夏热冬冷地区居住建筑外墙外保温的反节能现象

阮 方, 钱晓倩, 钱匡亮, 余亚超, 施水华

(1.浙江大学 建筑工程学院,浙江 杭州 310058；2.宝业集团浙江建设产业研究院有限公司,浙江 绍兴 312030)



夏热冬冷地区居住建筑外墙外保温的反节能现象

阮 方1, 钱晓倩1, 钱匡亮1, 余亚超2, 施水华2

(1.浙江大学 建筑工程学院,浙江 杭州 310058；2.宝业集团浙江建设产业研究院有限公司,浙江 绍兴 312030)

针对夏热冬冷地区居住建筑现行节能设计标准中空调系统部分设计工况与该地区实际情况存在一定出入的问题,以杭州市为例,采用EnergyPlus能耗模拟软件模拟分析该地区居住建筑不同用能工况下外墙外保温的节能效果.结果显示,在标准规定的连续用能方式下,外墙外保温节能效果良好；而在间歇用能方式下,外墙外保温会增加全年冷负荷.以1971—2000年的日值气象数据为基础,采用五日滑动平均法,得出实际杭州市的采暖及空调期推荐值.在采用新的采暖、空调期后,外墙外保温夏季反节能现象对全年能耗的影响更加显著,全年节能率明显减小.进一步研究表明,对于窗墙比及制冷设定温度而言,均存在一系列的外保温反节能临界值(窗墙比为0.3,制冷设定温度为26 ℃),低于此临界值时外保温节能,高于此临界值时反节能.

夏热冬冷；居住建筑；外墙外保温；间歇用能；采暖期；空调期；反节能

我国夏热冬冷地区最冷月平均温度为0～10 ℃,日均温度不大于5 ℃的天数为0～90 d；最热月平均温度为25～30 ℃,日均温度不小于25 ℃的天数为40～110 d[1].夏热冬冷地区冬夏两季均需要进行空气调节以提高室内舒适度.在能源供应日益紧缺的今天,建筑节能的重要性不言而喻.在建筑围护结构中使用保温材料是降低建筑能耗的有效途径之一[2-4].目前夏热冬冷地区居住建筑围护结构热工设计中基本上沿用了严寒及寒冷地区外墙外保温的形式,其实际节能效果并不理想,节能率远低于预期值[5].造成这一结果的原因主要是由于夏热冬冷地区居住建筑现行节能设计标准中规定的连续用能方式和采暖、空调计算期均与实际情况存在一定出入.外墙外保温在标准工况下节能效果显著,但在实际工况下可能效果甚微.

在连续用能方式下,墙体蓄热有利于储存空调的制冷量和制热量,维持室内空气温度稳定.保温层置于外墙外侧能有效减少墙体和室外环境之间的热交换,从而降低建筑冷、热负荷[6-7].但是夏热冬冷地区居住建筑中空调大多间歇启停,且以夜间使用为主.已有文献研究显示,在夜间制冷工况下外墙外保温在存在反节能现象,室外气温在夏季夜晚逐渐下降至低于墙体温度,保温层在外侧阻碍了墙体向室外散热,从而使制冷负荷增加[8-14].Bojic等[8-10]针对香港高层居住建筑,采用HTB2软件进行全年能耗模拟计算后发现,间歇用能条件下外墙外保温既增加全年冷负荷又增加了冷负荷峰值.Pan等[11]对中国的北京、上海和广州3种不同气候地区的外墙外保温节能现象进行了研究.结果表明,在建筑热负荷占据主导地位的北京,外墙外保温节能效果最佳；在上海,外墙外保温节能临界厚度为26 mm,低于此厚度则可以节能,而高于此厚度却反而增加能耗；在广州,外墙外保温具有明显反节能现象.Masoso等[12]针对非洲博茨瓦纳地区办公建筑,利用EnergyPlus软件分析了6种不同空调设定温度下的建筑间歇运行全年冷热负荷.结果发现,在较高的室内得热(15 W/m2)情况下,增加墙体外保温可以降低全年热负荷,但却不一定能降低冷负荷,存在一个临界空调设定温度,低于该温度可以节能,而高于此温度却反而增加能耗.Tummu等[13-14]研究了外墙内外保温方式在不同窗墙比rww(window to wall ratio, WWR)时的空调间歇运行冷负荷.结果表明rww=0时,内外保温均可降低建筑能耗,随着窗墙比逐渐增加,内保温仍节约能耗,而外保温却会增加能耗.综上所述,建筑所在地的气候特征、空调系统的设定温度及围护结构窗墙比等都是会显著影响外墙外保温的节能效果.

