夏热冬冷地区围护结构热工性能节能分析

第38卷第11期同济大学学报(自然科学版)Vol 38 No 11010年11月AL OF TONGJI UNTVERSITY(NATURAL SCIENCE)Nov.2010文章编号:0253374X(2010)11-164106DOl:10.3969/j.isn.0253-374x2010.11.015夏热冬冷地区围护结构热工性能节能分析王厚华12,庄燕燕3,吴伟伟1(1重庆大学城市建设与环境工程学院重庆4000442.重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室重庆400043西安西电开关电气有限公司陕西西安710077摘要:选取夏热冬冷地区7个典型城市住宅为研究对象建 combination scheme is determined, exceeding the goal of立了一个6层居住建筑模型,利用能耗模拟软件 Visualdoe enclosures saving25% of energy. Simulation results are4.0,分析了屋面窗户、遮阳及外墙围护结构各部件热工性 accordant with the experimental results. It is fully verified the能对建筑能耗的影响通过正交试验进行综合节能措施方案 correctness of the simulation calculations.设计,分析不同围护结构组合方案的建筑能耗及节能率变 Key words: energy consumption; thermal properties; energy化,最终确定优化组合方案,超过建筑节能25%的目标模拟conservation potential计算结果与实测结果吻合得很好,充分验证了模拟计算的正确性关键词:建筑能耗;热工性能;节能潜力我国夏热冬冷地区夏季炎热,冬季阴冷潮湿.从图分类号:TU111文献标识码:A宜居角度考虑,必须采取一定的措施才能保证住宅舒适的室内环境.其中主要措施之一是通过提高建Energy Saving Analyses on Envelope Thermal筑围护结构保温隔热能力来实现的1-4.《夏热冬冷Properties in Hot Summer and Cold地区居住建筑节能设计标准》(JGJ134-2001)提出winter region了节能50%的目标⑤,其中围护结构承担其中的25%6,2010年准备实施第三步节能设计标准目标,WANG Houhua. 2, ZHUANG Yanyan. 3, WU Weiwei'(l. Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering即要求达到节能65%,这需要对建筑围护结构的Chongqing University, Chongqing4004,hina;2 Key laboratory of热工性能提出更高要求the Three gorges Reservior Region's Eco-Environment of the该地区围护结构各部件热工性能优化组合方案Ministry of Education, hongqing University, Chongqing4004,节能贡献率的研究却很少,相关文献-中大多侧hin;3.x'’anⅫ Switchgear Electric Co,lad.,Ⅺi’anm1007’重研究围护结构单一部件对建筑能耗的影响,使节能重点具有一定的盲目性本文为提出夏热冬冷地Abstract:Residential buildings were selected as the research k住宅围护结构热工性能要求提供一定的参考,着object in the seven typical cities of hot-summer and cold-重分析该地区住宅屋面窗户遮阳及外墙围护结构winter regon. The model of six-storey residential building was各部件热工性能对建筑能耗的影响通过正交试验set up. Firstly, the effect of thermal properties of