301_建筑围护结构的节能设计及动态模拟的应用

建筑围护结构的节能设计及动态模拟的应用山东方亚地源热泵空调技术有限公司杨文斐，孙志田摘要：改善围护结构的热工性能是当前建筑节能工作的重要内容。本文探讨了有关围护结构的节能环节及相应措施。通过动态能耗分析软件，计算分析了不同围护结构对建筑保温性能的影响。关键词：节能；围护结构；动态模拟1引言随着我国经济的发展，能源问题日益突出，而建筑能源消耗已占社会总能耗的30％左右，建筑节能已成为建设节约型社会的重要工作内容之一，也是当前乃至今后一段时间我国建筑领域的一项重要工作，而围护结构的热工设计计算是当前我国建筑节能工作的重点内容。2围护结构的节能环节和措施建筑围护结构（门、窗、墙、地板、屋顶等）具有很大的节能潜力。改善建筑外围护结构的保温隔热性能可以直接有效地减少建筑物的冷热负荷，从而减少相关设备的容量。围护结构的传热系数每增大21/()wmk，在其他工况不变的条件下，空调系统设计计算负荷增加约30%。我国的建筑节能规范对影响外围护结构的热工参数作了各种限制[1][2][3]，新建建筑大多数需要在墙体内外侧敷设保温隔热的节能材料，或者采用新型复合墙体。保温材料的设置位置和厚度等都对节能效果有所影响。由于保温材料一般为蓄热能力小的轻质材料，所以利用围护结构的动态传热特性，采用不同的墙体内表面材料可以改善间歇供热（制冷）条件下的室内热舒适性，同时达到节能降耗的目的。例如采用内保温外墙时，把保温材料放在围护结构的内侧，可以使空调开启后的室温很快达到所需温度，而不至于将太多的能量用于改变密实的围护结构的温度，适于间歇供暖或间歇空调的房间或者冬季不太冷的地区。其缺点之一是内墙、楼板与外墙交接处无法铺设内保温材料，于是交接部位容易形成热桥，比周围墙面要多散失20％的热量。目前多采用外墙外保温技术，其做法是在主体墙结构外侧用粘接材料固定一层保温材料，再在保温材料外侧抹砂浆或作其它保护装饰。在外墙根部，女儿墙、阳台、变形缝等易产生“热桥”的部位,采用外保温技术,可显著消除“热桥”造成的热损失。主要方式有：聚苯板保温砂浆外墙保温、聚苯板现浇混凝土外墙保温、聚苯颗粒浆料外墙保温等；在施工时需要注意防火问题。门窗也是建筑围护结构中的薄弱环节，面积约占建筑外围护结构面积的30%，其能耗约占围护结构总能耗的45％，其中传热损失为1/3，所以门窗也是外围护结构节能的重点之一[5]。目前保温和密封性能差的单玻钢窗、木窗已经逐步退出了市场，取而代之的是双玻铝合金窗、双玻塑料窗等新型节能密封窗，新型玻璃如镀膜玻璃、低辐射玻璃等也开始得到逐渐推广。窗墙比是窗洞口与墙总面积的比值，太大太小都可能不利于采暖空调建筑的节能，对此类问题需要进行具体条件下的动态模拟或优化计算，以此分析整个空调期或供暖期内窗户的节能效果。此外，建筑物的朝向、体形系数等也是影响节能的因素。3动态能耗分析软件的应用1995年以来，建设部相继颁布实施了《JGJ26-95民用建筑节能设计标准》、《JGJ134-2001夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》、《JGJ75-2003夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》和《GB50189-2005公共建筑节能设计标准》等，不久国家将正式出台新的《居住建筑节能设计标准》。在执行这些标准时，都有可能用到能耗分析软件[1][2][3]。JGJ134-2001规定，居住建筑通过采用增强建筑围护结构保温隔热性能和提高暖通设备能效比的措施，在保证相同的室内热环境指标的前提下，与未采取节能措施前相比，采暖、空调能耗应节约50%；当前我国公共建筑节能设计标准也有类似规定；一些地方建筑节能标准要求当地新建建筑的节能率必须达到65%。这些标准规定，若所设计建筑的围护结构性能不能完全满足相关标准中的刚性规定时，则应采用动态能耗分析软件对所设计的建筑进行全年采暖、空调能耗的比较，以判断是否符合节能标准，即进行围护结构热工性能的权衡判断。具体做法是：首先计算参照建筑在规定条件下的全年采暖和空调能耗，然后计算所设计建筑在相同条件下的全年采暖和空调能耗，当所设计建筑的采暖和空调能耗不大于参照建筑的采暖和空调能耗时，则判定围护结构的总体热工性能符合节能要求。当所设计建筑的采暖和空调能耗大于参照建筑的采暖和空气调节能耗时，应不断调整设计参数重新计算，直至所设计建筑的采暖和空调能耗不大于参照建筑的采暖和空气调节能耗。这也就是性能化设计的方法。目前，由清华大学开发的DeST，已经成为比较完善的建筑环境模拟分析软件。