夏熱冬冷地區建筑外墻保溫節能的模擬研究

【摘要】本文利用TRNSYS軟件建立了位于典型夏熱冬冷地區成都市辦公房間的模型，并對其的空調負荷進行了模擬，研究了外墻保溫對全年負荷的影響以及其節能特性。比較一般外墻與保溫外墻房間的負荷特性，分別得到了制冷負荷，供熱負荷，以及全年負荷的變化關系。通過對比這些關系，分析了外墻保溫在夏熱冬冷地區的節能特點，得到了節能量與制冷供熱負荷比之間的關系。

【關鍵詞】夏熱冬冷地區；外墻保溫； TRNSYS模擬；節能特性；

0.引言

在我國，建筑用能已達到全社會商品用能的三分之一，而且在建筑用能的各個環節存在著重大節能潛力。隨著社會的發展，人們對工作和生活的環境要求日益提高，室內環境的舒適性和空氣品質越來越受到重視。我國的采暖與空調能耗大約能占據整個建筑的能源消耗的55%以上，而由圍護結構引起的空調負荷一般占總負荷的30%，降低圍護結構的負荷，對于建筑節能有重要現實意義。在建筑的外圍護結構中，外墻節能對建筑節能措施的采用十分重要，在整個建筑的圍護結構面積中外墻的傳熱面積占據了66%左右，外墻在傳熱方面的損失占到了外圍護結構總傳熱損失的約48%左右。因此，外墻的保溫隔熱性能對建筑節能具有重大的影響。夏熱冬冷地區，又稱過渡地區，指的是累年日平均溫度穩定低于或等于5℃的日數為60天至89天，以及累年日平均溫度穩定低于或等于5℃的日數不足60天的地區，但累年日平均溫度穩定低于或等于8℃的日數大于或等于75天的地區。其氣候特點是夏季酷熱，冬季濕冷。我國緯度跨度大，夏熱冬冷地區面積廣，這種地區一般沒有集中采暖，故空調運行時間長，負荷大。近年來夏熱冬冷地區的空調節能引起了廣泛的重視，國內也有諸多有關該地區建筑節能的研究，閆成文等人對該地區住宅建筑圍護結構能耗比進行了研究，分析了各圍護結構的節能潛力。

本文主要研究提高外墻保溫特性之后對夏熱冬冷地區建筑負荷的影響與能耗變化情況。用TRNSYS軟件建立典型辦公房間的模型，并計算其全年空調負荷。通過比較分析普通外墻與保溫外墻產生的房間負荷，得到外墻保溫的節能特性。

1.外墻保溫方式與結構

1.1 常用的外墻保溫方式

常用的外墻保溫方式可分為三種：1）內保溫，2）外保溫，3）中間保溫。由于墻體的中間保溫結構復雜，施工難度比較大，建筑成本高，故較少用于實際。外保溫即把保溫層放在主體墻的外側，這樣做既能保護外墻主體結構，還能在一定程度上延長建筑物使用壽命。相比于內保溫墻體，外保溫墻體的室內溫度波動比較小，熱穩定性好，能改善人居環境的舒適度；不易形成熱橋；墻體的防水性和氣密性較好；更重要的一點是：外保溫便于對舊建筑物進行節能改造；可以避免室內裝修對保溫層的破壞。所以在本研究中，主要考察外墻外保溫對建筑負荷的影響以及其節能效果。

2.1 外墻及外保溫結構

一般外墻使用粘土磚墻+外抹灰層。我們考慮三種外保溫技術，分別是：巖棉外保溫，EPS板薄抹面外保溫和現澆混凝土復合EPS板外保溫。

巖棉外保溫：以巖棉為主作為外保溫材料與外層墻體一次成型或采取錨固制成，耐火等級高，保溫效果好，為外保溫系統增強防火性能起著重要的作用。基本結構為粘土磚墻+巖棉+外抹灰層。

EPS板薄抹面外保溫：采用聚苯乙烯泡沫塑料板（EPS板）作為建筑物的外保溫材料，當建筑主體結構完成后，將苯板用專用粘結砂漿按要求粘貼上墻。然后在苯板表面抹聚合物水泥砂漿，最后為涂料裝飾面層。基本結構為粘土磚墻+EPS板+外抹灰層。

考慮到目前絕大多數建筑，尤其是高層建筑，實體墻都采用鋼筋混凝土結構，所以還得考慮一種常見的混凝土外保溫。現澆混凝土復合EPS板外保溫以EPS板為保溫材料，用玻纖網增強抹面層和飾面涂層作為保護層，在現場澆灌混凝土時將EPS板置于外模板內側，保溫材料與混凝土基層一次澆筑成型的外墻外保溫系統。基本結構為混凝土墻+EPS板+外抹灰層。

2.房間模型與運行參數

2.1 房間模型介紹

本研究主要研究夏熱冬冷地區外墻保溫的節能作用，以位于四川省成都市的辦公室作為研究對象。結構尺寸為10m 10m 3m。為了更好地比較和說明外墻保溫所帶來的影響，我們考慮該房間四面都為外墻，其中東向與西向開有窗，根據《公共建筑節能設計標準》規定，取東向窗墻比為0.3，西向窗墻比為0.45。南面日照時間長，輻射得熱量大，故南面墻體的負荷相比之下比其他墻體高，作為比較我們只對南面外墻進行外保溫，其他朝向墻體均為一般外墻（以下稱為基準墻體）。

