南方建筑非透明圍護結構熱工與節能設計

馮雅++南艷麗++鐘輝智

摘要：

如何兼顧冬夏兩季建筑供暖空調負荷和能耗，保證室內熱環境質量，確定最適宜的熱工特性，是長期困擾中國南方建筑圍護結構熱工與節能設計的難點。通過對夏熱冬冷和夏熱冬暖地區建筑在采暖、空調與自然通風條件下動態熱過程的分析，研究了這一地區圍護結構熱特性與能耗的制約關系，以及對室內熱環境與建筑熱穩定性的作用機理。在兼顧冬季保溫與夏季隔熱的情況下，將建筑全年能耗作為控制目標，從室內熱環境質量、節能效果、圍護結構的安全性、可靠性、經濟性和實用性等角度評價目前所采用的圍護結構節能技術存在的問題，提出一種適宜南方氣候的建筑圍護結構熱特性指標及構造形式。

關鍵詞：

南方地區；圍護結構；熱工設計；節能設計

Abstract：

In southern area of china， the problem that balancing heating load in winter with cooling load in summer to ensure indoor thermal comfort when designing building envelop still remains. In this article， the correlation between thermal characteristics of building envelope and energy load is found by analyzing dynamic thermal process of buildings in hot summer and cold（warm）winter zones. In addition， the thermal characteristics of building envelope which affect indoor thermal environment and thermal stability of building are revealed. Also， the impact mechanism of enclosure thermal performance on indoor thermal environment and thermal stability is studied. By taking the balance between winter heat preservation and summer heat dissipation into consideration， the calculation of annual building energy consumption would be carried out， based on which the existing enclosure energysaving method is evaluated from the standpoint of energysaving effect， safety， reliability， economy and practicability. Finally， the climaticsuitable thermal design and its structure type of the enclosure is proposed.

Keywords：

southern area；building envelope；building thermal design；energysaving design

圍護結構保溫隔熱是影響建筑節能最為重要的因素之一，圍護結構材料的保溫性、耐久性和安全性問題也是國內外長期關注的重點。北美、歐盟、日本等發達國家采用鋼結構、木結構及木框架結構的建筑占70%以上，圍護結構構造主要采用龍骨+保溫隔熱材料+裝飾面板的做法，工業化水平高，質量穩定，能很好地解決礦（巖）棉、聚苯乙烯泡沫塑料板（EPS）、聚苯乙烯擠塑泡沫板（XPS）等高效有機保溫隔熱材料作為圍護結構保溫隔熱系統的安全性與可靠性、耐候性、透汽性，以及受熱應力影響的膨脹與收縮、裂縫、以及材料體系老化等問題[13]。但對于傳統磚石、混凝土外墻等保溫隔熱體系，國外相關技術標準[2]并未做出詳細的性能要求。

中國南方地區建筑非透明圍護結構保溫隔熱技術，主要采用歐盟和中國北方外墻外保溫技術思路，即采用高分子化學類（如聚苯乙烯、酚醛泡沫、聚氨酯等）高效保溫材料、巖棉、無機保溫砂漿等各種外墻外保溫技術[1，4]。從南方地區的氣候、資源和10多年建筑節能工作的實際情況來看，現有技術無法根本解決圍護結構保溫隔熱技術體系所存在的固有缺陷。尤其央視文化中心、上海膠州教師公寓等建筑相繼由于外墻外保溫材料引發火災，公安部下發公消[2011]65號文后，南方地區大量采用無機保溫隔熱材料技術體系，但其圍護結構熱工性能與相關的物理力學性能卻難以達到節能和建筑的質量要求。本文根據南方目前在保溫隔熱技術體系、設計施工等方面的實際情況，從技術體系、節能效果、安全性、經濟性、實用性等方面進行研究，提出一種圍護結構保溫隔熱設計方法和構造措施，為南方地區非透明外圍護結構的節能設計提供一種新的思路和方法。

