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住宅建築圍護結構(gòu)保溫性能的確定分析
  • 發布(bù)日期:2012-08-06      瀏覽次數:3021
    • 摘要:根據北京地(dì)區實際的住宅建築方案,針(zhēn)對當地(dì)冬(dōng)、夏季不同的(de)室外氣象條件,采用建築熱環境模擬軟件DeST,計算分析了房間耗熱量和耗熱量指標隨住宅外圍護結(jié)構保溫狀況的變化。通過分析比較,初步確定滿足冬、夏季住宅節能(néng)要求的外圍(wéi)護結構保溫性(xìng)能。 
          關鍵詞:住宅建築 外(wài)圍護結構 耗熱量指標 耗冷量指標
          1 前(qián)言
        在節能住宅的設計(jì)中,圍護結(jié)構的(de)保溫狀況是影響住宅冬、夏(xià)季能耗指標的(de)重要因素。我國現行的《民用建築節能設計標準(采暖居住建築部分)》從降低冬季采暖能耗的角度,詳細規定(dìng)了北方(fāng)各采暖地區住宅圍護結構構件(jiàn)傳熱係數的上限值,但這些限值(zhí)主要是根據冬(dōng)季的室外氣象(xiàng)參(cān)數確定的,並沒有考慮當(dāng)地夏季室外氣象條件的變化特點。而對於某些(xiē)采暖地區(如北京),其室外氣象條件的特點是冬(dōng)季寒冷和(hé)夏季炎熱。此外,作為影響住宅熱狀況的另一個重要外擾,太陽輻射對各個朝向的作(zuò)用(yòng)又是有所差別的。因此,為了以zui少(shǎo)的(de)投入獲(huò)得的保溫效果,應(yīng)同(tóng)時考慮室外氣象條件變化的動態性和方向性對住宅圍護結(jié)構保溫性能的不同要求,合理地(dì)確定住宅外牆及屋麵的保溫性能。
        住宅節能的(de)主要目(mù)的是在滿足人體熱舒(shū)適的(de)基礎上,盡可能地降低機械係統的使用能耗。因此,本文以北京地區實際的住宅(zhái)建築作為研究對象,采用建築熱環境模擬分析軟件DeST,分析住(zhù)宅建築外牆和屋麵保溫性能的變化對房間冬季耗熱量指標和夏季(6、7、8月)耗冷量指標(biāo)的影響,並初步(bù)確(què)定同時滿足冬、夏季住宅節能要求的外圍護結構的保溫性能(néng)。
          2 研究(jiū)方法及工具
        采(cǎi)用計(jì)算模擬分析的方法。相比於實驗研究,這種(zhǒng)方法可以方便有效地研究不同住宅建築方案在各種內擾和外擾作用下的室內熱狀況特性(室溫和負荷)。
        模擬分析的工具是清華大學空調(diào)教研組經過20年時間研究開發的DeST軟件。該軟(ruǎn)件對建築熱過程模擬的可靠性已通過傅(fù)裏葉變換方法,在不同建築(zhù)物結構和不同室內外熱擾狀況下(xià)得到了(le)驗證。因此,在建築描述、室外氣象條件、室內熱(rè)擾量及室溫設定值定的情況下,可通過DeST模擬分析。住(zhù)宅耗熱量指標和耗冷量指標的(de)全年逐時變化(huà)情況。 
          3 研究對象
        3.1 建築形式
        研究對象為普通的5層居(jū)民住宅樓,其標準(zhǔn)層的平(píng)麵布局見(jiàn)圖1所示。
        為了簡化問題,選取(qǔ)取底層、中間層(3層)和頂層的中(zhōng)間(jiān)段及東、西端頭的(de)南、北向房間,分析它們的耗熱量和耗冷量指標的變化。這(zhè)些房(fáng)間的功能均為臥室,房間的朝向(xiàng)分別為南向、北向、東(dōng)南向(xiàng)、東北向、西南向和西北向。 
          3.2 圍護結(jié)構
        圍護結構材(cái)料的選擇應保(bǎo)證它們的傳熱係數不超過新節能標(biāo)準中(zhōng)所規定的相應限值。各(gè)部分圍護結構構件的具體(tǐ)構造(zào)及其傳熱係數見表1所列。   
         

