寒冷地区装配式建筑外围护结构节能设计研究

2018-03-09邸芃巨斌

新型建筑材料 2018年1期

邸芃，巨斌

（西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西西安 710054）

0 引言

结合各国经验和国内当前的建筑能耗水平，可以预计到2020年，我国建筑能耗所占能源消耗总量的比例将达到35%左右，超越交通、农业、工业等其他行业成为第一耗能产业[1]。由此可见，建筑节能无疑是节约能源最有效的方法之一。装配式建筑是实现建筑节能的有效途径。装配式建筑以施工周期短、现场湿作业少、不受季节限制以及资源循环利用率高的优势，越来越受到人们的青睐。同时，装配式建筑建造过程中节能、节地、节水、节材、保护环境，能够满足建筑业可持续发展的战略需求。未来装配式建筑将占到新建建筑的比例达到30%。当然也必须注重装配式建筑在使用过程中的节能减排。我国地域辽阔，从北到南气候变化较大，共有5个热工分区，寒冷地区建筑能耗体现在冬季保温和夏季防热上，因此研究这一地区的装配式建筑节能设计意义重大。

1 装配式建筑的概念及节能设计标准

装配式建筑施工质量高、节省劳动力、建造速度快，受气候条件制约小。装配式建筑所用构件在工厂内工业化生产，如外墙板、内墙板等。现场进行大量的装配作业，现浇作业大大减少。用建筑、装修一体化设计、施工，理想状态是装修可随主体施工同步进行。构件的标准化设计和建造时的信息化管理，极大地提高了装配式建筑的生产效率，使装配式建筑能够高效快速地建造。本文主要研究装配式住宅外围护结构对建筑采暖、制冷负荷的影响，探讨模型建筑能否达到绿色建筑的标准。

对于围护结构的要求，绿色建筑评价标准规定：围护结构热工性能指标优于国家现行有关建筑节能设计标准的规定，并按相应的规则评分。

2 装配式建筑采暖和制冷负荷的影响因素

影响装配式住宅运行负荷的诸多因素大体可以分为外因和内因两大类。其中外因是指影响住宅室内热环境的各种扰量，包括住宅所在地域的室外空气温度、湿度、太阳辐射强度等外扰和住宅内人员活动和设备运行所产生的热和湿等内扰。外因对住宅室内环境负荷所造成的影响因人因地而异，因此在一般性的住宅能耗计算过程中不予考虑，内因主要指住宅建筑本身，包括建筑朝向、体型系数、外围护结构构造形式和保温隔热性能、窗墙比等建筑节能设计参数。其中外墙、屋面、外窗的保温隔热性能和不同朝向窗墙比的设计对建筑运行负荷的影响最大，因此作为本文的研究重点。

2.1 外墙保温层厚度对装配式建筑采暖和制冷负荷的影响

建筑围护结构保温隔热技术在建筑节能中非常重要。以1栋采暖居住建筑为例，围护结构热损失占77%，其中外墙25%、外窗24%、楼梯间11%、屋面9%、阳台3%、户门3%、地面2%、门窗空气渗透23%[2]。因此，降低外围护结构的传热系数，减小外围护结构冷热损失，从而降低采暖空调系统负荷，是实现建筑节能的有效途径。目前，国内可作为装配式外墙板使用的主要墙板种类有：承重混凝土岩棉复合外墙板、薄壁混凝土岩棉复合外墙板、混凝土聚苯乙烯复合外墙板、混凝土膨胀珍珠岩复合外墙板、钢丝网水泥保温夹芯板、SP预应力空心板、加气混凝土外墙板及真空挤压成型纤维水泥板（简称ECP板）[3]。本文取混凝土聚苯乙烯复合外墙板为研究对象，对于复合外墙板来说，保温层的厚度是其传热系数最主要的影响因素。预制混凝土夹芯外墙板，分为结构层、保温层和保护层，其中结构层厚度为200 mm，保温层厚度为30～100 mm，外叶厚度为60 mm。现以XPS夹芯保温墙板为例，分析保温层厚度对外墙传热系数和采暖、制冷负荷的影响。