enclosure进行综合节能措施方案设计,分析不同围护结构组each component on energy consumption of residential合方案的节能潜力,确定优化组合方案buildings was analyzed by energy consumption softwarev4 closures include roof, window,:mhan1模拟条件schemes of energy saving were designed by the orthogonalexperiment.Then, the building energy consumption and1.1建筑模型energy efficiency rates of different enclosures combination建筑模型为6层1梯2户夏热冬冷地区典型居schemes were compared and analyzed. Finally,, the optimize住建筑中国煤亿工2室2厅户型,当而面1noo收稿期:2009-07-14CNMHG基金项目:“十一五”国家科技支撑计划资助项目(2006BAJ1A05)作者简介:王厚华(1952-),男教授博士生导师主要研究方向为强化传热及建筑节能Emal;whhxinxiang@yahoo.com1642同济大学学报(自然科学版)第38卷每层分东西2户层高3m,窗墙比为0.21,朝向正参数见表1采用 VisualDOE40进行模拟计算,计南,如图1所示算结果见表2表1基础建筑围护结构的热工性能参数厨房厨房Tab1 Thermal parameter of the basic building enclosure次卧室餐厅餐厅7次卧室构造材料传热系数遮阳系卫生间(W·(m2·K)-1)数Sc客厅客厅外墙实心黏t砖主卧室主卧室玻璃单层玻璃钢窗6.40.8屋顶钢筋混凝土板加保温图1基础建筑模型平面图由于《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中Fig 1 Plan view of basic building model没有对基础建筑构造做出详细说明,如体形系数1.2基础能耗楼板的热工参数灯光照明时间、生活居住模式等,能耗模拟基本参数设定按文献[6]要求确定:室导致夏热冬冷地区7个典型城市标准条文解释模外气象计算参数采用典型气象年(TMY2数据,换气拟能耗与本文模拟能耗之间存在一定的差异,其平次数取1.5次·h1.冬季室内设计温度取18℃,夏均差异率为7.3%左右,见表2.鉴于能耗差异率值季室内设计温度取26℃.照明负荷取5W·m-2,夏较小,可以认为模拟能耗值是可信的在下文中的节季空调额定能效比取22,冬季采用电暖器供热,采能率分析中如没有特别指出,基础能耗均指本文的暖额定能效比取1.0.基础建筑围护结构的热工性能模拟能耗表2基础建筑模拟能耗Tab2 Simulation energy consumption of base-building城空调冷耗采暖热耗/全年能耗标准中全年能耗/(kW·hm-2)(kW·h·m2)(kW·h·m2(kW·h·m-2)上海3.2武汉421677100.323.234.5长沙44.9南昌88.2成都62.52.1.1屋面2围护结构热工性能对建筑能耗的影为研究屋顶传热系数对全年节能率的影响根响分析据屋顶保温材料厚度的不同,构建4种传热系数不同的模拟屋顶,分析屋顶围护结构热工性能对顶层由于夏热冬冷地区各大城市所在地域条件的限空调和采暖能耗的影响研究其节能效果制,致使夏热冬冷地区各大城市居住建筑围护结构主改善屋顶热工性能对顶层房间的采暖空调能耗推材料存在一定的差异性。所以笔者通过研究围护和室内热环境的影响较大表3为重庆市4种类型结构各部件的热工性能对建筑能耗的影响,并比较分屋顶的热工性能对顶层能耗及节能率影响的模拟结析获得围护结构各部件热工性能的节能贡献率21围护结构各部件热工性能对建筑能耗的影响果,可见改善屋顶的热工性能要求是不容忽视的表3重庆不同屋顶类型对顶层能耗影响Tab 3 Effect of top-level energy consumption by different roof types in Chongqing屋顶构传热系数/顶层空调能耗/空调节能采暖节能造编号W·(m2·K)-1)(kW·h·m-2)中国煤化工%3.037.9244.0CNMHG2030.7第11期王厚华,等:夏热冬冷地区围护结构热工性能节能分析1643图2为7个典型城市4种屋顶构造全年节能率所减小的居住建筑全年能耗小于增大外窗遮阳系数的柱形图.