嚴(yán)寒地區(qū)學(xué)生公寓圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗測(cè)試分析

秦 力，樊曉玲，2，李國(guó)強(qiáng)

(1.東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.國(guó)網(wǎng)邳州市供電公司，江蘇 邳州 221300)

我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)冬季采暖期長(zhǎng)達(dá)半年，建筑能耗主要以冬季采暖為主，耗能較大，并且居住建筑的能耗及環(huán)境問(wèn)題已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[1].建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)是建筑的內(nèi)、外部之間進(jìn)行物質(zhì)、能量交換的重要媒介，也是嚴(yán)寒地區(qū)建筑能耗損失的主要途徑，保溫性能較好的建筑只需很少量的供暖就可以達(dá)到較高的舒適度[2].因此，建筑節(jié)能的當(dāng)務(wù)之急是改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，以達(dá)到降低建筑能耗、節(jié)約建筑能源的目的.

國(guó)內(nèi)外的很多學(xué)者一直致力于建筑節(jié)能降耗的工作中.意大利學(xué)者Ilaria Ballarini、Luca Evangelisti、Francesca Stazi等通過(guò)實(shí)測(cè)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的特性(傳熱系數(shù)、熱工缺陷等)，結(jié)合能耗模擬軟件找出最佳的節(jié)能方案[3～5]；約旦學(xué)者K.Hassouneh通過(guò)能耗模擬軟件得出該地區(qū)的建筑在不同方向最佳的窗戶類型及其尺寸[6]；西班牙學(xué)者Juli a Coma提出一種新型的被動(dòng)節(jié)能方式——綠色屋頂?shù)臒嵝阅芎涂沙掷m(xù)性[7]；周振、李玲、夏博等對(duì)建筑室內(nèi)外溫濕度、房間氣密性以及集熱效率等方面進(jìn)行測(cè)試，評(píng)估建筑的節(jié)能效果并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施[8～10].然而，目前嚴(yán)寒地區(qū)學(xué)生公寓圍護(hù)結(jié)構(gòu)采暖能耗測(cè)試方面的實(shí)踐還相對(duì)較少，學(xué)生公寓建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱消耗的主要影響因素以及建筑節(jié)能改造方向的研究還處于探索階段，進(jìn)展相對(duì)緩慢.

學(xué)生公寓的建筑形式、使用功能、人流密度與用能情況等均與普通住宅存在較大區(qū)別，如果直接將普通住宅建筑的節(jié)能方法用在學(xué)生公寓上，必然不能達(dá)到最佳的節(jié)能效果.帶著以上問(wèn)題，我們2015年12月～2016年1月基于圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)、室內(nèi)熱環(huán)境和建筑能耗等方面，選擇東北電力大學(xué)研二公寓有代表性的16個(gè)房間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，力求找到嚴(yán)寒地區(qū)學(xué)生公寓圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱消耗的主要影響因素，進(jìn)而得出一套是適用于該地區(qū)學(xué)生公寓圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì)策略.

1 建筑介紹

文中建筑對(duì)象為吉林市東北電力大學(xué)研二公寓，始建于1998年，于2013年進(jìn)行了外墻體外保溫初步改造，屬于典型的學(xué)生公寓建筑.為內(nèi)廊式布局的6層磚混結(jié)構(gòu)，建筑面積為6 994.57 m2，全長(zhǎng)69.14 m，寬15.74 m，總高21.75 m，體形系數(shù)為0.2.公寓除一樓及兩側(cè)靠山墻房間外，均外設(shè)凸陽(yáng)臺(tái)，供暖方式為地板輻射式供暖，采用鋁合金門窗.該建筑平面示意圖，如圖1所示.

圖1 研二公寓平面示意圖

吉林市處于嚴(yán)寒氣候熱工分區(qū)(Ⅰ-B)，冬季寒冷，夏季涼爽，按照吉林省工程建設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn)《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(節(jié)能75%)》(DB22/T—2012)，吉林市計(jì)算采暖天數(shù)為168d，對(duì)應(yīng)室外平均溫度為- 7.9 ℃，采暖度日數(shù)5 007 ℃·d.

2 實(shí)驗(yàn)介紹

建筑節(jié)能現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的主要目的：一是檢驗(yàn)建筑物是否達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的節(jié)能指標(biāo)；二是找出問(wèn)題總結(jié)經(jīng)驗(yàn)[11].

