建筑論文外保溫節(jié)能個(gè)性與共性的研究

1、    建筑論文|外保溫節(jié)能個(gè)性與共性的研究    外墻外保溫系統(tǒng)起源于氣候寒冷的歐洲大陸，20世紀(jì)末期進(jìn)入我國北方嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)。但對建筑物采取外保溫措施，節(jié)能效果到底如何，一直是業(yè)界十分關(guān)心的問題。            由瓦克聚合物材料（上海）有限公司發(fā)起，聯(lián)合北京、上海、廣州3所高校和系統(tǒng)供應(yīng)商共同啟動了“外墻外保溫系統(tǒng)在多種氣候條件下的應(yīng)用”研究項(xiàng)目。在代表寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬

2、暖地區(qū)的上述三地同時(shí)建造兩間完全相同的樣板房，其中一間安裝外保溫系統(tǒng)，一間未安裝。經(jīng)過一年多的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，外墻保溫系統(tǒng)在不同氣象條件下都能夠改善住宅舒適性，具有非常明顯的節(jié)能效果。    對比外保溫房特點(diǎn)    （1）對比房的實(shí)驗(yàn)條件。未保溫房與保溫房的幾何參數(shù)必須完全相同，均為無窗建筑，且修建于空曠場地，其凈面積、凈高、朝向要保持一致，對比房的屋頂、地面的熱工性能也要完全相同；三城市未保溫房與保溫房的墻體使用材料與外保溫系統(tǒng)相同，但不同地方的墻體材料略有不同(北京，多孔粘土磚，上海，混凝土空心砌塊，廣州，灰砂磚)；

3、未保溫房與保溫房安裝的空調(diào)為1.5匹同樣型號，每個(gè)空調(diào)單接510A的電表，人工記錄電表讀數(shù)并比較其用電量；未保溫房與保溫房安裝完全相同的換氣扇（90m3h）；未保溫房與保溫房的空調(diào)設(shè)置為冬季加熱20，夏季制冷25。     （2）對比房室內(nèi)外氣象條件。盡管北京、上海、廣州的保溫房與未保溫房冬季空調(diào)設(shè)定溫度均為20，但實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果仍然存在一定誤差。為了使模擬條件與實(shí)測的情況一致，模擬時(shí)以12月室內(nèi)平均氣溫的實(shí)測數(shù)據(jù)作為室內(nèi)設(shè)定條件。對于保溫房，北京、上海、廣州的室內(nèi)溫度估計(jì)分別為22、21、23；未保溫房，室內(nèi)溫度分別為19、16、21.6（即文獻(xiàn)所述分別

4、低3、5和1.4）。由此可以看出，三地室外逐時(shí)氣象條件對實(shí)驗(yàn)建筑的耗電量有重要的影響。    實(shí)測電耗與模擬結(jié)果的對比    根據(jù)三地外保溫對比房的熱工特性及室內(nèi)外氣象條件，利用特征溫度法對外保溫房與未保溫房的能耗進(jìn)行模擬，從模擬結(jié)果得知，對于保溫房，模擬的月采暖耗電量與實(shí)測的耗電量是比較接近的。北京的月耗電量偏小是因?yàn)槟M用氣象的月均溫度比實(shí)測月均溫度要高；上海偏大是因?yàn)槟M用氣象的月均溫度比實(shí)測月均溫度偏低所致；廣州的月耗電量偏小，一是因?yàn)樵戮鶞囟缺葘?shí)測月均溫度要高，二是因?yàn)閺V州氣溫較高，可能有一定的空調(diào)耗電量

5、，而對比實(shí)驗(yàn)只有一個(gè)電表無法區(qū)分所致，因缺乏公開的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而沒有模擬使偏差略大。但對于未保溫房，按相同COP模擬的月采暖耗電量雖然高于保溫房的模擬和實(shí)測的耗電量，總體趨勢是正確的，但是，對應(yīng)城市耗電量值低于或遠(yuǎn)低于實(shí)測的耗電量。我們認(rèn)為，主要是因?yàn)槿貙?shí)驗(yàn)對比房選用了完全相同的空調(diào)設(shè)備。未保溫房采暖負(fù)荷遠(yuǎn)高于保溫房的采暖負(fù)荷，當(dāng)室外氣溫較低時(shí)，采暖負(fù)荷較大（尤其是未保溫房負(fù)荷更大），熱泵式空調(diào)設(shè)備不能滿足室內(nèi)負(fù)荷要求時(shí)，可能會開啟電加熱輔助加熱裝置，因此會使熱泵的COP值降低，耗電量增加。因此在同一地方，即使采用完全相同的風(fēng)冷熱泵時(shí)，其COP值也可能是不同的。   