      表1 圍(wéi)護(hù)結構構件及其傳熱係數(W/(m2·K))

       

      構件 具體構造 傳熱係數

      外牆
      內牆
      屋頂
        
      樓(lóu)板
      樓地(dì)
      外門
      外窗(chuāng)

      加氣砼(tóng)300mm。
      砼隔牆140mm,內、外各抹20mm的石灰砂漿
      加氣砼保溫屋麵,防(fáng)水珍珠岩保溫100mm,鋼肋砼150mm,內、外抹灰分別 為(wéi)15mm和20mm
      鋼肋砼150mm,上下抹灰均勻為20 mm。
      砼保溫樓地,碎石40mm,聚苯(běn)保(bǎo)溫150mm,內抹灰20mm。
      單層陽台木製外門
      單層塑鋼(gāng)外窗,尺寸120mm×1500mm,5mm平板玻璃。

      0.96
      1.14
      0.54
        
      0.70
      0.29
      6.31
      4.70

      3.3 室內熱擾量
        住宅臥(wò)式內熱源(照明(míng)燈具、家用電器及人體)的平均散熱狀況見表2所列。這是通過對100戶住宅內熱源散熱狀況的(de)調(diào)查(chá)數據統計(jì)整理得出(chū)。
         表 2 住宅臥(wò)室內熱源的逐時散熱狀況
      內熱源 人員總數或功率 運行模式
      人(rén)員 2人 0:00~8:00:*,8:00~12:00及15:00~19:00:18%,13:00~14:00:60%,20:00:25%,21:00:40%,22:00:50%,23:00:60%。
      照明(míng)燈具(jù) 45W 0:00:20%,1:00~18:00:3%,19:00:20%,20:00:30%,21:00:40%,22:00~23:00:50%。
      家(jiā)用電器 110W 0:00:20%,1:00~18:00:3%,19:00:55%,20:00~22:00:80%,23:00:40%。
          3.4 室外氣象(xiàng)的(de)條件(jiàn)
        全年逐時的外溫和太陽輻射值可通過氣象數據隨機生成軟件(jiàn)Medpha得出,它們能夠代表北京地區室外氣象條件曆年變化的平均狀況(kuàng)。另一方麵,為了更真實地反映住(zhù)宅熱過程的實際變化,在模擬計算中還考慮了南向陽台底板(bǎn)對太陽直射遮擋所導致的南外牆(qiáng)和南外窗所實際接受太陽輻射的變化(huà),以及冬季由於門窗(chuāng)縫隙的滲透(tòu)所導致室內外0.5次的通風換氣和夏季的夜間通風。
        3.5 室溫(wēn)的設定值
        冬季(jì)的室溫設定值為16℃,夏季為28℃。 
          4 冬季耗熱(rè)量分析
        冬季室外氣象條件的特點是外溫總是低(dī)於室溫,從(cóng)而(ér)使得室內熱量向室外散失,而太陽輻射對降低房間冬(dōng)季耗(hào)熱量又總是有利的因素。因此,失熱與得熱這兩者對住宅冬季能耗的影響是相反的。  
