夏熱冬冷地區圍護結構熱工性能節能分析

第38卷第11期同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)Vol 38 No 11010年11月AL OF TONGJI UNTVERSITY(NATURAL SCIENCE)Nov.2010文章編號:0253374X(2010)11-164106DOl:10.3969/j.isn.0253-374x2010.11.015夏熱冬冷地區圍護結構熱工性能節能分析王厚華12,莊燕燕3,吳偉偉1(1重慶大學(xué)城市建設與環(huán)境工程學(xué)院重慶4000442.重慶大學(xué)三峽庫區生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗室重慶400043西安西電開(kāi)關(guān)電氣有限公司陜西西安710077摘要:選取夏熱冬冷地區7個(gè)典型城市住宅為研究對象建 combination scheme is determined, exceeding the goal of立了一個(gè)6層居住建筑模型,利用能耗模擬軟件 Visualdoe enclosures saving25% of energy. Simulation results are4.0,分析了屋面窗戶(hù)、遮陽(yáng)及外墻圍護結構各部件熱工性 accordant with the experimental results. It is fully verified the能對建筑能耗的影響通過(guò)正交試驗進(jìn)行綜合節能措施方案 correctness of the simulation calculations.設計,分析不同圍護結構組合方案的建筑能耗及節能率變 Key words: energy consumption; thermal properties; energy化,最終確定優(yōu)化組合方案,超過(guò)建筑節能25%的目標模擬conservation potential計算結果與實(shí)測結果吻合得很好,充分驗證了模擬計算的正確性關(guān)鍵詞:建筑能耗;熱工性能;節能潛力我國夏熱冬冷地區夏季炎熱,冬季陰冷潮濕.從圖分類(lèi)號:TU111文獻標識碼:A宜居角度考慮,必須采取一定的措施才能保證住宅舒適的室內環(huán)境.其中主要措施之一是通過(guò)提高建Energy Saving Analyses on Envelope Thermal筑圍護結構保溫隔熱能力來(lái)實(shí)現的1-4.《夏熱冬冷Properties in Hot Summer and Cold地區居住建筑節能設計標準》(JGJ134-2001)提出winter region了節能50%的目標⑤,其中圍護結構承擔其中的25%6,2010年準備實(shí)施第三步節能設計標準目標,WANG Houhua. 2, ZHUANG Yanyan. 3, WU Weiwei'(l. Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering即要求達到節能65%,這需要對建筑圍護結構的Chongqing University, Chongqing4004,hina;2 Key laboratory of熱工性能提出更高要求the Three gorges Reservior Region's Eco-Environment of the該地區圍護結構各部件熱工性能優(yōu)化組合方案Ministry of Education, hongqing University, Chongqing4004,節能貢獻率的研究卻很少,相關(guān)文獻-中大多側hin;3.x'’anⅫ Switchgear Electric Co,lad.,Ⅺi’anm1007’重研究圍護結構單一部件對建筑能耗的影響,使節能重點(diǎn)具有一定的盲目性本文為提出夏熱冬冷地Abstract:Residential