基于DeST的建筑围护结构综合传热性能研究

2021-01-29安徽建筑大学环境与能源工程学院安徽合肥230601

安徽建筑 2021年1期

（安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽合肥 230601）

1 引言

目前全国建筑能耗总量每年以5%递增，建筑节能问题不容忽视。其中，通过围护结构的传热损失约占建筑总能耗损失70%～80%，所以对围护结构传热系数的优化成为建筑节能的一项重要措施。但是目前大多数研究都是针对保温层厚度，Al-Khawaja使用寿命周期费用法对卡塔尔首都区域的墙体进行研究分析，确定了最佳保温层厚度。Mahlia等使用现值法对马尔代夫商业建筑进行分析，得出了不同材料的最佳保温层厚度。Al-Sanea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。

部分研究是针对围护结构各组成部分的优化组合。王厚华等通过正交试验设计模拟实验组合方案，获得围护结构各部件的优化组合方案，即屋面、外窗、外墙传热系数分别取 1.0W/（m·K），2.0W/（m·K），0.74W/（m·K），夏热冬冷地区7个典型城市的全年节能率为34.0%～42.8%。黄建恩等提出围护结构等效传热系数限值，综合考虑窗户的朝向、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。房涛等研究了不透明围护结构的保温层厚度、外窗传热系数以及窗墙比对住宅采暖、制冷能耗的影响，并通过模拟确定了寒冷地区被动房住宅围护结构节能设计关键参数值：外墙传热系数为0.14 W/（m·K），屋面传热系数0.145W/（m·K）；透明围护结构传热系数南、北向均为0.78 W/（m·K），东、西向均为1.0W/（m·K）。张欢等针对办公建筑，利用eQUEST能耗模拟软件，分析了改变外墙、屋面的保温层厚度以及外窗玻璃类型这些节能方案对空调系统能耗的影响及其经济效益。

尽管已经有不少学者对围护结构的综合性能进行了大量的研究工作，但大多数研究者在研究过程中把外墙、屋面、外窗割裂开，没有考虑围护结构的综合传热，使研究成果的应用受到一定程度的影响。在建筑工程设计时，不同围护结构有不同的材质，更需要考虑综合传热系数对建筑能耗的影响。本文选择了某一高层住宅建筑为基础模型，参照《安徽省居住建筑节能设计标准》，在围护结构设计规定的基础上，建立围护结构热工性能参数优化模型，并得出围护结构综合传热系数与建筑耗能量的关系式。

2 模拟条件与建筑模型

以某栋住宅楼为建筑模型，建筑高度78.05m，建筑面积地上11217m。地理位置为北纬31.75，东经 116.49，采暖、空调设备为家用空调器，模型如图1所示。

图1 基础建筑模型图和平面图

3 围护结构传热系数对建筑耗能量的影响

夏热冬冷地区大多夏季闷热，冬季湿冷，需要采取一定的措施才能保证室内环境舒适度。其中主要措施是改善围护结构保温隔热的性能。

3.1 屋面

屋面是建筑物顶部与外部环境直接接触的部位。目前，屋面节能主要是通过两种节能技术措施：弱化屋面的太阳辐射吸收性能和在屋面结构中设置保温层。

图2 屋面构造

图3 不同传热系数的屋面

图4 不同保温层厚度屋面的耗能量

本次屋面模拟采用的保温材料为挤塑聚苯板（XPS板）（图2），控制屋面其他材料参数不变，改变挤塑聚苯板的厚度，构建几种传热系数不同的屋面（图3），分析不同传热系数的屋面对住宅建筑全年耗能量的影响，模拟结果如图4所示。

从图中可以看出，随着屋面保温层厚度的逐渐增加，屋面传热系数不断减小，建筑制冷耗能量变化幅度较小，采暖耗能量逐渐减少。从全年总耗能量的分布曲线可以看到，屋面保温层厚度增加到220mm之后，全年总耗能量基本不变，由此可判定该住宅建筑屋面的最佳保温层厚度为220mm，与之对应的最佳传热系数为0.143W/（mK）。