从图中可见,对于夏热冬冷地区居住建筑S。值所增加的居住建筑全年能耗时,其全年节能率节能50%,屋顶的节能贡献率很小,大致为3%~减小,如长沙、南昌和重庆,反之,其全年节能率增5%说明屋顶在整个建筑外围护结构面积中所占的大,如上海、南京和成都而武汉市降低外窗的传热比例远小于外墙、其得热量占建筑围护结构总得热系数K值所减小的居住建筑全年能耗基本相同于量的比例小,因此,提高屋顶热工性能对顶层房间是增大外窗遮阳系数S。值所增加的居住建筑全年能有利的,但对整个6层居住建筑而言,其对总能耗的耗所以武汉市全年节能率不变降低量是有限的6420口窗户类型2口窗户类型3m窗户类型4编号2a编号3上海南京南昌武汉长沙重庆成都上海南京南昌武汉长沙重庆成都图3不同玻璃类型的全年节能率Fig 3 Energy efficiency ratios for different glass types图24种屋顶的全年节能率Fig 2 Annual energy efficiency ratios for four2.1.3遮阳types of roof construction夏季透过窗户进入室内的太阳辐射是构成空调负荷的主要部分.外遮阳是减少太阳辐射进入室内2.1.2外窗窗户是建筑围护结构中保温隔热最薄弱的部的有效措施之一笔者以无遮阳外窗作为比较基准,位外窗得热量占建筑围护结构总得热量23%~模拟计算窗上方水平遮阳和窗上方及左右两方均有27%1.因此外窗的保温隔热不容忽视遮阳板的综合式遮阳的节能效果,其节能率如图4表4为不同玻璃类型的热工性能参数,其中玻所示璃窗类型1为基础建筑所采用的单层玻璃以类型1口水平式遮阳空调口水平式遮阳采暖普通单层玻璃为基准模拟比较类型24低辐射贴a综合式遮阳空调膜节能中空玻璃不同热工性能的全年节能率■综合式遮阳采暖表4玻璃的热工性能参数Tab 4 Thermal properties of window glass传热系数型(W·(m2·K)-1)遮阳系数S透光率Vn1233.2上海南京南昌武汉长沙重庆成都图3为不同玻璃类型的全年节能率的柱形图,图4水平遮阳及综合遮阳的节能效果对于夏热冬冷地区居住建筑节能50%,外窗的节能Fig 4 Energy efficiency result with horizontal andshading贡献率大致是7%~15%.从图中可见,同时减小外中国煤化工窗的传热系数K值和遮阳系数Sc值将有效地减少CNMH夏季空调固定遮全年居住建筑能耗提高全年节能率对比类型3和阳节能空调节能率为类型4的节能效果可知降低外窗的传热系数K值5%~9%,综合式遮阳空调节能率为10%左右然而644济大学学报(自然科学版)第38卷由于固定遮阳阻挡冬季太阳辐射的进入使得固定节能效果显著当K<0.74W·(m2·K)时(EPS遮阳对冬季采暖均为负效果因此,夏热冬冷地区宜厚度为30mm),7个典型城市采暖节能率均高达采用活动式外遮阳40%以上2.1.4外墙图7为10种墙体的空调节能率随K值变化的曲为研究外墙传热系数对全年节能率的影响,外线从图中可见因模拟条件换气次数取1.5次·h1,墙保温形式采用外保温保温材料采用可发性聚苯没有充分利用夏季温度较低时段自然通风这一自然乙烯板(EPS),基础墙体采用240mm多孔砖(KP资源使得加强墙体保温对空调能耗的影响因各城市型),砂浆采用20mm根据墙体保温材料EPS厚度的气候特征而异,其中长沙南昌和重庆为正效果,但的不同,构建了10种传热系数不同的模拟墙体以空调节能率仅为5%左右夏季个别城市在保温材料便分析比较不同热工性能的外墙对建筑能耗的影ES超过一定厚度后出现负效果如上海、武汉和南响墙体构造热工性能见表5京,其中成都夏季保温空调节能率为负值,说明保温表510种模拟墙体构造后夏季反而不利于散热因此加强夏季温度较低时段Tab. 5 Ten types of simulation wall的房间自然通风是节能的重要措施之一壙构造EPS厚度/传热系数/墙构造EPS厚度/传热系数/编号mn(W.