超低能耗建筑外保溫對室外熱環(huán)境衰減實(shí)測分析＊

贠清華，崔國游，曹依蕾

（河南五方合創(chuàng)建筑設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003）

0 引言

被動式超低能耗建筑通過對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫層進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和施工，同時(shí)利用建筑本身重質(zhì)材料的熱惰性，對室外溫度的波動產(chǎn)生了很好的衰減和延遲作用，既可削減用能需求的峰值，又可減小室內(nèi)溫度的波動，增強(qiáng)室內(nèi)環(huán)境的熱穩(wěn)定性。外墻外保溫系統(tǒng)在我國嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)使用，可保持穩(wěn)定的室內(nèi)溫度，為住戶提供舒適的生活環(huán)境[1]。目前，有不少學(xué)者針對圍護(hù)結(jié)構(gòu)特性對室內(nèi)熱環(huán)境影響進(jìn)行了研究。程飛等[2]采用數(shù)值計(jì)算的方法，比較了相同運(yùn)行模式下住宅外墻外保溫和外墻內(nèi)保溫2種保溫方式的性能，結(jié)果表明，采用外保溫的房間在空調(diào)關(guān)閉后熱舒適性更好。圍護(hù)結(jié)構(gòu)特性對室內(nèi)熱環(huán)境的研究大多停留在軟件模擬或者仿真基礎(chǔ)上，因此，本文基于對建筑外保溫對室內(nèi)環(huán)境影響的理論認(rèn)識，對五方科技館圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面及室內(nèi)外溫度進(jìn)行實(shí)測分析，得出不同季節(jié)的溫度變化曲線，總結(jié)建筑內(nèi)表面溫度的實(shí)際變化規(guī)律，為后續(xù)被動式超低能耗建筑的研究、設(shè)計(jì)提供實(shí)測數(shù)據(jù)支撐。

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目簡介

本研究測試對象為中原地區(qū)首個(gè)被動式超低能耗建筑——五方科技館，總建筑面積約1 515.68m2，地上3層，內(nèi)部功能主要為會議、辦公、住宿和餐飲等。

1.2 外圍護(hù)系統(tǒng)

建筑外墻保溫采用150mm厚的石墨聚苯板，屋頂采用150mm厚的擠塑板，外墻傳熱系數(shù)為0.198W/（m2·K），屋頂傳熱系數(shù)為0.205W/（m2·K），地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為2.905W/（m2·K）。外窗采用鋁包木窗，Uf=0.91W/（m2·K），Ug=0.61W/（m2·K），g＝0.43。建筑氣密性N50達(dá)到0.17 h-1。

2 監(jiān)測條件及內(nèi)容

2.1 監(jiān)測對象

監(jiān)測對象為五方科技館，測試時(shí)該館已投入正常使用，主要功能以體驗(yàn)參觀為主，日均人流量為10～50人，截至2019年9月5日，已有7 300余人進(jìn)行參觀體驗(yàn)。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng)包括室外環(huán)境參數(shù)采集、室內(nèi)環(huán)境參數(shù)采集，采集參數(shù)包括室內(nèi)外環(huán)境溫度、濕度、CO2濃度、PM2.5濃度、PM10濃度、風(fēng)速、風(fēng)向、噪聲等。監(jiān)測系統(tǒng)還包括對外墻內(nèi)表面、地面、屋頂內(nèi)表面溫度的采集。

2.3 監(jiān)測周期

自五方科技館開館，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就已開始運(yùn)行。取監(jiān)測周期為2019年1月29日—2019年8月31日，期間經(jīng)歷了冬季、春季及夏季。

3 室內(nèi)外溫度監(jiān)測結(jié)果

3.1 采暖季

采暖季是測試的關(guān)鍵階段之一。五方科技館由帶高效熱回收的新風(fēng)系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行極端天氣下的輔助制熱。采暖季2月份的監(jiān)測結(jié)果如圖1所示，由此可知，2月份室外溫度在10℃以下且溫度波動很大，而科技館室內(nèi)溫度和圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度卻始終維持在某一較高溫度區(qū)間值，日均溫度隨時(shí)間的變化很??；室內(nèi)溫度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度是個(gè)趨同的過程，室內(nèi)溫度通過相對較低的圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度向室外傳熱。另外，由圖1可知，室內(nèi)溫度和圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的溫度相差2～3℃，而理論計(jì)算的溫差一般為1.3℃左右。主要原因是：在采暖季2月份，五方科技館處于剛開館的狀態(tài)，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)及內(nèi)部重質(zhì)結(jié)構(gòu)材料中蓄存的熱量很少，溫度相對較低，所以存在兩者溫差較大的情況。

