外墻傳熱系數對公共建筑能耗的影響分析

江向陽

廣州市建筑科學研究院有限公司

0 引言

隨著人們生活水平的提高，對居住環境要求也越來越高，以冬季采暖為例，人們在冬天所需要的室內溫度也需要更加適宜，同時這就加大了建筑所需要的能耗，需要更多的資源來補充人們的生活需要。那么從建筑本身降低建筑能耗、節約地球資源，則是一種極具可行性的策略，同時還能滿足人們的生活工作需求。為降低建筑物的空調能耗，我國大力推進外墻保溫技術[1]。在建筑中，由于外墻在建筑圍護結構中占比例最大，外墻傳熱造成的熱損失在整個建筑熱損失中占的比例也較大，通過提高建筑圍護結構的保溫性能可以較好的降低建筑的能耗[2]。

為降低建筑物的能耗，近年來，我國大力推進建筑外墻保溫技術，通過提高建筑圍護結構的保溫性能可以較好的降低建筑的空調能耗。對于我國夏熱冬冷地區公共建筑而言，一方面由于夏熱冬冷地區的氣候條件決定了該地區以供冷能耗為主導的空調用能特點：另一方面，由于公共建筑使用時間段以白天為主，人員設備密集，建筑物內熱源強度較大，造成建筑物熱負荷較小，冷負荷較大，如果建筑物外墻保溫層過厚，外墻傳熱系數K過小，有時反而可能會出現外墻過度保溫現象。建筑外墻過度保溫現象是指當建筑外墻傳熱系數K低于某個值時，如果進一步增加保溫層厚度，降低外墻傳熱系數K，建筑全年空調能耗反而會隨著建筑外墻傳熱系數K的降低而升高[3-4]。Trnsys軟件是研究建筑能耗很實用的軟件，本文通過用Trnsys軟件模擬沈陽和廣州兩個地區，不同傳熱系數的墻體對建筑負荷的影響。

1 背景建筑描述與模擬方法

本建筑為公共建筑，建筑物功能是辦公樓，總面積為1600 m2，高9 m。建筑體形系數為0.22，各方向窗墻面積比分別為南向0.29、北向0.16、東向為0.11，西向為0.11。模型外墻采用200 mm厚砌塊加兩層各140 mm厚石墨聚苯板外保溫，石墨聚苯板導熱系數λ＝0.035 W/(m·K)，外墻整體外墻傳熱系數K＝0.1W/(m2·K)，石墨聚苯板采用四邊雙道企口縫拼接，兩層石墨聚苯板錯縫鋪設，以最大限度地減少熱損失。與之比較的墻體為厚度為200 mm的巖棉保溫磚墻，傳熱系數為K＝0.47 W/(m2·K)，耗熱量指標為21.8 W/m2。其內熱源和透明圍護結構均設置為定值。為了方便模擬，在Trnsys軟件中，將其簡化成一個大空間。

Trnsys的全稱為Transient System Simulation Program，即瞬時系統模擬程序。該軟件由美國威斯康星大學建筑技術與太陽能利用研究所的研究人員開發，并在歐洲一些研究所的共同努力下逐步完善，目前版本已達到17.0。本軟件由一系列的軟件包組成主要 有 Simulation Studio、TRNEDIT、TRNOPT 和TRNBuild。Trnsys軟件功能強大，涉及的范圍較廣，可對多種系統的運行狀態進行動態仿真，主要有[5]：建筑的能耗模擬，改進方案；熱泵系統（土壤源、水源、空氣源）；優化暖通系統方案，經濟評估；冷輻射吊頂系統，地板采暖系統模擬等。

2 Trnsys和DeST軟件計算結果的比較分析

沈陽地區供暖季為11月，12月，1月2月3月。由Trnsys軟件和DeST軟件計算節能建筑供暖季熱負荷，圖1為DeST軟件計算出的建筑供暖季負荷圖，圖2為Trnsys軟件計算出的建筑供暖季負荷圖。

通過Trnsys軟件模擬得出的結果是，整個采暖季供暖能耗為24661.6 kW·h，夏季的建筑空調能耗的模擬結果是42392.43 kW·h。通過DeST軟件模擬得出的結果是，整個采暖季供暖能耗為24852.34 kW·h，夏季的建筑空調能耗的模擬結果是37063.5 kW·h。

圖1 DeST計算供暖季負荷圖

圖2 Trnsys計算供暖季負荷圖

3 沈陽市不同外墻保溫的能耗比較

當外墻材料是節能材料時，Trnsys軟件模擬的建筑負荷圖為圖3。當墻體材料是普通保溫材料時，Trnsys軟件模擬的建筑負荷圖為圖4。

圖3 沈陽地區節能材料負荷圖

圖4 沈陽地區普通材料負荷圖

沈陽地區冬季寒冷而漫長，集中供熱從11月1日開始，至次年3月31日止，共計152天，空調供冷時間約為每年6月1日至8月31日，共92天。由圖3可以得出，當外墻材料采用節能材料時，最大熱負荷值出現在1月19日7時，為35.52 kW，最大冷負荷值出現在7月13日15時為53.07 kW。由圖4可以看出，當外墻材料采用普通材料時，最大熱負荷值出現在1月4日6時，為60.86 kW，最大冷負荷值出現在8月2日11時，為118.5 kW。由此可以看出，節能墻體材料的建筑最大時負荷比普通墻體材料最大時負荷要低。說明在嚴寒地區外墻保溫提升還具有很重要意義。

4 廣州市不同外墻保溫的能耗比較

當外墻材料是節能材料時，Trnsys軟件模擬的建筑負荷圖為圖5。當墻體材料是常見保溫材料是，Trnsys軟件模擬的建筑負荷圖為圖6。

圖5 廣州地區節能材料負荷圖

圖6 廣州地區普通材料負荷圖

由圖5可以得出，當外墻材料采用節能材料時，最大熱負荷值出現在1月19日7∶00時，為10.29 kW，最大冷負荷值出現在1月1日2∶00時為23.69 kW。由圖6可以看出，當外墻材料采用普通材料時，最大熱負荷值出現在10月29日15∶00時，為10.29 kW，最大冷負荷值出現在9月11日16∶00時，為24 kW。由此可以看出，節能墻體材料的建筑最大時負荷比普通墻體材料最大時負荷要低，但是效果不是很明顯。說明在夏熱冬暖地區外墻保溫的節能作用有限。

5 結論

1）在沈陽氣候條件下，同一超低能耗建筑使用Trnsys軟件計算的建筑全年供暖季供暖能耗和空調能耗的總和為67054.03 kWh，用DeST軟件模擬計算的建筑全年供暖季供暖能耗和空調能耗為61915.84kWh，兩者偏差為8.3%，在合理的范圍之內。

2）在沈陽氣象條件下，高保溫外墻體使用前后的建筑總能耗分別為117640.52 kWh和64817.03 kWh，分別是高保溫外墻體使用前后11月1日至31日的采暖能耗和6月1日至8月31日的空調能耗的總和，節能率為44.9%，說明在嚴寒地區外墻保溫是很重要的節能措施。

3）在廣州氣象條件下，高保溫外墻體使用前后的建筑總能耗分別為63052.52 kWh和52207.16 kWh，為全年空調能耗的總和，節能率為17.2%，說明在夏熱冬暖地區外墻保溫的節能效果有限。