buildings were selected as the research k住宅圍護結構熱工性能要求提供一定的參考,著(zhù)object in the seven typical cities of hot-summer and cold-重分析該地區住宅屋面窗戶(hù)遮陽(yáng)及外墻圍護結構winter regon. The model of six-storey residential building was各部件熱工性能對建筑能耗的影響通過(guò)正交試驗set up. Firstly, the effect of thermal properties of enclosure進(jìn)行綜合節能措施方案設計,分析不同圍護結構組each component on energy consumption of residential合方案的節能潛力,確定優(yōu)化組合方案buildings was analyzed by energy consumption softwarev4 closures include roof, window,:mhan1模擬條件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建筑模型為6層1梯2戶(hù)夏熱冬冷地區典型居schemes were compared and analyzed. Finally,, the optimize住建筑中國煤億工2室2廳戶(hù)型,當而面1noo收稿期:2009-07-14CNMHG基金項目:“十一五”國家科技支撐計劃資助項目(2006BAJ1A05)作者簡(jiǎn)介:王厚華(1952-),男教授博士生導師主要研究方向為強化傳熱及建筑節能Emal;whhxinxiang@yahoo.com1642同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第38卷每層分東西2戶(hù)層高3m,窗墻比為0.21,朝向正參數見(jiàn)表1采用 VisualDOE40進(jìn)行模擬計算,計南,如圖1所示算結果見(jiàn)表2表1基礎建筑圍護結構的熱工性能參數廚房廚房Tab1 Thermal parameter of the basic building enclosure次臥室餐廳餐廳7次臥室構造材料傳熱系數遮陽(yáng)系衛生間(W·(m2·K)-1)數Sc客廳客廳外墻實(shí)心黏t磚主臥室主臥室玻璃單層玻璃鋼窗6.40.8屋頂鋼筋混凝土板加保溫圖1基礎建筑模型平面圖由于《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》中Fig 1 Plan view of basic building model沒(méi)有對基礎建筑構造做出詳細說(shuō)明,如體形系數1.2基礎能耗樓板的熱工參數燈光照明時(shí)間、生活居住模式等,能耗模擬基本參數設定按文獻[6]要求確定:室導致夏熱冬冷地區7個(gè)典型城市標準條文解釋模外氣象計算參數采用典型氣象年(TMY2數據,換氣擬能耗與本文模擬能耗之間存在一定的差異,其平次數取1.5次·h1.冬季室內設計溫度取18℃,夏均差異率為7.3%左右,見(jiàn)表2.鑒于能耗差異率值季室內設計溫度取26℃.照明負荷取5W·m-2,夏較小,可以認為模擬能耗值是可信的在下文中的節季空調額定能效比取22,冬季采用電暖器供熱,采能率分析中如沒(méi)有特別指出,基礎能耗均指本文的暖額定能效比取1.0.基礎建筑圍護結構的熱工性能模擬能耗表2基礎建筑模擬能耗Tab2 Simulation energy consumption of base-building城空調冷耗采暖熱耗/全年能耗標準中全年能耗/(kW·hm-2)(kW·h·m2)(kW·h·m2(kW·h·m-2)上海3.2武漢421677100.323.234.5長(cháng)沙44.9南昌88.2成都62.52.1.1屋面2圍護結構熱工性能對建筑能耗的影為研究屋頂傳熱系數對全年節能率的影響根響分析據屋頂保溫材料厚度的不同,構建4種傳熱系數不同的模擬屋頂,分析屋頂圍護結構熱工性能對頂層由于夏熱冬冷地區各大城市所在地域條件的限空調和采暖能耗的影響研究其節能效果制,致使夏熱冬冷地區各大城市居住建筑圍護結構主改善屋頂熱工性能對頂層房間的采暖空調能耗推材料存在一定的差異性。