对于夏热冬冷地区居住建筑,外墙外保温的反节能现象一直以来都被忽视,主要是由两方面原因造成.首先,本地区节能设计标准沿用了北方地区全天24 h连续式运行模式,但实际上本地区无论是冬季采暖还是夏季制冷,空调均是间歇运行；其次,标准中规定的采暖期(90 d)长于空调期(78 d),与本地区实际情况不符,调研显示,本地区实际全年空调能耗显著高于采暖能耗[15].因此,外墙外保温由于反节能现象的存在,其对于夏热冬冷地区居住建筑的全年节能率可能远低于按照规范规定工况计算的理论值.

《夏热冬冷地区节能设计规范》规范规定的设定条件与实际用能情况主要存在两方面的区别：一是连续式用能与间歇式用能的区别,二是采暖及空调计算期不同.在实际用能情况下,外墙外保温对夏热冬冷地区居住建筑的节能效果,目前罕有文献进行报导.对此,本文采用EnergyPlus软件[16],对夏热冬冷地区一栋实际建筑进行全年动态模拟分析,深入研究外墙外保温的实际节能效果,为本地区居住建筑的围护结构热工设计提供参考.

1 计算模型

1.1 建筑信息及模拟方案

图1 用于模拟验证的实验建筑外观Fig.1 Outside view of experiment building used forverifying simulation results

图2 EnergyPlus建筑模型的标准层布置图Fig.2 Layout of typical floor in EnergyPlus buildingmodel

模拟建筑所在地为夏热冬冷地区典型城市——杭州.建筑层高3 m,建筑外观如图1所示, 标准层平面图如图2所示,图中房间A～D为空调用能区域,窗墙比为0.3.模型建筑共3层,只将中间层的计算结果用于分析比较,建筑围护结构热工参数如表1所示,表中,λ为传热系数.模拟软件使用的气象数据采用的是清华大学与中国气象局合作开发的一套以中国1981—2003年的气象数据为基础得出的建筑能耗模拟分析用典型气象年数据(CSWD)[17].此套典型气象年数据以1 h为时间间隔,为符合精度要求,模拟计算中以30 min为步长.

1.2 空调参数及作息设定

夏热冬冷地区居住建筑中采暖及制冷主要以分体空调为主[18],本模型中用能房间采用分体空调进行温度调节.空调参数设定参照本地区节能设计标准[19]的规定：室内控制温度分别为18 ℃(采暖)和26 ℃(制冷),设备额定能效比分别为1.9(采暖)和2.3(制冷).空调运行时段空气渗透换气次数为1.0次/h,空调关闭时段自然通风换气次数取3.0 次/h.室内平均得热强度取4.3 W/m2.采暖期为当年12月1日至次年2月28日；空调期为6月15日至8月31日.模拟计算中考虑2种典型的空调运行模式：一种为连续式用能,即空调全天24 h开启；一种为间歇式用能,空调开启时段选取为22:00至次日6:00.此间歇用能的开启及关闭时间是由本文课题组根据528份杭州市居民空调使用调研问卷的统计结果梳理得出.

1.3 软件模拟与实测的对比分析

将夏季某日实际天气数据导入EnergyPlus软件,以1 min为步长模拟实际建筑外保温外墙内壁面温度受室外温度波动的影响,并与实验结果进行对比.选取文章中图2中房间A为实验验证房间,外墙内表面温度采用铂电阻温度传感器(Pt100)进行测量.外墙外保温内壁面温度的模拟值与实测值对比如图3所示.图中,θ为温度.图3显示,软件模拟结果与实测结果具有较好的一致性.

