夏热冬冷地区节能住宅围护结构的选择

摘要：本文依据围护结构传热基本原理,在准稳态条件下,采用分布达到法,进行了夏热冬冷地区围护结构冬夏热工计算的理论推证。在理论研究的基础上,以成都地区为范例,进行了节能住宅冬,夏围护结构的选择与评价.最后,本文得出了有益于工程实践的重要结论。

关键词：节能住宅 供热系统 舒适性空调

1．引言

　　我国夏热冬冷地区泛指长江中下游及其周围广大地区。该地区夏季炎热、冬季寒冷，气侯条件差直接影响人们的工作和生活。改革开放以来，随着我国国民经济的高速增长，人民生活水平不断改善，人们对居住环境质量的要求也越来越高。各种采暖空调设备的大量采用，随之又带来了能耗的大量增加和对环境的污染及空调房间综合症等影响人们健康的疾病，因此研究该地区的节能住宅势在必行，刻不容缓。

　　在研究该地区节能住宅时，面临的首要问题是：进行节能住宅围护结构的设计时，首先应解决围护结构的节能评价及计算问题。我国夏热冬冷地区的许多城市过去在规范上属于冬季既不采暖、夏季又不空调的地区，现时的规范对该地区节能住宅围护结构的设计缺乏结合当地气候条件的节能评价及计算方法，本次研究依照夏季围护结构传热基本原理，把在空调条件下的室内气温近似假定为恒定，将室外综合温度分解为平均值及波动值两部分，然后分别考虑在两种情况下的传热问题，并叠加即得到通过围护结构内表面进入房间的最大热流密度。把该地区80年代初的通用住宅的能耗减少50％(即按建筑物承担30%，设备承担20%,)的原则进行简化，即得出节能住宅围护结构应承担的比例。冬季通过围护结构的传热量则通过对<<民用建筑节能设计标准>（采暖居住建筑部分）[1]提出的能耗计算公式的分析简化，从而得出该地区围护结构传热系数的限值。在理论研究的基础上，以成都地区为范例，进行节能住宅冬、夏围护结构的选择与评价。最后，本文得出了有益于工程实践的重要结论。

2．夏热冬冷地区冬季住宅外围护结构传热系数限值的分析:

　　由于夏热冬冷地区许多城市虽处于不采暖地区，或现时的采暖方式也并非集中采暖(而多系用电暖器、空调器或燃气红外炉等进行间歇采暖)，但由于集中连续采暖的不可替代的优点，定系该地区将来的发展方向，因此完全可参照采暖地区建筑耗热量的分析方法来分析该地区围护结构冬季的节能设计。

　　设80年代初该地区通用住宅（可能会因城市而不同）耗热量指标按下式计算[1]：

q_H=q_H。T+q_INF—q_I．H （1）

　　式中：

　　q_H------建筑物耗热量指标(W／m²)；
　　q_H。T------单位建筑面积通过围护结构的传热耗热量(W／m²)；
　　q_INF------单位建筑面积的空气渗透耗热量(w／m²)；
　　q_I.H------单位建筑面积的建筑物内部得热(包括炊事、照明、家电和人体散热)，对住宅建筑，取3.80w/m²。将(1)式各个分项展开得：

q_H.T＝（t_i-te）（ε_i·K_i·F_i）/Ao （2）

　　式中:

　　t_i------全都房间平均室内计算温度(·C)；
　　te ------采暖期室外平均温度(℃)；
　　ε_i------围护结构的传热系数修正系数；
　　K_i———围护结构的传热系数(w／m²·k)
　　F_i———围护结构的面积(m²)；
　　A。———建筑面积(m2)．

q_INF＝(ti—te)(Cp·ρ·N·V)/A。 （3）

　　式中：

　　Cp———空气定压比热容；
　　ρ———空气密度(kg／m³)；
　　N———换气次数；
　　V———换气体积。

　　参照[1],为了实现节能50%的目标,建筑物节能率应达到35%(即建筑物耗热量指标应降低35%)；供热系统的节能率应达到23.6%.若在总节能率50%中按比例分配,则建筑物约承担30％，供热系统约承担20％。

　　按建筑物耗热量指标应降低35％这一要求，设节能住宅耗热量指标为 q^ˊ_H.,

　　则qˊ H =(1—0.35)q_H=0.65q_H

　　又q^ˊ_H.=q^ˊ_H.T+q^ˊ_INF+q^ˊ_I.H=0.65(q_H.T+q_INF+q_I.H)=0.65q_H.T+0.65q_INF+0.65q_I.H