所以筆者通過(guò)研究圍護和室內熱環(huán)境的影響較大表3為重慶市4種類(lèi)型結構各部件的熱工性能對建筑能耗的影響,并比較分屋頂的熱工性能對頂層能耗及節能率影響的模擬結析獲得圍護結構各部件熱工性能的節能貢獻率21圍護結構各部件熱工性能對建筑能耗的影響果,可見(jiàn)改善屋頂的熱工性能要求是不容忽視的表3重慶不同屋頂類(lèi)型對頂層能耗影響Tab 3 Effect of top-level energy consumption by different roof types in Chongqing屋頂構傳熱系數/頂層空調能耗/空調節能采暖節能造編號W·(m2·K)-1)(kW·h·m-2)中國煤化工%3.037.9244.0CNMHG2030.7第11期王厚華,等:夏熱冬冷地區圍護結構熱工性能節能分析1643圖2為7個(gè)典型城市4種屋頂構造全年節能率所減小的居住建筑全年能耗小于增大外窗遮陽(yáng)系數的柱形圖.從圖中可見(jiàn),對于夏熱冬冷地區居住建筑S。值所增加的居住建筑全年能耗時(shí),其全年節能率節能50%,屋頂的節能貢獻率很小,大致為3%~減小,如長(cháng)沙、南昌和重慶,反之,其全年節能率增5%說(shuō)明屋頂在整個(gè)建筑外圍護結構面積中所占的大,如上海、南京和成都而武漢市降低外窗的傳熱比例遠小于外墻、其得熱量占建筑圍護結構總得熱系數K值所減小的居住建筑全年能耗基本相同于量的比例小,因此,提高屋頂熱工性能對頂層房間是增大外窗遮陽(yáng)系數S。值所增加的居住建筑全年能有利的,但對整個(gè)6層居住建筑而言,其對總能耗的耗所以武漢市全年節能率不變降低量是有限的6420口窗戶(hù)類(lèi)型2口窗戶(hù)類(lèi)型3m窗戶(hù)類(lèi)型4編號2a編號3上海南京南昌武漢長(cháng)沙重慶成都上海南京南昌武漢長(cháng)沙重慶成都圖3不同玻璃類(lèi)型的全年節能率Fig 3 Energy efficiency ratios for different glass types圖24種屋頂的全年節能率Fig 2 Annual energy efficiency ratios for four2.1.3遮陽(yáng)types of roof construction夏季透過(guò)窗戶(hù)進(jìn)入室內的太陽(yáng)輻射是構成空調負荷的主要部分.外遮陽(yáng)是減少太陽(yáng)輻射進(jìn)入室內2.1.2外窗窗戶(hù)是建筑圍護結構中保溫隔熱最薄弱的部的有效措施之一筆者以無(wú)遮陽(yáng)外窗作為比較基準,位外窗得熱量占建筑圍護結構總得熱量23%~模擬計算窗上方水平遮陽(yáng)和窗上方及左右兩方均有27%1.因此外窗的保溫隔熱不容忽視遮陽(yáng)板的綜合式遮陽(yáng)的節能效果,其節能率如圖4表4為不同玻璃類(lèi)型的熱工性能參數,其中玻所示璃窗類(lèi)型1為基礎建筑所采用的單層玻璃以類(lèi)型1口水平式遮陽(yáng)空調口水平式遮陽(yáng)采暖普通單層玻璃為基準模擬比較類(lèi)型24低輻射貼a綜合式遮陽(yáng)空調膜節能中空玻璃不同熱工性能的全年節能率■綜合式遮陽(yáng)采暖表4玻璃的熱工性能參數Tab 4 Thermal properties of window glass傳熱系數型(W·(m2·K)-1)遮陽(yáng)系數S透光率Vn1233.2上海南京南昌武漢長(cháng)沙重慶成都圖3為不同玻璃類(lèi)型的全年節能率的柱形圖,圖4水平遮陽(yáng)及綜合遮陽(yáng)的節能效果對于夏熱冬冷地區居住建筑節能50%,外窗的節能Fig 4 Energy efficiency result with horizontal andshading貢獻率大致是7%~15%.