低密度住宅墻體熱工性能分析

 

摘要： 本文立足于上海地區(qū)，根據(jù)該地區(qū)的實際情況和低密度住宅現(xiàn)狀的調(diào)查結(jié)果，以《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》為 參考 ，借助于能耗 分析 軟件TRACETM 700對 目前 低密度住宅的一些常見墻體形式和新型墻體材料進行熱工性能模擬，并進行簡單的 經(jīng)濟 分析，得出一些結(jié)論和提出建議。 關(guān)鍵詞： 建筑節(jié)能 低密度住宅 熱工性能 

 

0 引言建筑能耗的劇烈增長引發(fā)了一系列環(huán)境、能源和 社會  問題 。我國的建筑能耗占全國能耗量的1/4以上，其中建筑采暖、空調(diào)、照明占14%，建筑建造能耗為11%[1]。而且在我國經(jīng)濟比較發(fā)達的中心城市中建筑能耗還會有很大的增長空間。因此實施建筑節(jié)能不僅可以有效地節(jié)約能源，減少對環(huán)境造成的直接或間接的壓力，而且還能降低電網(wǎng)的負荷，保證社會的穩(wěn)定。在本文中，筆者著重討論建筑圍護結(jié)構(gòu)部分的外墻體熱工性能。墻體是建筑圍護結(jié)構(gòu)的主要組成部分，在建筑物采暖、空調(diào)負荷中，圍護結(jié)構(gòu)的傳熱占了很大一部分比重，通過外墻傳熱所造成的能耗損失約占建筑的外圍護結(jié)構(gòu)總能耗損失的48%[2]。墻體熱工性能直接 影響 著建筑的能耗水平，對于建筑節(jié)能有著極其重要的意義。上海不屬于冬季采暖區(qū)，歷年來建筑設(shè)計對于圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能沒有給予特殊重視，因此該地區(qū)建筑圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能要比采暖地區(qū)差很多。本文所 研究 的對象——低密度住宅因其自身的特點，與其他類型的住宅建筑相比建筑能耗較高，筆者認為對低密度住宅的墻體進行熱工性能分析有著迫切的現(xiàn)實意義。因此，筆者針對上海地區(qū)2003年新建低密度住宅的墻體材料的使用現(xiàn)狀做了詳細的調(diào)研，并根據(jù)調(diào)研結(jié)果，采用美國特靈公司開發(fā)的能耗模擬軟件TRACETM 700，模擬一幢典型的兩層獨立式住宅，分析由于不同墻體形式對建筑負荷與能耗的綜合影響，并選擇幾種墻體進行了簡單的經(jīng)濟分析。1 上海整體環(huán)境以及低密度住宅材料使用現(xiàn)狀的調(diào)研結(jié)果1.1 上海整體環(huán)境上海屬于夏熱冬冷地區(qū)，夏季連晴的高溫天氣中，室內(nèi)溫度超過30℃，冬季室內(nèi)外溫差只有1~4℃，室內(nèi)陰冷，溫度不到12℃，人在室內(nèi)坐久，則感到寒氣襲人。在建筑節(jié)能實踐的層面上，上海與西方國家相比還存在相當大的差距，具體數(shù)據(jù)參見表1。英國標準在能源危機前外墻傳熱系數(shù)值為1.6W/(m2.℃)，現(xiàn)已降至0.45 W/(m2.℃)，而上海的節(jié)能標準規(guī)定，外墻體的傳熱系數(shù)上限值為1.5 W/(m2.℃)，可見差距是非常大的。因此迫切需要對住宅建筑的外墻體進行革新，實現(xiàn)建筑節(jié)能。表1 上海與先進國家在建筑傳熱系數(shù)值方面的比較 國別節(jié)能標準瑞典英國美國傳熱系數(shù)

 

