夏熱冬暖地區(qū)典型建筑外墻對建筑能耗影響研究

李梅香，劉紅娟，蔣能飛，林宇

[1.深圳市建筑設(shè)計研究總院有限公司，廣東 深圳 518028；2.華藍(lán)設(shè)計（集團(tuán)）有限公司 廣西城市建筑熱環(huán)境控制工程技術(shù)研究中心，廣西 南寧530011]

0 引言

當(dāng)前，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消耗也隨之增加，造成的碳排放量也在不斷增長。而建筑行業(yè)作為工業(yè)、交通和建筑能源消耗的三大領(lǐng)域之一，是直接或間接造成碳排放的“巨頭”。實際上，在全球能源消耗中，建筑運(yùn)行能耗占比30%，建筑建造能耗占比5%[1]。聚焦到我國，根據(jù)《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2021》顯示，我國社會總能耗中建筑運(yùn)行能耗占比22%，建造能耗占比11%[2]。為此，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部在2021年9月8日發(fā)布了GB 55015—2021《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》（以下簡稱通用規(guī)范），旨在降低建筑能耗。而通過降低由外墻進(jìn)入室內(nèi)的熱量，從而使空調(diào)能耗減少，是一種減少建筑運(yùn)行能耗的有效途徑。

目前，已有關(guān)于外墻對建筑節(jié)能影響的研究。Zhang等[3]以哈爾濱、西安、上海、昆明和廣州5個不同氣候區(qū)的建筑為研究對象，針對建筑外墻保溫層厚度與位置對商業(yè)建筑冷負(fù)荷與熱負(fù)荷的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，保溫層厚度的增加對建筑熱負(fù)荷有顯著影響，對建筑冷負(fù)荷影響相對較小，且在哈爾濱節(jié)能率最大，在廣州節(jié)能率最小。Rosti等[4]以伊朗8個氣候區(qū)的建筑為研究對象，研究4種不同墻體構(gòu)造、不同朝向時建筑的最佳保溫層厚度，結(jié)果表明，墻體的最佳保溫層厚度為0~4 cm，節(jié)能率為12.8%~69.0%，且與其他國家文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)存在顯著差異。周駿等[5]以浙西地區(qū)農(nóng)村建筑作為研究對象，采用有限差分法的數(shù)值模擬計算墻體內(nèi)外保溫系統(tǒng)的熱損失與其對建筑能耗的影響，結(jié)果表明，外保溫系統(tǒng)比內(nèi)保溫系統(tǒng)建筑年能耗高，外墻內(nèi)保溫系統(tǒng)更適用于浙西地區(qū)農(nóng)村建筑。徐洪濤等[6]采用動態(tài)濕熱耦合程序，對不同濕度條件下抹灰外墻系統(tǒng)和鋼結(jié)構(gòu)夾芯板墻體的傳熱情況進(jìn)行研究，結(jié)果表明，若圍護(hù)結(jié)構(gòu)能完全阻隔濕流，則計算能耗時可單純采用傳熱計算，反之則需要適當(dāng)修正。從上述文獻(xiàn)可以看出，以往研究已經(jīng)獲得了不同條件下外墻對建筑負(fù)荷（能耗）的影響。然而，上述研究在進(jìn)行模擬仿真時，采用的建筑外墻未提及是否通過節(jié)能與隔熱要求（強(qiáng)制性條文），且除外墻的其他設(shè)定參數(shù)均采用GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》內(nèi)容。在通用規(guī)范中，除外墻外的其他設(shè)定參數(shù)均有一定程度的變化，因此外墻負(fù)荷在建筑總負(fù)荷中的占比可能會有所變化，從而引起空調(diào)能耗的變化。

針對以上情況，本研究通過分析不同窗墻比下，夏熱冬暖地區(qū)典型建筑外墻構(gòu)造對公共建筑與住宅建筑的建筑冷負(fù)荷與自然室溫的影響，以尋求對建筑節(jié)能最有利的典型建筑外墻，從而為2022年4月1日后的新建公共、住宅建筑項目外墻選用提供參考。

1 研究方法

本研究以廣西夏熱冬暖地區(qū)典型外墻構(gòu)造為基礎(chǔ)，分析在不同窗墻比對夏熱冬暖地區(qū)公共建筑與住宅建筑供冷季冷負(fù)荷及過渡季節(jié)自然室溫的影響，以得到對節(jié)能最有利的典型建筑外墻，從而為夏熱冬暖地區(qū)新建建筑外墻選取提供參考。研究技術(shù)路線如圖1所示。

