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1、1上海低密度住宅墙体热工性能分析瞿燕 潘毅群 黄治钟摘要： 本文立足于上海地区，根据该地区的实际情况和低密度住宅现状的调查结果，以夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准为参考，借助于能耗分析软件 TRACETM 700 对目前低密度住宅的一些常见墙体形式和新型墙体材料进行热工性能模拟，并进行简单的经济分析，得出一些结论和提出建议。 关键词： 建筑节能 低密度住宅 热工性能 0 引言建筑能耗的剧烈增长引发了一系列环境、能源和社会问题。我国的建筑能耗占全国能耗量的 1/4 以上，其中建筑采暖、空调、照明占 14%，建筑建造能耗为11%1。而且在我国经济比较发达的中心城市中建筑能耗还会有很大的增长空间。因
2、此实施建筑节能不仅可以有效地节约能源，减少对环境造成的直接或间接的压力，而且还能降低电网的负荷，保证社会的稳定。在本文中，笔者着重讨论建筑围护结构部分的外墙体热工性能。墙体是建筑围护结构的主要组成部分，在建筑物采暖、空调负荷中，围护结构的传热占了很大一部分比重，通过外墙传热所造成的能耗损失约占建筑的外围护结构总能耗损失的 48%2。墙体热工性能直接影响着建筑的能耗水平，对于建筑节能有着极其重要的意义。上海不属于冬季采暖区，历年来建筑设计对于围护结构的保温隔热性能没有给予特殊重视，因此该地区建筑围护结构的保温隔热性能要比采暖地区差很多。本文所研究的对象低密度住宅因其自身的特点，与其他类型的住宅建
3、筑相比建筑能耗较高，笔者认为对低密度住宅的墙体进行热工性能分析有着迫切的现实意义。因此，笔者针对上海地区 2003 年新建低密度住宅的墙体材料的使用现状做了详细的调研，并根据调研结果，采用美国特灵公司开发的能耗模拟软件TRACETM 700，模拟一幢典型的两层独立式住宅，分析由于不同墙体形式对建筑负荷与能耗的综合影响，并选择几种墙体进行了简单的经济分析。1 上海整体环境以及低密度住宅材料使用现状的调研结果1.1 上海整体环境上海属于夏热冬冷地区，夏季连晴的高温天气中，室内温度超过 30，冬季室内外温差只有 14，室内阴冷，温度不到 12，人在室内坐久，则感到寒2气袭人。在建筑节能实践的层面上，
4、上海与西方国家相比还存在相当大的差距，具体数据参见表 1。英国标准在能源危机前外墙传热系数值为 1.6W/(m2.)，现已降至 0.45 W/(m2.)，而上海的节能标准规定，外墙体的传热系数上限值为1.5 W/(m2.)，可见差距是非常大的。因此迫切需要对住宅建筑的外墙体进行革新，实现建筑节能。表 1 上海与先进国家在建筑传热系数值方面的比较 国别节能标准瑞典英国美国传热系数W/(m2.)外墙1.50.170.450.30.5窗户3.22.032.02.6屋顶1.00.120.450.15说明：其中上海地区窗户传热系数值的规定是在窗墙面积比0.25 且0.35 的前提条件下设定。1.2 上海
5、低密度住宅材料应用现状的调查与分析2004 年 4 月我们就上海地区低密度住宅材料使用的现状作了一次随机抽样调查。低密度住宅就是指建筑容积率不大于 0.9 或套密度不大于 3.5（套1000平方米）且层数在四层以下的住宅3。本次调研活动的对象是 2003 年在上海新建成的独立式住宅、联排式住宅、叠加别墅或低于六层的多层住宅。共发放问卷250 份，收回问卷 60 份，其中有效问卷 42 份，涉及调研人员 125 人，被访楼盘覆盖上海 10 大区域。因此能基本和客观地反映目前上海新建低密度住宅建筑材料使用的主流现状。调研数据总结如下：(1) 楼地：多为混凝土碎石和砖块楼地。(2) 地坪以上外墙体材