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

選取研二公寓底層、標(biāo)準(zhǔn)層、頂層相同位置的16個(gè)房間(充分考慮了不同樓層、朝向和位置)為代表性房間，進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)、室內(nèi)熱環(huán)境以及單位面積建筑耗熱量的測(cè)試.測(cè)試時(shí)間為2015年12月26日～2016年1月12日.

2.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的整理與分析，得到該建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及其熱工性能對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境與建筑耗熱量的影響；分析嚴(yán)寒地區(qū)既有學(xué)生公寓的能耗現(xiàn)狀及能耗特征，找出節(jié)能改造的重點(diǎn)部位，期望總結(jié)出圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造的潛力及改造方向.

2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能測(cè)試

圍護(hù)體系的耗熱損失，是冬季建筑采暖能耗損失的主要原因.對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，有利于合理分析嚴(yán)寒地區(qū)既有學(xué)生公寓圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫現(xiàn)狀，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造的實(shí)施更有針對(duì)性.2015年12月26日～2016年1月2日，對(duì)公寓一樓北側(cè)109室的外墻體進(jìn)行了為期8天的測(cè)試，外墻體傳熱系數(shù)測(cè)試裝置圖，如圖2所示.2016年1月3日～2016年1月12日，對(duì)公寓頂層?xùn)|北角629室的屋面進(jìn)行了為期10天的測(cè)試，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)測(cè)試裝置圖，如圖3所示.測(cè)試內(nèi)容包括外墻體與屋面內(nèi)外表面的熱流密度、溫度以及室內(nèi)外空氣溫度[12]，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)測(cè)試裝置圖，如圖3所示.

圖2 外墻體傳熱系數(shù)測(cè)試裝置圖

圖3 屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)測(cè)試裝置圖

將HF-1型溫度傳感器安裝在受檢圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)表面；HF-1型多點(diǎn)熱流計(jì)安裝在受檢圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面；用 QTS-8型溫度熱流記錄儀記錄所采集的數(shù)據(jù).本次實(shí)驗(yàn)在受檢部位各布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，儀器每15 min自動(dòng)采集一次數(shù)據(jù)，共取得數(shù)據(jù)約3 500個(gè).

2.3.2 冬季室內(nèi)熱環(huán)境測(cè)試

采暖期室內(nèi)溫度狀況可以反映建筑的室內(nèi)熱環(huán)境以及熱穩(wěn)定性.2015年12月26日～2016年1月12日，對(duì)研二公寓16個(gè)典型房間進(jìn)行連續(xù)18天的室內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)，并記錄室外溫度變化情況.

測(cè)試過(guò)程從以下兩方面進(jìn)行：①測(cè)試1層、標(biāo)準(zhǔn)層(5樓)和頂層(6樓)的溫度差異并找出原因，通過(guò)設(shè)計(jì)解決不舒適的熱環(huán)境問(wèn)題[13]；②根據(jù)不同方向房間室溫的對(duì)比，找出規(guī)律，提出學(xué)生公寓在朝向、選址、布置等方面盡可能合理的方案.

RHLOG型溫度自記儀，如圖4所示.和SH612型智能數(shù)字測(cè)溫儀放在室內(nèi)活動(dòng)區(qū)域，探頭距地面0.8 m，每15 min自動(dòng)采集一次數(shù)據(jù)，共取得數(shù)據(jù)約28 000個(gè).

圖4 溫度自記儀

2.3.3 建筑采暖能耗測(cè)試

單位建筑面積耗熱量指標(biāo)可以反映建筑的實(shí)際能耗情況.2015年12月26日～2016年1月12日，對(duì)公寓標(biāo)準(zhǔn)層北側(cè)511室和東北角527室進(jìn)行了連續(xù)14天的采暖能耗測(cè)試，建筑采暖能耗測(cè)試裝置圖，如圖5所示.

圖5 建筑采暖能耗測(cè)試裝置圖

將TS-2型超聲波外夾式流量傳感器、外夾式PT100溫度傳感器安裝在測(cè)試房間的進(jìn)回水熱力管的適當(dāng)位置，采集的瞬時(shí)流量、凈累積流量、瞬時(shí)流速、瞬時(shí)熱量、總熱量以及供回水溫度等詳細(xì)數(shù)據(jù)記錄到Y(jié)JF-KY-CSB-1000型超聲波熱量表中.根據(jù)實(shí)測(cè)的供熱量計(jì)算單位建筑面積采暖耗熱量.

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)

(1)外墻體、屋面的溫度與熱流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)整理后的結(jié)果，如表1所示.

