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夏熱冬冷地區節能住宅圍護結構的選擇論文
摘要：本文依據圍護結構傳熱基本原理,在準穩態條件下,采用分布達到法,進行了夏熱冬冷地區圍護結構冬夏熱工計算的理論推證。在理論研究的基礎上,以成都地區為范例,進行了節能住宅冬,夏圍護結構的選擇與評價.最后,本文得出了有益于工程實踐的重要結論。
關鍵詞：節能住宅 供熱系統 舒適性空調
1．引言
我國夏熱冬冷地區泛指長江中下游及其周圍廣大地區。該地區夏季炎熱、冬季寒冷，氣侯條件差直接影響人們的工作和生活。改革開放以來，隨著我國國民經濟的高速增長，人民生活水平不斷改善，人們對居住環境質量的要求也越來越高。各種采暖空調設備的大量采用，隨之又帶來了能耗的大量增加和對環境的污染及空調房間綜合癥等影響人們健康的疾病，因此研究該地區的節能住宅勢在必行，刻不容緩。
在研究該地區節能住宅時，面臨的首要問題是：進行節能住宅圍護結構的設計時，首先應解決圍護結構的節能評價及計算問題。我國夏熱冬冷地區的許多城市過去在規范上屬于冬季既不采暖、夏季又不空調的地區，現時的規范對該地區節能住宅圍護結構的設計缺乏結合當地氣候條件的節能評價及計算方法，本次研究依照夏季圍護結構傳熱基本原理，把在空調條件下的室內氣溫近似假定為恒定，將室外綜合溫度分解為平均值及波動值兩部分，然后分別考慮在兩種情況下的傳熱問題，并疊加即得到通過圍護結構內表面進入房間的最大熱流密度。把該地區80年代初的通用住宅的能耗減少50％(即按建筑物承擔30%，設備承擔20%,)的原則進行簡化，即得出節能住宅圍護結構應承擔的比例。冬季通過圍護結構的傳熱量則通過對<<民用建筑節能設計標準>（采暖居住建筑部分）[1]提出的能耗計算公式的分析簡化，從而得出該地區圍護結構傳熱系數的限值。在理論研究的基礎上，以成都地區為范例，進行節能住宅冬、夏圍護結構的選擇與評價。最后，本文得出了有益于工程實踐的重要結論。
2．夏熱冬冷地區冬季住宅外圍護結構傳熱系數限值的分析:
由于夏熱冬冷地區許多城市雖處于不采暖地區，或現時的采暖方式也并非集中采暖(而多系用電暖器、空調器或燃氣紅外爐等進行間歇采暖)，但由于集中連續采暖的不可替代的優點，定系該地區將來的發展方向，因此完全可參照采暖地區建筑耗熱量的分析方法來分析該地區圍護結構冬季的節能設計。
設80年代初該地區通用住宅（可能會因城市而不同）耗熱量指標按下式計算[1]：
qH=qH。T+qINF—qI．H （1）
式中：
qH------建筑物耗熱量指標(W／m2)；
qH。T------單位建筑面積通過圍護結構的傳熱耗熱量(W／m2)；
qINF------單位建筑面積的空氣滲透耗熱量(w／m2)；
qI.H------單位建筑面積的建筑物內部得熱(包括炊事、照明、家電和人體散熱)，對住宅建筑，取3.80w/m2。將(1)式各個分項展開得：
qH.T＝（ti-te）（εi·Ki·Fi）/Ao （2）
式中:
ti------全都房間平均室內計算溫度(·C)；
te ------采暖期室外平均溫度(℃)；
εi------圍護結構的傳熱系數修正系數；
Ki———圍護結構的傳熱系數(w／m2·k)
Fi———圍護結構的面積(m2)；
A。———建筑面積(m2)．
qINF＝(ti—te)(Cp··N·V)/A。 （3）
式中：
Cp———空氣定壓比熱容；
———空氣密度(kg／m3)；
N———換氣次數；
V———換氣體積。
參照[1],為了實現節能50%的目標,建筑物節能率應達到35%(即建筑物耗熱量指標應降低35%)；供熱系統的節能率應達到23.6%.若在總節能率50%中按比例分配,則建筑物約承擔30％，供熱系統約承擔20％。
按建筑物耗熱量指標應降低35％這一要求，設節能住宅耗熱量指標為 qˊH.,
則qˊ H =(1—0.35)qH=0.65qH
又qˊH.=qˊH.T+qˊINF+qˊI.H=0.65(qH.T+qINF+qI.H)=0.65qH.T+0.65qINF+0.65qI.H