(m2K)编号40000.6365的671400.33通过变化墙体保温材料厚度以改变墙体热工性能,采用 VisualdOE4.0能耗软件模拟,分别得出夏热冬冷地区7个典型城市的全年节能率、采暖节能196141209070605040302率和空调节能率热系数/(W(m3Ko2图5为10种墙体的全年节能率随传热系数K图610种墙体的釆暖节能率值变化的曲线从图中可见,改善外墙热工性能对该Fg6 Heating energy efficiency ratio for ten types地区节能效果非常明显.夏热冬冷地区7个典型城of wall construction市的全年节能率曲线具有随K值减小而增大的一致趋向性.当外墙K<0.91W·(m2·K)1,除南昌和1南次÷离图长沙一成都重庆全年节能率接近20%以外,其他各城市的全年含含节能率均超过20%上海→南盒长沙l631361.170910.740.63055048039033传热系数/(w(m2图710种墙体的空调节能率163161.170910740.630.55048039033Fig 7 Air-conditioning energy efficiency ratio for传热系数/(W(m2K))ten types of wall construction图510种墙体的全年节能率2.2围护结构热工性能对能耗水平的影响Fig 5 Annual energy efficiency ratios for tentypes of wall constructionXm口中国煤化工墙体围护结构各部件CNMHG顶传热系数为图6为10种墙体的采暖节能率随K值变化的0.8~x节能率为3%~曲线从图中可见改善外墙热工性能对该地区采暧5%;玻璃窗传热系数为20~32W·(m2·K)1、第11期王厚华等:夏热冬冷地区围护结构热工性能节能分析Sε为0.4~0.5时,其全年节能率为7%~15%;夏建筑节能25%的目标也是不难实现的,且大有潜力热冬冷地区外墙传热系数为0.9~1.4W·(m2·可挖.为提出夏热冬冷地区住宅围护结构热工性能K)1时,其全年节能率为10%-20%由以上数据要求提供一定的参考分析,夏热冬冷地区围护结构各部件节能贡献的显著性依次为墙体、玻璃遮阳、屋顶2.3围护结构各部件的组合方案口成都研究分析围护结构各部件热工性能对建筑能耗的影响,为从各种节能构件的节能技术方案中找出050505050口南昌口南京■上海较优组合方案,同时避免大量的模拟计算,笔者采用武汉■长沙正交试验方法12组合设计节能方案,进行模拟研究遵循均衡搭配和整齐可比性,并结合工程实施可行性的原则,考虑节能标准规定等,确定屋顶、玻璃、遮阳、外墙等4个因素除外墙选取4个水平以图8正交设计各方案的全年节能率外,其余因素均选取3个水平.采用L8(4x24)混合Fg8 Annual energy efficiency rates of orthogonal水平正交表设计模拟试验方案,见表6.其中基层墙design schemes体为多孔砖(KP型),屋顶采用倒置式保温,基层屋面为钢筋混凝土板3模拟结果的实验验证表6正交设计方案Tab. 6 Orthogonal design scheme2002年底,由同济大学和威凯公司上海技术中因素心在上海同一地点建造了2间对比实验小室2间小屋面外墙室均采用空调维持相同的室温比较耗电量冬季12l(K=1.0)2(K=2.0,Sc=0.4)2(K=1.63)月、1月、2月份的实验结果表明-1,与无保温的22(K=0.73)2(K=20,5=0.4)1(水平式)3K=091)小室比较保温小室的节能率已达到40%以上笔者32K=0.3)2k=20.s:=0.4)2综合式)2(K1)利用上海实验建筑的基础数据,对同一建筑进行了1(K=1.0)2(K=2.0,Sc=0.4)1(水平式)4(K=0.74)模拟计算.模拟结果与同济大学的冬季实测结果基52(K=0.73)1(K=32,Sc=0.5)1(水平式)1(K=1.63)1(K=1.0)1(K=3,2,S=0.5)2(综合式)3K=0.91本吻合,充分验证了模拟结果的正确性71(K=1.0)1(K=3.2,Sc=0.5)1(水平式)2(K=1.172009年8月份,由重庆大学城市建设与环境工82(K=0.73)1(K=32,S4=0.5)2(综合式)4K=0.74)程学院在实验楼3楼屋顶搭建对比性实验小室所注:K的数值单位为W·(m2搭建2个实验小室的屋顶、门及地面围护结构热工图8为围护结构各部件组合设计方案的全年节性能均相同,东西、北面均开窗建筑面积为36m能率效果图.