從圖中可見(jiàn),同時(shí)減小外中國煤化工窗的傳熱系數K值和遮陽(yáng)系數Sc值將有效地減少CNMH夏季空調固定遮全年居住建筑能耗提高全年節能率對比類(lèi)型3和陽(yáng)節能空調節能率為類(lèi)型4的節能效果可知降低外窗的傳熱系數K值5%~9%,綜合式遮陽(yáng)空調節能率為10%左右然而644濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第38卷由于固定遮陽(yáng)阻擋冬季太陽(yáng)輻射的進(jìn)入使得固定節能效果顯著(zhù)當K<0.74W·(m2·K)時(shí)(EPS遮陽(yáng)對冬季采暖均為負效果因此,夏熱冬冷地區宜厚度為30mm),7個(gè)典型城市采暖節能率均高達采用活動(dòng)式外遮陽(yáng)40%以上2.1.4外墻圖7為10種墻體的空調節能率隨K值變化的曲為研究外墻傳熱系數對全年節能率的影響,外線(xiàn)從圖中可見(jiàn)因模擬條件換氣次數取1.5次·h1,墻保溫形式采用外保溫保溫材料采用可發(fā)性聚苯?jīng)]有充分利用夏季溫度較低時(shí)段自然通風(fēng)這一自然乙烯板(EPS),基礎墻體采用240mm多孔磚(KP資源使得加強墻體保溫對空調能耗的影響因各城市型),砂漿采用20mm根據墻體保溫材料EPS厚度的氣候特征而異,其中長(cháng)沙南昌和重慶為正效果,但的不同,構建了10種傳熱系數不同的模擬墻體以空調節能率僅為5%左右夏季個(gè)別城市在保溫材料便分析比較不同熱工性能的外墻對建筑能耗的影ES超過(guò)一定厚度后出現負效果如上海、武漢和南響墻體構造熱工性能見(jiàn)表5京,其中成都夏季保溫空調節能率為負值,說(shuō)明保溫表510種模擬墻體構造后夏季反而不利于散熱因此加強夏季溫度較低時(shí)段Tab. 5 Ten types of simulation wall的房間自然通風(fēng)是節能的重要措施之一壙構造EPS厚度/傳熱系數/墻構造EPS厚度/傳熱系數/編號mn(W.(m2K)編號40000.6365的671400.33通過(guò)變化墻體保溫材料厚度以改變墻體熱工性能,采用 VisualdOE4.0能耗軟件模擬,分別得出夏熱冬冷地區7個(gè)典型城市的全年節能率、采暖節能196141209070605040302率和空調節能率熱系數/(W(m3Ko2圖5為10種墻體的全年節能率隨傳熱系數K圖610種墻體的釆暖節能率值變化的曲線(xiàn)從圖中可見(jiàn),改善外墻熱工性能對該Fg6 Heating energy efficiency ratio for ten types地區節能效果非常明顯.夏熱冬冷地區7個(gè)典型城of wall construction市的全年節能率曲線(xiàn)具有隨K值減小而增大的一致趨向性.當外墻K<0.91W·(m2·K)1,除南昌和1南次÷離圖長(cháng)沙一成都重慶全年節能率接近20%以外,其他各城市的全年含含節能率均超過(guò)20%上?！虾虚L(cháng)沙l631361.170910.740.63055048039033傳熱系數/(w(m2圖710種墻體的空調節能率163161.170910740.630.55048039033Fig 7 Air-conditioning energy efficiency ratio for傳熱系數/(W(m2K))ten types of wall construction圖510種墻體的全年節能率2.2圍護結構熱工性能對能耗水平的影響Fig 5 Annual energy efficiency ratios for tentypes of wall constructionXm口中國煤化工墻體圍護結構各部件CNMHG頂傳熱系數為圖6為10種墻體的采暖節能率隨K值變化的0.8~x節能率為3%~曲線(xiàn)從圖中可見(jiàn)改善外墻熱工性能對該地區采曖5%;玻璃窗傳熱系數為20~32W·(m2·K)1、第11期王厚華等:夏熱冬冷地區圍護結構熱工性能節能分析Sε為0.4~0.5時(shí),其全年節能率為7%~15%;夏建筑節能25%的目標也是不難實(shí)現的,且大有潛力熱冬冷地區外墻傳熱系數為0.9~1.4W·(m2·可挖.