即得出： qˊH.T=0.65qH.I （4）
80年代初，該地區城市住宅換氣次數N約為1．5，對節能住宅，若要qˊINF＝0．65qINF，則N=0．65N=0.98≈1．0，對夏熱冬冷的廣大的地區的節能住宅將N控制在1．0也是可行的。對qˊI.H=0.65X3.80=2.47，這一熱流密度量的變化對房間影響甚小，且系有利因素,故對其變化可忽略不計。
從(4)式得：
(ti-te)(εiˊ·Kiˊ·Fi)/Ao=0.65(ti-te)(εiˊ·Kiˊ·Fi)/Ao （5）
對(5)式中所包含的屋頂、外墻、與室外連通的樓梯間隔墻、戶門、窗戶(含陽臺門上部玻璃部分)、陽臺門下部不透明部分、地面等各部位，
εiˊ·Kiˊ=0.65εi·Ki
對屋頂、外墻、 與室外連通的樓梯間隔墻、陽臺門下部(或無玻門),
Kiˊ=0.65Ki，對同一朝向的單層窗、雙層窗、雙玻窗(有無陽臺)其εiˊ·Kiˊ=0.65εi·Ki
80年代初，夏熱冬冷地區許多城市的通用住宅設計，其屋頂為架空通風屋頂，屋頂基層為120mm厚鋼筋混凝土空心板，平均厚度約為70mm左右的爐渣混凝土找平兼作保溫層，通風層約高180mm，架空板為30mm厚。按過去筆者在成都地區實測這種屋頂冬季傳熱阻為R。=0．48m2·k/W，其K0=2.08w/m2·k。其Kiˊ=0.65K。=0.65X2.08=1.35w/m2·K。這是按冬天采暖算的結果，還應按夏季空調計算，以二者中Ki小者作為設計依據。當時通用住宅外墻為雙面抹灰240mm厚實心磚墻，按成都地區實測其冬季傳熱系數K。=2.27w/m2·k，其K0=0．65K。=0.65X2.27=1.48w/m2·k≈1.5Ow/m2·k，同樣也應進行夏季空調計算以二者中K。小者作為設計依據。對其余部分，因在這一地區尚未對εi及εiˊ進行研究，故仍可按K0ˊ=0.65K。進行近似處理，在此從略。
3．夏熱冬冷地區夏季空調狀態下外圍護結構節能量的分析與評價:
3.1 在周期性外擾作用下，當室內氣溫穩定時傳入室內的最大熱流密度的計算：
不論是在自然通風或室內空調條件下，圍護結構內表面溫度均是評價圍護結構隔熱性能的重要指標。在空調條件下，通過圍護結構內表面傳入室內的熱流密度，與內表面溫度和室內的氣溫之差成正比。在住宅舒適性空調條件下，可近似假定室內氣溫是一個不變的常數，按[2]規定其平均值i≤28℃，計算時可取i=28℃。這樣在室外周期性外擾作用下，通過圍護結構傳入室內的熱流密度可認為包含兩部分。一部分是由室外空氣綜合溫度平均值sa與室內氣溫i(對設計計算來說，室溫巳假定為常數)之差造成的傳熱量，另一部分是由于室外綜合溫度波動值Atsa()使圍護結構內表面也具有波動Aθi()，而產生的附加傳熱量，即
q() =K。(sa-i)+αi[θi.()-i] （6）
式中：
αi——圍護結構內表面逐時換熱系數(W／m2·k)；
θi.() ———圍護結構內表面逐時溫度(℃)；
按逐時法計算θi.() 過于復雜，不便于工程應用，為了簡化起見可計算通過圍護結構內表面進入房間的最大熱流密度，并同保溫計算所取的比較基準類似，將80年代初期，夏熱冬冷地區典型的通用住宅設計中，通過屋頂，西、東、南墻的最大熱流密度量作為比較基準。
這時，通過圍護結構內表面傳入室內的最大熱流密度
qi.max=+Aq （7）
式中：
=K。(sa–i) （8）
Aq＝qmax–＝（–i）–（–i）＝（–）＝Aθi （9）
(7)式將變為：
qi.max＝+Aq＝（i–i）+Aθi＝Ko（sa–i）+Aθi＝Ko（sa–i）+ （10）
對(10)式中幾個參量的計算：
1)的計算：
由(10)式可得出：
＝Ko（sa–i）＝（i–i）
即可得出＝ （11）
這即是計算(10)式中的公式。
2）Ko的計算：
Ko＝ （12）
R。———圍護結構的傳熱阻
R。＝Ri+∑R+Re （13）
式中：
Ri———內表面換熱阻