        不同朝向房間的(de)耗熱量指標相差較大。其中南向房間的耗熱量指標zui低,並已達到(dào)節能(néng)標準所規定的(de)要求,北向房間稍偏高,而東北(běi)、西北、東南及西南房間則明顯增加。這是由於南向房間所接受的太陽(yáng)輻射熱較大而外牆麵積又較小;而對於東北、西北、東南及西南向房間,外牆表麵積(jī)的加大同時,導致了房間所接受太陽(yáng)輻射熱和室內向室外散熱的增加,而太陽輻射熱增加的幅度要小(xiǎo)於室內室(shì)外散熱的增加(jiā)幅度,因此,房間的冬(dōng)季耗熱(rè)量指標增加。而不同樓層房間相(xiàng)比較,底層、中間(jiān)層和頂層對應(yīng)房間(jiān)的耗熱量指標則相差較小,這說明(míng)通(tōng)過屋麵向室外散失的(de)熱量與所接受的太陽輻射熱(rè)基本相等。因此,住宅房(fáng)間(jiān)冬季耗熱量指標的大小主要(yào)與房間外圍護結構的朝向及其麵積大小有(yǒu)關。   
        各個(gè)房(fáng)間相比較,南向房間耗熱量指標降低的幅(fú)度均比對應的北(běi)向房間低。因(yīn)此,南向外牆單(dān)獨保溫的效果(guǒ)不如北外牆(qiáng)的(de)好。而同一房間的不同外牆相比較,東、西向及(jí)北向外牆單獨保(bǎo)溫後房間耗熱量指標降低的幅度基本相(xiàng)符,這說明(míng)這三個朝向外牆單(dān)獨保溫的效果基本一致。並且這些雙朝向房間(jiān)的所有外牆保溫(wēn)後,其耗熱量指標降低的幅度接近30%,要好於北外牆的單獨保溫效果。而對於屋麵保溫,頂層房間(jiān)的耗熱量(liàng)指標反而增加。分析圖2和圖3可看出,外牆保溫效果與房間耗熱量指標的變化趨勢相同,即房間的耗熱量指標越大,外(wài)牆保溫後的效果(guǒ)越明顯。而對於(yú)屋麵,由於太陽輻射對室內熱(rè)狀況的影響較大,增加其保溫性(xìng)能反而會增加房(fáng)間的耗熱量。因此,住宅建築屋麵的保溫性能存在一個臨界值。
        根據上述的分析,住宅(zhái)建築(zhù)外圍(wéi)護結(jié)構保溫性能的確定,也應根據其朝向及麵積小大采(cǎi)用不均勻分布的原則。對於本(běn)文的研究對象。由(yóu)於東、西向及北向外牆的保溫效果基本一致而且比南向外(wài)牆及屋(wū)麵的保溫效果好;另一方麵,東北、西北、東南及西南向房間的耗熱量指標要高於(yú)北向房間的耗熱量指標,而南向房間的則已滿足節能標準的要求(qiú)。因此,除(chú)北牆外,應著重(chóng)加(jiā)強(qiáng)東、西外牆的保溫,而對南牆和屋麵不采取保溫措施。表3 具體列出了均(jun1)勻和(hé)不均勻保溫方案的保溫狀況及(jí)保(bǎo)溫材(cái)料(liào)的總消耗量。表4列出了(le)在兩種不同的保溫方案下,頂層各房間的耗熱量指標以及各房間(jiān)對應於南向(xiàng)房(fáng)間的相(xiàng)對耗熱量指標。
       