　　即得出： q^ˊ_H.T=0.65q_H.I （4）

　　80年代初，该地区城市住宅换气次数N约为1．5，对节能住宅，若要q^ˊ_INF＝0．65q_INF，则N=0．65N=0.98≈1．0，对夏热冬冷的广大的地区的节能住宅将N控制在1．0也是可行的。对q^ˊ_I.H=0.65X3.80=2.47，这一热流密度量的变化对房间影响甚小，且系有利因素,故对其变化可忽略不计。

　　从(4)式得：

(ti-te)(εiˊ·Kiˊ·Fi)/Ao=0.65(ti-te)(εiˊ·Kiˊ·Fi)/Ao （5）

　　对(5)式中所包含的屋顶、外墙、与室外连通的楼梯间隔墙、户门、窗户(含阳台门上部玻璃部分)、阳台门下部不透明部分、地面等各部位，

　　εiˊ·Kiˊ=0.65εi·Ki

　　对屋顶、外墙、 与室外连通的楼梯间隔墙、阳台门下部(或无玻门),

　　Kiˊ=0.65Ki，对同一朝向的单层窗、双层窗、双玻窗(有无阳台)其εiˊ·Kiˊ=0.65εi·Ki

　　80年代初，夏热冬冷地区许多城市的通用住宅设计，其屋顶为架空通风屋顶，屋顶基层为120mm厚钢筋混凝土空心板，平均厚度约为70mm左右的炉渣混凝土找平兼作保温层，通风层约高180mm，架空板为30mm厚。按过去笔者在成都地区实测这种屋顶冬季传热阻为R。=0．48m²·k/W，其K₀=2.08w/m²·k。其Kiˊ=0.65K。=0.65X2.08=1.35w/m²·K。这是按冬天采暖算的结果，还应按夏季空调计算，以二者中Ki小者作为设计依据。当时通用住宅外墙为双面抹灰240mm厚实心砖墙，按成都地区实测其冬季传热系数K。=2.27w/m²·k，其K₀=0．65K。=0.65X2.27=1.48w/m²·k≈1.5Ow/m²·k，同样也应进行夏季空调计算以二者中K。小者作为设计依据。对其余部分，因在这一地区尚未对εi及εiˊ进行研究，故仍可按K₀ˊ=0.65K。进行近似处理，在此从略。

3．夏热冬冷地区夏季空调状态下外围护结构节能量的分析与评价:

3.1 在周期性外扰作用下，当室内气温稳定时传入室内的最大热流密度的计算：

　　不论是在自然通风或室内空调条件下，围护结构内表面温度均是评价围护结构隔热性能的重要指标。在空调条件下，通过围护结构内表面传入室内的热流密度，与内表面温度和室内的气温之差成正比。在住宅舒适性空调条件下，可近似假定室内气温是一个不变的常数，按[2]规定其平均值_i≤28℃，计算时可取_i=28℃。这样在室外周期性外扰作用下，通过围护结构传入室内的热流密度可认为包含两部分。一部分是由室外空气综合温度平均值_sa与室内气温_i(对设计计算来说，室温巳假定为常数)之差造成的传热量，另一部分是由于室外综合温度波动值At_sa(τ)使围护结构内表面也具有波动A_θi(τ)，而产生的附加传热量，即

q_(τ) =K。(_sa-_i)+α_i[θ_i.(τ)-_i] （6）

　　式中：

　　α_i——围护结构内表面逐时换热系数(W／m²·k)；
　　θ_i.(τ) ———围护结构内表面逐时温度(℃)；

　　按逐时法计算θ_i.(τ) 过于复杂，不便于工程应用，为了简化起见可计算通过围护结构内表面进入房间的最大热流密度，并同保温计算所取的比较基准类似，将80年代初期，夏热冬冷地区典型的通用住宅设计中，通过屋顶，西、东、南墙的最大热流密度量作为比较基准。