W/(m2.℃)外墻≤1.50.170.450.3~0.5窗戶≤3.22.02.0~2.6屋頂≤1.00.120.450.15說明：其中上海地區(qū)窗戶傳熱系數(shù)值的規(guī)定是在窗墻面積比0.25且≤0.35的前提條件下設(shè)定。1.2 上海低密度住宅材料 應(yīng)用 現(xiàn)狀的調(diào)查與分析2004年4月我們就上海地區(qū)低密度住宅材料使用的現(xiàn)狀作了一次隨機抽樣調(diào)查。低密度住宅就是指建筑容積率不大于0.9或套密度不大于3.5（套／1000平方米）且層數(shù)在四層以下的住宅[3]。本次調(diào)研活動的對象是2003年在上海新建成的獨立式住宅、聯(lián)排式住宅、疊加別墅或低于六層的多層住宅。共發(fā)放問卷250份，收回問卷60份，其中有效問卷42份，涉及調(diào)研人員125人，被訪樓盤覆蓋上海10大區(qū)域。因此能基本和客觀地反映目前上海新建低密度住宅建筑材料使用的主流現(xiàn)狀。調(diào)研數(shù)據(jù) 總結(jié) 如下：(1) 樓地：多為混凝土碎石和磚塊樓地。(2) 地坪以上外墻體材料：100%為混凝土或石材墻體，組成略有不同，所占比例參見表2。(3) 地坪以上墻體：100%無保溫材料。(4) 樓板：多為鋼筋混凝土樓板。(5) 屋頂和閣樓：100%有保溫，其中95%的保溫材料為膨脹珍珠巖，5%為聚苯板。(6) 門和窗：室外以復(fù)合門、鋼門和實木門居多，室內(nèi)多為木門；窗框使用材料見表3。表2 外墻體中各材料的比例 編號各材料組成所占比例1100%現(xiàn)澆鋼筋混凝土25%220%現(xiàn)澆混凝土+80%空心粘土磚50%350%現(xiàn)澆混凝土+50%加氣混凝土15%4混凝土砌塊10%表3 窗框使用材料 編號窗框材料所占比例1鋁合金60%2塑鋼31%3不銹鋼7%4實木2%由于低密度住宅有其特殊的消費群體，因此在以往的設(shè)計理念中，往往從美學、功能等角度加以重點設(shè)計，從根本上忽略其建筑節(jié)能的問題。但是從如今低密度住宅的能耗現(xiàn)狀看，它的耗能與普通住宅相比是非常嚴重的，據(jù)筆者所做的統(tǒng)計可知，普通住宅（1戶）全年支付的單位面積電力能耗費平均為8元/m2~38元/m2，僅為低密度住宅的35%左右。然而根據(jù)此次調(diào)查結(jié)果，我們看到上海地區(qū)新建低密度住宅材料的使用還比較單一。屋頂和樓地的保溫措施不夠完善，窗墻比從0.25~0.50，建筑很少有外遮陽，門窗氣密性不高。外墻大都是混凝土結(jié)構(gòu)或磚混結(jié)構(gòu)，還僅僅局限于單一墻體材料的使用。與我市普通的多層住宅相比，屋頂、樓地板、窗戶以及外墻體等圍護結(jié)構(gòu)的材料使用并沒有太大差別，尤其是外墻體部分，基本達不到節(jié)能標準所定的要求(傳熱系數(shù)值≤1.5 W/(m2.℃) [4]。這與國家的節(jié)能大潮相不符，也體現(xiàn)不出低密度住宅與普通住宅的特殊之處，因此我們要重視低密度住宅的建筑節(jié)能問題，運用 科學 的節(jié)能技術(shù)和可持續(xù) 發(fā)展 的理念使其真正達到長效、低耗、舒適的目標。2 不同墻體材料熱工性能的模擬、分析和比較通過調(diào)研結(jié)果得到了目前上海低密度住宅材料使用的主流現(xiàn)狀，筆者運用能耗分析軟件模擬一幢典型的兩層獨立式住宅，通過變換不同的外墻墻體材料，使熱工性能中的關(guān)鍵性指標——傳熱系數(shù)K值發(fā)生變化，從而對全年建筑負荷和能耗量發(fā)生影響。在該模擬試驗中，建筑朝向、體形系數(shù)、窗墻比、窗、門和屋頂?shù)牟牧系葏��?shù)均定為常量，唯一的變量就是不同外墻材料的傳熱系數(shù)K值。2.1 建筑模型描述該建筑模型為兩層獨立式住宅，建筑面積為215.4m2，體形系數(shù)為0.3，屋頂為角度30o 的坡屋頂，窗墻比為0.30，具體平面布置參見下圖1。

