建筑論文外保溫節(jié)能個性與共性的研究

1、建筑論文|外保溫節(jié)能個性與共性的研究    外墻外保溫系統(tǒng)起源于氣候寒冷的歐洲大陸，20世紀末期進入我國北方嚴寒和寒冷地區(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)供應商共同啟動了“外墻外保溫系統(tǒng)在多種氣候條件下的應用”研究項目。在代表寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)的上述三地同時建造兩間完全相同的樣板房，

2、其中一間安裝外保溫系統(tǒng)，一間未安裝。經(jīng)過一年多的實驗發(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     （1）對比房的實驗條件。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)；未保溫房與保溫房安裝的空調(diào)為1.5匹同樣型號

3、，每個空調(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)設定溫度均為20，但實驗測定結果仍然存在一定誤差。為了使模擬條件與實測的情況一致，模擬時以12月室內(nèi)平均氣溫的實測數(shù)據(jù)作為室內(nèi)設定條件。對于保溫房，北京、上海、廣州的室內(nèi)溫度估計分別為22、21、23；未保溫房，室內(nèi)溫度分別為19、16、21.6（即文獻所述分

4、別低3、5和1.4）。由此可以看出，三地室外逐時氣象條件對實驗建筑的耗電量有重要的影響。    實測電耗與模擬結果的對比    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行模擬，從模擬結果得知，對于保溫房，模擬的月采暖耗電量與實測的耗電量是比較接近的。北京的月耗電量偏小是因為模擬用氣象的月均溫度比實測月均溫度要高；上海偏大是因為模擬用氣象的月均溫度比實測月均溫度偏低所致；廣州的月耗電量偏小，一是因為月均溫度比實測月均溫度要高，二是因為廣州氣溫較高，可能有一定的空調(diào)耗電

5、量，而對比實驗只有一個電表無法區(qū)分所致，因缺乏公開的實驗數(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測的耗電量，總體趨勢是正確的，但是，對應城市耗電量值低于或遠低于實測的耗電量。我們認為，主要是因為三地實驗對比房選用了完全相同的空調(diào)設備。未保溫房采暖負荷遠高于保溫房的采暖負荷，當室外氣溫較低時，采暖負荷較大（尤其是未保溫房負荷更大），熱泵式空調(diào)設備不能滿足室內(nèi)負荷要求時，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冷熱泵時，其COP值也可能是不同的。  

6、0;         綜上所述，在三地對比實驗條件下，利用特征溫度法模擬采暖耗電量得到如下結論：（1）氣象條件的顯著不同決定相同建筑在不同地方的負荷和能耗完全不同；（2）當對相同建筑采取相同的外墻外保溫措施，采暖負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率和節(jié)能潛力存在顯著的差異；(4)對于保溫房，三地

7、采暖耗電量的模擬值與實測結果是比較接近的；(5)對于未保溫房，三地采暖耗電量的模擬值與實測結果存在一定的差異；(6)模擬結果與實測數(shù)據(jù)的對比表明，用特征溫度法進行建筑的負荷計算及能耗分析是可靠的。         對比實驗的局限性    通過對比實驗推斷外保溫系統(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，三地的建筑并非嚴格的相同；由于實驗測定的是耗電量，對于某些時

8、刻，當室外氣溫較低時，未保溫房負荷較大，設備能效比較低，這些時刻的耗電量就大，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，又有設備能效比的降低的貢獻，因此，很難把外保溫系統(tǒng)對節(jié)能的貢獻區(qū)分出來。因此通過現(xiàn)有的實驗數(shù)據(jù)很難得出外保溫盡管系統(tǒng)的節(jié)能率。        項目的策劃者煞費苦心，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到完全相同的運行參數(shù)，導致最終耗電量變化的影響因素太復雜。逐時能效比測量操作上有一定難度，太陽總輻射、散射、逐時風速均會影響建筑的耗電量，只有將所有因

