既有居住建筑围护结构节能改造热工性能优化

黄建恩等

摘要：

既有建筑物窗墙比差异较大，在节能改造过程中窗墙比和窗的热工性能对保温层厚度的影响不可忽视。在《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》围护结构节能设计规定的基础上，提出围护结构等效传热系数限值，综合考虑朝向、窗墙比、窗户的类型等因素，建立了外墙保温层厚度计算模型和围护结构热工性能参数优化模型，并以徐州地区某既有住宅为例，验证了模型的可行性。

关键词：

既有居住建筑，围护结构，节能改造，热工性能，优化

据统计，在很多国家建筑能耗约占总能耗的40%，其中，采暖空调的能耗约占建筑能耗的60%[1]。外墙外保温是降低采暖空调能耗的重要技术措施。

很多学者针对保温层厚度的确定进行了大量的研究。AlKhawaja[2]用寿命周期费用分析法给出了卡塔尔多哈地区墙体的最佳保温层厚度，并对不同类型的保温层进行了比较。Mahlia等[3]针对马尔代夫商业建筑采用现值法得出了不同绝热材料最佳保温层厚度和墙中空气间层厚度对节能性和减排量的影响。Sisman等 [4]分析了土耳其4个城市采暖建筑外墙和屋顶最佳保温层厚度和度日数的关系。Tosun等 [5]用人工神经网络法确定保温层的厚度。Arslan等[6]、Ucar[7]考虑水蒸气的凝结用火用经济学研究了墙体保温层的最佳厚度。AlSanea等 [8] 、Daouas等 [910]、Ozel[1113]等采用动态方法计算建筑物的能耗，并分析了保温层的最佳厚度，动态能耗计算方法更准确的反应了围护结构的能耗状况，可以进一步提高保温层厚度计算的准确性。Bolattürk[14]、Mahlia等[15] 、zkan等[16] 、S Ylemez等[17]研究人员采用P1-P2经济性模型对最佳保温层厚度进行了研究，该模型考虑了能源价格的增长对最佳保温层厚度的影响。Bolattürk [18]、Dombayci等[19]、Ucar等[2021]、Kaynakli[22]、Ekici等[23]等研究人员对燃料种类对保温层厚度的影响进行了分析和研究。波兰学者Dylewski等[24]考虑经济和环保效益，通过设置权重给出了一个确定最佳保温层厚度的方法，并考虑了燃煤锅炉、热泵、燃气炉和电锅炉4种热源对最佳保温层厚度的影响。

黄建恩，等：既有居住建筑围护结构节能改造热工性能优化

中国研究人员对保温复合墙体的构造、施工技术、施工质量控制等方面的研究较多，但对保温层最佳厚度的研究成果相对较少。陈凡等 [25]运用全寿命周期费用分析建立了最佳保温层厚度的数学模型，并用投资回收期对其经济效益进行了评价。黄春华 [26] 、王厚华 [27]、许建柳 [28]、郭楠 [29]等利用全寿命周期分析法分别研究了长沙地区居住建筑、重庆地区居住建筑、南京地区居住建筑、长春市既有住宅节能改造等情况下墙体保温层的最佳厚度。于靖华、杨昌智、田利伟[3032]等针对夏热冬冷地区的住宅建筑用P1P2经济性模型对寿命周期内的最佳保温层厚度进行了研究。Zhu等[33]对中国不同气候区的最佳保温层厚度和节能量进行了研究，但在研究过程中并没有考虑资金的时间价值，研究结果的精度受到一定的影响。文献[2533]均采用度日法计算建筑物的能耗。

对外墙保温层厚度的确定，尽管已经进行了大量的研究工作，但大多数研究者在研究过程中没有充分考虑窗墙比和外窗的热工性能对最佳保温层厚度的影响，这使得研究成果的应用受到一定的限制，尤其对既有建筑改造工程。不同建筑有不同的窗墙比，更需要研究窗墙比及外窗的热工性能对保温层厚度的影响。本文在《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》围护结构节能设计规定的基础上，提出围护结构等效传热系数限值，综合考虑朝向、窗墙比、窗户的类型等因素，建立了外墙保温层厚度计算和围护结构热工性能参数优化模型，该方法可以应用于既有居住建筑围护结构节能改造方案确定和性能参数优化设计。

1等效传热系数及耗热量限值

围护结构（本文特指外墙和外窗构成的围护结构，下同）采暖能耗主要受当地气候条件、室内采暖温度、围护结构性能及窗墙比的影响。对严寒和寒冷地区的居住建筑，冬季采暖空调能耗是建筑能耗的主要部分，为便于研究和应用，忽略各朝向太阳辐射的影响，仅考虑温差传热引起的采暖耗热量。

1.1年采暖耗热量

采暖能耗可按度日法进行计算，单位面积围护结构的年采暖耗热量按下式进行计算

1.2等效传热系数限值

《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ 26-2010）给出了不同气候分区建筑物不同朝向围护结构窗墙比的限值，外墙和外窗的热工性能限值。根据标准规定的窗墙比、热工性能限值和式（2）可以计算出不同气候分区建筑物各朝向的围护结构等效传热系数。以寒冷地区为例，窗墙比限值北向（N）小于等于0.30，东西向（E、W）小于等于0.35，南向（S）小于等于0.5；外墙和外窗热工性能限值见表1。

寒冷地区不同朝向的围护结构等效传热系数限值计算结果见表2。在既有建筑节能改造过程中只要改造后的建筑物围护结构等效传热系数不超过限值，采暖能耗就可以满足标准规定的能耗限值。由于节能标准规定的不同朝向的窗墙比限值、外窗性能要求不同，围护结构等效传热系数限值因朝向而异。这种差异性将会直接导致围护结构改造方案的不同，确定围护结构节能改造方案需要按朝向且充分考虑窗墙比和窗户性能的影响经优化分析确定。下面将分别给出外墙保温层厚度确定模型和围护结构改造热工性能参数优化模型。

2外墙保温层厚度计算模型

2.1保温墙体的平均传热系数

根据民用建筑热工设计规范，墙体的平均传热系数可采用面积加权法进行计算。简化计算时，可根据所设计的结构体系、选择外墙主体部位和结构性热桥部位的面积在外墙面积中所占的比值A和B按下式计算：