王 燁 蔡覺先

1蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院

2甘肅省交通儲運揚塵治理工程技術(shù)研究中心

不同氣候條件下復合墻體節(jié)能率對比研究

王 燁1，2蔡覺先2

1蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院

2甘肅省交通儲運揚塵治理工程技術(shù)研究中心

不同圍護結(jié)構(gòu)對應建筑物不同負荷。本文采用冷負荷系數(shù)法分析了四種圍護結(jié)構(gòu)類型在北京和上海兩地區(qū)的空調(diào)冷負荷變化特征及保溫墻體對節(jié)能率的貢獻。結(jié)果表明：保溫墻體較未保溫墻體對應的空調(diào)冷負荷幅值有較大降低，而且，取得極值的時刻也不相同；不同的復合墻體所形成圍護結(jié)構(gòu)對應的逐時冷負荷變化趨勢基本一致；同一類型圍護結(jié)構(gòu)在北京和上海對節(jié)能率的貢獻差異很小，這為開發(fā)新型圍護結(jié)構(gòu)的跨區(qū)域推廣應用提供了理論支持。

建筑節(jié)能復合墻體冷負荷系數(shù)法節(jié)能率

0 引言

我國目前已進入了建筑節(jié)能65%的實施階段。復合墻體作為一種節(jié)能、耐久的圍護結(jié)構(gòu)，對于提高建筑物節(jié)能率具有非常重要的作用。對于其結(jié)構(gòu)的合理設計、對室內(nèi)熱環(huán)境的影響、經(jīng)濟性等研究，也取得了大量的成果[1～3]。但通過使用新型復合墻體來減小房間負荷，也會引起墻體的造價增加等問題，所以，不同結(jié)構(gòu)的屋面和外墻的不同組合在不同地區(qū)氣候條件下的節(jié)能率是一個值得探討的問題。

1 研究模型

1.1 建筑模型

研究建筑為頂層房間，平面圖如圖1所示。除了外墻、屋頂，建筑物圍護結(jié)構(gòu)其它部分均采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。外墻、屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)如表1和表2所示。K=1.55W/(m2·K)的屋頂屬于未保溫結(jié)構(gòu)，表中未列其結(jié)構(gòu)。

圖1 建筑平面圖

表1 外墻結(jié)構(gòu)

表2 屋頂結(jié)構(gòu)

1.2 研究方法

本文以北京和上海地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)為計算條件，采用冷負荷系數(shù)法對具有不同圍護結(jié)構(gòu)及傳熱特性的辦公建筑的冷負荷進行對比分析，獲得圍護結(jié)構(gòu)類型對于節(jié)能率的影響特征。

1.3 冷負荷計算方法

由于本文重點是對同一建筑在北京和上海兩地區(qū)的空調(diào)負荷進行比較分析，假定“工藝設備散熱引起的冷負荷、人體散熱引起的冷負荷以及照明設備散熱引起的冷負荷”在兩地區(qū)的房間里均相同。所以，本文對空調(diào)房間的冷負荷計算主要包括“外墻和屋面瞬變傳熱引起的冷負荷、外玻璃窗瞬變傳熱引起的冷負荷和透過玻璃窗的日射得熱引起的冷負荷”三部分。

1）外墻和屋面瞬變傳熱引起的冷負荷

外墻和屋面瞬變傳熱引起的冷負荷按式（1）計算：

式中：QC(τ)為外墻和屋面瞬變傳熱引起的逐時冷負荷，W；A為外墻和屋面的面積，m2；K為外墻和屋面的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；tn為室內(nèi)計算溫度，℃；tC(τ)為外墻和屋面冷負荷計算溫度的逐時值，℃；td為冷負荷計算溫度地點修正系數(shù)，℃；kα為外表面放熱系數(shù)的修正值；kρ為外表面吸收系數(shù)的修正值。

2）外玻璃窗瞬變傳熱引起的冷負荷

在室內(nèi)外溫差作用下，通過外玻璃窗瞬變傳熱引起的冷負荷按式（2）計算：

式中：Q′C(τ)為外玻璃窗瞬變傳熱引起的冷負荷，W；cw為玻璃窗傳熱系數(shù)修正值；Kw為外玻璃窗傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Aw為窗口面積，m2。