表1 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

(2)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)測(cè)試值與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值比較結(jié)果，見(jiàn)表2所示.

表2 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)測(cè)試值與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值比較

由表2可得，研二公寓圍護(hù)結(jié)構(gòu)各主體部位的傳熱系數(shù)已超過(guò)了吉林省工程建設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn)《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(節(jié)能75%)》(DB22/T—2012)中的限值.外墻體的傳熱系數(shù)超出標(biāo)準(zhǔn)限值8.87%，屋面的傳熱系數(shù)超出標(biāo)準(zhǔn)限值116.76%.因此，為了達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的節(jié)能指標(biāo)，嚴(yán)寒地區(qū)學(xué)生公寓圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外墻體、屋面必須在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，采取相應(yīng)的節(jié)能改造措施，以大幅度降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗.

(3)建筑外墻體傳熱系數(shù)實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比分析.

根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50176-93)和《居住建筑節(jié)能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 132-2009)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)K可通過(guò)下式求得：

K=1/(Ri+R+Re)，

(1)

(2)

式中：Ri、Re為內(nèi)、外表面換熱阻，m2·K/W，按上述規(guī)范取值；R為圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體部位熱阻，m2·K/W；δ為材料厚度，m；λ為材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K).

表3 外墻體傳熱系數(shù)理論分析數(shù)據(jù)

通過(guò)外墻體傳熱系數(shù)理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比得出：外墻體傳熱系數(shù)理論值與實(shí)際測(cè)試結(jié)果相差12.64%，這是因?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)的形狀和構(gòu)造復(fù)雜多樣，加上保溫隔熱墻體在施工過(guò)程中不可避免會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題.因此，在設(shè)計(jì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，最好有實(shí)測(cè)值或生產(chǎn)中積累的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為參考.

3.2 冬季室內(nèi)熱環(huán)境

表4 采暖期研二公寓的室溫測(cè)試結(jié)果(℃)

(1)不同樓層室溫的比較

從表4中可以掌握學(xué)生公寓不同樓層各個(gè)房間室內(nèi)溫度的全貌，底層和頂層的平均溫度均低于其它中間樓層，尤其底層的溫度最低，中間層與底層差異明顯，并且中間層室內(nèi)平均溫度均高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的24 ℃限值，處在不舒適的范圍，不利于學(xué)生的學(xué)習(xí)和生活.

(2)不同方向室溫的比較

對(duì)學(xué)生公寓頂層?xùn)|、西、南、北四個(gè)方向房間的室內(nèi)溫度進(jìn)行對(duì)比分析，處在中間的房間僅一面受室外環(huán)境影響，而東西宿舍處在公寓樓東西方向最邊界房間，有兩面受外界影響.用溫度自記儀每15 min采集一次數(shù)據(jù)，記錄采暖季最冷一周(2016年1月1日～2016年1月7日)全天的溫度，在此基礎(chǔ)上計(jì)算每天的平均室溫，對(duì)采暖季最冷一周研二公寓頂層不同方向室內(nèi)溫度的對(duì)比，如圖6所示.

圖6 頂層不同方向房間室溫對(duì)比(2016年1月1日～2016年1月7日)

由圖6可得知，公寓正南方向的房間溫度最高，西北、東北方向的房間溫度低，并且西北方向的溫度最低，結(jié)合表3可以確定底層西北向房間是整棟建筑熱工性能最差的地方.

通過(guò)以上兩方面的分析，可以得出以下結(jié)論：①學(xué)生公寓建筑與外界接觸面積小的房間室內(nèi)溫度高的多.因此，嚴(yán)寒地區(qū)建筑的體形系數(shù)應(yīng)盡量??；②建筑的朝向和選址對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境有較大影響.從室溫波動(dòng)來(lái)看，嚴(yán)寒地區(qū)學(xué)生公寓為朝南及南偏東更為合適.

3.3 建筑采暖能耗

(1)建筑單位面積采暖能耗實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)整理后結(jié)果，見(jiàn)表5所示.

表5 建筑單位面積采暖能耗實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

(2)建筑采暖能耗測(cè)試值與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值比較結(jié)果，見(jiàn)表6所示.