XPS板保温墙体结构构造（从室外到室内）为：15 mm厚外抹灰混合砂浆、60 mm厚外叶墙板、一定厚度XPS挤塑保温板、200 mm厚内叶墙板、20 mm厚内抹白灰砂浆，改变XPS聚苯板保温层厚度，根据墙体传热系数计算公式得出外墙构造形式参数见表1。

为了便于进行外墙在不同传热系数下采暖制冷耗负荷的模拟计算，选择长15 m，宽4.8 m，高3 m的长方体作为研究用基础模型[4]。采用清华大学设计研发的能耗模拟软件DeST-h，以西安地区为例，模拟计算出该模型在不同传热系数下的建筑全年累计冷热负荷，结果见图1。

表1 不同传热系数下的外墙构造形式参数

由图1可知，采暖和制冷总负荷随着墙体中保温层厚度的增加而降低，降低幅度明显。采暖负荷、制冷负荷与采暖和制冷总负荷变化趋势相同，其中采暖负荷降低幅度明显，制冷负荷降低幅度不明显。由此可以得出，通过改变保温层厚度降低采暖负荷效果显著；在厚度大于70 mm时，其下降趋势趋于平缓，说明此时通过改变保温层厚度降低采暖负荷效果并不明显。采暖制冷总负荷和采暖负荷与保温层厚度的关系类似。综上所述，外墙最佳保温层厚度为70 mm，对应的外墙传热系数为0.360 W/（m2·K）。

对不同保温层厚度下建筑采暖、制冷及采暖制冷总负荷进行量化统计分析，以更加准确地描述外墙保温层厚度与采暖制冷负荷之间的关系，如表2所示。

从表2可以看出，保温层厚度从30 mm增加到40 mm，传热系数由0.713 W/（m2·K）降至0.572 W/（m2·K），单位面积负荷减小了4.27 kW·h/（m2·a），外墙保温层厚度增加10 mm，单位面积负荷递减百分比为3.0%。保温层厚度从40 mm增加到70 mm时，传热系数由0.572 W/（m2·K）下降到0.360 W/（m2·K），单位面积负荷减小了6.63 kW·h/（m2·a），外墙保温厚度每增加10 mm，单位面积能耗递减百分比大于1%，说明通过增加保温层厚度降低外墙传热系数的做法在一定程度上可以减小全年的单位面积负荷，保温层厚度从70 mm增加到100 mm时，即传热系数由0.360 W/（m2·K）下降到0.262 W/（m2·K），单位面积负荷减少了3.11 kW·h/（m2·a），外墙保温厚度每增加10 mm，单位面积能耗递减百分比小于1%，说明通过增加保温层厚度降低外墙传热系数的做法对全年的单位面积负荷减少效果不明显。综上所述，西安地区装配式建筑中住宅的外墙XPS保温层厚度取70 mm为宜，外墙传热系数以0.360 W/（m2·K）为宜，

2.2 屋面保温层厚度对建筑采暖和制冷负荷的影响

参照西安某住宅建筑屋面构造做法，屋面板为叠合板（在预制板60 mm上做100 mm的现浇层），利用上述研究方法计算得到该屋面XPS保温层厚度取60 mm为宜，屋面传热系数以0.417 W/（m2·K）为宜。

2.3 外窗类型及窗墙比对建筑采暖和制冷负荷的影响

2.3.1 基础模型外窗类型选择

寒冷地区装配式建筑研究过程中普通节能建筑常用的外窗类型可以满足要求，西安地区住宅建筑的外窗在考虑到透光率、遮阳系数、传热系数、经济成本等影响因素下，在一般的集合住宅中，采用断桥塑钢中空玻璃或者在窗墙比较小的外窗采用断桥塑钢普通双玻。目前，西安市场可以选用的节能窗户的热工性能：单层玻璃塑钢窗、单框双层塑钢窗、中空玻璃塑钢窗的传热系数[5]分别为4.7、2.7、2.6 W/（m2·K）。

