既有居住建筑圍護結構節(jié)能改造熱工性能優(yōu)化

黃建恩等

摘要：

既有建筑物窗墻比差異較大，在節(jié)能改造過程中窗墻比和窗的熱工性能對保溫層厚度的影響不可忽視。在《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》圍護結構節(jié)能設計規(guī)定的基礎上，提出圍護結構等效傳熱系數限值，綜合考慮朝向、窗墻比、窗戶的類型等因素，建立了外墻保溫層厚度計算模型和圍護結構熱工性能參數優(yōu)化模型，并以徐州地區(qū)某既有住宅為例，驗證了模型的可行性。

關鍵詞：

既有居住建筑，圍護結構，節(jié)能改造，熱工性能，優(yōu)化

據統(tǒng)計，在很多國家建筑能耗約占總能耗的40%，其中，采暖空調的能耗約占建筑能耗的60%[1]。外墻外保溫是降低采暖空調能耗的重要技術措施。

很多學者針對保溫層厚度的確定進行了大量的研究。AlKhawaja[2]用壽命周期費用分析法給出了卡塔爾多哈地區(qū)墻體的最佳保溫層厚度，并對不同類型的保溫層進行了比較。Mahlia等[3]針對馬爾代夫商業(yè)建筑采用現(xiàn)值法得出了不同絕熱材料最佳保溫層厚度和墻中空氣間層厚度對節(jié)能性和減排量的影響。Sisman等 [4]分析了土耳其4個城市采暖建筑外墻和屋頂最佳保溫層厚度和度日數的關系。Tosun等 [5]用人工神經網絡法確定保溫層的厚度。Arslan等[6]、Ucar[7]考慮水蒸氣的凝結用火用經濟學研究了墻體保溫層的最佳厚度。AlSanea等 [8] 、Daouas等 [910]、Ozel[1113]等采用動態(tài)方法計算建筑物的能耗，并分析了保溫層的最佳厚度，動態(tài)能耗計算方法更準確的反應了圍護結構的能耗狀況，可以進一步提高保溫層厚度計算的準確性。Bolattürk[14]、Mahlia等[15] 、zkan等[16] 、S Ylemez等[17]研究人員采用P1-P2經濟性模型對最佳保溫層厚度進行了研究，該模型考慮了能源價格的增長對最佳保溫層厚度的影響。Bolattürk [18]、Dombayci等[19]、Ucar等[2021]、Kaynakli[22]、Ekici等[23]等研究人員對燃料種類對保溫層厚度的影響進行了分析和研究。波蘭學者Dylewski等[24]考慮經濟和環(huán)保效益，通過設置權重給出了一個確定最佳保溫層厚度的方法，并考慮了燃煤鍋爐、熱泵、燃氣爐和電鍋爐4種熱源對最佳保溫層厚度的影響。

黃建恩，等：既有居住建筑圍護結構節(jié)能改造熱工性能優(yōu)化

中國研究人員對保溫復合墻體的構造、施工技術、施工質量控制等方面的研究較多，但對保溫層最佳厚度的研究成果相對較少。陳凡等 [25]運用全壽命周期費用分析建立了最佳保溫層厚度的數學模型，并用投資回收期對其經濟效益進行了評價。黃春華 [26] 、王厚華 [27]、許建柳 [28]、郭楠 [29]等利用全壽命周期分析法分別研究了長沙地區(qū)居住建筑、重慶地區(qū)居住建筑、南京地區(qū)居住建筑、長春市既有住宅節(jié)能改造等情況下墻體保溫層的最佳厚度。于靖華、楊昌智、田利偉[3032]等針對夏熱冬冷地區(qū)的住宅建筑用P1P2經濟性模型對壽命周期內的最佳保溫層厚度進行了研究。Zhu等[33]對中國不同氣候區(qū)的最佳保溫層厚度和節(jié)能量進行了研究，但在研究過程中并沒有考慮資金的時間價值，研究結果的精度受到一定的影響。文獻[2533]均采用度日法計算建筑物的能耗。

對外墻保溫層厚度的確定，盡管已經進行了大量的研究工作，但大多數研究者在研究過程中沒有充分考慮窗墻比和外窗的熱工性能對最佳保溫層厚度的影響，這使得研究成果的應用受到一定的限制，尤其對既有建筑改造工程。不同建筑有不同的窗墻比，更需要研究窗墻比及外窗的熱工性能對保溫層厚度的影響。本文在《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》圍護結構節(jié)能設計規(guī)定的基礎上，提出圍護結構等效傳熱系數限值，綜合考慮朝向、窗墻比、窗戶的類型等因素，建立了外墻保溫層厚度計算和圍護結構熱工性能參數優(yōu)化模型，該方法可以應用于既有居住建筑圍護結構節(jié)能改造方案確定和性能參數優(yōu)化設計。

1等效傳熱系數及耗熱量限值

圍護結構（本文特指外墻和外窗構成的圍護結構，下同）采暖能耗主要受當地氣候條件、室內采暖溫度、圍護結構性能及窗墻比的影響。對嚴寒和寒冷地區(qū)的居住建筑，冬季采暖空調能耗是建筑能耗的主要部分，為便于研究和應用，忽略各朝向太陽輻射的影響，僅考慮溫差傳熱引起的采暖耗熱量。

1.1年采暖耗熱量

采暖能耗可按度日法進行計算，單位面積圍護結構的年采暖耗熱量按下式進行計算

1.2等效傳熱系數限值

《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》（JGJ 26-2010）給出了不同氣候分區(qū)建筑物不同朝向圍護結構窗墻比的限值，外墻和外窗的熱工性能限值。根據標準規(guī)定的窗墻比、熱工性能限值和式（2）可以計算出不同氣候分區(qū)建筑物各朝向的圍護結構等效傳熱系數。以寒冷地區(qū)為例，窗墻比限值北向（N）小于等于0.30，東西向（E、W）小于等于0.35，南向（S）小于等于0.5；外墻和外窗熱工性能限值見表1。

寒冷地區(qū)不同朝向的圍護結構等效傳熱系數限值計算結果見表2。在既有建筑節(jié)能改造過程中只要改造后的建筑物圍護結構等效傳熱系數不超過限值，采暖能耗就可以滿足標準規(guī)定的能耗限值。由于節(jié)能標準規(guī)定的不同朝向的窗墻比限值、外窗性能要求不同，圍護結構等效傳熱系數限值因朝向而異。這種差異性將會直接導致圍護結構改造方案的不同，確定圍護結構節(jié)能改造方案需要按朝向且充分考慮窗墻比和窗戶性能的影響經優(yōu)化分析確定。下面將分別給出外墻保溫層厚度確定模型和圍護結構改造熱工性能參數優(yōu)化模型。

2外墻保溫層厚度計算模型

2.1保溫墻體的平均傳熱系數

根據民用建筑熱工設計規(guī)范，墻體的平均傳熱系數可采用面積加權法進行計算。簡化計算時，可根據所設計的結構體系、選擇外墻主體部位和結構性熱橋部位的面積在外墻面積中所占的比值A和B按下式計算：