从图中可见,上述4项围护结构组合方3m(10.8m2),房间高度3m,东、西、北面预留窗案的全年节能率为18%~45%.同一节能措施下,由口面积为1.5m×1.5m(2.25m2),窗台高为0.9于气候条件等因素的不同,夏热冬冷地区7个典型,空调安装位置均为实验小室北面墙,分别在南、城市节能效果不同,而方案4为夏热冬冷地区7个北墙上高2.4m的位置开口,其大小为0.165m典型城市正交试验组合方案中最优组合方案,其全0.165m,在南面墙装换气扇,如图9所示年节能率分别为:成都42.7%,南昌34%,南京42.0%,上海422%,武汉397%,长沙428%,重庆40.6%综上分析,围护结构各部件的热工性能对能耗北影响显著,注重这一地区围护结构热工性能的要求,可以达到明显的节能效果.从近年来国内建筑节能中国煤化工b立面图技术的发展来看,在初期投资增加不多的情况CNMHG下(3,方案4是完全可以实现的因此围护结构承担Fig 9 Plan view of the laboratory model (unit6同济大学学报(自然科学版)第38卷基础小室的主墙体采用普通砖混结构住宅240mm实心黏土砖墙;节能小室的主墙体采用陶粒混凝4结论土空心砖,对比实验小室围护结构的热工参数见表7.(1)改善夏热冬冷地区外墙热工性能全年节能表7对比实验室围护结构热工参数效果明显,其节能贡献率范围为10%~20%其中冬Tab. 7 Thermal properties of comparison experiment季采暖节能效果尤为显著,但对空调能耗影响因各room-enelosure城市的气候特征而异,部分城市夏季节能率出现负围护结构传热系数W·(m2·K)-1)效果.因此加强夏季温度较低时段房间的自然通风是节能的重要措施之一.屋顶热工性能对整个建筑的节能率贡献很小,大致为3%~5%提高屋顶热工节能窗玻璃性能对顶层房间是有利的,但对整个6层居住建筑基础窗玻璃6.40而言,其对总能耗的降低量是有限的.然而在另一方面,屋顶热工性能对顶层房间的室内热环境和采暖屋面空调能耗的影响相对较大.外窗的节能贡献率范围注:软件默认的内外表面对流换热阻之和为015m2,KW是7%~15%,改善窗户的热工性能,全年降低外窗两间小室均采用空调维持相同的室温,东面均传热系数K,夏季降低遮阳系数S值,冬季不遮阳,开窗,换气次数为1次·h1,遮阳角度分别选取如此将有效地减少住宅能耗,提高全年节能率此90°,60°,45°,测量基础小室和节能小室的空调耗电外,夏热冬冷地区宜采用活动式外遮阳节能量,周期为1d,比较耗电量具体操作说明见表8.笔2)夏热冬冷地区居住建筑围护结构各部件节者利用重庆实验小室的基础数据,对同一建筑进行能贡献的显著性依次为墙体大于玻璃大于遮阳大于了模拟计算.模拟结果与重庆大学的实测结果对比屋顶如图10所示模拟能耗与实验能耗之间存在一定的(3)采用正交试验设计模拟实验组合方案,可差异,其平均差异率为8.49%左右鉴于差异率值较获得围护结构各部件的优化组合方案,即屋面、玻小,模拟结果与夏季实测结果基本吻合,充分验证了璃、遮阳、外墙分别取水平1,2,1,4,夏热冬冷地区7模拟结果的正确性个典型城市的全年节能率为34.0%~42.8%这方案建筑造价增加不会很大,完全可以实现.说明注8正交设计各方案的全年节能率重这一地区的围护结构热工性能的要求,完全可Tab. 8 Annua energy efficiency rates ofrthogonal design schemes实现围护结构节能25%的目标,且大有潜力可挖掘4)模拟计算结果与实测结果吻合得很好,充测量日期开窗朝向遮阳角度/()分验证了模拟计算的正确性2009-08-25东602009-08-31西参考文献:[1]余晓平付祥钊廖小焯浅析夏热冬冷地区低能耗住宅技术路线[]重庆建筑大学学报2008,30(6):116.25口重庆实验结果■软件模拟结果YU Xiaoping, FU Xiangzhao, LIAo Xiaofeng. 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