6、;      綜上所述，在三地對比實(shí)驗(yàn)條件下，利用特征溫度法模擬采暖耗電量得到如下結(jié)論：（1）氣象條件的顯著不同決定相同建筑在不同地方的負(fù)荷和能耗完全不同；（2）當(dāng)對相同建筑采取相同的外墻外保溫措施，采暖負(fù)荷及耗電量在不同城市均有不同程度的降低，不同城市的月耗電量的降低量(即為節(jié)能量)是完全不同的，最大相差達(dá)2倍，說明氣象條件也決定節(jié)能量的大??；（3）由于相同的外保溫系統(tǒng)在全國不同城市的初投資差異不大，因此，相同的保溫系統(tǒng)在不同氣候的城市的投資回報(bào)率和節(jié)能潛力存在顯著的差異；(4)對于保溫房，三地采暖耗電量的模擬值與實(shí)測結(jié)果是比較接近的；(5)

7、對于未保溫房，三地采暖耗電量的模擬值與實(shí)測結(jié)果存在一定的差異；(6)模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比表明，用特征溫度法進(jìn)行建筑的負(fù)荷計(jì)算及能耗分析是可靠的。        對比實(shí)驗(yàn)的局限性    通過對比實(shí)驗(yàn)推斷外保溫系統(tǒng)在不同氣候區(qū)域的節(jié)能率是值得商榷的。主要有以下原因：盡管對比建筑的幾何特征在三地完全相同，保溫材料和屋頂處理完全相同，但外墻主體熱工性能存在明顯差異，因此，三地的建筑并非嚴(yán)格的相同；由于實(shí)驗(yàn)測定的是耗電量，對于某些時(shí)刻，當(dāng)室外氣溫較低時(shí)，未保溫房負(fù)荷較大，設(shè)備能效比

8、較低，這些時(shí)刻的耗電量就大，與保溫房相比，節(jié)能率很高。但節(jié)能率里即包括外保溫系統(tǒng)的貢獻(xiàn)，又有設(shè)備能效比的降低的貢獻(xiàn)，因此，很難把外保溫系統(tǒng)對節(jié)能的貢獻(xiàn)區(qū)分出來。因此通過現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很難得出外保溫盡管系統(tǒng)的節(jié)能率。     項(xiàng)目的策劃者煞費(fèi)苦心，但是，在各地測試過程中，由于種種原因，客觀上對比建筑在不同地方很難達(dá)到完全相同的運(yùn)行參數(shù)，導(dǎo)致最終耗電量變化的影響因素太復(fù)雜。逐時(shí)能效比測量操作上有一定難度，太陽總輻射、散射、逐時(shí)風(fēng)速均會影響建筑的耗電量，只有將所有因素逐一測量，才能得到外墻外保溫系統(tǒng)的節(jié)能率。本項(xiàng)目火柴盒式建筑便是如此，真正有窗類建筑更要復(fù)雜得

9、多，需要投入更多的人力、物力、財(cái)力，這是對比實(shí)驗(yàn)的局限所在。        對比房的室內(nèi)外模擬條件    要客觀地評價(jià)外保溫系統(tǒng)在不同氣候條件下的節(jié)能效果，應(yīng)該是在室內(nèi)設(shè)定溫度一致，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能、系統(tǒng)能效比完全相同的條件下比較。最好的辦法是通過全年負(fù)荷模擬和能耗分析來研究。通過對哈爾濱、北京、上海、廣州、武漢、重慶、昆明和烏魯木齊等8個(gè)城市的氣象條件下，用特征溫度法研究同樣的對比房、完全相同的設(shè)定條件的全年負(fù)荷情況，對解決相同外保溫系統(tǒng)在不同氣候下的節(jié)能率是否相近這一普遍

10、關(guān)心的問題起到了一定的作用。         如果把上述兩個(gè)對比建筑放置到不同氣象條件的背景城市，那么我們就可以研究在所有設(shè)定條件相同的情況下，相同的外墻外保溫系統(tǒng)在不同氣候條件下全年的能耗變化規(guī)律。利用特征溫度法進(jìn)行能耗模擬時(shí)，使用的逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)有：干球溫度、水平面太陽輻射、法向直射輻射、逐時(shí)濕度及室外風(fēng)速等。    全年累計(jì)冷、熱負(fù)荷模擬結(jié)果    根據(jù)相應(yīng)城市的逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)和上述對比建筑的設(shè)定條件，利用特征法模擬了8城市的全年累計(jì)

11、采暖負(fù)荷和空調(diào)負(fù)荷，其結(jié)果為：(1)對于平均氣溫較低的城市，其全年累計(jì)采暖負(fù)荷較大，而全年累計(jì)空調(diào)負(fù)荷較?。?2)各城市的全年采暖負(fù)荷最大相差9.9倍，而各城市的全年空調(diào)負(fù)荷最大相差20.5倍，說明氣象條件的顯著不同決定相同建筑在不同地方的全年負(fù)荷完全不同；(3)當(dāng)對相同建筑采取相同的外墻外保溫措施，全年的采暖負(fù)荷在不同城市均有不同程度的降低，全年空調(diào)負(fù)荷在不同城市也有不同程度的降低；(4)相同的外墻外保溫系統(tǒng)使不同城市的全年負(fù)荷的降低量(當(dāng)系統(tǒng)能效比相同時(shí)，即為節(jié)能量)是完全不同的，最大相差達(dá)1020倍。說明氣象條件決定節(jié)能量的大小不同；(5)由于相同的外保溫系統(tǒng)在全國不同城市的初投資差異不