其中负荷模拟部分的核心算法采用基于建筑热平衡的状态空间法，把建筑物的热过程模型表示成如下形式：CTATBu（1-1）式中输入项T是空气、围护结构表面及内部温度构成的向量，输出项T是T对时间的导数，扰动项u是由各项（包括外温变化、太阳辐射、室内长波辐射等内外扰组成的向量，而矩阵A、B、C均是由建筑结构及其热物性决定的[6]。为了说明不同围护结构对建筑室内环境的影响，以下采用建筑环境设计模拟分析软件DeST，对一栋办公建筑模型的基础室温进行了计算。算例采用了不同外墙材料和窗户。基础室温（或称自然室温）是指当没有对建筑物进行人工采暖和空气调节时，在内外扰动（室外气象条件和室内各种发热量——它们不随着建筑围护结构设计的改变而变化）的联合作用下所导致的室内空气温度。它全面反映了建筑本身的固有热特性和各种被动性热扰动（室外气象参数，室内发热量）对建筑物的影响。基础室温只与建筑物本身的属性有关，与空调系统无关。不同的建筑参数和内外扰情况下房间的基础室温是不同的，由此可以根据基础室温全年的分布情况对概念设计中的围护结构各参数进行评价。结合房间的温度设定值范围，可以进一步求出房间的采暖空调负荷[4]。根据基于增强的状态空间法的基础室温的模型，房间温度为[7]：()11()()imnkijjjiteqd（1-2）表1参数说明()kt房间k的空气温度jq房间k的热扰：太阳辐射、相邻房间、空调、室内照明、人员、设备等热湿扰量{}i状态空间法中各个建筑物空间特征值向量{}ij采样后各种扰量对房间温度的影响系数m热扰个数对于每个房间，其热扰可以划分成两个集合：Zs：空调系统热扰的集合；Zp：非空调系统热扰(被动热扰)的集合。根据基础室温的定义，可以得到房间的基础室温的表达式：(),1()()inkbaseijjjZpiteqd（1-3）以济南的一栋三层办公建筑为例（模型见图1，每层两侧房间尺寸为7.50mX7mX4m，中间房间尺寸7mX6mX4m），计算其1月1～3日的基础室温，简要说明围护结构的不同对建筑自身保温性能的影响。取顶层东侧的房间为例进行计算。人员、灯光散热等内扰设置采用软件中针对办公室的一般默认设置。表2为围护结构的相关参数。表2围护结构参数：Case1：37砖墙-4传热系数（W/(m2.K）1.27外墙各层材料及厚度：水泥砂浆（20mm）、砖墙（370mm）、水泥纤维板（25mm）加气混凝土保温屋面传热系数W/(m2.K）0.812屋面结构及厚度水泥砂浆（20)、多孔混凝土（200）、钢筋混凝土（130）、水泥砂浆（15)外门、外窗单层实体木质外门、普通6mm单玻Case2：24砖墙-聚苯板内保温传热系数W/(m2.K）0.564外墙各层材料及厚度：砖墙（240）、石膏板（10）、聚苯乙烯泡沫塑料（60）、石膏板（8）加气混凝土保温屋面传热系数W/(m2.K）0.812屋面结构及厚度水泥砂浆（20)、多孔混凝土（200）、钢筋混凝土图1建筑模型图（130）、水泥砂浆（15)外门、外窗双层实体木质外门、普通中空4计算结果及结论图2为外界气温变化情况，计算得到逐时基础室温如图3、4所示，Case1的基础室温在6.2～12.5℃之间波动，Case2采用了保温性能更好的围护结构，室温在9.3～15.5℃之间变化，两个例子之间的温差约为3℃，曲线形态是类似的。通过算例可以看出，采用动态模拟的方法可以清楚地得到不同围护结构的热工参数对建筑环境影响的量化结果；在设计阶段对类似的具体问题进行技术经济比较，有助于达到相应的建筑环境设计指标，进一步计算能耗情况，有助于判定设计建筑是否达到了节能设计目标以及经济效益目标。参考文献：[1]JGJ134-2001夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准.中华人民共和国建设部.2001[2]JGJ75-2003夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准.中华人民共和国建设部.2003[3]JGJ26-95民用建筑节能设计标准.中华人民共和国建设部.1995[4]燕达，谢晓娜，宋芳婷等.建筑环境设计模拟分析软件DeST，第一讲.暖通空调，2004，34（7）：48~56[5]付祥钊.夏热冬冷地区建筑节能技术.北京：中国建筑工业出版社，2002[6]金招芬、朱颖心.建筑环境学.北京：中国建筑工业出版社，2001.[7]DeST-h技术资料.清华大学建筑技术科学系.DeST开发小组.2003图4case2：1月1～3日逐时基础室温逐时自然室温小时图3case1：1月1～3日逐时基础室温逐时自然室温小时图2一月气温变化图温度日期