首先，對廣西夏熱冬暖地區(qū)的典型外墻構(gòu)造進(jìn)行整理統(tǒng)計。本團(tuán)隊在之前的研究中[7]，根據(jù)大量文獻(xiàn)調(diào)研以及在實際項目中的工程經(jīng)驗，列出了一系列典型的外墻構(gòu)造。并根據(jù)JGJ/T 359—2015《建筑反射隔熱涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》與JG/T 235—2014《建筑反射隔熱涂料》對節(jié)能與隔熱性能進(jìn)行評價，最終得到滿足節(jié)能與隔熱性能的廣西夏熱冬暖地區(qū)典型外墻構(gòu)造。

其次，建立設(shè)計建筑與參照建筑能耗計算模型，設(shè)計建筑外墻熱工參數(shù)采用本團(tuán)隊之前研究所得，參照建筑外墻熱工參數(shù)采用通用規(guī)范中的數(shù)值。而對于建筑幾何信息、氣象參數(shù)、其余圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)等，設(shè)計建筑與參照建筑均一致。對于氣象參數(shù)，采用夏熱冬暖地區(qū)南寧市的典型氣象年數(shù)據(jù)。

各參數(shù)設(shè)定后，采用清華大學(xué)自主研發(fā)的能耗模擬軟件DeST，對不同窗墻比下的設(shè)計建筑與參照建筑進(jìn)行能耗模擬計算，得到供冷季的建筑冷負(fù)荷與過渡季節(jié)自然室溫，并進(jìn)行對比分析，最終得到對建筑節(jié)能最有利的典型建筑外墻。

2 典型建筑外墻構(gòu)造

在夏熱冬暖地區(qū)，全年大部分時間氣溫較高，夏季時間較長，冬季時間極短或沒有，氣溫年較差與日較差均較小，因此該地區(qū)的建筑外墻主要以隔熱為主。本團(tuán)隊在之前的研究中通過文獻(xiàn)調(diào)研[8]并結(jié)合參與實際項目經(jīng)驗，確定了加氣混凝土砌塊、頁巖燒結(jié)磚和小型空心砌塊這3種材料為廣西夏熱冬暖地區(qū)典型的外墻主要構(gòu)造材料，其中不同空心砌塊的構(gòu)造做法如圖2所示，典型外墻主體構(gòu)造的熱工參數(shù)如表1所示。

以上述材料為主要構(gòu)造，在其內(nèi)外側(cè)加之用以隔熱與裝飾用的無機(jī)保溫膩子、水泥砂漿、石灰水泥砂漿、無機(jī)保溫砂漿及反射隔熱涂料構(gòu)造層，外墻具體構(gòu)造做法如圖3所示，反射隔熱涂料與無機(jī)保溫砂漿為非必要構(gòu)造層，可選用。反射隔熱涂料可有效減少通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入室內(nèi)的熱量[9]。

結(jié)合實際項目工程經(jīng)驗，考慮涂料顏色明度對太陽光反射比和近紅外反射比的影響[10-11]，選用反射隔熱涂料的顏色為淺黃色。同時考慮到由于太陽光的直射，紫外線引起光老化等原因會加速反射隔熱涂料的老化[12-13]，按照J(rèn)GJ 75—2012《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》計算得到污染后的太陽輻射吸收系數(shù)為0.32，且符合JG/T 235—2014的要求。

表1 典型外墻主體構(gòu)造熱工參數(shù)

在水泥砂漿與反射隔熱涂料2種材料之間的3 mm厚無機(jī)保溫膩子，施工性能與柔韌性均較好，在無機(jī)保溫膩子外層涂抹抗裂面層后再涂刷封閉底漆和建筑反射隔熱涂料[14]，這使得外墻外側(cè)具有較好的安全性能與耐久性能。外墻其他構(gòu)造層熱工參數(shù)如表2所示。

表2 外墻其他構(gòu)造層熱工參數(shù)

通過GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》附帶的K-value軟件，計算不同外墻構(gòu)造的節(jié)能與隔熱性能，最終通過節(jié)能與隔熱性能要求的外墻構(gòu)造如表3所示[7]。其中，考慮到實際施工難度及工程經(jīng)濟(jì)性，在外墻滿足其節(jié)能與隔熱性能要求時，不采用反射隔熱涂料與無機(jī)保溫砂漿構(gòu)造層。

表3 通過節(jié)能與隔熱性能要求的外墻構(gòu)造

3 模型建立

3.1 幾何模型建立

在公共建筑中，辦公建筑都比其他類型建筑的占比大[15]，且具有公共建筑人員密集、室內(nèi)熱源強(qiáng)大等特點，因此將辦公建筑作為公共建筑的代表。本文選取夏熱冬暖地區(qū)實際項目中的某辦公建筑與住宅建筑為研究對象，這2棟建筑包含了辦公建筑與住宅建筑的一般性特點，具有一定的典型性。在DeST軟件中建立能耗模型，如圖4所示。