12、大，因此，相同的保溫系統(tǒng)在不同氣候的城市的投資回報(bào)率和節(jié)能潛力存在顯著的差異。這是建筑外保溫系統(tǒng)節(jié)能的個(gè)性。        相同系統(tǒng)在不同氣象下的節(jié)能率    為了比較相同外保溫系統(tǒng)在不同氣候條件下的節(jié)能率，以未保溫房的全年負(fù)荷為比較基礎(chǔ)進(jìn)行分析。由于全年負(fù)荷與能耗的關(guān)系取決于系統(tǒng)的能效比，當(dāng)假設(shè)系統(tǒng)能效比在不同城市相同時(shí)，負(fù)荷降低率即為節(jié)能率。結(jié)果表明：（1）盡管8個(gè)城市的全年采暖負(fù)荷最大相差達(dá)10倍以上，但是，相同外保溫系統(tǒng)在不同城市的采暖節(jié)能率卻是非常相近的；(2)盡管

13、8個(gè)城市全年空調(diào)負(fù)荷最大相差達(dá)20倍以上，但是相同外保溫系統(tǒng)在不同城市的空調(diào)節(jié)能率也是基本相近的。         我們不難發(fā)現(xiàn)，建筑外保溫系統(tǒng)節(jié)能的共性規(guī)律，即對相同建筑采取相同的外保溫措施，在不同城市其節(jié)能率是相近的，但是這種相近性并不完全相同。事實(shí)上，上述全年的節(jié)能率是建立在對全年負(fù)荷變化規(guī)律分析的基礎(chǔ)上得到的，它代表了全年能耗變化的宏觀特征。為了揭示全年節(jié)能率總體相近但又絕非完全相同的特性，通過對重慶和哈爾濱對比分析逐時(shí)、逐月空調(diào)負(fù)荷降低率的變化分布規(guī)律與全年空調(diào)節(jié)能率的內(nèi)在聯(lián)系，結(jié)論也基本如此。 

14、;       逐時(shí)負(fù)荷降低率對比分析    (1)當(dāng)逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷較大時(shí)，相同外保溫系統(tǒng)的建筑空調(diào)負(fù)荷節(jié)能率較低，且變化不大。因未保溫房的基礎(chǔ)負(fù)荷較大，節(jié)能量也較大，比值變化小；(2)當(dāng)空調(diào)負(fù)荷較小時(shí)，空調(diào)負(fù)荷節(jié)能率較高；(3)當(dāng)換氣量較大時(shí)，空調(diào)負(fù)荷節(jié)能率降低，主要是因?yàn)閾Q氣量同時(shí)額外增加了保溫房與未保溫房的負(fù)荷，而節(jié)能量基本不變，所以空調(diào)節(jié)能率總體降低。而節(jié)能率的變化范圍是相近的，這就決定了全年空調(diào)節(jié)能率相近的必然性。逐月對比分析逐時(shí)的負(fù)荷變化規(guī)律影響逐月的負(fù)荷變化規(guī)律，從而最終影

15、響全年宏觀的節(jié)能率。通過對重慶、哈爾濱和昆明三城市的逐月空調(diào)負(fù)荷節(jié)能率變化分布規(guī)律可以看出，在全國的不同地方，不管是什么氣象條件，對相同建筑采取相同的外保溫系統(tǒng)，盡管建筑本身的全年負(fù)荷及節(jié)能量差異非常大，但同樣措施的節(jié)能率是相近的；對于同一地方，對同一建筑采取某種節(jié)能措施后，在建筑使用壽命內(nèi)，不管當(dāng)?shù)馗髂隁庀蟠嬖诙啻蟮牟町?，各年的能耗及該措施的?jié)能量肯定是不同的，但對建筑采取節(jié)能措施后，各年的節(jié)能率肯定是相近的。這為在全國各地實(shí)施一系列現(xiàn)行建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，提供了強(qiáng)有力的理論依據(jù)。    結(jié)論    （1）對于保溫房，

16、三地采暖耗電量的模擬值與實(shí)測結(jié)果是比較接近的；對于未保溫房，三地采暖耗電量的模擬值與實(shí)測結(jié)果存在較大的差異。     （3）模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比表明，用特征溫度法進(jìn)行建筑的負(fù)荷計(jì)算及能耗分析是可靠的。     （4）對比實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果表明，完全相同的對比建筑，在不同城市，全年的采暖與空調(diào)負(fù)荷是完全不同的，全年負(fù)荷在同城市的差異可達(dá)1020倍，說明氣象條件是決定負(fù)荷大小的外在因素。     （5）對于相同建筑采用相同的外保溫系統(tǒng)，采暖負(fù)荷和空調(diào)負(fù)荷的全年減低量，在不同城市差異可能達(dá)到數(shù)十倍。由于