 

圖1 兩層獨立式住宅平面布置圖該住宅選用風冷熱泵機組作為空調(diào)冷、熱源，空調(diào)末端為風機盤管，空調(diào)面積為168m2。夏季室內(nèi)設(shè)計溫度為26℃，冬季室內(nèi)設(shè)計溫度為18 ℃，室內(nèi)設(shè)計相對濕度為60%。在模擬中全年24小時空調(diào)系統(tǒng)運行。天氣參數(shù)采用典型氣象年的逐時氣象資料。除外墻外其他圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)如表4所示。表4 圍護結(jié)構(gòu)的構(gòu)成和傳熱系數(shù) 圍護構(gòu)件常量參數(shù)外窗屋頂樓板樓地材料鋁合金型材雙玻窗（斷熱）水泥膨脹珍珠巖屋面110鋼筋混凝土樓板混凝土碎石樓地K值 W/(m2.℃)3.201.002.724.41在該模型中，人員結(jié)構(gòu)為五口之家，一對年輕夫婦及其父母和一個已上學的小孩。基于此次調(diào)研的結(jié)果，按照居民的生活習慣和家用電器使用情況,對室內(nèi)負荷進行了設(shè)定，如表5、6所示。新風量按30立方米/小時·人 計算 ，房間與室外的冷風滲透量為0.2次/小時。模擬采用能耗模擬軟件——特靈公司開發(fā)的TRACETM 700，通過變換外墻材料，使該模型建筑的傳熱系數(shù)K值發(fā)生變化，模擬計算該兩層獨立式住宅的建筑負荷和全年能耗量。表5 人員、照明和設(shè)備負荷率 房間類型人員照明設(shè)備娛樂室8:00~11:00:20%;14:00~16:00:20%;

 

19:00~21:00:20%;其余:0%19:00~21:00:50%;其余:0%8:00~11:00:40%;14:00~16:00:40%;

 

19:00~21:00:40%;其余:0%餐廳7:00~9:00:100%;11:00~13:00:40%;

 

18:00~20:00:40%;其余:0%18:00~20:00:100%;其余:0%10:00~12:00:10%;

 

18:00~20:00:10%;其余:0%廚房7:00~9:00:80%;11:00~13:00:100%;

 

17:00~19:00:100%;其余:0%17:00~20:00:100%;其余:0%7:00~9:00:80%;11:00~13:00:80%;

 

17:00~19:00:80%;其余:0%客廳10:00~12:00:30%;15:00~17:00:30%;

 

19:00~21:00:20%;其余:0%19:00~21:00:70%;其余:0%10:00~12:00:50%;15:00~17:00:50%;

 

19:00~21:00:50%;其余:0%老人臥室20:00~7:00:100%;

 

13:00~15:00:80%;其余:0%19:00~22:00:90%;其余:0%22:00~7:00:5%;13:00~15:00:40%;

 

19:00~22:00:60%;其余:0%起居室19:00~22:00:40%;其余:0%19:00~21:00:80%;其余:0%19:00~21:00:80%;其余:0%書房19:00~23:00:90%;其余:0%19:00~23:00:100%;其余:0%19:00~23:00:80%;其余:0%主臥室20:00~23:00:50%;

 