       

      表3 均勻和不均勻方案(àn)的圍護結構保溫材料(聚苯板)的厚度(mm)及總消耗量(m3

       

        
      東向(xiàng)保(bǎo)溫材料
      西向保溫材料
      南向保溫材料
      北向保溫材料
      總消耗量

      均勻保溫方案

      不均勻保溫方案

      30

      80

      30

      80

      30

      0

      30

      20

      74.5

      43.4

       

               表4 均勻和不均勻方案下頂層房間的耗熱量指標(w/m2)及相對耗熱量(%)

       

        
      保溫方案(àn)
      房(fáng)間朝向
      總和
      南向
      北向
      東南
      西南
      東北
      西北
      耗熱量指標
      (w/m2
      均(jun1)勻
      13.9
      15.4
      20.5
      20.4
      21.5
      22.2
      114
      不均勻
      15.9
      15.5
      19.7
      19.6
      19.8
      19.6
      110
      相對耗熱(rè)量指標
      (%)
      均勻
      1.0
      1.1
      1.5
      1.5
      1.5
      1.6
       
      不均勻
      1.0
      0.97
      5 夏季耗冷量分析
        北京夏季室外(wài)氣象條件的特點是白天的外溫高於室溫,太陽輻射強烈,從而導致熱量由室外向(xiàng)室內傳遞;而(ér)夜間外溫則基本處(chù)在較舒適的溫度範圍(wéi)內。鑒於室外氣象條件的特點,住戶一般白天拉窗簾,夜間開窗通風,因此,在模擬分析住宅夏季熱狀況時,應考慮夜間通風,本文設定夜間通風的換氣次數為4次。      
          很明(míng)顯,頂(dǐng)層房間的耗冷量指標要遠大(dà)於中間層(céng)和(hé)底層的房間,而不同朝向的耗冷量指標的(de)差異則很小,但房間耗冷量指標隨朝向的變化趨勢與耗熱量指標相似(sì)。南向房間的耗冷量指標zui小,東北、西北、東南及西南向房間的耗(hào)冷量指標則較大,北向房間的介於其中。由於太陽輻射對住(zhù)宅夏季熱(rè)狀況是非常不利的(de)因素,而南外牆由於南向陽台底板對太陽直射(shè)的遮擋作用(yòng),使得其接受的太陽輻射熱zui少;東、西向外牆的夏季太陽輻射得熱zui高,北向介於其中。因此,外圍護(hù)結構接受(shòu)太陽輻射熱的增加相應會提高對其保溫性能的要求,故滿足冬、夏季住宅節(jiē)能所(suǒ)要求的外牆保溫性能相同。這與圖5所示的結果基本一(yī)致。不同房間相比(bǐ)較,東外牆和西外牆的保溫(wēn)效果(guǒ)*。而同一房間相比較,各房(fáng)間均是屋麵(miàn)保溫後,耗冷量指標降(jiàng)低的幅度要遠遠大於其它外牆,這是(shì)由於屋麵所接受(shòu)的太陽輻(fú)射(shè)熱構成了頂層房間夏季得熱的主要(yào)部分。因此,與冬季狀(zhuàng)況不(bú)同的是為了滿足夏季的住宅節能(néng),應加大頂(dǐng)層房(fáng)間屋麵的保溫(wēn)熱阻(zǔ)值。
        外牆保溫後,部分房間的耗冷量指標反而有所(suǒ)增加。這是由於圍護(hù)結構保溫性能的增(zēng)加不利於夜間室內向室外散發熱(rè)量。因此,應加大室內、外的夜間通風換氣,以充分利用(yòng)室(shì)外的低溫環境降(jiàng)低室溫(wēn)而達到減少能耗的目的。在相同的保溫狀況下,分(fèn)別對應於不同的(de)夜間通風條件,頂(dǐng)層(céng)各房間夏季耗冷量指標相(xiàng)對於基本狀況的變化幅度。
        加大夜間通風後,各個房間的耗冷量指標降低幅(fú)度都得到明顯增加。故為(wéi)了滿足住宅的夏季節能要(yào)求,除增強外圍護結構,尤其屋麵的保溫性能外,應著重加大室內、外的夜間通風換氣。
        但在上一節的分析中得(dé)出:住宅屋麵的保溫(wēn)性能(néng)存在一個臨界值,超過這個臨界值,房間的耗熱量(liàng)指標反而會加大(dà)。因此,冬夏季不(bú)同的室外氣象(xiàng)條件對屋麵保溫(wēn)性能的要求(qiú)是相互矛盾的。
        住宅房間耗冷量指標隨屋麵傳熱係數線性變化增加的趨勢十(shí)分明顯,而房間耗熱量指標雖然隨屋麵傳熱係數的加大而降低,但降低的幅度非常小。因此,屋麵保溫性能對住宅夏季耗冷量指標的影響要比對冬季耗熱量指標的(de)影響大,故(gù)屋麵的保溫性能應主(zhǔ)要(yào)根(gēn)據(jù)夏季的室外氣象條件決定。
          6 結(jié)語
        住宅建築外圍護結構保溫性能的確定,應根據其朝向(xiàng)及麵積大小采取不均勻分布的原則,其中外牆的保(bǎo)溫性能主要由冬(dōng)季的室外氣象條件決定,而屋麵保溫性能的確定應主要保證降低頂層房間夏季耗(hào)冷(lěng)量指標的大小,同時(shí)綜合(hé)考慮頂層房間冬(dōng)季耗(hào)熱(rè)量指標的變化。由於本文僅以一個住宅(zhái)建築方案作為研(yán)究對象,故對住宅建築圍護結構保溫性能的定量還有(yǒu)待於今後更深入的研究

     
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