圖1 2月份監(jiān)測結(jié)果

3.2 過渡季

圖2為過渡季4月份溫度監(jiān)測情況。在過渡季節(jié)，要充分利用自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)相結(jié)合，在室外空氣質(zhì)量較好的情況下，可加強(qiáng)氣流與建筑蓄熱體的對流換熱，充分利用自然通風(fēng)。從溫度變化曲線可以看出，室外溫度4月份波動很大，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度波動非常小，與室外平均溫度呈現(xiàn)非常弱的聯(lián)動關(guān)系，同時(shí)有持續(xù)增高趨勢。同樣，室內(nèi)溫度的變化情況與其相似。在過渡季節(jié)，室內(nèi)溫度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度基本一致，且室內(nèi)溫度與各內(nèi)表面溫度也是逐漸趨同的過程，通過新風(fēng)系統(tǒng)及自然通風(fēng)等，使室內(nèi)溫度保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。

圖2 4月份監(jiān)測結(jié)果

3.3 制冷季

7—8月屬于夏季，室外溫度較高，科技館室內(nèi)通過新風(fēng)系統(tǒng)的輔助制冷功能，使室內(nèi)各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度維持在25℃左右（見圖3），即使在非常炎熱的天氣，室內(nèi)也能保持較舒適的環(huán)境，且各參數(shù)也符合設(shè)計(jì)要求。在夏季，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度及室溫隨外部氣溫小幅波動，室內(nèi)溫度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度是一個(gè)日趨分化的過程。圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度日趨高于室內(nèi)溫度，開始通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重質(zhì)材料吸收室內(nèi)空氣的冷量，同時(shí)起到控制室內(nèi)輻射溫度的作用。

圖3 7月份監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié)語

被動式超低能耗建筑是在提高室內(nèi)舒適度和室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的前提下的超低能耗建筑。五方科技館經(jīng)歷了冬、夏季及過渡季3種狀態(tài)，通過監(jiān)測結(jié)果得到以下結(jié)論。

1）在采暖季，室內(nèi)溫度通過相對較低的圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度向室外傳熱。在過渡季節(jié)，室內(nèi)溫度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度基本一致，通過新風(fēng)系統(tǒng)及自然通風(fēng)等，能保持室內(nèi)溫度在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。在夏季空調(diào)開啟后，室內(nèi)溫度開始低于內(nèi)表面溫度，冷量通過墻體擴(kuò)散至室外，結(jié)構(gòu)體開始蓄冷；同時(shí)，良好的保溫性能保證了日間太陽輻射不會因曬透保溫層而造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)過熱。

2）室內(nèi)熱舒適度受各種因素影響，同時(shí)，它們之間也互相影響。其中，環(huán)境輻射溫度是影響室內(nèi)熱舒適度的重要因素之一。由以上的監(jiān)測結(jié)果可知，即便在極端天氣下，室內(nèi)溫度和圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度溫差也在2℃以內(nèi)。五方科技館圍護(hù)結(jié)構(gòu)良好的保溫性能，保證了室內(nèi)的輻射熱舒適度。

超低能耗建筑不能提供全年恒溫、恒濕環(huán)境，但通過良好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫，為超低能耗建筑的結(jié)構(gòu)體系提供了一個(gè)穩(wěn)定的熱惰體。冬季和夏季只需持續(xù)輸入很小的空調(diào)負(fù)荷即可滿足建筑要求。圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度及室內(nèi)溫度會隨外部氣溫小幅波動。在不同季節(jié)，有良好保溫性能的圍護(hù)結(jié)構(gòu)均起到了室內(nèi)溫度穩(wěn)定器的作用。