单体住宅建筑围护结构采暖能耗分析

提要 　本文使用集成于CAD之上的模拟软件DeST(Designer's Simulation Toolkit),通过状态空间法计算房间的冷、热负荷和热特性,对北京地区典型的板式和塔式住宅建筑进行了逐时模拟计算。计算中考虑建筑外表面的阴影遮挡、建筑内部发热量、房间与外界以及房间之间的通风换气。最后得出不同朝向、体形系数、外墙传热系数时建筑的采暖耗热量与热负荷指标。通过分析这些结果，得出不同建筑参数对冬季两个采暖指标的影响，从而给出住宅建筑整体设计的相关指导性结果。对实际中可能出现的朝向、体形系数的建筑，本文则给出了耗热量和热负荷指标的变化比例。为了达到节能要求，对于偏东西朝向或体形系数超出标准的建筑物，需要降低围护传热系数，加强保温性能，以满足节能住宅相关标准。
　　
关键词 　耗热量指标 热负荷指标 住宅建筑

一、前言

　　目前，建筑能耗（包括建材生产能耗、建筑施工能耗、建筑使用能耗）占国家总能耗的第一位。我国的建筑能耗约占总能耗的25%，在一些发达国家可高达30%～40%，因此建筑节能具有非同一般的意义。在建筑能耗中，使用能耗（按期50年计）约占总能耗的80%～90%。建筑围护结构能耗是建筑使用能耗的重要组成部分，其占建筑能耗的比例随建筑类型的不同而有差异，其中住宅建筑的围护结构能耗所占比例圈套。减少住宅建筑的围护结构能耗对于建筑节能具有非同一般的意义。
　　
二、计算对象描述与条件设定
　　
　　在Dest软件中构造住宅建筑，砖混结构的板式与塔式住宅（图1），通过模拟计算得出其冬季采暖的耗热量与热负荷指
标。
　 　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　图1　板式（左）和塔式（右）建筑平面图及各户编号
　　
　　计算中使用北京地区气象数据，采暖期平均外温为-1.4℃，低于-9℃时间为122小时，平均总辐射强度为384W/m₂，平均散射辐射强度为114 W/m₂。采暖天数由11月12日至次年3月20日，共129天。建筑内部发热量按照《民用建筑节能设计标准》（采暖居住建筑部分）定义采暖期内住宅单位建筑面积的建筑物内部得热量（包括炊事、照明、家电和人体散热）为3.8 W/m₂。房间与外界的换气次数按照《建筑外窗空气渗透性能分级及其检测方法》（GB7107）中建筑外窗空气渗透性能分级规定的级水平定义，即空气渗透量为2.5m₃(m·h)。内部房间之间的换气次数为0.5次。
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　建筑围护结构定义 　　表1

类别 板楼 塔楼 构件名称 导热热阻
（m₃K)/W·h 传热系数
W/m₂ 构件名称 导热热阻
（m₃K)/W·h 传热系数
W/m₂ 外墙 37砖外墙 0.629 1.04 混凝土保温外墙 0.647 1.02 内墙 24砖外墙 0.338 1.10 混凝土隔墙 0.237 1.24 楼梯间内墙 37砖内墙 0.629 0.83 混凝土保温内墙 0.647 0.82 屋顶 加气混凝土保温屋面 0.607 0.54 加气混凝土保温屋面 0.607 0.54 楼地 混凝土保温楼地 3.239 0.29 混凝土保温楼地 3.239 0.29 楼板 钢筋混凝土保温楼板 1.895 0.32 钢筋混凝土保温楼板 1.895 0.32 门 双层实体木制外门 ―― 2.3 双层实体木制外门 ―― 2.3 窗 双层铝合金窗 ―― 3.2 双层铝合金窗 ―― 3.2

三、模拟计算结果及分析
　　
　　1．不同朝向计算结果
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　不同朝向的耗热量与热负荷结果汇总（W/m₂） 表2

　　南向角度 270度 255度 240度 225度 210度 195度 180度 　6层板楼耗热量 19.63 19.83 240.33 20.80 21.04 21.11 21.17 　16层板楼耗热量 18.67 18.80 19.16 19.45 19.52 19.45 19.45 　6层板楼热负荷 37.71 38.54 42.28 45.02 46.27 46.85 47.49 　16层板楼热负荷 38.64 38.67 38.84 38.97 39.01 39.05 39.17