1南方建筑非透明墻體圍護結構的現狀與問題

目前，南方建筑的外墻保溫隔熱技術主要采用EPS（或XPS、聚氨酯）板薄抹灰外保溫系統，EPS膠粉顆粒外保溫隔熱系統，EPS鋼絲網架板現澆混凝土等高分子化學類高效保溫材料的復合保溫隔熱體系和無機保溫材料保溫隔熱技術[1，4]。這些外墻復合保溫隔熱體系的穩定性、安全性、防火性、耐候性等物理力學性能與傳統圍護結構相比有很大區別，很多性能都還沒有經過工程的長期檢驗[2]。在實際工程中，室外氣候和材料固有的性能將嚴重影響圍護結構的耐候性、安全性、使用功能，以及建筑的質量[3]。而且，這些保溫隔熱墻體的使用壽命不可能與現有的磚、鋼筋混凝土等材料同壽命。從外墻復合保溫隔熱施工來看，大都要經過界面層處理、粘接劑涂抹、保溫隔熱層施工、抗裂保護層施工（抗裂沙漿、抗裂玻纖布或鋼絲網、抹面層）等6～7道工序。相對傳統圍護結構而言，施工復雜、要求高。

從南方圍護結構外保溫隔熱工程包工包料的市場價格分析，EPS膠粉顆粒漿料、無機保溫砂漿30 mm厚外保溫隔熱系統絕大部分為50元/m2左右，EPS薄抹灰系統30 mm厚外保溫隔熱系統絕大部分為65元/m2左右。從節能建筑施工質量檢查來看，70%以上的工程存在不同程度的質量問題，甚至出現一些虛作假等不良行為，保溫隔熱工程能否達到25 a的設計使用壽命值得注意。這里不是講這類技術達不到節能設計的要求，而是指目前這一地區的圍護結構外保溫隔熱工程的質量存在問題。即使外保溫隔熱系統有25 a的使用壽命，在建筑50～70 a使用壽命期內，是否意味著要再進行2～3次外保溫隔熱改造，在建筑的使用壽命周期內采用這一技術對圍護結構保溫隔熱的投入是否會過大，在整個壽命周期內技術經濟指標是否合理等都是應認真考慮的問題[5]。

綜上所述，不少圍護結構保溫隔熱系統仍未經過大型試驗及工程的長期考驗，特別是耐候性試驗和工程的長時間跟蹤檢驗，缺少相關基礎數據。因此，現有南方圍護結構保溫隔熱技術還沒有形成完備的技術體系，與需求相比、還有較大差距，不能完全解決耐久性（與建筑同壽命）、防火、外貼墻磚、修補維護等技術細節問題，現有的技術還不完善，系統配套差，產業化程度也不高，環保、節能、經濟、安全的新型墻體材料匱乏[6]。

2外墻熱工性能對建筑能耗與室內熱

環境的影響

2.1外墻圍護結構傳熱系數k對能耗的影響

《夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準》（JGJ 75—2003）編制組對夏熱冬暖地區不同圍護結構、不同窗墻比共3 000多個建筑節能方案的建筑能耗和節能率進行了分析。

圖1所示為廣州住宅全年空調耗電量與外墻傳熱系數k的關系， 當k從2.72 W/（m2·K）分別降低到1.95和1.13 W/（m2·K）時，全年空調耗電量指標分別下降8%和3.1%，收效甚微。研究結果表明，這一地區圍護結構的隔熱，外窗的遮陽是影響建筑能耗的主要因素[7]。當圍護結構傳熱阻達到某一值時，圍護結構的溫差傳熱是有限的，過分地降低墻體的傳熱系數值，隔熱性能不會有明顯改善，同時，也不經濟。

同樣，《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》（JGJ 134—2010）編制組對夏熱冬冷地區現有建筑能耗基數進行了研究，得出圍護結構夏季負荷占46.2%～52.8 %，冬季負荷占67.4%～80.3 % 。而窗的夏季負荷是墻的2倍多，冬季負荷是墻的80 %，而且，單位面積窗的用電負荷是墻的3～8倍，用電量約為墻的4倍[8]。

圖2所示為南京、重慶、成都住宅全年供暖空調耗電量與外墻傳熱系數的關系，表明外墻圍護結構的傳熱系數對空調制冷影響是有限的，對冬季供暖影響明顯。

2.2不同外墻保溫隔熱系統傳熱特點

采用南方典型住宅的標準平面中南向、北向臥室為研究對象，以成都典型的氣候為例，借助DOE2模擬軟件，分析外墻圍護結構在等效傳熱系數相等條件下（k=1.0 W/（m2·K），外保溫、內保溫、自保溫3種不同保溫隔熱體系的熱過程特性。