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

對于外墻熱工參數(shù)，參照建筑取值根據(jù)通用規(guī)范設(shè)定，即當(dāng)熱惰性指標(biāo)D≤2.5時，傳熱系數(shù)取0.7 W/（m2·K）；當(dāng)D>2.5時，傳熱系數(shù)取1.5 W/（m2·K）。對于設(shè)計建筑，根據(jù)前述典型外墻構(gòu)造取值。對于除外墻之外其余圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能參數(shù)，根據(jù)通用規(guī)范與GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中的限值要求，透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)取值如表4、表5所示。屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)限值為0.4 W/（m2·K），架空或外挑樓板傳熱系數(shù)限值為1.5 W/（m2·K）。

表4 住宅建筑透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)的設(shè)定值

3.3 室內(nèi)負(fù)荷設(shè)計參數(shù)

室內(nèi)負(fù)荷設(shè)計參數(shù)包括照明、設(shè)備、人員密度以及相應(yīng)的時間表，人員散熱量及新風(fēng)量，設(shè)計溫度以及相對濕度，具體數(shù)值如表6所示，對于如衛(wèi)生間、廚房等非空調(diào)房間，相關(guān)參數(shù)不進(jìn)行表述。時間表由于篇幅有限故不進(jìn)行展示。建筑供冷期均為5月1日至10月31日[16-17]。

表5 公共建筑透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)設(shè)定值

表6 室內(nèi)負(fù)荷設(shè)計參數(shù)設(shè)定值

4 模擬結(jié)果分析

4.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率計算方法

為了使計算結(jié)果更直觀，將建筑冷負(fù)荷轉(zhuǎn)換為圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率進(jìn)行分析。圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率計算方法采用JGJ/T 449—2018《民用建筑綠色性能計算標(biāo)準(zhǔn)》中相關(guān)公式，其中由于夏熱冬暖地區(qū)無供暖需求，因此只計算供冷季的圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率，如式（1）、式（2）所示：

式中：Ф——圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率，%；

Ed——設(shè)計建筑供冷綜合能耗量，kW·h；

Er——參考建筑供冷綜合能耗量，kW·h；

Qd——設(shè)計建筑累積耗冷量，kW·h；

Qr——參考建筑累積耗冷量，kW·h；

Θ——供冷系統(tǒng)綜合效率折算權(quán)重，夏熱冬暖地區(qū)公共建筑取2.5，居住建筑取2.8。

4.2 建筑負(fù)荷

完成各項參數(shù)設(shè)定后，通過DeST能耗模擬軟件計算，得到建筑冷負(fù)荷。由于本文研究的是夏熱冬暖地區(qū)，夏季炎熱且時間較長，冬季溫暖且時間較短，因此下述分析中的建筑冷負(fù)荷都為供冷期內(nèi)的建筑冷負(fù)荷。經(jīng)過統(tǒng)計，不同窗墻比下各個外墻構(gòu)造的建筑冷負(fù)荷指標(biāo)如圖5所示。

由圖5可見，無論是辦公建筑還是住宅建筑，相同窗墻比下不同外墻構(gòu)造建筑冷負(fù)荷指標(biāo)均相差不大，相應(yīng)地對項目后續(xù)的空調(diào)設(shè)備選型也影響較小。

將1#~10#外墻構(gòu)造的建筑冷負(fù)荷采用式（1）、式（2）計算與參照建筑相比的圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，對于辦公建筑，1#外墻的建筑無論在何種窗墻比下，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率都無貢獻(xiàn)，而3#外墻的建筑在各窗墻比下對圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率貢獻(xiàn)都最大；對于住宅建筑，圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率都為正值，其中除了1#外墻的建筑外，其余外墻的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率都相近，3#外墻的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率仍最大。這表明，主要構(gòu)造材料的不同是影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率的最主要原因。此外，辦公建筑在窗墻比為0.75與0.95時，不同外墻建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率幾乎相等，因此在夏熱冬暖地區(qū)，2022年4月1日后新建的辦公建筑應(yīng)注意此問題，窗墻比大于0.75時，上述外墻構(gòu)造對圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率已不再具有提高作用。

