基于实尺模型的老旧住区综合隔热关键技术与能耗定量关系研究

李 伟，武阳阳

（天津城建大学建筑学院，天津 300384）

自1978年改革开放以来，中国城市化建设的速度不断加快.为了缓解城市住宅短缺的状况，天津市在20世纪八九十年代兴建了大量城市住宅.在1989—1995年间[1]，天津市新建的居住区建筑面积达100多万m2.由于当时的建筑设计标准及技术条件，建成的住宅并未采取绿色节能措施，在住宅区规划和建筑设计方面也存在着一些问题.经过二三十年的使用，这些建筑开始暴露出室内外舒适度不高、室内通风不畅、室内采光不足、围护结构耗能较高等问题.在夏季，围护结构外表面温度较高，较多的热量传入室内，人们为了室内舒适性，逐渐地大量使用空调设备，因此夏季空调的能耗也逐步增大[2].

在通过隔热遮阳等手段来降低夏季制冷能耗研究中，国内外学者大多采用数值计算和软件模拟的方法，得到了不同隔热遮阳措施与能耗的关系.然而，由于不同使用者对软件的使用习惯、参数设置、边界条件设定以及不同软件算法的区别，可能导致模拟结果存在较大差异，从而影响研究结论[3].现阶段，国内外尚缺乏通过实尺实验模型就寒冷地区夏季隔热措施对节能效果的影响进行研究.为此课题组建造了两个边界条件一致的实尺模型，开展夏季隔热措施与能耗定量关系的实验研究，为既有建筑的节能改造提供依据和参考.

1 实验设计

1.1 实尺模型设计

根据对20世纪七八十年代的老旧住区的实地调研和户型图资料分析，本实验的两座实尺模型基于老旧住区顶层西向住户卧室的构造和尺寸建造.课题组在老旧居住建筑保温性能及对能耗影响的定量化研究中，综合考虑室内升温速度、能耗情况及生命周期成本，得出冬季保温层的最佳厚度为120 mm[4].因此，两个实尺模型中：测试模型的围护结构由内到外为石灰砂浆（20 mm）、砖墙（240 mm）、挤塑聚苯乙烯保温板（120 mm）和水泥压力板（5 mm）；参考模型的围护结构由内到外为石灰砂浆（20 mm）、砖墙（240 mm）和水泥压力板（5 mm），模拟老旧住区住宅的石灰砂浆内粉刷（20 mm）、砖墙（240 mm）和涂料等外粉刷.两个实尺模型的尺寸与卧室面积一致，为16 m2左右，高为2.7 m.

由于实验场地的限制，不能制作钢筋混凝土立柱，因而实尺模型以砖墙和防腐木为主要承重结构，防腐木截面为70 mm×70 mm.外部木框架材料也为防腐木，尺寸由外挂水泥压力板决定，市场上常见水泥压力板尺寸为1.22 m×2.44 m，由此确定木框架间距为1.20～1.23 m，南立面和北立面尺寸较小，间距做一定的调整.实尺模型的框架如图1所示.

图1 实尺模型整体框架

框架建造完毕后，在外部挂上水泥压力板，整体构造见图2.屋顶处构造为20 mm厚挤塑聚苯乙烯保温板加水泥压力板，可充当老旧住区的屋顶结构[4].

在两座实尺模型内部增加了240 mm厚的砖墙，砖墙内表面粉刷水泥砂浆，如图3所示.考虑到老住区顶层西侧卧室在实际情况下任意户型的围护结构有两面为室内隔墙，因此在两座实尺模型东、北向的砖墙和水泥压力板之间，增加220 mm厚的挤塑聚苯乙烯保温板作为隔墙，地面增加了250 mm厚的挤塑聚苯乙烯保温板作为房间的楼板层地面，以减少和外界的热量交换.经过冬季实验的测试验证，增加了220 mm厚的挤塑聚苯乙烯保温层后，东、北向墙面的传热较南墙低，可以充当室内隔墙[4].

图2 实尺模型构造

图3 实尺模型内部

1.2 实验方案设计

本实验使用的仪器主要包括室内温湿度记录仪（美国HOBO temp/RH logger）和壁面温度测试仪（日本HIOKI Temperature Logger LR5021）.其中，室内温湿度记录仪分别放置于两实尺模型中央柱子地面中央位置、距地面1.5 m左右和室内屋顶中央处；壁面温度测试仪根据不同工况放置于不同位置，用来检测壁面温度变化情况.这两种仪器运行模式均为5 min记录一次平均值，连续记录24 h，这种记录模式可以更好分析一个周期（24 h）内室内温度的变化规律.

JGJ/T129—2012《既有居住建筑节能改造技术章程》[5]规定：严寒和寒冷地区，在进行外墙节能改造时，应优先选用外保温技术，并应与建筑的立面改造相结合；胡琪曼[6]研究得出：“在空调工况下，保温屋顶的隔热节能效果较好，其次为绿化屋顶，最后为架空屋顶”；张连飞[7]分析“若水平板紧贴窗口上沿，则全年节约空调能耗有限；若水平板距窗顶距离越大，同时满足充分遮阳，则全年节约能耗可达20%左右”；墙体垂直绿化对改造房的热环境有明显的改善作用，且室外太阳辐射越强烈，改善效益越好[8].因此，本次夏季隔热实验中实尺模型的改造措施选取墙体外保温、屋顶外保温、水平外遮阳和垂直绿化的隔热遮阳措施.