∑R———圍護結構各層的熱阻之和
Re———外表面換熱阻
3)sa的計算：
sa＝e+ （14）
4)Atsa的計算：
按<<民用建筑熱工設計規范>>[3]規定進行：
Atsa＝（Ate+Atb）β （15）
5）vo的計算：
vo＝······· （16）
式中：
v。———圍護結構的衰減倍數；
D———圍護結構的熱情性指標；
s1、sa、———Sn---由內到外各層材料的蓄熱系數(W／m2·k)，空氣間層取s＝0；
Y1、Ya、———yn---由內到外各層材料外表面蓄熱系數(w／m2·k)；
Yk、Yk-1——分別為空氣間層外表面和空氣間層前一層材料外表面的蓄熱系數(w／m2·k)。
3.2 計算實例：
3.2.1 計算雙面抹灰240mm厚實心磚西墻的qi.max：
1)計算Tsa：
℃
2)Awtsa＝(Ate+Atb)β＝(5.2+15.99)X0.99=20.98℃
3)計算R。：
經過去在成都地區多次實測雙面抹灰240mm厚磚墻：
R＝0．29m2·k／w 則夏季Ro＝0．45m2·k／w
Ko＝2．22w/m2·k
4)計算：
＝℃
5)計算：
＝℃（vo采用過去實測數據）
6)計算：
＝w/m2·k
7)計算qwi.max：
qwi.max＝Ko(w/m2·k
這便是雙面抹灰西墻傳入室內的最大熱流量qwi.max。按與以上相同的方法可求出南墻、屋頂等的比較基準qsi.max、qri.max：
qsi.max＝16.20 w/m2
qri.max＝38.17 w/m2
3.3 節能量的分析：
按前面提出50%的節能要求，得出圍護結構墻體(主要指西、南墻，北墻可采用南墻控制值)，屋頂的最大控制熱流量：
qkwi.max＝0.65 qwi.max＝0.65X29.94＝19.46w／m2
qksi.max＝0.65 qsi.max＝0.65X16.20＝10.53w／m2
qkri.max＝0.65 qri.max＝0.65X38.17＝24.81w／m2
3.4 問題討論：
若要保證最大控制熱流量，則
由(10)式
qi.max＝Ko()+
其中：＝
將代入(10)式，則得qi.max＝K。()+·＝Ko()[1+·] （17）
下面我們對(14)式進行討論：
對西墻：
Ko＝1.5w／m2·k twsa＝34.28℃ ti＝28.00℃ Awtsa＝20.98℃
節能住宅房間屬于要求較高的房間，可取i-i=1.00℃
因qkwi.max＝19.46w／m2用(14)式求得vo＝19.68 這是屬于重質圍護結構才能達到的指標。
這時Ael＝＝1.07
若取Aθi＝1.0℃ 可由(14)式求得Ko=1.55w／m2·k這時vo=20.98同冬季Ko＝1.50w/m2·k(見前)比較可知應取Ko＝1.50w／m2·k
對輕質結構西墻，若將其vo減小一半，即使vo=9.84，則求得所需Ko=0.99w／m2·k
這時Ael＝＝2.13
若取Aθ＝2.0℃ 可由（14）式求得Ko＝1.03w/m2·k 這時vo＝10.49
對南墻：
Ko＝1.5w/m2·k ssa＝31.63℃ i＝28.00℃ Astsa＝10.63℃ 取i–i＝1℃
因qksi.max＝10.53w/m2用(14)式求得vo＝11.38
這時Aθi＝＝0.93
對屋頂：
Ko=1.0w／m2·k rsa＝39.80℃ i＝28.00℃ Arsa＝25.52℃ i–i＝1.0℃
因qri.max＝24.81w/m2用(14)式求得vo=23.15℃
這也是屬于重質圍護結構尚能達到的指標。
這時 Aθi＝＝1.1℃
若取Aθi＝1.0℃ 可由(14)式求得Ko=1.05w／m2·k 這時vo＝25.52 同冬季
Ko＝1.35w／m2·k(見前)比較可知應取Ko=1.05w/m2·k
若取Aθi=2.0℃ 可由(14)式求得Ko=0.70w／m2·k 這時vo=12.76
對輕質結構屋頂，若將其vo減小一半，即使vo＝11.58，則求得所需Ko=0.66w／m2·k
