外墙传热系数对公共建筑能耗的影响分析

江向阳

广州市建筑科学研究院有限公司

0 引言

随着人们生活水平的提高，对居住环境要求也越来越高，以冬季采暖为例，人们在冬天所需要的室内温度也需要更加适宜，同时这就加大了建筑所需要的能耗，需要更多的资源来补充人们的生活需要。那么从建筑本身降低建筑能耗、节约地球资源，则是一种极具可行性的策略，同时还能满足人们的生活工作需求。为降低建筑物的空调能耗，我国大力推进外墙保温技术[1]。在建筑中，由于外墙在建筑围护结构中占比例最大，外墙传热造成的热损失在整个建筑热损失中占的比例也较大，通过提高建筑围护结构的保温性能可以较好的降低建筑的能耗[2]。

为降低建筑物的能耗，近年来，我国大力推进建筑外墙保温技术，通过提高建筑围护结构的保温性能可以较好的降低建筑的空调能耗。对于我国夏热冬冷地区公共建筑而言，一方面由于夏热冬冷地区的气候条件决定了该地区以供冷能耗为主导的空调用能特点：另一方面，由于公共建筑使用时间段以白天为主，人员设备密集，建筑物内热源强度较大，造成建筑物热负荷较小，冷负荷较大，如果建筑物外墙保温层过厚，外墙传热系数K过小，有时反而可能会出现外墙过度保温现象。建筑外墙过度保温现象是指当建筑外墙传热系数K低于某个值时，如果进一步增加保温层厚度，降低外墙传热系数K，建筑全年空调能耗反而会随着建筑外墙传热系数K的降低而升高[3-4]。Trnsys软件是研究建筑能耗很实用的软件，本文通过用Trnsys软件模拟沈阳和广州两个地区，不同传热系数的墙体对建筑负荷的影响。

1 背景建筑描述与模拟方法

本建筑为公共建筑，建筑物功能是办公楼，总面积为1600 m2，高9 m。建筑体形系数为0.22，各方向窗墙面积比分别为南向0.29、北向0.16、东向为0.11，西向为0.11。模型外墙采用200 mm厚砌块加两层各140 mm厚石墨聚苯板外保温，石墨聚苯板导热系数λ＝0.035 W/(m·K)，外墙整体外墙传热系数K＝0.1W/(m2·K)，石墨聚苯板采用四边双道企口缝拼接，两层石墨聚苯板错缝铺设，以最大限度地减少热损失。与之比较的墙体为厚度为200 mm的岩棉保温砖墙，传热系数为K＝0.47 W/(m2·K)，耗热量指标为21.8 W/m2。其内热源和透明围护结构均设置为定值。为了方便模拟，在Trnsys软件中，将其简化成一个大空间。

Trnsys的全称为Transient System Simulation Program，即瞬时系统模拟程序。该软件由美国威斯康星大学建筑技术与太阳能利用研究所的研究人员开发，并在欧洲一些研究所的共同努力下逐步完善，目前版本已达到17.0。本软件由一系列的软件包组成主要 有 Simulation Studio、TRNEDIT、TRNOPT 和TRNBuild。Trnsys软件功能强大，涉及的范围较广，可对多种系统的运行状态进行动态仿真，主要有[5]：建筑的能耗模拟，改进方案；热泵系统（土壤源、水源、空气源）；优化暖通系统方案，经济评估；冷辐射吊顶系统，地板采暖系统模拟等。

2 Trnsys和DeST软件计算结果的比较分析

沈阳地区供暖季为11月，12月，1月2月3月。由Trnsys软件和DeST软件计算节能建筑供暖季热负荷，图1为DeST软件计算出的建筑供暖季负荷图，图2为Trnsys软件计算出的建筑供暖季负荷图。

通过Trnsys软件模拟得出的结果是，整个采暖季供暖能耗为24661.6 kW·h，夏季的建筑空调能耗的模拟结果是42392.43 kW·h。通过DeST软件模拟得出的结果是，整个采暖季供暖能耗为24852.34 kW·h，夏季的建筑空调能耗的模拟结果是37063.5 kW·h。

图1 DeST计算供暖季负荷图

图2 Trnsys计算供暖季负荷图

3 沈阳市不同外墙保温的能耗比较

当外墙材料是节能材料时，Trnsys软件模拟的建筑负荷图为图3。当墙体材料是普通保温材料时，Trnsys软件模拟的建筑负荷图为图4。

图3 沈阳地区节能材料负荷图

图4 沈阳地区普通材料负荷图

沈阳地区冬季寒冷而漫长，集中供热从11月1日开始，至次年3月31日止，共计152天，空调供冷时间约为每年6月1日至8月31日，共92天。由图3可以得出，当外墙材料采用节能材料时，最大热负荷值出现在1月19日7时，为35.52 kW，最大冷负荷值出现在7月13日15时为53.07 kW。由图4可以看出，当外墙材料采用普通材料时，最大热负荷值出现在1月4日6时，为60.86 kW，最大冷负荷值出现在8月2日11时，为118.5 kW。由此可以看出，节能墙体材料的建筑最大时负荷比普通墙体材料最大时负荷要低。说明在严寒地区外墙保温提升还具有很重要意义。

4 广州市不同外墙保温的能耗比较

当外墙材料是节能材料时，Trnsys软件模拟的建筑负荷图为图5。当墙体材料是常见保温材料是，Trnsys软件模拟的建筑负荷图为图6。

图5 广州地区节能材料负荷图

图6 广州地区普通材料负荷图

由图5可以得出，当外墙材料采用节能材料时，最大热负荷值出现在1月19日7∶00时，为10.29 kW，最大冷负荷值出现在1月1日2∶00时为23.69 kW。由图6可以看出，当外墙材料采用普通材料时，最大热负荷值出现在10月29日15∶00时，为10.29 kW，最大冷负荷值出现在9月11日16∶00时，为24 kW。由此可以看出，节能墙体材料的建筑最大时负荷比普通墙体材料最大时负荷要低，但是效果不是很明显。说明在夏热冬暖地区外墙保温的节能作用有限。

5 结论

1）在沈阳气候条件下，同一超低能耗建筑使用Trnsys软件计算的建筑全年供暖季供暖能耗和空调能耗的总和为67054.03 kWh，用DeST软件模拟计算的建筑全年供暖季供暖能耗和空调能耗为61915.84kWh，两者偏差为8.3%，在合理的范围之内。

2）在沈阳气象条件下，高保温外墙体使用前后的建筑总能耗分别为117640.52 kWh和64817.03 kWh，分别是高保温外墙体使用前后11月1日至31日的采暖能耗和6月1日至8月31日的空调能耗的总和，节能率为44.9%，说明在严寒地区外墙保温是很重要的节能措施。

3）在广州气象条件下，高保温外墙体使用前后的建筑总能耗分别为63052.52 kWh和52207.16 kWh，为全年空调能耗的总和，节能率为17.2%，说明在夏热冬暖地区外墙保温的节能效果有限。