图3 外墙外保温内壁面温度的模拟值与实测值对比Fig.3 Internal surface temperature of exterior wall with external insulated in simulation and experiment

围护结构构造λ/(W·m-2·K-1)外墙外保温13厚水泥砂浆抹面/240厚实心粘土砖/30厚XPS保温板/13厚水泥砂浆抹面0.703不保温13厚水泥砂浆抹面/240厚实心粘土砖/13厚水泥砂浆抹面1.854内墙25厚纸面石膏板/100厚空气间层/25厚纸面石膏板1.639楼地30厚木地板/70厚砂浆找平/100厚钢筋混凝土/130厚泡沫塑料0.250窗户3厚玻璃/13厚空气层/3厚玻璃(双层中空,遮阳系数:0.794)1.960门100厚松木门1.16

2 结果分析

2.1 间歇用能与连续用能对结果的影响

图4 外墙外保温在不同空调运行模式下的全年能耗Fig.4 Annual energy consumption of external insulation for exterior wall in different AC operationmethods

外墙外保温在不同空调运行模式下的节能效果如图4所示.图中,EA为全年单位面积能耗.在连续用能模式下,外墙外保温能够降低全年制冷能耗7.31%,降低全年采暖能耗44.58%.外墙外保温的采暖节能率高于制冷节能率,一方面是由于冬季室内外温差大于夏季,更好地发挥了材料的保温效果；另一方面是由于外墙外保温的存在,使得内墙及楼板等内围护结构在白天接收的太阳辐射热得以保存,这有利于冬季保温,却不利于夏季散热.在典型夜间间歇用能工况下,外墙外保温降低了全年采暖能耗的36.71%,却增加0.06%的全年制冷能耗,在夜间间歇制冷工况下会出现反节能现象.

本地区节能设计标准中规定的采暖期天数(90 d)显著多于空调期(78 d),与实际情况相反,这将严重低估外墙外保温反节能现象对其全年节能率的影响.因此,在实际采暖及空调期长度下,外墙外保温的节能效果值得进一步深入探究.

2.2 采暖、空调计算期变化对结果的影响

夏热冬冷地区地理面积广阔,各城市之间采暖及空调期长度存在差异：以采暖期为例,省会城市中天数最长的是南京(75 d),最短的是成都(0 d)[1].但是,本地区节能设计标准中对于采暖及空调计算期仅使用了一个通用值,并未考虑各城市之间的气候差异.以城市为单位划分采暖及空调期更符合各地的实际情况,有利于准确分析外墙外保温的节能效果.

此外,受上世纪八十年代以来出现的全球气候变暖[20]现象的影响,我国各城市的采暖及制冷期也发生了显著改变.史珺等[21]研究了天津地区1961—2010年的气候变化对采暖及制冷度日数的影响,发现天津采暖度日数呈下降趋势,制冷度日数呈上升趋势.本文以杭州市1951—2010年的日值气象数据(数据来源：中国气象数据网[22])为基础,采用五日滑动平均法,得出了不同累计年份下的平均气温及采暖、空调期计算结果,具体如表2所示.表中,tave为平均气温,tmax为极端最高气温,tmin为极端最低气温.其中,采暖期天数按照累年(连续30 a)日平均温度稳定低于或等于5 ℃的总日数确定,制冷期天数按照累年日平均温度稳定大于或等于25℃的总日数确定[1,23-24].

由表2可知,1951年以来杭州市平均气温、极端最高气温及极端最低气温均有不同程度上升,而且气候变暖的趋势从1980年开始有所加剧.累计年份的时段越近,计算出的采暖期天数越少,空调期天数越多.考虑到近2年来冬季气温较往年同期有所下降[23],选用由1971—2000年的数据得出的采暖及空调期相对更为贴近实际情况.从数据匹配性的角度考虑,目前用于建筑能耗模拟计算的常用典型气象年逐时数据多依据1971—2000年的气象数据[25].本文在EnergyPlus模拟软件中使用的气象数据采用的也是一套以中国1971—2003年的气象数据为基础得出的典型气象年数据[17].由杭州市1971—2000年的气象数据得出的采暖及空调期与本地区行业标准[10]相比,采暖期显著缩短(标准90 d、实际36 d),而空调计算期基本不变(标准78 d、实际77 d).