圖3～6分別給出南北朝向房間在冬季和夏季工況下不同保溫體系的傳熱特性。可以看出，在等效傳熱系數相等的情況下外保溫傳熱量的波動最小，說明外保溫熱穩定性好，但與內保溫相比這個優點并不明顯[9]。自保溫外墻傳熱波動明顯大于其他兩種保溫形式，主要原因是自保溫墻體屬于輕質墻體，其熱容性小。

2.3能耗特征分析

在2.2節計算模型基礎上，假設南向臥室采用間歇式空調與采暖，在外墻等效傳熱系數相同（k=1.0 W/（m2·K）條件下，分析外保溫、內保溫、自保溫3種不同保溫體系的能耗特征。圖7給出了不同保溫體系在成都地區的全年逐月能耗比較。圖8給出3種保溫體系全年單位面積能耗比較。

從結果可以看出，自保溫體系年能耗量略高于其他兩種情況，但超過量不大。外保溫與內保溫相比基本相等。所以，在外墻等效傳熱系數相同情況下，3種保溫體系外墻動態傳熱特性有差別但全年能耗量基本相等[9]。

從節能標準所規定的熱工指標來看，南方地區住宅圍護結構對節能的貢獻率只占節能標準要求的節能指標的40%～50%，公共建筑占30%～40%左右。而且南方地區建筑的供暖空調主要以間歇運行為主。因此，這一地區建筑圍護結構除了采用外保溫隔熱外，內保溫隔熱和墻體自保溫隔熱技術都是適合這一地區很好的構造形式[10]。這3種技術在南方的應用中，不同功能的建筑、建筑的不同運行方式所產生的節能效果和環境指標是完全不一樣的，應選擇相適應的保溫隔熱技術[1112]。

2.4圍護結構熱穩定性對熱環境的影響

中國南方地區夏季實測屋面外表面綜合溫度，南京可達62 ℃、武漢64 ℃、重慶61 ℃、廣州60 ℃、南寧60 ℃以上，西墻外表面溫度南京可達51 ℃、武漢55 ℃、重慶56 ℃、廣州52 ℃、南寧54 ℃以上，在夏季室外綜合溫度熱作用下，圍護結構熱特性除了用傳熱系數這個參數外，還應有抵抗溫度和熱流波在圍護結構中傳播的熱惰性指標D、衰減倍數ν、和延遲時間τ等熱穩定性指標來評價[13]。

無論是自然通風、連續空調還是間歇空調，熱穩定性好的厚重結構與加氣混凝土、混凝土空心砌塊以及金屬夾芯板等熱穩定性差的輕質圍護結構相比，外圍護結構內表面溫度波幅差別很大。在傳熱系數相同條件下，連續空調時，240 mm空心磚外墻內表面溫度波幅為0.5～1.0 ℃，加氣混凝土外墻內表面溫度波幅為1.5～2.0 ℃，金屬夾芯板外墻內表面溫度波幅為2.0～3.0 ℃。在間歇空調時，內表面溫度波幅比連續空調還要增加1.0～2.0 ℃。自然通風時，輕型結構外墻和屋頂的內表面使人明顯的感到一種烘烤感。研究表明，熱穩定指標越大，說明圍護結構抵御室外溫度波擾動能力，自身被動調節室外自然環境的能力越強。

3南方地區建筑圍護結構的節能設計

3.1南方建筑圍護結構的節能設計理論

根據以上分析，南方地區降低圍護結構的傳熱系數有利于降低冬季采暖能耗；而要降低夏季空調能耗，必須提高圍護結構的隔熱性能。但無論冬季還是夏季，提高圍護結構的熱穩定性，都有利于提高或降低外墻內表面溫度，有效地延遲和衰減室外溫度波的作用，改善室內環境。

按照熱舒適理論，人的熱感覺主要受室內空氣溫度（t）、空氣濕度（φ）、圍護結構內表面平均輻射溫度（MRT）和室內風速（v）的影響，而建筑的形態，平、立面空間形式（窗墻面積比S）、圍護結構的傳熱系數k、熱惰性指標D等熱工參數對圍護結構內表面平均輻射溫度（MRT）起到非常重要的作用。在特定的氣候條件下，人體的主觀熱反應TSV（Thermal Sense Vote）基本處于可接受的熱舒適區[-1，+1]范圍，即

