裝配式建筑外墻傳熱系數測試與能耗模擬

夏鋒 惲燕春 潘登 * 朱學海 高乃平

1 寶業集團股份有限公司

2 同濟大學機械與能源工程學院

裝配式建筑是指在車間生產建筑物的墻體、樓板等非承重結構，然后將生產好的預制件運送至施工土地并進行裝配。由于裝配式建筑能夠減少現場建筑垃圾，降低原材料損耗，大幅縮短建設周期，建造速度更快，近年來在各國均得到大力發展[1-3]。目前，國內外有許多關于裝配式建筑發展現狀，耗能耗材，工程造價等方面的研究[4-8]，但對其圍護結構熱工性能和能耗情況研究還較少。為研究裝配建筑的熱工性能及其對建筑能耗的影響，本文對上海已建成的某裝配式住宅建筑外墻的綜合傳熱系數進行了現場測量，基于測試結果，通過能耗模擬方法，對比了參照建筑和只改變外墻綜合傳熱系數條件下實際建筑的供冷和制供熱能耗。

1 建筑概況

測試建筑為新建住宅建筑，位于上海市青浦區，采用全裝配式構造，建筑總面積為4684 m2，其中空調區建筑面積2940 m2。建筑地上16 層，地下2 層，其中地下一層和地上一層到十六層為居住層，地下二層為地下車庫，建筑高度為53 m。內部空間包括客廳、臥室、儲藏室、餐廳、廚房、衛生間、走道、電梯間、樓梯間等功能空間，其中客廳，臥室和餐廳為空調區域。建筑外墻采用夾心保溫構造。建筑外墻綜合傳熱系數的測試點位于建筑第三層的東北角臥室，測試外墻位于房間東側。測試建筑整體效果圖見圖1 所示。

圖1 測試建筑整體效果圖

2 實驗測試方法

測試方法參考《居住建筑節能檢測標準》（JGJ/T132-2009）[9]中的相關要求，采用熱流計法進行測試。要求檢測期間室內空氣溫度應保持基本穩定，且圍護結構高溫側表面溫度應高于低溫側10 ℃以上，檢測持續時間不應少于96 h。檢測期間，為了防止房間內與外界空氣進行熱交換，需把房間緊緊封閉。為了維持房間室內的溫度穩定，同時保持室內外的溫差滿足要求，采用電加熱采暖器控制房間溫度。被測墻體的熱阻計算見式（1）所示。

式中：R 為被測墻體的熱阻，(m2·K)/W；θIj為被測墻體內表面溫度的第j 次測量值，K；θEj為被測墻體外表面溫度的第j 次測量值，K；qj為被測墻體熱流密度的第j次測量值，W/m2。

被測墻體的綜合傳熱系數按式（2）計算：

式中：K 為被測墻體的傳熱系數，W/(m2·K)；Ri為被測墻體內表面換熱熱阻，(m2·K)/W；Ro為被測墻體外表面換熱熱阻，(m2·K)/W。

測試房間位于建筑第三層東北側，測試參數包括：建筑室外空氣溫度、測試房間東外墻內外側墻表面溫度、測試房間鄰室空氣溫度、通過測試房間東外墻內側和外側的熱流密度、房間加熱器的加熱功率。測試中使用的主要實驗儀器見表1 所示。測試過程中，在外墻內側和外側中心對稱各布置1 個熱流測點和9 個溫度測點。為了隔絕室內加熱器和墻壁的熱輻射影響，采用開孔的遮熱罩對熱流計進行遮擋，遮熱罩上的開孔促進熱流計附近空氣流通，保證熱流計周邊的空氣溫度與室內空氣溫度一致。房間內外傳感器的現場布置見圖2 所示。

表1 圍護結構綜合傳熱系數測試主要實驗儀器列表

圖2 測試房間外墻熱流計和溫度測點布置

3 能耗模擬分析工況

本文對建筑能耗的模擬采用e-QUEST 能耗模擬軟件。基于建筑圖紙，在e-QUEST 中的建立的建筑三維模型見圖3 所示。本項目位于上海市青浦區，北緯31.00°，東經121.00°，屬夏熱冬冷地區，采用美國能源部提供的氣象數據集中上海的典型氣象年氣象數據進行計算。參照建筑的圍護結構熱工參數按照《居住建筑節能設計標準》（DGJ08-205-2015）[10]的規定性指標進行設置。為了單獨對外墻的綜合傳熱系數改變所引起的空調能耗變化進行分析，實際建筑除外墻的傳熱系數按照測試結果進行設置，其他圍護結構的熱工參數與參照建筑一致，參照建筑和實際建筑的熱工參數設置如表2 所示。