3）透過玻璃窗的日射得熱引起的冷負荷

透過玻璃窗進入室內(nèi)的日射得熱形成的逐時冷負荷按式（3）計算：

式中：Q′′C(τ)為透過玻璃窗進入室內(nèi)的日射得熱形成的逐時冷負荷，W；Ca為有效面積系數(shù)；Cs為窗玻璃的遮陽系數(shù)；Ci為窗內(nèi)遮陽設施的遮陽系數(shù)；Dj,max為日射得熱因數(shù)；CLQ為窗玻璃冷負荷系數(shù)。

2 結(jié)果分析

本文以外墻K=1.55W/(m2·K)、未保溫屋頂K= 1.55W/(m2·K)組合的圍護結(jié)構(gòu)作為基準房間進行負荷計算，后面的節(jié)能率也是以該基準房間負荷值為參照值來確定的。

2.1 兩地區(qū)太陽輻射強度

不同地區(qū)太陽輻射照度對室內(nèi)負荷有重要影響。圖2為北京和上海兩地區(qū)夏季不同方位的太陽總輻射照度?？梢钥闯?，除了北向，北京在其它各個方位的太陽輻射強度均稍高于上海。這與北京和上海分別屬于兩個氣候分區(qū)以及北京夏季的太陽輻射強度較大有關(guān)。

圖2 太陽總輻射照度比較

2.2 冷負荷計算結(jié)果

計算中，窗戶均為金屬框雙層玻璃窗，傳熱系數(shù)Kw=2.93W/(m2·K)，玻璃窗地點修正值td=0，傳熱系數(shù)的修正值cw=1.2。東、西墻面積A=54.6m2，南、北外墻面積A=67.2m2，北外窗面積合計A=37.8m2，屋頂面積A=468m2。查文獻[4]得到兩個地區(qū)不同時刻的空調(diào)設計室外計算溫度值以及其它參數(shù)值。

2.2.1 空調(diào)冷負荷比較

北京和上海兩地區(qū)的夏季空調(diào)冷負荷和圍護結(jié)構(gòu)的類型之間的關(guān)系如圖3所示。按照外墻和屋頂不同組合將圍護結(jié)構(gòu)分為I型（外墻傳熱系數(shù)K=1.55W/ (m2·K)、屋頂K=1.55W/(m2·K)）、II型（外墻傳熱系數(shù)K=0.78W/(m2·K)、屋頂K=0.45W/(m2·K)）、III型（外墻傳熱系數(shù)K=0.60W/(m2·K)、屋頂K=0.41W/m2·K)）和IV型（外墻傳熱系數(shù)K=0.46W/(m2·K)、屋頂K=0.35W/ (m2·K)）。其中，I型為未保溫墻體和屋頂?shù)慕M合。

圖3 夏季冷負荷逐時變化圖

可以看出，I型圍護結(jié)構(gòu)建筑在兩地區(qū)的冷負荷極值對應時刻與其它三種圍護結(jié)構(gòu)建筑在兩地區(qū)的冷負荷極值對應時刻均不一致。對北京地區(qū)來說，I型圍護結(jié)構(gòu)建筑的冷負荷極小值在早上9:00取得，而極大值在晚21:00取得。其它三種類型圍護結(jié)構(gòu)建筑的冷負荷極小值均在早5:00取得，而極大值在13:00取得。這是因為未保溫建筑吸收的太陽輻射熱較多并儲存在室內(nèi)，使得夜間室內(nèi)溫度較高。隨著室內(nèi)外換熱過程的進行，到了9:00左右，室內(nèi)溫度降到最低水平。9:00之后，隨著太陽輻射強度的增大，熱量由室外傳向室內(nèi)，室內(nèi)溫度隨之逐漸上升，室內(nèi)冷負荷也隨之逐時增大。雖然室外溫度最高值不在21:00，但由于外墻及屋頂均未保溫，也就無法起到對溫度波幅值衰減和相位延遲的作用，加之熱量傳輸?shù)膽T性作用，導致室內(nèi)蓄熱量的絕對值一直增加，直到晚21:00。上海地區(qū)的I型圍護結(jié)構(gòu)建筑冷負荷變化也表現(xiàn)出了相似特征。但上海地區(qū)冷負荷極大值要低于北京地區(qū)極大值。