Aθi＝＝2.2℃
從以上對幾種墻體、屋頂內表面溫度振幅值Aθi的計算結果來看，重質結構處于0.93～1.1℃的范圍，輕質結構處于2.13～2.2℃的范圍。根據[4]中陳述的觀點，對要求較高的房間Aθi≤1.5℃；對一般房間Aθi≤2.5℃。那么以上考慮均是合適的，僅為適用不同擋次的要求而已。當然在條件允許時，選用Aθi≤1.0℃的外圍護結構，居住舒適度更好一些(過大的Aθi值明顯地使人感到不適)。從上面的分析可看出，公(14)既適用于重質外圍護結構的節能計算，也適用于輕質外圍護結構的計算。當＝1℃時，重質外圍護結構，Vo大，Ko值可選大一些，而輕質外圍護結構，Vo小，相應的Ko值應選小一些，且同重質結構相比，內表面Aθi要大一些，但Aθi≤2.5℃。從上述分析可看出在<<采暖通風與空氣調節設計規范>>[5]對舒適性空氣調節給出的圍護結構最大傳熱系數限值：屋蓋Ko=1.0w／m2·k，外墻Ko=1.5W/m2·k恐只適用于重質圍護結構，輕質圍護結構與此有較大差距，值得進一步探索。
4．舒適性空調條件下內墻和樓板的選擇
在成都地區及我國南方的廣大地區(包括廣大的夏熱冬冷和夏熱冬暖地區以及部分溫和地區)的住宅夏季并非個個房間都空調，冬季并非個個房間都采暖，而且鄰居的相鄰房間也并非同時空調和采暖．這樣在一家人的不同房間(或與鄰居的相鄰房間均存在著傳冷(或傳熱)問題．在國家標準《采暖通風與空氣調節設計規范》[5]中提出：當相鄰房間的溫差大于3℃時，對舒適性空氣調節，內墻和樓板的最大傳熱系數不宜大于2.0w／m2·k。這個規定對于240mm厚多孔磚(KP1或矩形孔KP1磚)作內墻的多層建筑恰好可以滿足，但對于高層建筑問題就來了，能小于(或等于)此傳熱系數的且能滿足分戶墻(或分室墻)隔聲要求，且墻體荷載要輕的材料并不多。多年來我們并沒有把建筑節能提到提高居住質量及維持可持續發展的高度來認識。只有新型墻體材料(包括KP1多孔磚、190mm厚雙孔方型空心磚、厚度大于100mm的加氣混凝土墻體、QTC輕質復合砌塊和3—D板隔墻，樓板能達到這一要求的并不多，只有3-D樓板，或者結合裝修(或作采暖地板)時對地面作保溫處理也可達到這一要求。
5．結語
通過本次研究可得出如下結論：
1．通過對[1]中耗熱量指標的分析簡化，依據節能50％的指標，分析得出了夏熱冬冷地區圍護結構冬季的傳熱系數的限值。
2．對夏季空調狀態下圍護結構的傳熱問題，把通過外圍護結構內表面進入房間的最大熱流密度作為評價指標之一。把室內氣溫近似假定為恒定，將室外綜合溫度分解為平均值和波動值兩部分，導出了計算通過圍護結構內表面進入房間的最大熱流密度的公式。將80代初通用住宅外圍護結構最大熱流密度減小35%，即得出了節能住宅外圍護結構最大控制熱流密度，經分析得出內表面溫度波幅值范圍并進行了討論。導出的公式既適用于重質圍護結構的計算，也適用于輕質圍護結構的計算。[5]給出的舒適性空調屋蓋、外墻傳熱系數限值恐只適用于重質圍護結構，值得進一步探索。
3．依據成都地區(及我國南方廣大地區)空調及采暖現狀，對舒適性空調及采暖房間內隔墻及樓板的現狀進行了論證，給出了傳熱系數限值，推薦了幾種符合要求的地板和樓板，指出了節能建筑設計時不容忽視的方面。
6．參考文獻
[1]中華人民共和國行業標準<<民用建筑節能設計標準>>(采暖居住建筑部分) JGJ 26—95 中國建筑工業出版社 1996 北京
[2]<<成都地區住宅建筑節能管理規定>>(試行)2000年成都地區<<規定>>編制組
[3]中華人民共和國國家標準<<民用建筑熱上設計規范>>GB50176—93中華人民共和國建設部 1993年10月
[4]<<建筑熱工設計>>西安冶金建筑學院建筑物理實驗室編 中國建筑工業出版社 1977年10月第一版
[5]中華人民共和國國家標準<<采暖通風與空氣調節設計規范>>GBJ19—87 中國有色金屬工業總公司主編
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