圖3 e-QUEST 建筑的建筑3D 模型

表2 參照建筑和實際建筑圍護結構熱工參數設置

建筑內空調房間包括客廳，臥室和餐廳，上海市居住建筑不同類型空調房間工作日和周末的人員在室率，照明功率密度和設備功率密度的設置參考相關上海市居住建筑人員作息調研情況進行設置[11]。居住建筑人員密度為15 m2/人，照明功率密度為2.8 W/m2，設備功率為3.8 W/m2。本項目采用空氣源熱泵型房間空調器進行制冷和制熱。根據《居住建筑節能設計標準》（DGJ08-205-2015），設備供冷額定能效比3.1，供熱額定能效比為2.5。住宅采暖期為12 月1 日到次年2月28 日，空調期為6 月15 日到8 月31 日。冬季全天室內設計值18 ℃，夏季全天為26 ℃。非空調房間冬季溫度5 ℃，夏季溫度為30 ℃。

4 結果與分析

4.1 裝配式建筑外墻傳熱系數測試結果

被測房間外墻內側，外墻外側，室內空氣干球溫度和室外空氣干球溫度隨測試時間的變化見圖4 所示。由于室外氣溫的變化，被測墻體外壁面的平均溫度也隨之發生變化，而室內空氣溫度和外墻的室內側壁面的溫度受室內加熱器的控制，較為穩定。

圖4 室內外空氣溫度和測試外墻的內側和外側平均溫度隨時間變化情況

由于本實驗基于穩態測試方法，因此如何判斷通過外墻的傳熱達到穩態是本實驗測試的關鍵。雖然規范中給定了總測試測試至少96 h，但對于達到穩態的時間沒有給出明確的判斷標準。本實驗在外墻內側和外側同時布置了熱流計，基于兩個熱流計的測試結果，提出當兩側熱流密度接近，且變化趨勢一致時，認為通過墻體的傳熱達到穩態。

外墻內側和外側的熱流密度測試結果隨測試時間的變化見圖5 所示。在測試初期，墻體內側壁面的熱流密度明顯高于墻體外側壁面的熱流密度，隨著測試進行，兩者的數值逐漸接近，在測試達到60 h 左右，兩者數值接近，60 h 后的測試結果兩者的數值基本一致，且變化趨勢一直，認為通過外墻的傳熱達到穩態，其后采集的94 h 的數據作為計算外墻傳熱系數的數據。

圖5 測試房間外墻內側和外側的熱流密度隨時間變化情況

利用式（1）計算得到被測外墻的熱阻為1.89(m2·K)/W。根據規范[12]內表面換熱熱阻取0.13(m2·K)/W，外表面換熱熱阻取0.05(m2·K)/W，利用式（2）計算得到被測外墻的傳熱系數為0.48 W/(m2·K)。《居住建筑節能設計標準》（DGJ08-205-2015）中給定的外墻綜合系數限值為1 W/(m2·K)，測試結果說明該裝配式建筑外墻綜合傳熱系數滿足標準要求。

4.2 裝配式建筑能耗模擬結果與分析

參照建筑與實際建筑各月份的制冷和制熱能耗見圖6 所示。對于制冷能耗，6 月份參照建筑的制冷能耗低于實際建筑的制冷能耗，7 月份和8 月份參照建筑的制冷能耗均高于實際建筑的制冷能耗。這是由于6 月份相對氣溫不高，而且對于住宅建筑，主要使用時間在夜晚，因此部分時間會出現室外溫度低于房間設計溫度，而出現通過外墻向室外傳熱的情況，此時降低墻體的傳熱系數，增加了熱量向室外傳遞的熱阻，進而導致制冷能耗增加。

圖6 參照建筑與實際建筑全年不同月份的制冷和制熱能耗

參照建筑與實際建筑全年制冷，制熱和空調總能耗的對比見圖7 所示。實際建筑改變外墻綜合傳熱系數條件下的制冷能耗和制熱能耗相對參照建筑均降低，實際建筑的全年總空調能耗比參照建筑少16.7%。實際建筑的制熱能耗相對參照建筑降低百分比要大于制冷能耗降低百分比，實際建筑制冷能耗比參照建筑制冷能耗低4.1%，實際建筑制熱能耗比參照建筑制熱能耗低30.6%，此趨勢與文獻[13]中研究結果一致。

圖7 改變外墻綜合傳熱系數下的建筑空調能耗與參照建筑對比

5 結論

本文采用熱流計對上海市某裝配式住宅建筑外墻的綜合傳熱系數進行現場測試，基于建筑外墻綜合傳熱系數的測試結果，對比了基于規范的建筑熱工性能限值條件下的參照建筑和改變外墻綜合傳熱系數條件下的實際建筑的空調能耗，得到如下結論：

1）測試中在外墻內外表面均布置熱流計進行測試，結果表明在測試時間約60 h 后，兩個熱流計測量值一致。可以通過外墻內外表面兩個熱流計的測量值差別，判斷傳熱是否達到穩態。

2）通過對94 h 穩態測量數據的整理，采用平均方法，得到建筑外墻的綜合傳熱系數為0.48 W/(m2·K)，外墻的綜合傳熱系數滿足標準的限值要求。

3）通過能耗模擬，實際建筑在僅改變外墻綜合傳熱系數條件下，全年建筑總空調能耗較參照建筑降低16.7%。制熱能耗的降低值大于制冷能耗降低值，其中制冷能耗降低4.1%，熱能耗降低30.6%。