅圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)值：外墻傳熱系數(shù)為0.14 W/（m·K），屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)0.145W/（m·K）；透明圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)南、北向均為0.78 W/（m·K），東、西向均為1.0W/（m·K）。張歡等針對辦公建筑，利用eQUEST能耗模擬軟件，分析了改變外墻、屋面的保溫層厚度以及外窗玻璃類型這些節(jié)能方案對空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響及其經(jīng)濟效益。

盡管已經(jīng)有不少學(xué)者對圍護結(jié)構(gòu)的綜合性能進行了大量的研究工作，但大多數(shù)研究者在研究過程中把外墻、屋面、外窗割裂開，沒有考慮圍護結(jié)構(gòu)的綜合傳熱，使研究成果的應(yīng)用受到一定程度的影響。在建筑工程設(shè)計時，不同圍護結(jié)構(gòu)有不同的材質(zhì)，更需要考慮綜合傳熱系數(shù)對建筑能耗的影響。本文選擇了某一高層住宅建筑為基礎(chǔ)模型，參照《安徽省居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，在圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)定的基礎(chǔ)上，建立圍護結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)優(yōu)化模型，并得出圍護結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)與建筑耗能量的關(guān)系式。

2 模擬條件與建筑模型

以某棟住宅樓為建筑模型，建筑高度78.05m，建筑面積地上11217m。地理位置為北緯31.75，東經(jīng) 116.49，采暖、空調(diào)設(shè)備為家用空調(diào)器，模型如圖1所示。

圖1 基礎(chǔ)建筑模型圖和平面圖

3 圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)對建筑耗能量的影響

夏熱冬冷地區(qū)大多夏季悶熱，冬季濕冷，需要采取一定的措施才能保證室內(nèi)環(huán)境舒適度。其中主要措施是改善圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱的性能。

3.1 屋面

屋面是建筑物頂部與外部環(huán)境直接接觸的部位。目前，屋面節(jié)能主要是通過兩種節(jié)能技術(shù)措施：弱化屋面的太陽輻射吸收性能和在屋面結(jié)構(gòu)中設(shè)置保溫層。

圖2 屋面構(gòu)造

圖3 不同傳熱系數(shù)的屋面

圖4 不同保溫層厚度屋面的耗能量

本次屋面模擬采用的保溫材料為擠塑聚苯板（XPS板）（圖2），控制屋面其他材料參數(shù)不變，改變擠塑聚苯板的厚度，構(gòu)建幾種傳熱系數(shù)不同的屋面（圖3），分析不同傳熱系數(shù)的屋面對住宅建筑全年耗能量的影響，模擬結(jié)果如圖4所示。

從圖中可以看出，隨著屋面保溫層厚度的逐漸增加，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)不斷減小，建筑制冷耗能量變化幅度較小，采暖耗能量逐漸減少。從全年總耗能量的分布曲線可以看到，屋面保溫層厚度增加到220mm之后，全年總耗能量基本不變，由此可判定該住宅建筑屋面的最佳保溫層厚度為220mm，與之對應(yīng)的最佳傳熱系數(shù)為0.143W/（mK）。

3.2 外墻

墻體的傳熱損失約占圍護結(jié)構(gòu)的25%，為了實現(xiàn)外墻節(jié)能這一目的，主要措施是提高墻體的保溫、隔熱性能。

圖5 外墻結(jié)構(gòu)

圖6 不同傳熱系數(shù)的墻體

圖7 不同保溫層厚度墻體的耗能量

外墻采用的保溫材料為聚苯乙烯泡沫塑料板（EPS板），外墻構(gòu)造如圖5所示，保持其他材料不變，改變EPS板厚度，構(gòu)建幾種傳熱系數(shù)不同的外墻（圖6），利用DeST-h軟件分析不同傳熱系數(shù)的外墻對住宅建筑全年耗能量的影響，模擬結(jié)果如圖7所示。

從圖中可以看出，隨著外墻保溫層厚度不斷增加，外墻傳熱系數(shù)逐漸減小，建筑制冷耗能量變化幅度較小，表明外墻保溫層厚度的增減對制冷耗能量影響較小，而采暖耗能量不斷減少，同時從全年總耗能量的分布曲線可以看出，在保溫層厚度從40mm增加到180mm過程中全年總耗能量明顯降低，但當(dāng)保溫層厚度達(dá)到340mm之后全年耗能量的分布曲線保持穩(wěn)定。由此可以判斷該住宅建筑的外墻最佳保溫層厚度為340mm，對應(yīng)的外墻最佳傳熱系數(shù)取0.132W/（m·K）。