6、料：100%为混凝土或石材墙体，组成略有不同，所占比例参见表 2。(3) 地坪以上墙体：100%无保温材料。(4) 楼板：多为钢筋混凝土楼板。(5) 屋顶和阁楼：100%有保温，其中 95%的保温材料为膨胀珍珠岩，5%为聚苯板。(6) 门和窗：室外以复合门、钢门和实木门居多，室内多为木门；窗框使用材料见表 3。表 2 外墙体中各材料的比例 4编号各材料组成所占比例1100%现浇钢筋混凝土25%220%现浇混凝土+80%空心粘土砖50%350%现浇混凝土+50%加气混凝土15%4混凝土砌块10%表 3 窗框使用材料 编号窗框材料5所占比例1铝合金60%2塑钢31%3不锈钢7%4实木2%由于低密度
7、住宅有其特殊的消费群体，因此在以往的设计理念中，往往从美学、功能等角度加以重点设计，从根本上忽略其建筑节能的问题。但是从如今低密度住宅的能耗现状看，它的耗能与普通住宅相比是非常严重的，据笔者所做的统计可知，普通住宅（1 户）全年支付的单位面积电力能耗费平均为 8 元/m238元/m2，仅为低密度住宅的 35%左右。然而根据此次调查结果，我们看到上海地区新建低密度住宅材料的使用还比较单一。屋顶和楼地的保温措施不够完善，窗墙比从 0.250.50，建筑很少有外遮阳，门窗气密性不高。外墙大都是混凝土结构或砖混结构，还仅仅局限于单一墙体材料的使用。与我市普通的多层住宅相比，屋顶、楼地板、窗户以及外墙体
8、等围护结构的材料使用并没有太大差别，尤其是外墙体部分，基本达不到节能标准所定的要求(传热系数值1.5 W/(m2.) 4。这与国家的节能大潮相不符，也体现不出低密度住宅与普通住宅的特殊之处，因此我们要重视低密度住宅的建筑节能问题，运用科学的节能技术和可持续发展的理念使其真正达到长效、低耗、舒适的目标。2 不同墙体材料热工性能的模拟、分析和比较6通过调研结果得到了目前上海低密度住宅材料使用的主流现状，笔者运用能耗分析软件模拟一幢典型的两层独立式住宅，通过变换不同的外墙墙体材料，使热工性能中的关键性指标传热系数 K 值发生变化，从而对全年建筑负荷和能耗量发生影响。在该模拟试验中，建筑朝向、体形系数
9、、窗墙比、窗、门和屋顶的材料等参数均定为常量，唯一的变量就是不同外墙材料的传热系数 K 值。2.1 建筑模型描述该建筑模型为两层独立式住宅，建筑面积为 215.4m2，体形系数为 0.3，屋顶为角度 30o 的坡屋顶，窗墙比为 0.30，具体平面布置参见下图 1。图 1 两层独立式住宅平面布置图该住宅选用风冷热泵机组作为空调冷、热源，空调末端为风机盘管，空调面积为 168m2。夏季室内设计温度为 26，冬季室内设计温度为 18 ，室内设计相对湿度为 60%。在模拟中全年 24 小时空调系统运行。天气参数采用典型气象年的逐时气象资料。除外墙外其他围护结构的传热系数如表 4 所示。表 4 围护结构
10、的构成和传热系数 围护构件常量参数外窗屋顶楼板楼地材料铝合金型材双玻窗（断热）水泥膨胀珍珠岩屋面110 钢筋混凝土楼板混凝土碎石楼地7K 值 W/(m2.)3.201.002.724.41在该模型中，人员结构为五口之家，一对年轻夫妇及其父母和一个已上学的小孩。基于此次调研的结果，按照居民的生活习惯和家用电器使用情况,对室内负荷进行了设定，如表 5、6 所示。新风量按 30 立方米/小时人计算，房间与室外的冷风渗透量为 0.2 次/小时。模拟采用能耗模拟软件特灵公司开发的TRACETM 700，通过变换外墙材料，使该模型建筑的传热系数 K 值发生变化，模拟计算该两层独立式住宅的建筑负荷和全年能耗
11、量。表 5 人员、照明和设备负荷率 房间类型人员照明设备娱乐室8:0011:00:20%;14:0016:00:20%;19:0021:00:20%;其余:0%19:0021:00:50%;其余:0%8:0011:00:40%;14:0016:00:40%;19:0021:00:40%;其余:0%餐厅87:009:00:100%;11:0013:00:40%;18:0020:00:40%;其余:0%18:0020:00:100%;其余:0%10:0012:00:10%;18:0020:00:10%;其余:0%厨房7:009:00:80%;11:0013:00:100%;17:0019:00:1
