基于DeST的建筑圍護結構綜合傳熱性能研究

（安徽建筑大學環境與能源工程學院，安徽 合肥 230601）

1 引言

目前全國建筑能耗總量每年以5%遞增，建筑節能問題不容忽視。其中，通過圍護結構的傳熱損失約占建筑總能耗損失70%～80%，所以對圍護結構傳熱系數的優化成為建筑節能的一項重要措施。但是目前大多數研究都是針對保溫層厚度，Al-Khawaja使用壽命周期費用法對卡塔爾首都區域的墻體進行研究分析，確定了最佳保溫層厚度。Mahlia等使用現值法對馬爾代夫商業建筑進行分析，得出了不同材料的最佳保溫層厚度。Al-Sanea等采用動態方法計算建筑物的能耗，并分析了保溫層的最佳厚度。

部分研究是針對圍護結構各組成部分的優化組合。王厚華等通過正交試驗設計模擬實驗組合方案，獲得圍護結構各部件的優化組合方案，即屋面、外窗、外墻傳熱系數分別取 1.0W/（m·K），2.0W/（m·K），0.74W/（m·K），夏 熱 冬冷地區7個典型城市的全年節能率為34.0%～42.8%。黃建恩等提出圍護結構等效傳熱系數限值，綜合考慮窗戶的朝向、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化模型。房濤等研究了不透明圍護結構的保溫層厚度、外窗傳熱系數以及窗墻比對住宅采暖、制冷能耗的影響，并通過模擬確定了寒冷地區被動房住宅圍護結構節能設計關鍵參數值：外墻傳熱系數為0.14 W/（m·K），屋面傳熱系數0.145W/（m·K）；透明圍護結構傳熱系數南、北向均為0.78 W/（m·K），東、西向均為1.0W/（m·K）。張歡等針對辦公建筑，利用eQUEST能耗模擬軟件，分析了改變外墻、屋面的保溫層厚度以及外窗玻璃類型這些節能方案對空調系統能耗的影響及其經濟效益。

盡管已經有不少學者對圍護結構的綜合性能進行了大量的研究工作，但大多數研究者在研究過程中把外墻、屋面、外窗割裂開，沒有考慮圍護結構的綜合傳熱，使研究成果的應用受到一定程度的影響。在建筑工程設計時，不同圍護結構有不同的材質，更需要考慮綜合傳熱系數對建筑能耗的影響。本文選擇了某一高層住宅建筑為基礎模型，參照《安徽省居住建筑節能設計標準》，在圍護結構設計規定的基礎上，建立圍護結構熱工性能參數優化模型，并得出圍護結構綜合傳熱系數與建筑耗能量的關系式。

2 模擬條件與建筑模型

以某棟住宅樓為建筑模型，建筑高度78.05m，建筑面積地上11217m。地理位置為北緯31.75，東經 116.49，采暖、空調設備為家用空調器，模型如圖1所示。

圖1 基礎建筑模型圖和平面圖

3 圍護結構傳熱系數對建筑耗能量的影響

夏熱冬冷地區大多夏季悶熱，冬季濕冷，需要采取一定的措施才能保證室內環境舒適度。其中主要措施是改善圍護結構保溫隔熱的性能。

3.1 屋面

屋面是建筑物頂部與外部環境直接接觸的部位。目前，屋面節能主要是通過兩種節能技術措施：弱化屋面的太陽輻射吸收性能和在屋面結構中設置保溫層。

圖2 屋面構造

圖3 不同傳熱系數的屋面

圖4 不同保溫層厚度屋面的耗能量

本次屋面模擬采用的保溫材料為擠塑聚苯板（XPS板）（圖2），控制屋面其他材料參數不變，改變擠塑聚苯板的厚度，構建幾種傳熱系數不同的屋面（圖3），分析不同傳熱系數的屋面對住宅建筑全年耗能量的影響，模擬結果如圖4所示。

從圖中可以看出，隨著屋面保溫層厚度的逐漸增加，屋面傳熱系數不斷減小，建筑制冷耗能量變化幅度較小，采暖耗能量逐漸減少。從全年總耗能量的分布曲線可以看到，屋面保溫層厚度增加到220mm之后，全年總耗能量基本不變，由此可判定該住宅建筑屋面的最佳保溫層厚度為220mm，與之對應的最佳傳熱系數為0.143W/（mK）。

3.2 外墻

墻體的傳熱損失約占圍護結構的25%，為了實現外墻節能這一目的，主要措施是提高墻體的保溫、隔熱性能。

圖5 外墻結構

圖6 不同傳熱系數的墻體

圖7 不同保溫層厚度墻體的耗能量

外墻采用的保溫材料為聚苯乙烯泡沫塑料板（EPS板），外墻構造如圖5所示，保持其他材料不變，改變EPS板厚度，構建幾種傳熱系數不同的外墻（圖6），利用DeST-h軟件分析不同傳熱系數的外墻對住宅建筑全年耗能量的影響，模擬結果如圖7所示。