在采用新的采暖、空调计算期(采暖期1月4日至2月8日,空调期6月24日至9月8日)进行全年能耗模拟计算后,外墙外保温节能效果如图5所示.由于外墙外保温的采暖节能率高于制冷,采暖期

表2 杭州市不同累计年份气温情况及相应的采暖/空调计算期

的缩短使得外墙外保温全年节能率明显降低.结合图4、5可知,连续用能模式下,外墙外保温全年节能率由26.05%降至18.07%；间歇用能模式下,全年节能率由18.86%降至11.37%.因此,合理的采暖及空调计算期设定是准确评价外墙外保温节能措施的重要前提.

图5 采暖/空调期变化后不同空调运行模式下外墙外保温的全年能耗Fig.5 Annual energy consumption for exterior wall in different AC operation method after changing heating/cooling period

2.3 不同设定条件下窗墙比对结果的影响

单位面积外窗引起的采暖及空调负荷比外墙要大得多,而且窗户是室内获得直接太阳辐射得热的主要途径.因此,窗墙比对外墙外保温的节能效果也可能产生显著影响.如图6所示为规范设定条件与实际用能条件下窗墙比对外墙外保温节能效果的影响(采暖设定温度为18 ℃,制冷设定温度为26 ℃).图6中,规范设定条件为连续式用能,采暖及空调期采用规范设定值；实际用能条件为间歇式用能,采暖及空调期采用杭州市的推荐值.

图6 窗墙比对外墙外保温节能效果的影响Fig.6 Influence of window to wall ratio (WWR) on energy saving effect of external insulation

在规范设定条件下,外保温没有出现反节能现象.在实际用能条件下,当窗墙比较小时,外保温减少全年冷负荷,当窗墙比较大时,外保温增加全年冷负荷,出现了反节能现象.经拟合后得出,外保温反节能现象的临界窗墙比约为0.3.全年能耗方面：当rww=0时外保温在2种设定条件下节能率相差不大(规范设定条件下为37.51%,实际用能条件下为30.22%)；在rww=0.6时,外保温在规范设定条件下的全年节能率为15.02%,而在实际用能条件下,全年节能率微乎其微,只有3.88%.由于规范设定条件下采暖期过长,掩盖了外保温夏季反节能现象对于全年总能耗的影响,实际外墙外保温对于全年节能效果远低于按规范计算出的理论值.

2.4 不同设定条件下设定温度对结果的影响

由文献[11]可知,外墙外保温的反节能现象存在一个临界设定温度,因此设定温度也可能对外墙外保温全年节能效果产生影响.文献[23]中规定,人员长期逗留区域室内计算温度冬季应为18～24 ℃,夏季应为24～28 ℃;人员短期逗留区域,冬季宜降低1～2 ℃,夏季宜提高1 ～2 ℃.据此,本文将采暖及空调设定温度根据耐受度划分为7个等级进行分析,具体如表3所示.表中,tset-h为采暖设定温度,tset-c为制冷设定温度.采暖设定温度越低,制冷设定温度越高,耐受度等级越高.

表3 采暖及制冷的不同温度设定等级

Tab.3 Different grades of heating and cooling temperaturesetting

耐受度等级tset-h/℃tset-c/℃耐受度等级tset-h/℃tset-c/℃12424518282222561729320267163041927———

图7 温度设定对外墙外保温节能效果的影响Fig.7 Influence of set temperature on energy saving effect of external insulation

如图7所示为规范设定条件与实际用能条件下设定温度对外墙外保温节能效果的影响(rww=0.3).由图7可知,随着温度设定耐受度等级的增加,全年能耗逐渐减小.在规范设定条件与实际用能条件下,外保温对于制冷的反节能现象均存在一个设定温度的临界值.当高于这一设定温度时,外保温增加全年制冷能耗,而当低于这一设定温度,外保温能减少全年制冷能耗.换言之,外保温反节能现象会在高耐受度的温度设定等级下得到放大.