其它三種采用不同保溫方式的復合墻體的冷負荷變化表現(xiàn)出了與I型圍護結(jié)構(gòu)截然不同的特征，但這些復合墻體對應的冷負荷卻具有相似的變化趨勢。兩地區(qū)冷負荷均在5:00取得極小值，在13:00取得極大值。與I型圍護結(jié)構(gòu)冷負荷變化曲線相比，復合墻體對溫度波的衰減效應是很明顯的。而且，隨著外墻及屋頂傳熱系數(shù)的減小，冷負荷極值的絕對值也在減小，但差異不是很明顯。這就引發(fā)了另一個問題：如何確定合理的圍護結(jié)構(gòu)使得投入成本的增大和建筑能耗的降低達到平衡。同一復合墻體在上海地區(qū)冷負荷極大值低于北京地區(qū)的極大值。

2.2.2 節(jié)能率比較

與基準圍護結(jié)構(gòu)相比，得到不同保溫結(jié)構(gòu)復合墻體的節(jié)能率，如圖4所示。復合墻體在兩地區(qū)的節(jié)能率隨時間變化表現(xiàn)出了相似的特征：早、晚對能耗的降低幅度較顯著，到了13:00左右由于太陽輻射強度較大，復合墻體的隔熱效果有所降低。對于圍護結(jié)構(gòu)類型II、III、IV，其對節(jié)能的貢獻差異上午時段要稍大于下午時段，但總體上差異不是很大。同一圍護結(jié)構(gòu)類型時，在兩地區(qū)的節(jié)能率極大值和極小值均很接近。這說明通過改變圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)這一指標對節(jié)能率的提高也是有限值的，同時也說明同一建筑在不同氣候條件下的節(jié)能率很接近，這一點為復合墻體的跨地域推廣應用提供了理論支持。

圖4 不同圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能率比較

3 結(jié)論

通過對北京和上海兩地區(qū)不同圍護結(jié)構(gòu)建筑物夏季空調(diào)冷負荷對比計算，得到以下結(jié)論：1）對于同一地區(qū)，未保溫圍護結(jié)構(gòu)和復合墻體形成的圍護結(jié)構(gòu)對空調(diào)冷負荷的影響有著截然不同的影響特征，除了幅值差異較大外，產(chǎn)生幅值的時刻也不同；

2）不同的復合墻體所形成圍護結(jié)構(gòu)對應的逐時冷負荷變化趨勢基本一致；

3）同一類型圍護結(jié)構(gòu)在北京和上海對節(jié)能率的貢獻差異很小，這為開發(fā)新型圍護結(jié)構(gòu)的跨區(qū)域推廣應用提供了理論支持。

[1]趙華,金虹.采暖建筑節(jié)能符合圍護結(jié)構(gòu)與保溫材料經(jīng)濟性的研究[J].哈爾濱建筑大學學報,2001,36(2):83-86

[2]簡毅文,江億.住宅建筑圍護結(jié)構(gòu)保溫性能的確定[J].住宅科技,2001,(7):4-8

[3]胡成德,朱艷芳,王培銘.外墻外保溫系統(tǒng)對室內(nèi)熱環(huán)境的影響[J].建筑節(jié)能,2003,(5):15-18

[4]采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范(GB50019-2003)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003

Com pa rison Stud y o f Ene rgy-sav ing Ra te on Diffe ren t C lim a te Cond itions

WANG Ye1,2,CAIJue-xian2
1 Schoolof Environmentaland Municipal Engineering,Lanzhou Jiaotong University
2Engineering Research Centerof DustControlon Traffic Transportation ofGansu

Different building envelopes correspond to different air-conditioning cooling load.The cooling load coefficientmethod is applied to analyze the air-conditioning cooling load and energy-saving rate resulting from four kinds of building envelopes in Beijing and Shanghai.The results indicate that the cooling load extreme value of the compound wall is lower than thatof the uninsulated wall and the time corresponding to the extreme value is different. The cooling load variesw ith different compound wallsat the same tendency but the difference is very small.The same insulated wall is contributed to energy-saving rate in Beijing is very close to Shanghai,which is advantage to extend the application region fornew insulationwall.

building energy-saving,compoundwall,cooling load coefficientmethod,energy-saving rate

1003-0344（2014）02-070-4

2013-3-16

王燁（1972～），男，博士，副教授；蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院（730070）；E-mail:wangye@mail.lzjtu.cn

國家自然科學基金資助項目（51266004）；甘肅省高?；究蒲袠I(yè)務費項目（212094）