為提出夏熱冬冷地區住宅圍護結構熱工性能K)1時(shí),其全年節能率為10%-20%由以上數據要求提供一定的參考分析,夏熱冬冷地區圍護結構各部件節能貢獻的顯著(zhù)性依次為墻體、玻璃遮陽(yáng)、屋頂2.3圍護結構各部件的組合方案口成都研究分析圍護結構各部件熱工性能對建筑能耗的影響,為從各種節能構件的節能技術(shù)方案中找出050505050口南昌口南京■上海較優(yōu)組合方案,同時(shí)避免大量的模擬計算,筆者采用武漢■長(cháng)沙正交試驗方法12組合設計節能方案,進(jìn)行模擬研究遵循均衡搭配和整齊可比性,并結合工程實(shí)施可行性的原則,考慮節能標準規定等,確定屋頂、玻璃、遮陽(yáng)、外墻等4個(gè)因素除外墻選取4個(gè)水平以圖8正交設計各方案的全年節能率外,其余因素均選取3個(gè)水平.采用L8(4x24)混合Fg8 Annual energy efficiency rates of orthogonal水平正交表設計模擬試驗方案,見(jiàn)表6.其中基層墻design schemes體為多孔磚(KP型),屋頂采用倒置式保溫,基層屋面為鋼筋混凝土板3模擬結果的實(shí)驗驗證表6正交設計方案Tab. 6 Orthogonal design scheme2002年底,由同濟大學(xué)和威凱公司上海技術(shù)中因素心在上海同一地點(diǎn)建造了2間對比實(shí)驗小室2間小屋面外墻室均采用空調維持相同的室溫比較耗電量冬季12l(K=1.0)2(K=2.0,Sc=0.4)2(K=1.63)月、1月、2月份的實(shí)驗結果表明-1,與無(wú)保溫的22(K=0.73)2(K=20,5=0.4)1(水平式)3K=091)小室比較保溫小室的節能率已達到40%以上筆者32K=0.3)2k=20.s:=0.4)2綜合式)2(K1)利用上海實(shí)驗建筑的基礎數據,對同一建筑進(jìn)行了1(K=1.0)2(K=2.0,Sc=0.4)1(水平式)4(K=0.74)模擬計算.模擬結果與同濟大學(xué)的冬季實(shí)測結果基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(綜合式)3K=0.91本吻合,充分驗證了模擬結果的正確性71(K=1.0)1(K=3.2,Sc=0.5)1(水平式)2(K=1.172009年8月份,由重慶大學(xué)城市建設與環(huán)境工82(K=0.73)1(K=32,S4=0.5)2(綜合式)4K=0.74)程學(xué)院在實(shí)驗樓3樓屋頂搭建對比性實(shí)驗小室所注:K的數值單位為W·(m2搭建2個(gè)實(shí)驗小室的屋頂、門(mén)及地面圍護結構熱工圖8為圍護結構各部件組合設計方案的全年節性能均相同,東西、北面均開(kāi)窗建筑面積為36m能率效果圖.從圖中可見(jiàn),上述4項圍護結構組合方3m(10.8m2),房間高度3m,東、西、北面預留窗案的全年節能率為18%~45%.同一節能措施下,由口面積為1.5m×1.5m(2.25m2),窗臺高為0.9于氣候條件等因素的不同,夏熱冬冷地區7個(gè)典型,空調安裝位置均為實(shí)驗小室北面墻,分別在南、城市節能效果不同,而方案4為夏熱冬冷地區7個(gè)北墻上高2.4m的位置開(kāi)口,其大小為0.165m典型城市正交試驗組合方案中最優(yōu)組合方案,其全0.165m,在南面墻裝換氣扇,如圖9所示年節能率分別為:成都42.7%,南昌34%,南京42.0%,上海422%,武漢397%,長(cháng)沙428%,重慶40.6%綜上分析,圍護結構各部件的熱工性能對能耗北影響顯著(zhù),注重這一地區圍護結構熱工性能的要求,可以達到明顯的節能效果.