結(jié)合外墻傳熱系數(shù)與相應(yīng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，在辦公建筑中，與傳統(tǒng)認(rèn)知（傳熱系數(shù)越大，建筑冷負(fù)荷越大）不同的是，圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率與外墻傳熱系數(shù)為正相關(guān)，即外墻傳熱系數(shù)越大，建筑冷負(fù)荷反而越小。分析其原因，在夏季空調(diào)開啟時段內(nèi)，室外溫度較高，此時較小的外墻傳熱系數(shù)有積極的隔熱作用，可有效阻擋室外熱量進(jìn)入室內(nèi)；而當(dāng)室外溫度比室內(nèi)溫度低時，如夏季夜間時段，較小的外墻傳熱系數(shù)不利于室內(nèi)熱量向外散失，導(dǎo)致室內(nèi)冷負(fù)荷反而增加。而在住宅建筑中，傳熱系數(shù)對建筑冷負(fù)荷的影響相對較小，在窗墻比為0.4時才較為顯著。1#與5#外墻構(gòu)造傳熱系數(shù)相近，但圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率卻相差較大，分析是由于1#外墻構(gòu)造未采用反射隔熱涂料，使得隔熱效果較差。

4.3 過渡季節(jié)自然室溫

以4月份為例，在不同窗墻比下，對過渡季節(jié)采用設(shè)計的10種不同外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)與參照外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬，計算自然室溫。由于在不同窗墻比下室溫變化規(guī)律較為相似，因此辦公建筑以0.55窗墻比、住宅建筑以0.3窗墻比為例，選取西南向房間，分析設(shè)計建筑與參照建筑自然室溫的差值，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可見，對于辦公建筑，只有3#外墻構(gòu)造的建筑與參照建筑相比能夠降低自然室溫，其余外墻構(gòu)造的自然室溫都有不同程度的升高，尤其1#外墻構(gòu)造的溫差最大。對于住宅建筑，只有3#外墻構(gòu)造的建筑能整月都降低自然室溫，其余外墻構(gòu)造只在溫度較高時段有一定程度的降低。溫差的變化程度與室外干球溫度存在一定的正相關(guān)性，且相比于室內(nèi)熱源強(qiáng)度更大的辦公建筑，室內(nèi)熱源較小的住宅建筑變化程度與室外干球溫度相關(guān)性更大。

選取無論是建筑冷負(fù)荷還是自然室溫表現(xiàn)都最好的3#外墻構(gòu)造建筑，以及具有其余外墻構(gòu)造結(jié)果相似的4#外墻建筑，與參照建筑進(jìn)行不同窗墻比下自然室溫差值的分析，結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，對于辦公建筑，由于窗墻比可選范圍較大，不同窗墻比下對自然室溫的影響較大，且窗墻比0.75與0.95下自然室溫較為接近，窗墻比0.15與0.35下自然室溫也較為接近。對于住宅建筑，窗墻比存在限值要求，不同窗墻比下自然室溫較為接近。

5 結(jié)論

（1）不同窗墻比下，不同外墻構(gòu)造建筑的冷負(fù)荷指標(biāo)相差不大，對項目后續(xù)相應(yīng)的空調(diào)設(shè)備選型影響較小。

（2）公共建筑中主體構(gòu)造為加氣混凝土砌塊（B05級）的外墻建筑無論在何種窗墻比下對建筑都沒有節(jié)能效果，對建筑節(jié)能效果最好的是主體構(gòu)造為頁巖燒結(jié)多孔磚（240 mm）的外墻，在0.15窗墻比時達(dá)到最高節(jié)能率將近1.5%。而對于住宅建筑，10種外墻構(gòu)造都對建筑有節(jié)能效果，最高節(jié)能率將近3.5%，但1#外墻其節(jié)能效果與其他外墻相比較差。

（3）在室內(nèi)熱源強(qiáng)度更大的公共建筑中，外墻傳熱系數(shù)并非越小越好，還需考慮非空調(diào)時段室內(nèi)熱量向外散失的問題。

（4）在其他條件相同的情況下，外墻采用反射隔熱涂料能夠有效降低建筑冷負(fù)荷，并使得過渡季節(jié)的自然室溫有效降低。

（5）對于公共建筑，只有主體構(gòu)造為頁巖燒結(jié)多孔磚（240 mm）的外墻建筑能夠使過渡季節(jié)自然室溫降低，且受窗墻比影響較大；對于住宅建筑，主體構(gòu)造為頁巖燒結(jié)多孔磚（240 mm）的外墻建筑在過渡季節(jié)都能使自然室溫降低，其余外墻只在室外干球溫度較高的時間段能使自然室溫降低，且受限值內(nèi)的窗墻比影響較小。

（6）在夏熱冬暖地區(qū)，對于2022年4月1日后的新建建筑，應(yīng)優(yōu)先采用主體構(gòu)造為頁巖燒結(jié)多孔磚（240 mm）的外墻構(gòu)造，以達(dá)到最優(yōu)的建筑節(jié)能效果。