12、00%;其余:0%17:0020:00:100%;其余:0%7:009:00:80%;11:0013:00:80%;17:0019:00:80%;其余:0%客厅10:0012:00:30%;15:0017:00:30%;19:0021:00:20%;其余:0%19:0021:00:70%;其余:0%10:0012:00:50%;15:0017:00:50%;19:0021:00:50%;其余:0%老人卧室20:007:00:100%;13:0015:00:80%;其余:0%19:0022:00:90%;其余:0%22:007:00:5%;13:0015:00:40%;19:0022:00:60
13、%;其余:0%起居室919:0022:00:40%;其余:0%19:0021:00:80%;其余:0%19:0021:00:80%;其余:0%书房19:0023:00:90%;其余:0%19:0023:00:100%;其余:0%19:0023:00:80%;其余:0%主卧室20:0023:00:50%;23:007:00:100%;其余:0%20:0021:00:90%;其余:0%20:0022:00:50%;其余:0%小孩卧室20:007:00:100%;其余:0%20:0022:00:100%;其余:0%20:0022:00:50%;其余:0%表 6 人员、照明和设备负荷 房间类型人员密度
14、(人/m2)照明负荷(W/m2)10设备负荷 (W/m2)娱乐室0.6105餐厅0.35103.5厨房0.251015客厅0.2158老人卧室0.128115次卫 1无83次卫 2无108家居室0.2105书房0.181210主卧室0.071285小孩卧室0.25585主卫无158次卫 3无832.2 五种墙体热工性能分析以及经济收益的比较2.2.1 参数的设定五种外墙体的传热系数 K 值参见表 7。其中 1 号、2 号、3 号墙体来自于此次调查的结果，它代表了目前上海低密度住宅外墙材料使用的主流现状，而 4 号和 5 号墙体则是在 2 号墙体的基础上分别添加保温材料后满足节能标准的墙体。表
15、7 五种墙体的构成和传热系数 K 值 围护构件变量参数外墙13传热系数 W/(m2.)材料组成钢筋混凝土墙体 （1 号）2.91钢筋混凝土与空心砖的混合墙体（2 号）1.89钢筋混凝土与加气混凝土的混合墙体（3 号）1.94钢筋混凝土与空心砖混合墙体、内贴 6mm 水泥聚苯板（4 号）1.50钢筋混凝土与空心砖混合墙体、外贴 30mmEPS 聚苯板（5 号）0.702.2.2 建筑负荷以及全年能耗量的模拟结果从模拟结果可以看到：当外墙体的传热系数 K 值从 1 号墙体的 2.91 W/(m2.)逐步降低到 5 号墙体的 0.70 W/(m2.)时，建筑冷负荷从 26.04kW 减小到 20.4
16、9kW，建筑热负荷从 19.44kW 减小到 12.32kW，同时全年耗电量也呈明显的下降趋势，电力耗能量从 11980kWh 降低到 8250kWh。建筑总负荷中的围护结构负荷以及室内负荷的详细数据参见表 8，其中围护结构冷负荷占建筑总冷负荷的 6975%，围护结构热负荷则占建筑总热负荷的9597，相对而言室内冷负荷占建筑总冷负荷的比例仅在 2127左右，所占比例较小。在这种围护结构传热负荷所占比例很大的建筑中，提高外墙的保温绝热性能，相对于围护结构传热负荷所占比例较小的商业建筑或工业建筑，其14作用是比较显著的。图 2 不同墙体形式下的建筑负荷图 3 不同墙体形式下的全年耗电量图 4 为全年 12 个月的电力消耗情况，其中峰值出现在 7 月和 8 月，谷值则出现在