经过拟合后得出,在保温层厚度为30 mm、rww=0.3的情况下,外墙外保温反节能的临界设定温度在规范设定条件下为29.5 ℃,在实际用能条件下为26 ℃.相对规范设定条件,实际用能条件下外保温反节能的临界温度有所降低,外保温更可能发生反节能现象.

5 结 论

(1)在典型连续用能模式下,外墙外保温对于采暖及制冷能耗均能够起到降低作用；在更符合夏热冬冷地区居住建筑用能实际的间歇用能模式下,外墙外保温出现了增加全年制冷能耗的反节能现象.

(2)在采用新的采暖、空调计算期(采暖期1月4日至2月8日,空调期6月24日至9月8日)后,外墙外保温夏季反节能现象对全年能耗的影响更加显著,全年节能率明显减小.

(3)采用间歇用能模式并关联实际采暖及空调期后,计算发现存在外墙外保温制冷反节能临界窗墙比(本文模型中rww≈0.3),当窗墙比高于这一值时,外墙外保温能增加全年制冷能耗.受外保温反节能现象的影响,当窗墙比较大时,外墙外保温全年节能率微乎其微.

(4)在规范设定条件与实际用能条件下,对于外保温的反节能现象,均存在一个制冷设定温度临界值.当制冷温度高于该临界值时,外墙外保温可以增加全年制冷能耗.实际用能条件下的外保温反节能临界温度(26 ℃)低于规范设定条件下的温度值(29.5 ℃).

由此可见,外墙外保温对实际建筑的节能效果与按照规范规定的设计工况计算出的结果存在明显差异,评价外墙外保温的节能效果应以该地区用能实际为前提.随着建筑节能技术的进步,围护结构蓄能技术以及夜间通风技术已有较多的研究成果以及工程应用,本文提出的反节能临界值问题在这些新的节能措施下的变化还有待于深入研究.

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Anti-insulation behavior for exterior wall external insulation on residential buildings in hot summer and cold winter zone

RUAN Fang1, QIAN Xiao-qian1, QIAN Kuang-liang1,YU Ya-chao2,SHI Shui-hua2

(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,Hangzhou310058,China; 2.ZhejiangConstructionIndustryResearchInstitute,BaoyeGroup,Shaoxing312030,China)

The EnergyPlus simulation software was employed to analyze the energy saving effect of exterior wall external insulation in residential building of the hot summer and cold winter zone. Hangzhou was taken for an example to address the problem of the discrepancy between the actual air conditioning (AC) working conditions and design conditions in standards for residential building energy efficiency in this region. Results show that under the standard way of continuous AC operation method, exterior insulation has good energy saving effect; however, under intermittent AC operation method, external insulation can increase the annual cooling load. Based on daily meteorological data from 1971 to 2000, the five days moving average method was adopted to obtain the recommended value of heating and cooling period, which is more accordant with the actual situation of Hangzhou. After using the new heating and cooling period, the influence of anti-insulation behavior for exterior insulation on annual energy consumption is more significant; the annual energy saving rate significantly reduced. Further research shows that for the window to wall ratio (WWR) and cooling set temperature, there are a series of critical value for anti-insulation behavior in summer cooling (0.3 for WWR and 26 ℃ for cooling set temperature). When WWR and cooling set temperature are lower than the critical value, external insulation saves energy; when WWR and cooling set temperature are higher than the critical value, total energy consumption increases.

hot summer and cold winter zone; residential building; exterior wall external building; intermittent energy consuming; heating period; cooling period; anti-insulation behavior

2015-11-29.

“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAJ12B02).

阮方(1990—)，男，博士生，从事建筑节能研究. ORCID： 0000-0002-7626-5529.E-mail: ruanfang@zju.edu.cn 通信联系人：钱晓倩，男.教授.ORCID： 0000-0003-4649-1557. E-mail: qianxql@zju.edu.cn

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.12.014

TU 111

A

1008-973X(2016)12-2343-07