23:00~7:00:100%;其余:0%20:00~21:00:90%;其余:0%20:00~22:00:50%;其余:0%小孩臥室20:00~7:00:100%;其余:0%20:00~22:00:100%;其余:0%20:00~22:00:50%;其余:0%表6 人員、照明和設(shè)備負荷 房間類型人員密度(人/m2)照明負荷(W/m2)設(shè)備負荷 (W/m2)娛樂室0.6105餐廳0.35103.5廚房0.251015客廳0.2158老人臥室0.1285次衛(wèi)1無83次衛(wèi)2無108家居室0.2105書房0.181210主臥室0.0785小孩臥室0.25585主衛(wèi)無158次衛(wèi)3無832.2 五種墻體熱工性能 分析 以及 經(jīng)濟 收益的比較2.2.1 參數(shù)的設(shè)定五種外墻體的傳熱系數(shù)K值參見表7。其中1號、2號、3號墻體來自于此次調(diào)查的結(jié)果，它代表了 目前 上海低密度住宅外墻材料使用的主流現(xiàn)狀，而4號和5號墻體則是在2號墻體的基礎(chǔ)上分別添加保溫材料后滿足節(jié)能標準的墻體。表7 五種墻體的構(gòu)成和傳熱系數(shù)K值 圍護構(gòu)件變量參數(shù)外墻傳熱系數(shù) W/(m2.℃)材料組成鋼筋混凝土墻體 （1號）2.91鋼筋混凝土與空心磚的混合墻體（2號）1.89鋼筋混凝土與加氣混凝土的混合墻體（3號）1.94鋼筋混凝土與空心磚混合墻體、內(nèi)貼6mm水泥聚苯板（4號）1.50鋼筋混凝土與空心磚混合墻體、外貼30mmEPS聚苯板（5號）0.702.2.2 建筑負荷以及全年能耗量的模擬結(jié)果從模擬結(jié)果可以看到：當外墻體的傳熱系數(shù)K值從1號墻體的2.91 W/(m2.℃)逐步降低到5號墻體的0.70 W/(m2.℃)時，建筑冷負荷從26.04kW減小到20.49kW，建筑熱負荷從19.44kW減小到12.32kW，同時全年耗電量也呈明顯的下降趨勢，電力耗能量從11980kWh降低到8250kWh。建筑總負荷中的圍護結(jié)構(gòu)負荷以及室內(nèi)負荷的詳細數(shù)據(jù)參見表8，其中圍護結(jié)構(gòu)冷負荷占建筑總冷負荷的69％～75%，圍護結(jié)構(gòu)熱負荷則占建筑總熱負荷的95％～97％，相對而言室內(nèi)冷負荷占建筑總冷負荷的比例僅在21％～27％左右，所占比例較小。在這種圍護結(jié)構(gòu)傳熱負荷所占比例很大的建筑中，提高外墻的保溫絕熱性能，相對于圍護結(jié)構(gòu)傳熱負荷所占比例較小的商業(yè)建筑或 工業(yè) 建筑，其作用是比較顯著的。

 

圖2不同墻體形式下的建筑負荷

 

圖3 不同墻體形式下的全年耗電量圖4為全年12個月的電力消耗情況，其中峰值出現(xiàn)在7月和8月，谷值則出現(xiàn)在4月、5月、10月和11月，墻體傳熱系數(shù)值降低，全年能耗隨之降低，其中冬、夏季能耗降低比較顯著，而過渡季變化很小。說明提高建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能，增強其保溫隔熱能力，能夠減小建筑負荷以及全年耗能量，達到建筑節(jié)能的目的。表8 各墻體總建筑負荷詳細列表 負荷單位（kW）一號墻體二號墻體三號墻體四號墻體五號墻體冷負荷熱負荷冷負荷熱負荷冷負荷熱負荷冷負荷熱負荷冷負荷熱負荷圍護結(jié)構(gòu)負荷19.5218.8017.1215.4918.9015.6614.8514.2513.9511.68室內(nèi)負荷5.6505.6505.6505.6505.650通風負荷等0.870.640.880.640.880.640.880.640.890.64總建筑負荷26.0419.4423.6516.1325.4316.3021.3814.8920.4912.32

 