具有氣候適應性的圍護結構將有利于自調節作用，這也是自古以來人類總結出的，今天流行的被動節能技術設計方法。即通過被動式自然能源的應用，對建筑進行優化設計，利用圍護結構的蓄熱，自然通風等對室外溫度波的衰減、延遲特性，將圍護結構內表面平均輻射溫度（MRT）的日平均值和波幅值控制在人可接受的范圍內。因此，采用被動與主動相結合的節能技術，盡可能延長基本熱舒適時間，減少采用主動干預室內熱環境的方式實現熱舒適環境時間，即盡量減少空調和采暖時間，是氣候適應性節能建筑的核心，也是建筑熱工學與節能建筑最重要的科學原理，這才是中國南方建筑節能的技術路線和方向。

3.2一種新型發泡混凝土保溫隔熱技術

根據以上理論，從中國南方建筑圍護結構節能技術總體發展狀況和特點出發，對耐久性、安全防火、技術的可靠性、經濟成本、環境影響等進行分析，才能得到本地區適宜的節能技術，同時，也保證了建筑工程的質量。為此，特別提出一種新型發泡混凝土內保溫和自保溫技術[14]，其構造形式如圖9、圖10所示，發泡混凝土保溫隔熱板主要技術參數如表2所示[15]。該體系為采用新型發泡混凝土外包梁、柱填充墻和保溫隔熱一體的自保溫隔熱構造，在夏熱冬冷、夏熱冬暖地區作為單一材料應用可滿足當地熱工性能要求。

表3給出了200 mm加氣混凝土外墻自保溫、30 mmEPS外墻外保溫及60 mm厚新型發泡混凝土外墻內保溫3種圍護結構類型在自然通風條件下，西向墻體內表面溫度的計算值。由計算結果可得出，發泡混凝土保溫體系熱穩定性好，與前兩種外墻保溫類型相比，內表面溫度可以降低1.2 ℃以上。

新型發泡混凝土外墻保溫隔熱技術具有以下特點：

1）解決了現有復合外保溫隔熱技術目前無法根本解決的缺陷，尤其高層建筑在保溫隔熱系統外飾面所帶來的安全、防火、耐候性等問題，無論采用內保溫、外保溫還是自保溫技術，施工簡單，與現有建筑施工技術不發生沖突，保證了工程施工質量和節能效果，真正做到與建筑同壽命。

2）良好的熱工性能，圍護結構平均傳熱系數k能控制在1.0 W/（m2·K）以內，即使混凝土剪力墻內貼 60 mm厚保溫材料，傳熱系數也能控制在1.2 W/（m2·K）以內，其熱工指標超過370 mm磚墻，徹底解決南方高層住宅建筑混凝土剪力墻的保溫隔熱要求，冬暖夏涼，具有被動節能建筑的特點。

3）該系統經濟成本低，材料與施工成本不高于現有外保溫隔熱技術。

4）缺點僅僅是建筑采用內保溫時，墻體加厚50～60 mm，建筑室內面積減小1.0%～1.5%，對于公共建筑，相應平面尺度更大，減小的面積比例會更小。但與現有外墻外保溫技術存在的安全、防火、耐候性等問題相比，犧牲建筑面積是值得的，從建筑的全壽命周期來看更為經濟節約。

4結論

通過對南方典型氣候條件下建筑在采暖、空調與自然通風條件下圍護結構動態熱過程的分析，得出以下結論：

1）南方建筑圍護結構熱過程為室內外雙向熱量傳遞，與北方采暖建筑熱量單向傳遞具有明顯的差別，圍護結構保溫構造形式對建筑年能耗影響不大，但對建筑室內環境質量具有明顯的影響。

2）圍護結構保溫隔熱體系，除了滿足節能標準的要求外，建筑圍護結構的物理力學可靠性、耐候性、防火性、施工裝修簡單、經濟合理、技術體系的壽命等更為重要。

3）新型發泡混凝土導熱系數可以達到0.1 W/（m2·K）以下，材料本身具有燃燒性能為A級，強度高，與建筑全壽命周期等優點。對于框架結構，填充墻部位采用新型發泡混凝土自保溫，框架結構梁柱部位的處理采用該材料50～60 mm厚內外保溫，可以滿足夏熱冬冷、夏熱冬暖地區的圍護結構熱工性能指標要求；對于剪力墻結構，外墻采用50～60 mm新型發泡混凝土內保溫，亦可以滿足相應的節能設計要求。因此，建筑自保溫和內保溫技術是非常適合南方地區的圍護結構節能技術，具有廣闊的應用前景。

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