　　这时，通过围护结构内表面传入室内的最大热流密度

q_i.max=+A_q （7）

　　式中：

=K。(_sa–_i) （8）

A_q＝q_max–＝（–_i）–（–_i）＝（–）＝A_θi （9）

　　(7)式将变为：

q_i.max＝+A_q＝（_i–_i）+A_θi＝Ko（_sa–_i）+A_θi＝Ko（_sa–_i）+ （10）

　　对(10)式中几个参量的计算：

　　1)的计算：

　　由(10)式可得出：

＝Ko（_sa–_i）＝（_i–_i）

　　即可得出＝ （11）

　　这即是计算(10)式中的公式。

　　2）Ko的计算：

Ko＝ （12）

　　R。———围护结构的传热阻

R。＝R_i+∑R+R_e （13）

　　式中：

　　R_i———内表面换热阻

　　∑R———围护结构各层的热阻之和

　　R_e———外表面换热阻

　　3)_sa的计算：

_sa＝_e+ （14）

　　4)A_tsa的计算：

　　按<<民用建筑热工设计规范>>[3]规定进行：

A_tsa＝（A_te+A_tb）β （15）

　　5）v_o的计算：

v_o＝······· （16）

　　式中：

　　v。———围护结构的衰减倍数；
　　D———围护结构的热情性指标；
　　s₁、s_a、———S_n---由内到外各层材料的蓄热系数(W／m²·k)，空气间层取s＝0；
　　Y₁、Y_a、———y_n---由内到外各层材料外表面蓄热系数(w／m²·k)；
　　Y_k、Y_k-1——分别为空气间层外表面和空气间层前一层材料外表面的蓄热系数(w／m²·k)。

3.2 计算实例：

　　3.2.1 计算双面抹灰240mm厚实心砖西墙的q_i.max：

　　1)计算Tsa：

℃

　　2)A_wtsa＝(A_te+A_tb)β＝(5.2+15.99)X0.99=20.98℃

　　3)计算R。：

　　经过去在成都地区多次实测双面抹灰240mm厚砖墙：

　　ΣR＝0．29m²·k／w 则夏季Ro＝0．45m²·k／w

　　Ko＝2．22w/m²·k

　　4)计算：

＝℃

　　5)计算：

＝℃（v_o采用过去实测数据）

　　6)计算：

＝w/m²·k

　　7)计算q_wi.max：

q_wi.max＝Ko(

w/m²·k

　　这便是双面抹灰西墙传入室内的最大热流量q_wi.max。按与以上相同的方法可求出南墙、屋顶等的比较基准q_si.max、q_ri.max：

　　q_si.max＝16.20 w/m²

　　q_ri.max＝38.17 w/m²

3.3 节能量的分析：

　　按前面提出50%的节能要求，得出围护结构墙体(主要指西、南墙，北墙可采用南墙控制值)，屋顶的最大控制热流量：

　　q_kwi.max＝0.65 q_wi.max＝0.65X29.94＝19.46w／m²

　　q_ksi.max＝0.65 q_si.max＝0.65X16.20＝10.53w／m²

　　q_kri.max＝0.65 q_ri.max＝0.65X38.17＝24.81w／m²

3.4 问题讨论：

　　若要保证最大控制热流量，则

　　由(10)式

q_i.max＝Ko()+

　　其中：＝

　　将代入(10)式，则得q_i.max＝K。()+·＝Ko()[1+·] （17）

　　下面我们对(14)式进行讨论：

　　对西墙：

　　Ko＝1.5w／m²·k t_wsa＝34.28℃ t_i＝28.00℃ A_wtsa＝20.98℃

　　节能住宅房间属于要求较高的房间，可取_i-_i=1.00℃

　　因q_kwi.max＝19.46w／m²用(14)式求得v_o＝19.68 这是属于重质围护结构才能达到的指标。

　　这时A_el＝＝1.07

　　若取Aθi＝1.0℃ 可由(14)式求得Ko=1.55w／m²·k这时v_o=20.98同冬季Ko＝1.50w/m²·k(见前)比较可知应取Ko＝1.50w／m²·k