表6 建筑單位面積采暖能耗測(cè)試值與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值比較

從表6中可以看出，研二公寓標(biāo)準(zhǔn)層(5樓)的單位面積采暖耗熱量已經(jīng)超出吉林省工程建設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn)《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(節(jié)能75%)》(DB22/T—2012)規(guī)定的16.6 W/m2標(biāo)準(zhǔn)限值.位于樓層中間北側(cè)的511室比標(biāo)準(zhǔn)限值超出19.40%；而位于東山墻北側(cè)的527室，由于山墻的散熱，單位采暖耗熱量比標(biāo)準(zhǔn)限值超出 21.14%.究其原因，一方面是由于該建筑外墻的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)超標(biāo)；另一方面由于該建筑沒(méi)有采取控溫措施，室內(nèi)溫度偏高，熱能浪費(fèi)嚴(yán)重.

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)典型學(xué)生公寓的測(cè)試，研究分析學(xué)生公寓圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗現(xiàn)狀及特征，得出以下結(jié)論：

(1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能差.實(shí)測(cè)外墻體傳熱系數(shù)超標(biāo)率達(dá)到8.87%，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)超標(biāo)率高達(dá)116.76%.

(2)學(xué)生公寓采暖期室內(nèi)平均溫為24.964 4 ℃.室內(nèi)存在較為明顯的過(guò)熱現(xiàn)象，在一定程度上造成了采暖能源的浪費(fèi)，這主要與溫控閥調(diào)節(jié)不合理有直接關(guān)系.

(3)底層與頂層的室內(nèi)平均溫度均低于中間層，并且底層西北方向是整棟建筑熱工性能最差的地方，應(yīng)重點(diǎn)改造；嚴(yán)寒地區(qū)學(xué)生公寓宜為朝南及南偏東，并且建筑體形系數(shù)應(yīng)盡量小.

(4)不同位置單位建筑面積采暖能耗超出標(biāo)準(zhǔn)限值19.40%和20.14%.嚴(yán)寒地區(qū)學(xué)生公寓建筑存在較大的節(jié)能潛力，只對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行保溫升級(jí)改造是解決建筑耗能的必要但不充分條件，在此基礎(chǔ)上應(yīng)聯(lián)合建筑節(jié)能技術(shù)與行為節(jié)能控制等手段才能達(dá)到真正的節(jié)能降耗最終目的.

[1] 秦力，趙娜，孫東風(fēng).嚴(yán)寒地區(qū)居住建筑采暖能耗實(shí)測(cè)結(jié)果分析[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，36(1)：36-40.

[2] 袁天皎.濟(jì)南市既有居住建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造技術(shù)研究[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2010.

[3] Ilaria Ballarini，Stefano Paolo Corgnati，Vincenzo Corrado.Use of reference buildings to assess the energy saving potentials of the residential building stock：the experience of TABULA project[J].Energy Policy，2014，68(68)：273-284.

[4] Luca Evangelisti，Claudia Guattari，Paola Gori.Energy retrofit strategies for residential building envelopes：an Italian case study of an early-50s building[J].Sustainability，2015，7(8)：10445-10460.

[5] Francesca Stazi，Ambra Vegliò，Costanzo Di Perna.Retrofitting using a dynamic envelope to ensure thermal comfort，energy savings and low environmental impact in Mediterranean climates[J].Energy and Buildings，2012，54(3)：350-362.

[6] K.Hassouneh，A.Alshboul，A.Al-Salaymeh.Influence of windows on the energy balance of apartment buildings in amman[J].Energy Conversion and Management，2010，51(8)：1583-1591.

[7] Julia Coma，Gabriel Perez，Cristian Sole，et al.Cabeza.Thermal assessment of extensive green roofs as passive tool for energy savings in buildings[J].Renewable Energy，2015，85(6)：1106-1115.

[8] 周振，李德英.北京淺山區(qū)生態(tài)建筑能耗測(cè)試與分析[J].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，23(1)：67-70.

[9] 李玲，楊紅梅，陳功.成都地區(qū)新農(nóng)村住宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)研究[J].建筑節(jié)能，2015，2(7)：26-30.

[10] 夏博.高校學(xué)生公寓室內(nèi)熱環(huán)境研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2003.

[11] 左現(xiàn)廣，鄒勇惠，唐鳴放,等.夏熱冬冷地區(qū)節(jié)能建筑測(cè)試分析與思考[J].新型建筑材料，2003(2)：1-2.

[12] 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JGJ/T 132-2009.居住建筑節(jié)能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)工業(yè)出版社，2010.

[13] 屈萬(wàn)英.高校既有學(xué)生公寓熱環(huán)境研究[J].山西建筑，2007，33(8)：240-241.