從近年來(lái)國內建筑節能中國煤化工b立面圖技術(shù)的發(fā)展來(lái)看,在初期投資增加不多的情況CNMHG下(3,方案4是完全可以實(shí)現的因此圍護結構承擔Fig 9 Plan view of the laboratory model (unit6同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第38卷基礎小室的主墻體采用普通磚混結構住宅240mm實(shí)心黏土磚墻;節能小室的主墻體采用陶?；炷?結論土空心磚,對比實(shí)驗小室圍護結構的熱工參數見(jiàn)表7.(1)改善夏熱冬冷地區外墻熱工性能全年節能表7對比實(shí)驗室圍護結構熱工參數效果明顯,其節能貢獻率范圍為10%~20%其中冬Tab. 7 Thermal properties of comparison experiment季采暖節能效果尤為顯著(zhù),但對空調能耗影響因各room-enelosure城市的氣候特征而異,部分城市夏季節能率出現負圍護結構傳熱系數W·(m2·K)-1)效果.因此加強夏季溫度較低時(shí)段房間的自然通風(fēng)是節能的重要措施之一.屋頂熱工性能對整個(gè)建筑的節能率貢獻很小,大致為3%~5%提高屋頂熱工節能窗玻璃性能對頂層房間是有利的,但對整個(gè)6層居住建筑基礎窗玻璃6.40而言,其對總能耗的降低量是有限的.然而在另一方面,屋頂熱工性能對頂層房間的室內熱環(huán)境和采暖屋面空調能耗的影響相對較大.外窗的節能貢獻率范圍注:軟件默認的內外表面對流換熱阻之和為015m2,KW是7%~15%,改善窗戶(hù)的熱工性能,全年降低外窗兩間小室均采用空調維持相同的室溫,東面均傳熱系數K,夏季降低遮陽(yáng)系數S值,冬季不遮陽(yáng),開(kāi)窗,換氣次數為1次·h1,遮陽(yáng)角度分別選取如此將有效地減少住宅能耗,提高全年節能率此90°,60°,45°,測量基礎小室和節能小室的空調耗電外,夏熱冬冷地區宜采用活動(dòng)式外遮陽(yáng)節能量,周期為1d,比較耗電量具體操作說(shuō)明見(jiàn)表8.筆2)夏熱冬冷地區居住建筑圍護結構各部件節者利用重慶實(shí)驗小室的基礎數據,對同一建筑進(jìn)行能貢獻的顯著(zhù)性依次為墻體大于玻璃大于遮陽(yáng)大于了模擬計算.模擬結果與重慶大學(xué)的實(shí)測結果對比屋頂如圖10所示模擬能耗與實(shí)驗能耗之間存在一定的(3)采用正交試驗設計模擬實(shí)驗組合方案,可差異,其平均差異率為8.49%左右鑒于差異率值較獲得圍護結構各部件的優(yōu)化組合方案,即屋面、玻小,模擬結果與夏季實(shí)測結果基本吻合,充分驗證了璃、遮陽(yáng)、外墻分別取水平1,2,1,4,夏熱冬冷地區7模擬結果的正確性個(gè)典型城市的全年節能率為34.0%~42.8%這方案建筑造價(jià)增加不會(huì )很大,完全可以實(shí)現.說(shuō)明注8正交設計各方案的全年節能率重這一地區的圍護結構熱工性能的要求,完全可Tab. 8 Annua energy efficiency rates ofrthogonal design schemes實(shí)現圍護結構節能25%的目標,且大有潛力可挖掘4)模擬計算結果與實(shí)測結果吻合得很好,充測量日期開(kāi)窗朝向遮陽(yáng)角度/()分驗證了模擬計算的正確性2009-08-25東602009-08-31西參考文獻:[1]余曉平付祥釗廖小焯淺析夏熱冬冷地區低能耗住宅技術(shù)路線(xiàn)[]重慶建筑大學(xué)學(xué)報2008,30(6):116.25口重慶實(shí)驗結果■軟件模擬結果YU Xiaoping, FU Xiangzhao, LIAo Xiaofeng. 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