2.3.2 南向外窗窗墙比

对不同塑钢窗户在南向外窗不同窗墙比条件下建筑采暖与制冷总负荷用DeST-h能耗模拟软件进行模拟分析，结果见图2。

图2 采暖与制冷总负荷与南向外窗窗墙比的关系

由图2表明，3种不同形式的外窗随着南向窗墙比的增大，全年建筑总负荷均增大。其中中空玻璃塑钢窗和单框双层塑钢窗的负荷量明显小于单层玻璃塑钢窗，且涨幅较为缓慢，因此，南向外窗优先选用中空玻璃塑钢窗和单框双层塑钢窗，当窗墙比＜0.6时，优先选用中空玻璃塑钢窗，当窗墙比＞0.6时，优先选用单框双层塑钢窗。

综上所述，寒冷地区装配式建筑住宅南向外窗类型为中空玻璃塑钢窗和单框双层塑钢窗，应该在满足日照、天然采光和自然通风中对各使用房间限值的基础上尽可能降低窗墙比设置。

2.3.3 北向外窗窗墙比

对不同塑钢窗户在北向外窗不同窗墙比条件下建筑采暖与制冷总负荷用DeST-h能耗模拟软件进行模拟分析，结果见图3。

由图3可知，3种不同形式的外窗随着北向窗墙比的增大，全年建筑总负荷均增大。其中中空玻璃塑钢窗和单框双层塑钢窗的负荷量明显小于单层玻璃塑钢窗。因此，单框双层塑钢窗和中空玻璃塑钢窗最适宜用于北向外窗，其中单框双层塑钢窗适用于北向窗墙比＜0.5的情况，中空玻璃塑钢窗适用于北向窗墙比＞0.5的情形。

图3 采暖与制冷总负荷与北向外窗窗墙比的关系

综上所述，寒冷地区装配式建筑建筑（住宅）北向外窗类型为中空玻璃塑钢窗和单框双层塑钢窗，应该在满足日照、天然采光和自然通风中对各使用房间限值的基础上尽可能降低窗墙比设置。

2.3.4 东西向外窗窗墙比

对不同塑钢窗户在东西向外窗不同窗墙比条件下建筑采暖与制冷总负荷用DeST-h能耗模拟软件进行模拟分析，结果见图4。

图4 采暖与制冷总负荷与东、西向外窗窗墙比的关系

由图4可知，3种不同形式的外窗随着东西向窗墙比的增大，全年建筑总负荷均增大。其中，中空玻璃塑钢窗和单框双层塑钢窗的负荷量明显少于单层玻璃塑钢窗。因此，对于这3种形式的外窗，单框双层塑钢窗和中空玻璃塑钢窗最适宜用于东西向，其中单框双层塑钢窗适用于东西向窗墙比＜0.4的情形，中空玻璃塑钢窗适用于东西向窗墙比＞0.4的情形。

综上所述，寒冷地区装配式建筑建筑（住宅）东西向外窗类型宜选用中空玻璃塑钢窗和单框双层塑钢窗，应该在满足日照、天然采光和自然通风中对各使用房间限值的基础上尽可能降低窗墙比设置。

3 装配式建筑模型优化方案设计

3.1 住宅模型的建立

以西安市某装配式住宅为例，该住宅地上6层，采用装配式的建造方式进行建造。本文以其中一户为例，建立住宅模型对其进行能耗模拟分析。住宅平面如图5所示。

图5 某装配式住宅模型

3.2 优化方案模拟分析

利用DeST-h对模型建筑进行能耗模拟分析，房间类型选择普通房间，房间功能按户型图设置有主卧室、次卧室、阳台、卫生间、厨房。内部热扰选择系统默认值，调整灯光最大功率为5 W，房间通风选择“通风范围定义”，房间与外界最小通风次数在冬季及夏季空调开启时设定换气次数为0.5次/h，在夏季空调未开启时设定为2次/h；房间与外界最大通风次数为5次/h；建筑空调面积优化和统计值为91.22 m2，住宅负荷计算结果见表3。