3.3 外窗

外窗是圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱薄弱的部位，外窗得熱量占圍護結(jié)構(gòu)總得熱量23%～27%。為了解不同傳熱系數(shù)的外窗對建筑耗能量的影響，以雙層中空Low-E玻璃外窗為例進行模擬對比。在模擬過程中，控制其他參數(shù)不變，改變外窗傳熱系數(shù)，構(gòu)造幾種傳熱系數(shù)不同的外窗，并利用DeST-h模擬不同傳熱系數(shù)的外窗對建筑耗能量的影響，模擬結(jié)果如圖8所示。

由圖8可以看到：當(dāng)外窗傳熱系數(shù)由 6.0W/（m·K）減 小 到 1.5W/（m·K）時，建筑全年總耗能量隨著外窗傳熱系數(shù)的減小而減少，制冷耗能量變化幅度較小，采暖耗能量呈線性減少，判斷外窗最佳傳熱系數(shù)為1.5W/（m·K）。其中，隨著外窗傳熱系數(shù)的降低，制冷耗能量反而增加，這是由于在夏季室外溫度較高時，外窗傳熱系數(shù)的降低雖有利于隔絕室外的熱量向室內(nèi)傳遞，但在夏季夜間或過渡季，室外溫度相對室內(nèi)溫度較低時，雙層窗反而不利于室內(nèi)向外散熱，因此制冷耗能量隨著外窗傳熱系數(shù)的減小反而增加。

圖8 外窗傳熱系數(shù)對建筑耗能量的影響

4 圍護結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)的研究

建筑圍護結(jié)構(gòu)是由外墻、屋面、外窗等多部件組合而成的綜合體。圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的現(xiàn)場檢測方法主要包括熱流計法、熱箱法、紅外熱像儀法。然而，這3種方法測試的僅是單一部件的傳熱系數(shù)，難以反映圍護結(jié)構(gòu)的綜合熱工性能，所以引入圍護結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)Km的概念并進行研究。

圍護結(jié)構(gòu)對建筑采暖指標(biāo)以及空調(diào)制冷指標(biāo)的影響可用傳熱系數(shù)來描述，圍護結(jié)構(gòu)空調(diào)耗冷量Q和采暖耗熱量Q由下式計算：

式中：Q，Q，Q：分別為外墻，屋面，外窗的傳熱量，W；k：傳熱系數(shù)，W/（m·K）；f：圍護結(jié)構(gòu)面積，m；t為空調(diào)室外溫度，27℃；t：空調(diào)、采暖室內(nèi)設(shè)計溫度，℃；t：采暖室外計算溫度，3.5℃；下標(biāo) i：各個朝向；x：朝向修正率，北：5%，南：-20%，東、西：-5% ；T為六安地區(qū)全年室內(nèi)外的平均溫差，8.3℃，F(xiàn)為圍護結(jié)構(gòu)總面積，m；Q：全年總耗能量，kW·h，τ：空調(diào)季運行時間，h；τ：采暖季運行時間，h。

5 綜合傳熱系數(shù)與建筑總耗能量的關(guān)系

將屋面、外墻、外窗的傳熱系數(shù)分別帶入公式（1）（2）（3）中，計算得到圍護結(jié)構(gòu)采暖耗熱量Q、空調(diào)耗冷量Q與綜合傳熱系數(shù)K，并通過DeST-h模擬得到建筑全年總耗能量Q圖9顯示40多例的Km隨全年總耗能量的變化關(guān)系，并且趨勢一致接近重合，擬合公式為：

式中：R為相關(guān)指數(shù)，表示回歸方程擬合度的高低，R越接近于1表示擬合效果越好。

圖9 綜合傳熱系數(shù)與建筑耗能量的關(guān)系

由圖9可以看出，同一地區(qū)不同圍護結(jié)構(gòu)的綜合傳熱系數(shù)越小，其保溫隔熱水平越好，建筑的全年總耗能量越低，因此建筑圍護結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)可以比較直觀地反映圍護結(jié)構(gòu)的總體的保溫隔熱水平。根據(jù)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中的圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)限值代入擬合公式中，可得該地區(qū)住宅建筑圍護結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)限值1.77W/（m·K），利用圍護結(jié)構(gòu)最佳傳熱系數(shù)，得出該住宅建筑圍護結(jié)構(gòu)最佳綜合傳熱系數(shù)0.66W/（m·K）。

6 結(jié)論

①針對圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)對住宅建筑采暖、制冷耗能量的影響進行模擬計算與分析，結(jié)果表明：夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑節(jié)能設(shè)計圍護結(jié)構(gòu)中外墻最佳傳熱系數(shù)為0.132W/（m·K），屋面最佳傳熱系數(shù)為0.143W/（m·K），外窗最佳傳熱系數(shù)為1.5W/（m·K）。

②得到圍護結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)Km與全年總耗能量Q的關(guān)系式，并確定了Km 的取值范圍 0.66W/（m·K）≤Km≤1.77W/（m·K）。在同一地區(qū)可以直觀正確地反映建筑圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱的總體水平，為進一步的經(jīng)濟性分析奠定了基礎(chǔ)。