圖4 全年逐月耗電量2.2.3 經(jīng)濟性分析目前上海低密度住宅的外墻體普遍采用2號墻體，其造價最低且傳熱系數(shù)K值達到1.89W/(m2.℃)，4號和5號墻體則是在2號墻體的基礎(chǔ)上添加保溫層，使其傳熱系數(shù)K值達到節(jié)能標準——1.50 W/(m2.℃)和0.70W/(m2.℃)。在表9中，我們從經(jīng)濟收益的角度簡單比較了這三種墻體，可以明顯地看到，要提高墻體熱工性能，降低墻體傳熱系數(shù)值必然會增加墻體的初投資。達到節(jié)能標準的4號、5號墻體和未達到節(jié)能標準的2號墻體相比，增加的初投資分別為25元/m2和55元/m2，而年節(jié)約費用分別為420元和1011元，投資回收期則分別為21年和17.9年（銀行貸款利率按6% 計算 ，且僅記入材料費未計入人工費用）。表9 墻體的經(jīng)濟收益比較 墻體類型2號墻體4號墻體5號墻體傳熱系數(shù)值W/(m2.℃)1.891.500.70墻面面積(m2)199199199增加造價(元/m2)/2555年節(jié)約費用(元)/4201011投資回收期(年)/2117.9從投資回收期的角度看，這個回收周期并不理想，這也給節(jié)能墻體的推廣帶來了一定的難度。從房地產(chǎn)開發(fā)商的角度看，投資最小而能達到利益最大化是他們的目標，而采用節(jié)能墻體沒有給他們帶來明顯的收益，因此很難推廣。目前，建筑節(jié)能的 方法 很多，但關(guān)鍵是要積極響應(yīng)和貫徹實施，因此筆者認為，如果國家要有效地推動房地產(chǎn)行業(yè)的規(guī)范化，使其能夠自覺地遵守節(jié)能標準就十分有必要出臺一些經(jīng)濟獎勵制度或懲罰制度，從根本上推動上海地區(qū)節(jié)能事業(yè)的有效 發(fā)展 。3 結(jié)論根據(jù)上述的模擬和分析，筆者得到了如下幾點結(jié)論：(1) 在一定范圍內(nèi)減小墻體傳熱系數(shù)K值，可以降低建筑負荷、減少建筑能耗，但同時也會增加墻體的初投資。因此在墻體傳熱系數(shù)K值、建筑能耗和墻體初投資這三者間，必然存在一個綜合最優(yōu)值，它與住宅的各項參數(shù)和所采用的設(shè)備以及運行效率有關(guān)。⑵ 居住建筑相對于商業(yè)建筑或工業(yè)建筑，室內(nèi)負荷在建筑總負荷中所占比例相對較小且比較穩(wěn)定，因此對于居住建筑的圍護結(jié)構(gòu)實施節(jié)能措施是非常有意義的。⑶ 如果將住宅外墻體傳熱系數(shù)值降低到節(jié)能標準所規(guī)定的限值（K≤1.5 W/(m2.℃)），其投資回收期大概在18～21年左右，計算時只記入材料費用，如果記入人工費用，則投資回收期還要相應(yīng)延長。由于回收周期較長，給節(jié)能標準在上海的實施帶來了一定的困難，因此筆者認為政府有必要出臺相關(guān)政策以便推動和鼓勵節(jié)能事業(yè)的健康發(fā)展。參考  文獻 [1] 龍惟定.建筑能源管理[M]. 中國 建筑工業(yè)出版社:待出版[2] 鄒焱,商宏偉.淺談建筑墻體的節(jié)能技術(shù)[J]. 應(yīng)用 能源技術(shù),2000年第1期（總第59期）:21～22[3] 聶蘭生,舒平.低密度住宅的規(guī)劃設(shè)計與新技術(shù)的應(yīng)用[J].世界建筑,2003年7月:28～30[4] JGJ134-2001,夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準[S].中國建筑工業(yè)出版社,2001[5] 董海榮,劉加平,楊柳.多層住宅圍護結(jié)構(gòu)整體性保溫的節(jié)能效應(yīng) 研究 [J].工業(yè)建筑,2003,33（10）:11～13