從圖中可以看出，隨著外墻保溫層厚度不斷增加，外墻傳熱系數逐漸減小，建筑制冷耗能量變化幅度較小，表明外墻保溫層厚度的增減對制冷耗能量影響較小，而采暖耗能量不斷減少，同時從全年總耗能量的分布曲線可以看出，在保溫層厚度從40mm增加到180mm過程中全年總耗能量明顯降低，但當保溫層厚度達到340mm之后全年耗能量的分布曲線保持穩定。由此可以判斷該住宅建筑的外墻最佳保溫層厚度為340mm，對應的外墻最佳傳熱系數取0.132W/（m·K）。

3.3 外窗

外窗是圍護結構保溫隔熱薄弱的部位，外窗得熱量占圍護結構總得熱量23%～27%。為了解不同傳熱系數的外窗對建筑耗能量的影響，以雙層中空Low-E玻璃外窗為例進行模擬對比。在模擬過程中，控制其他參數不變，改變外窗傳熱系數，構造幾種傳熱系數不同的外窗，并利用DeST-h模擬不同傳熱系數的外窗對建筑耗能量的影響，模擬結果如圖8所示。

由圖8可以看到：當外窗傳熱系數由 6.0W/（m·K）減 小 到 1.5W/（m·K）時，建筑全年總耗能量隨著外窗傳熱系數的減小而減少，制冷耗能量變化幅度較小，采暖耗能量呈線性減少，判斷外窗最佳傳熱系數為1.5W/（m·K）。其中，隨著外窗傳熱系數的降低，制冷耗能量反而增加，這是由于在夏季室外溫度較高時，外窗傳熱系數的降低雖有利于隔絕室外的熱量向室內傳遞，但在夏季夜間或過渡季，室外溫度相對室內溫度較低時，雙層窗反而不利于室內向外散熱，因此制冷耗能量隨著外窗傳熱系數的減小反而增加。

圖8 外窗傳熱系數對建筑耗能量的影響

4 圍護結構綜合傳熱系數的研究

建筑圍護結構是由外墻、屋面、外窗等多部件組合而成的綜合體。圍護結構傳熱系數的現場檢測方法主要包括熱流計法、熱箱法、紅外熱像儀法。然而，這3種方法測試的僅是單一部件的傳熱系數，難以反映圍護結構的綜合熱工性能，所以引入圍護結構綜合傳熱系數Km的概念并進行研究。

圍護結構對建筑采暖指標以及空調制冷指標的影響可用傳熱系數來描述，圍護結構空調耗冷量Q和采暖耗熱量Q由下式計算：

式中：Q，Q，Q：分別為外墻，屋面，外窗的傳熱量，W；k：傳熱系數，W/（m·K）；f：圍護結構面積，m；t為空調室外溫度，27℃；t：空調、采暖室內設計溫度，℃；t：采暖室外計算溫度，3.5℃；下標 i：各個朝向；x：朝向修正率，北：5%，南：-20%，東、西：-5% ；T為六安地區全年室內外的平均溫差，8.3℃，F為圍護結構總面積，m；Q：全年總耗能量，kW·h，τ：空調季運行時間，h；τ：采暖季運行時間，h。

5 綜合傳熱系數與建筑總耗能量的關系

將屋面、外墻、外窗的傳熱系數分別帶入公式（1）（2）（3）中，計算得到圍護結構采暖耗熱量Q、空調耗冷量Q與綜合傳熱系數K，并通過DeST-h模擬得到建筑全年總耗能量Q圖9顯示40多例的Km隨全年總耗能量的變化關系，并且趨勢一致接近重合，擬合公式為：

式中：R為相關指數，表示回歸方程擬合度的高低，R越接近于1表示擬合效果越好。

圖9 綜合傳熱系數與建筑耗能量的關系

由圖9可以看出，同一地區不同圍護結構的綜合傳熱系數越小，其保溫隔熱水平越好，建筑的全年總耗能量越低，因此建筑圍護結構綜合傳熱系數可以比較直觀地反映圍護結構的總體的保溫隔熱水平。根據《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》中的圍護結構傳熱系數限值代入擬合公式中，可得該地區住宅建筑圍護結構綜合傳熱系數限值1.77W/（m·K），利用圍護結構最佳傳熱系數，得出該住宅建筑圍護結構最佳綜合傳熱系數0.66W/（m·K）。

6 結論

①針對圍護結構傳熱系數對住宅建筑采暖、制冷耗能量的影響進行模擬計算與分析，結果表明：夏熱冬冷地區住宅建筑節能設計圍護結構中外墻最佳傳熱系數為0.132W/（m·K），屋面最佳傳熱系數為0.143W/（m·K），外窗最佳傳熱系數為1.5W/（m·K）。

②得到圍護結構綜合傳熱系數Km與全年總耗能量Q的關系式，并確定了Km 的取值范圍 0.66W/（m·K）≤Km≤1.77W/（m·K）。在同一地區可以直觀正確地反映建筑圍護結構的保溫隔熱的總體水平，為進一步的經濟性分析奠定了基礎。