2.2 氣象參數及運行參數

夏季空調室內設計溫度定為25℃，冬季采暖溫度設定為18℃。新風量根據人員確定，為30 m3/人·h。滲透風量轉化成換氣次數，設為0.2 / h。室內負荷由人員、設備以及照明負荷組，設備選擇140W的筆記本電腦，數量為4；照明設置為20W/m2。按照辦公室的工作特性，將模型中空調的運行時間設置為工作日運行，周末停機；每天的運行時間為8：00 ～18：00，其余時間均停機。

3.結果與分析

3.1 比較對象

本文將各朝向都采用基準墻體的房間模型定義為基準模型，依次研究將南面墻體加設巖棉外保溫，EPS板外保溫，以及混凝土EPS板外保溫后對負荷的影響。

3.2 結果與分析

本文用TRNSYS軟件建立前面所介紹的房間模型，氣象參數使用其數據庫對應城市的氣象數據，模擬空調運行的全年負荷。再將全年能耗分為制冷負荷與供熱負荷，分別討論墻壁外保溫對空調制冷與供熱的影響。

圖1為基準模型與其他三種模型運行后的制冷負荷與供熱負荷。從數值上來看，無論是哪一種模型，夏熱冬冷地區房間制冷量都是供熱量的兩倍以上。這和該地區的氣候特點有直接關系，典型夏熱冬冷地區的需要制冷的夏季時間長，空調負荷大；相反，供熱季時間短，而且室內負荷也承擔了一部分的熱負荷，故供熱量較少。

對比制冷負荷可以看出，外墻進行外保溫之后，負荷并沒有減少，相反還增加了4%。造成這種變化主要有兩點：第一，在制冷季，熱量應該從室內散發至室外，否則將會形成室內冷負荷，而保溫外墻的熱阻增大，傳熱系數減少，將這部分應該散發的熱量阻擋到室內，增大了室內冷負荷。第二，保溫層在增大了墻體厚度的同時也增大了墻體的熱容使其蓄熱能力增強，白天室外溫度高于室內溫度，墻壁吸收熱量溫度上升；當夜間室外溫度下降到室溫以下，墻體卻將這部分熱量釋放到室內，從而使室溫增高，增加負荷。對于供熱季來說，以上分析的兩點恰好能降低供熱負荷。熱阻的增大更能使得外墻散熱量減少，起到了保溫的作用，而蓄熱能力的增強更利于吸收白天的太陽能來填補室內熱負荷。外保溫墻體的傳熱系數由大到小依次為巖棉保溫，混凝土EPS保溫，EPS保溫；熱負荷減少比例則由小到大：18.13%（巖棉保溫），21.58%（混凝土EPS保溫），24.46%（EPS保溫）。

全年負荷的模擬比較如圖2所示，可以看出，外保溫對全年負荷的減少作用并不大。最大的節能量為5.56%（EPS保溫），造成這樣的原因可以從外保溫面積和負荷組成兩方面分析。模型中進行保溫的部分只有南面外墻，僅僅是占全部圍護結構的1/4，導致計算后負荷減少不多。模擬得到的數據表明冷負荷遠遠大于熱負荷，并且墻體進行外保溫之后，冷負荷還得到了增加。熱負荷的減少量大部分被冷負荷的增加量抵消，導致實際上全年負荷的減少量降低。

表2給出了基準墻與外保溫結構模型的具體負荷變化量。我們可以看出，制冷量的增加量與外墻傳熱系數沒有直接明顯關系，負荷增長量都在4%左右，而且混凝土EPS保溫沒有粘土磚EPS保溫的傳熱效果好，冷負荷卻少于后者。但是EPS保溫外墻減少了高達24.46%的供熱負荷，即使用了巖棉保溫技術，該減少量也達到了18.13%，證明外墻外保溫技術確實能在供熱季起到很好的節能效果。

式中A、B分別為供熱量與制冷量，a為供熱量的減少百分比，b為制冷量的減少減少百分比（兩者均變化不大），c為全年負荷的減少量。將上式變形解得：

在式（4）中，制冷量B值越大，c值越小。當 時，c值變為負值，既是全年負荷開始增加，對外墻進行保溫達不到任何節能效果。所以，外墻保溫在夏熱冬冷地區的節能效果與負荷組成有關。冷負荷所占比重越小，外保溫越節能；相反，冷負荷越大，不但節能量減少，更有可能增加其全年能耗。

3.結論

通過對典型夏熱冬冷地區成都市的一間辦公用房進行全年空調負荷模擬，分別對比基準墻體與外墻保溫的制冷、供熱以及全年總負荷，得到外墻保溫對負荷的影響。通過以上分析，我們可以得到如下結論：

1）夏熱冬冷地區建筑外墻的外保溫的確能降低其空調負荷，減少了全年能耗， 全年負荷減少量可以達到5%。并且，外墻的傳熱系數越小，保溫性能越好，全年負荷的減少量越大。不考慮材料的成本時，保溫性能越好的材料越節能。

2）從供熱負荷與制冷負荷的角度來看，夏熱冬冷地區制冷量遠大于供熱量。外墻保溫減少了房間的供熱量，但是卻增加了房間的制冷量。雖然全年負荷減少了，但是增加的制冷量使得這種減少不那么顯著。

3）經過分析，負荷組成直接影響著外保溫的節能效果。假設外保溫對供熱負荷的減少比例與對制冷負荷的增加比例不變，制冷負荷越大，全年負荷的減少量越小。所以，在夏熱冬冷地區，如果建筑的制冷負荷遠大于供熱負荷，則對外墻進行保溫得不到節能的目的；當制冷負荷相近于供熱負荷，外墻保溫所帶來的節能影響才變的顯著。

參考文獻

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