3.2 外墙

墙体的传热损失约占围护结构的25%，为了实现外墙节能这一目的，主要措施是提高墙体的保温、隔热性能。

图5 外墙结构

图6 不同传热系数的墙体

图7 不同保温层厚度墙体的耗能量

外墙采用的保温材料为聚苯乙烯泡沫塑料板（EPS板），外墙构造如图5所示，保持其他材料不变，改变EPS板厚度，构建几种传热系数不同的外墙（图6），利用DeST-h软件分析不同传热系数的外墙对住宅建筑全年耗能量的影响，模拟结果如图7所示。

从图中可以看出，随着外墙保温层厚度不断增加，外墙传热系数逐渐减小，建筑制冷耗能量变化幅度较小，表明外墙保温层厚度的增减对制冷耗能量影响较小，而采暖耗能量不断减少，同时从全年总耗能量的分布曲线可以看出，在保温层厚度从40mm增加到180mm过程中全年总耗能量明显降低，但当保温层厚度达到340mm之后全年耗能量的分布曲线保持稳定。由此可以判断该住宅建筑的外墙最佳保温层厚度为340mm，对应的外墙最佳传热系数取0.132W/（m·K）。

3.3 外窗

外窗是围护结构保温隔热薄弱的部位，外窗得热量占围护结构总得热量23%～27%。为了解不同传热系数的外窗对建筑耗能量的影响，以双层中空Low-E玻璃外窗为例进行模拟对比。在模拟过程中，控制其他参数不变，改变外窗传热系数，构造几种传热系数不同的外窗，并利用DeST-h模拟不同传热系数的外窗对建筑耗能量的影响，模拟结果如图8所示。

由图8可以看到：当外窗传热系数由 6.0W/（m·K）减小到 1.5W/（m·K）时，建筑全年总耗能量随着外窗传热系数的减小而减少，制冷耗能量变化幅度较小，采暖耗能量呈线性减少，判断外窗最佳传热系数为1.5W/（m·K）。其中，随着外窗传热系数的降低，制冷耗能量反而增加，这是由于在夏季室外温度较高时，外窗传热系数的降低虽有利于隔绝室外的热量向室内传递，但在夏季夜间或过渡季，室外温度相对室内温度较低时，双层窗反而不利于室内向外散热，因此制冷耗能量随着外窗传热系数的减小反而增加。

图8 外窗传热系数对建筑耗能量的影响

4 围护结构综合传热系数的研究

建筑围护结构是由外墙、屋面、外窗等多部件组合而成的综合体。围护结构传热系数的现场检测方法主要包括热流计法、热箱法、红外热像仪法。然而，这3种方法测试的仅是单一部件的传热系数，难以反映围护结构的综合热工性能，所以引入围护结构综合传热系数Km的概念并进行研究。

围护结构对建筑采暖指标以及空调制冷指标的影响可用传热系数来描述，围护结构空调耗冷量Q和采暖耗热量Q由下式计算：

式中：Q，Q，Q：分别为外墙，屋面，外窗的传热量，W；k：传热系数，W/（m·K）；f：围护结构面积，m；t为空调室外温度，27℃；t：空调、采暖室内设计温度，℃；t：采暖室外计算温度，3.5℃；下标 i：各个朝向；x：朝向修正率，北：5%，南：-20%，东、西：-5% ；T为六安地区全年室内外的平均温差，8.3℃，F为围护结构总面积，m；Q：全年总耗能量，kW·h，τ：空调季运行时间，h；τ：采暖季运行时间，h。

5 综合传热系数与建筑总耗能量的关系

将屋面、外墙、外窗的传热系数分别带入公式（1）（2）（3）中，计算得到围护结构采暖耗热量Q、空调耗冷量Q与综合传热系数K，并通过DeST-h模拟得到建筑全年总耗能量Q图9显示40多例的Km随全年总耗能量的变化关系，并且趋势一致接近重合，拟合公式为：

式中：R为相关指数，表示回归方程拟合度的高低，R越接近于1表示拟合效果越好。

图9 综合传热系数与建筑耗能量的关系

由图9可以看出，同一地区不同围护结构的综合传热系数越小，其保温隔热水平越好，建筑的全年总耗能量越低，因此建筑围护结构综合传热系数可以比较直观地反映围护结构的总体的保温隔热水平。根据《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中的围护结构传热系数限值代入拟合公式中，可得该地区住宅建筑围护结构综合传热系数限值1.77W/（m·K），利用围护结构最佳传热系数，得出该住宅建筑围护结构最佳综合传热系数0.66W/（m·K）。