　　对轻质结构西墙，若将其v_o减小一半，即使v_o=9.84，则求得所需Ko=0.99w／m²·k

　　这时A_el＝＝2.13

　　若取A_θ＝2.0℃ 可由（14）式求得Ko＝1.03w/m²·k 这时v_o＝10.49

　　对南墙：

　　Ko＝1.5w/m²·k _ssa＝31.63℃ _i＝28.00℃ A_stsa＝10.63℃ 取_i–_i＝1℃

　　因q_ksi.max＝10.53w/m²用(14)式求得v_o＝11.38

　　这时A_θi＝＝0.93

　　对屋顶：

　　Ko=1.0w／m²·k _rsa＝39.80℃ _i＝28.00℃ A_rsa＝25.52℃ _i–_i＝1.0℃

　　因q_ri.max＝24.81w/m²用(14)式求得v_o=23.15℃

　　这也是属于重质围护结构尚能达到的指标。

　　这时 A_θi＝＝1.1℃

　　若取A_θi＝1.0℃ 可由(14)式求得Ko=1.05w／m²·k 这时v_o＝25.52 同冬季

　　Ko＝1.35w／m²·k(见前)比较可知应取Ko=1.05w/m²·k

　　若取A_θi=2.0℃ 可由(14)式求得Ko=0.70w／m²·k 这时v_o=12.76

　　对轻质结构屋顶，若将其v_o减小一半，即使v_o＝11.58，则求得所需Ko=0.66w／m²·k

　　A_θi＝＝2.2℃

　　从以上对几种墙体、屋顶内表面温度振幅值A_θi的计算结果来看，重质结构处于0.93～1.1℃的范围，轻质结构处于2.13～2.2℃的范围。根据[4]中陈述的观点，对要求较高的房间A_θi≤1.5℃；对一般房间A_θi≤2.5℃。那么以上考虑均是合适的，仅为适用不同挡次的要求而已。当然在条件允许时，选用A_θi≤1.0℃的外围护结构，居住舒适度更好一些(过大的A_θi值明显地使人感到不适)。从上面的分析可看出，公(14)既适用于重质外围护结构的节能计算，也适用于轻质外围护结构的计算。当＝1℃时，重质外围护结构，Vo大，Ko值可选大一些，而轻质外围护结构，Vo小，相应的Ko值应选小一些，且同重质结构相比，内表面A_θi要大一些，但A_θi≤2.5℃。从上述分析可看出在<<采暖通风与空气调节设计规范>>[5]对舒适性空气调节给出的围护结构最大传热系数限值：屋盖Ko=1.0w／m²·k，外墙Ko=1.5W/m²·k恐只适用于重质围护结构，轻质围护结构与此有较大差距，值得进一步探索。

4．舒适性空调条件下内墙和楼板的选择

　　在成都地区及我国南方的广大地区(包括广大的夏热冬冷和夏热冬暖地区以及部分温和地区)的住宅夏季并非个个房间都空调，冬季并非个个房间都采暖，而且邻居的相邻房间也并非同时空调和采暖．这样在一家人的不同房间(或与邻居的相邻房间均存在着传冷(或传热)问题．在国家标准《采暖通风与空气调节设计规范》[5]中提出：当相邻房间的温差大于3℃时，对舒适性空气调节，内墙和楼板的最大传热系数不宜大于2.0w／m²·k。这个规定对于240mm厚多孔砖(KP1或矩形孔KP1砖)作内墙的多层建筑恰好可以满足，但对于高层建筑问题就来了，能小于(或等于)此传热系数的且能满足分户墙(或分室墙)隔声要求，且墙体荷载要轻的材料并不多。多年来我们并没有把建筑节能提到提高居住质量及维持可持续发展的高度来认识。只有新型墙体材料(包括KP1多孔砖、190mm厚双孔方型空心砖、厚度大于100mm的加气混凝土墙体、QTC轻质复合砌块和3—D板隔墙，楼板能达到这一要求的并不多，只有3-D楼板，或者结合装修(或作采暖地板)时对地面作保温处理也可达到这一要求。

5．结语

　　通过本次研究可得出如下结论：

　　1．通过对[1]中耗热量指标的分析简化，依据节能50％的指标，分析得出了夏热冬冷地区围护结构冬季的传热系数的限值。

　　2．对夏季空调状态下围护结构的传热问题，把通过外围护结构内表面进入房间的最大热流密度作为评价指标之一。把室内气温近似假定为恒定，将室外综合温度分解为平均值和波动值两部分，导出了计算通过围护结构内表面进入房间的最大热流密度的公式。将80代初通用住宅外围护结构最大热流密度减小35%，即得出了节能住宅外围护结构最大控制热流密度，经分析得出内表面温度波幅值范围并进行了讨论。导出的公式既适用于重质围护结构的计算，也适用于轻质围护结构的计算。[5]给出的舒适性空调屋盖、外墙传热系数限值恐只适用于重质围护结构，值得进一步探索。

　　3．依据成都地区(及我国南方广大地区)空调及采暖现状，对舒适性空调及采暖房间内隔墙及楼板的现状进行了论证，给出了传热系数限值，推荐了几种符合要求的地板和楼板，指出了节能建筑设计时不容忽视的方面。

6．参考文献

　　[1]中华人民共和国行业标准<<民用建筑节能设计标准>>(采暖居住建筑部分) JGJ 26—95 中国建筑工业出版社 1996 北京
　　[2]<<成都地区住宅建筑节能管理规定>>(试行)2000年成都地区<<规定>>编制组
　　[3]中华人民共和国国家标准<<民用建筑热上设计规范>>GB50176—93中华人民共和国建设部 1993年10月
　　[4]<<建筑热工设计>>西安冶金建筑学院建筑物理实验室编 中国建筑工业出版社 1977年10月第一版
　　[5]中华人民共和国国家标准<<采暖通风与空气调节设计规范>>GBJ19—87 中国有色金属工业总公司主编