9、素逐一測量，才能得到外墻外保溫系統(tǒng)的節(jié)能率。本項目火柴盒式建筑便是如此，真正有窗類建筑更要復雜得多，需要投入更多的人力、物力、財力，這是對比實驗的局限所在。         對比房的室內(nèi)外模擬條件    要客觀地評價外保溫系統(tǒng)在不同氣候條件下的節(jié)能效果，應該是在室內(nèi)設定溫度一致，圍護結構熱工性能、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個城市的氣象條件下，用特征溫度法研究同樣的

10、對比房、完全相同的設定條件的全年負荷情況，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關心的問題起到了一定的作用。            如果把上述兩個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。利用特征溫度法進行能耗模擬時，使用的逐時氣象數(shù)據(jù)有：干球溫度、水平面太陽輻射、法向直射輻射、逐時濕度及室外風速等。    全年累計冷、熱

11、負荷模擬結果     根據(jù)相應城市的逐時氣象數(shù)據(jù)和上述對比建筑的設定條件，利用特征法模擬了8城市的全年累計采暖負荷和空調(diào)負荷，其結果為：(1)對于平均氣溫較低的城市，其全年累計采暖負荷較大，而全年累計空調(diào)負荷較??；(2)各城市的全年采暖負荷最大相差9.9倍，而各城市的全年空調(diào)負荷最大相差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荷完全不同；(3)當對相同建筑采取相同的外墻外保溫措施，全年的采暖負荷在不同城市均有不同程度的降低，全年空調(diào)負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荷的降低量(當系統(tǒng)能效

12、比相同時，即為節(jié)能量)是完全不同的，最大相差達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大，因此，相同的保溫系統(tǒng)在不同氣候的城市的投資回報率和節(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荷為比較基礎進行分析。由于全年負荷與能耗的關系取決于系統(tǒng)的能效比，當假設系統(tǒng)能效比在不同城市相同時，負荷

13、降低率即為節(jié)能率。結果表明：（1）盡管8個城市的全年采暖負荷最大相差達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8個城市全年空調(diào)負荷最大相差達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。事實上，上述全年的節(jié)能率是建立在對全年負荷變化規(guī)律分析的基礎上得到的，它代

14、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、逐月空調(diào)負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，結論也基本如此。         逐時負荷降低率對比分析     (1)當逐時空調(diào)負荷較大時，相同外保溫系統(tǒng)的建筑空調(diào)負荷節(jié)能率較低，且變化不大。因未保溫房的基礎負荷較大，節(jié)能量也較大，比值變化小；(2)當空調(diào)負荷較小時，空調(diào)負荷節(jié)能率較高；(3)當換氣量較大時，空調(diào)負荷節(jié)能率降低，主要是因為換氣量同時額外增

15、加了保溫房與未保溫房的負荷，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。逐月對比分析逐時的負荷變化規(guī)律影響逐月的負荷變化規(guī)律，從而最終影響全年宏觀的節(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?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

16、率肯定是相近的。這為在全國各地實施一系列現(xiàn)行建筑節(jié)能標準，提供了強有力的理論依據(jù)。    結論     （1）對于保溫房，三地采暖耗電量的模擬值與實測結果是比較接近的；對于未保溫房，三地采暖耗電量的模擬值與實測結果存在較大的差異。        （3）模擬結果與實測數(shù)據(jù)的對比表明，用特征溫度法進行建筑的負荷計算及能耗分析是可靠的。     （4）對比實驗與模擬結果表明，完全相同的對比建筑，在不同城市，全年的采暖與空調(diào)負荷是完全不同的，全年負荷在同城市的差異可達1020倍，說明氣象條件是決定負荷大小的外在因素。        （5）對于相同建筑采用相同的外保溫系統(tǒng)，采暖負荷和空調(diào)負荷的全年減低量，在不同城市差異可能達到數(shù)十倍。由于相同外保溫系統(tǒng)在不同城市的初投資差異不大，故相同節(jié)能措施在不同氣象條件下的城市其經(jīng)濟價值和節(jié)能潛力是完全不同的。    &#