本次隔热实验中，将两座实尺模型分为测试模型与参考模型，实验方案分4组工况.为了便于比较，且相对减少其他因素影响，每组工况的测量周期起点均定于晚上或早上阳光还未照射到实尺模型时.在楼板层地面、东墙、北墙条件不变的情况下，对比测试模型和参考模型的室内温度变化情况及用电量，即可得出4种不同工况下测试模型相对于参考模型的温度变化规律和用电量的节约程度.为了减小墙体蓄热和室内气温差异导致的误差，在每组工况开始测试前，通过开启门窗进行通风，使得测试模型与参考模型的室内初始气温和壁面温度基本相同，空调初始设置温度、功率保持一致.根据《国务院办公厅关于严格执行公共建筑空调温度控制标准的通知》[9]和人体舒适性，将最终制冷温度设定为26℃，试验期间除读数以外禁止人员进出，以减少实验误差.

2 实验过程

实验过程中，改变测试模型的实验条件，而参考模型保持原状，不采取任何隔热遮阳措施.按照实验条件设定，在实验开始时，依据夏季空调的使用习惯，将两座实尺模型内空调温度设置为低于26℃的值，使室内温度迅速降至26℃以下；再调节温度为26℃，使室内温度保持在26℃左右（±1℃）.空调在室内温度升至一定温度后自动启动，降到设定温度后自动停止，如此循环往复.通过对比实验来观察隔热遮阳措施对室内温度和空调能耗的影响.各工况下两模型采取的措施情况见表1.

表1 各工况两模型采取措施情况对比

2.1 工况一时两实尺模型温度变化情况

在工况一时，测试模型和参考模型室内温度的变化情况如图4所示.

图4 工况一时模型温度变化曲线

图4可看出：相对于参考模型，测试模型降温至26℃的速度比参考模型快70%左右，且在保持26℃时温度波动幅度更小.

2.2 工况二时两实尺模型温度变化情况

工况二时在测试模型屋顶增加120 mm厚挤塑聚苯乙烯保温板，并在保温板上覆盖水泥压力板.测试模型与参考模型如图5所示，在此工况下测试模型和参考模型室内温度的变化情况如图6所示.

由图6可看出：测试模型降温至26℃的速度比参考模型快50%左右，且在维持26℃时波动范围更小，空调启动次数更少.

2.3 工况三时两实尺模型温度变化情况

图5 工况二时的测试模型和参考模型

图6 工况二时模型温度变化曲线

工况三的垂直绿化植物选择了天津地区常见的绿萝，其具有耐干旱、生长繁殖能力强的特性.根据植物特性选择了悬挂式种植方式，绿萝悬挂于离墙20 cm远的不锈钢钢架上.垂直绿化面积占墙体面积的85%左右.增加了垂直绿化后的测试模型见图7，在此工况下测试模型和参考模型室内温度的变化见图8.

图7 增加垂直绿化后的测试模型

图8 工况三时模型温度变化曲线

由图8可知：测试模型降至26℃的速度比参考模型快60%左右，且在降至26℃后温度波动范围更小.

2.4 工况四时两实尺模型温度变化情况

工况四时测试模型的遮阳板由等间距格栅组成，片状格栅角度可调节，根据太阳高度角来调节格栅的角度，从而达到最好的遮阳效果；与此同时，格栅间隙可让热空气顺利地通过遮阳板，避免热空气在窗口聚集.遮阳板构造和增加遮阳板后的测试模型分别见图9-10.此工况下两模型室内温度变化情况见图11.

图9 遮阳板构造

图10 增加遮阳板后的测试模型

由图11可看出：测试模型降温至26℃时的速度比参考模型的快50%左右，空调启动频率更低.

2.5 各工况时两实尺模型温度和能耗情况

实验中各工况的日期及室内外温度情况见表2，其能耗情况见表3和图12.从表2可知，采取综合隔热遮阳措施后测试模型的降温速度均比参考模型的快；从表3和图12可看出，屋顶外保温和垂直绿化均可以在墙体保温的基础上进一步节约电能，提高节能率，而外遮阳对节能效果的影响并不明显.

图11 工况四时模型温度变化曲线

对比不同工况模型的温度变化和能耗情况来看，在有墙体外保温的情况下，屋顶外保温和垂直绿化的节能效果优于窗口外遮阳.

表2 各工况测试模型和参考模型温度情况

表3 各工况下能耗统计

图12 各工况下测试模型相对于参考模型的节能率

3 结论

综合各工况下的实验数据分析，可得出以下结论.

（1）增加墙体保温层、屋顶保温层的综合改造措施，可以有效提高老旧住区的夏季制冷节能率；而在增加保温层和垂直绿化的基础上增加外遮阳板，对提高制冷节能效果并不明显.

（2）增加保温层、垂直绿化和外遮阳等隔热遮阳措施，可以明显提高开启空调后室内的降温速度，且在维持26℃时室内温度的波动幅度较小.

（3）在天津市的老旧住区改造过程中，综合考虑节能效果和经济成本，可采取墙体外保温和屋顶外保温的综合改造措施，在有条件的老旧住区可增加墙体垂直绿化，从而进一步提高夏季制冷的节能率.