　　按照最大的幅度计算，板楼与塔楼的耗热量分别增加7.8%和4.5%，热负荷分别增加25.9%和1.4%。
　　6层板楼和16层塔楼不同朝向时的耗热量指标
　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2　不同朝向时势建筑物耗热量指标（W/m₂）
　　
　　朝向对耗热量指标、热负荷招标的影响可总结为：
　　1．建筑物朝向的变化主要为接受的太阳辐射多少的变化：
　　2．建筑物朝南时耗热量和热负荷最小，南向角度变化后，两指标祭同程度地增大；
　　3．板楼的耗热量和热负荷受朝向影响较大，塔楼则不明显；
　　4．部分房间由于所处位置的原因，会有相反的变化，但不影响整幢建筑的变化趋势。
　　
　　2．不同体形系数计算结果
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　图3　建筑物大批量指标随体形系数变化曲线
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　图4　建筑物热负荷指标随体形系数变化曲线
　　
　　体形系数对耗热量指标、热负荷指标的影响可总结为：
　　　　1．随着体形系数增加，建筑的耗热量与热负荷指标分别提高；
　　　　2．体形系数接近时，板式和塔式建筑耗热量基本相当，而塔式建筑的热负荷明显大于板式；
　　　　3．体形系数对建筑耗热量和热负荷的影响程度不同；板式建筑变化趋势更明显。
　　

　　3 同外墙传热系数计算结果

　　　　　　　　　　　　　　　不同外墙保温厚度时的建筑耗热量与热负荷指标 表3 6层板楼 16层塔楼 外墙保温厚度
mm 外墙传热系数
W/（m₂·K） 耗热量指标
W/m₂ 热负荷指标
W/m₂ 外墙保温厚度
mm 外墙传热系数
W/（m₂·K） 耗热量指标
W/m₂ 热负荷指标
W/m₂ 0 1.04 19.63 37.71 0 1.02 18.67 38.64 15 0.82 17.64 35.46 30 0.92 17.98 38.24 30 0.68 16.94 34.49 50 0.70 16.26 35.45 50 0.55 15.32 32.06 70 0.56 15.17 33.56 80 0.43 14.16 29.78 100 0.44 14.22 32.36

　　　　　　　　　　　　　　建筑耗热量与热负荷指标随外墙传热系数减小比例 表4

外墙传热系数减小 耗热量减小 热负荷减小 外墙传热系数减小 耗热量减小 热负荷减小 -21.29% -10.14% -5.97% -9.88% -3.07% -1.05% -35.10% -12.71% -8.54% -31.66% -12.91% -8.26% -47.37% -21.95% -14.99% -44.96% -18.78% -13.16% -59.03% -27.89% -21.03% -57.39% -23.84% -16.25%

　　根据外墙、外窗、屋顶的传热系数及各自面积，可以由
　　计算出整个建筑的综合传热系数K。
　　
　　　　　　　　　　　　　　建筑耗热量与热负荷指标随综合传热系数减小比例 表5

6层板楼 16层塔楼 综合传热系数K减小 耗热量减小 热负荷减小 综合传热系数K减小 耗热量减小 热负荷减小 -21.29% -10.14% -5.97% -9.88% -3.70% -1.05% -35.10% -13.71% -8.54% -31.66% -12.91% -8.26% -47.37% -21.95% -14.99% -44.96% -18.78% -13.16% -59.03% -27.89% -21.03% -57.39% -23.84% -16.25%

　　建筑的耗热量减小比例与建筑综合传热系数K的减小比例基本一致，建筑的热负荷减小比例低于耗热量的减小比例。
　　
四、结论
　　
　　根据以上结果，可以总结出节能建筑朝向、体形系数、窗墙比以及外墙传热系数的取值情况。
　　建筑朝向尽可能是坐北朝南，即南向角度0度，偏东或偏西尽量不超过15度。最好的体形是长轴朝东西的长方形，板式住宅优于点式住宅。在可能的情况下，应尽量避免建造东西向建筑。在建筑物各部分围护结构传热系数和窗墙面积比不变的情况下，耗热量与热负荷指标随体形系数增大而升高。在满足建筑功能的前提下，体形系数应尽量小，一般建筑都应控制在0.30以下，高层建筑更容易做到这一点。外围护结构的传热系数则应该综合考虑外墙、外窗以及屋顶等等，因为综合传热系数K最终影响着建筑物能耗情况。
　　
　　
参考文献
　　
　　1．彦启森，赵床珠，建筑热过程，北京：中国建筑工业出版社，1986。
　　2．陆耀庆，供暖通风设计手册，北京：中国建筑工业出版社，1987。

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