既有建筑各組成類型圍護結構熱工性能分類診斷的方法

楊昌智 劉浩為 雷小慧

摘要：基于等效傳熱系數法與正交試驗法，針對既有建筑各組成類型圍護結構的熱工性能提出了一種分類診斷方法.該診斷方法首先將各類型圍護結構的傳熱系數綜合成一個等效指標———綜合等效傳熱系數.只需要測量既有建筑室內外溫度序列與各類型圍護結構的幾何尺寸，便可以計算出綜合等效傳熱系數，再通過正交試驗法與回歸分析法求出各類型圍護結構的等效傳熱系數.將各類型圍護結構的等效傳熱系數與節能設計標準中傳熱系數的限值進行比較，便可以診斷其熱工性能.為了驗證方法的可行性，以位于長沙市的一棟實驗小房為例進行計算，得到了外墻、外窗、屋頂與外門的等效傳熱系數分別為1.62 W/（m2·K）、2.84 W/（m2·K）、1.25 W/（m2·K）、3.14 W/（m2·K）.對比等效傳熱系數與實際傳熱系數，兩者數值吻合較好，證明了該方法在工程應用上具有可行性.

關鍵詞：圍護結構；熱工性能；快捷檢測診斷；等效傳熱系數；正交試驗

中圖分類號：TU111.19文獻標志碼：A

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51578221），National Natural Science Foundation of China（51578221）；湖南省既有建筑能耗診斷方法與技術規程編制項目（KY2016068）

A Method for Evaluating Thermal Performance of Various Envelopes in Existing Buildings

YANG Changzhi，LIU Haowei，LEI Xiaohui

（College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

Abstract：Based on the equivalent heat transfer coefficient method and orthogonal experiments，a method for e-valuating the thermal performance of various envelopes in existing buildings is proposed. The heat transfer coefficients of the external wall，external window，roof，and external door are integrated into an index（comprehensive equivalent heat transfer coefficient）. It is only necessary to measure indoor and outdoor temperature sequences of the existing buildings and geometrical dimensions of envelopes. The comprehensive equivalent heat transfer coefficient can be calculated，and the equivalent heat transfer coefficient of various envelopes can be obtained by orthogonal experi-ments and regression analysis. By comparing the equivalent heat transfer coefficients of various envelopes with heat transfer coefficient limits in standards，the thermal performance can be evaluated. To verify the feasibility of the method，a small experimental building located in Changsha is taken as an example. The equivalent heat transfer coef-ficients of the external wall，external window，roof and external door are1.62 W/（m2·K），2.84 W/（m2·K），1.25 W/（m2·K）and 3.14 W/（m2·K），respectively. Comparing equivalent heat transfer coefficients with actual heat transfer coeffi-cients，the values are in good agreement，which proves that the method is feasible in engineering applications.

Key words：envelope structure；thermal performance；fast detection and diagnosis；equivalent heat transfer coef-ficients；orthogonal experiments

據統計我國供熱、通風、空調的能耗已經達到了建筑總能耗的65%左右[1-3]，而其中的約30%到50%被圍護結構傳熱所消耗[4]，可見圍護結構熱工性能的好壞對既有建筑能耗的高低有著巨大的影響.預計到2020年底我國高能耗建筑面積將達到700億平方米，建筑能耗占比全國總能耗將高達35%[5]，所以對既有建筑的圍護結構進行節能改造具有重大意義.要進行節能改造，首先必須能夠對既有建筑圍護結構的綜合熱工性能做出診斷，以快速地判斷其是否具有改造價值.如需改造，為了得到最優的改造方案，需要對各類型圍護結構的熱工性能做出診斷.已有的對于圍護結構熱工性能進行診斷的方法需要知道詳細的熱工參數或進行現場熱流測試[6-7]，但由于建筑資料丟失和現場測試困難，往往無法達到目的.本文基于等效傳熱系數法[8]和正交試驗法[9]，提出了一種簡便的既有建筑各組成類型圍護結構熱工性能分類診斷的方法.只需要現場測試既有建筑室內外溫度序列與圍護結構的幾何尺寸，經過相應的數學處理即可得到各組成類型圍護結構的傳熱系數.將其與節能標準中傳熱系數的限值進行比較，便可對熱工性能做出診斷.該方法對于判定既有建筑圍護結構的熱工性能有一定的意義.

1圍護結構綜合等效傳熱系數[9]

1.1建模方法

考慮到建筑圍護結構的復雜性，為了簡化建模過程，文獻[10]提出了一種將圍護結構簡化成單層規則長方體模型的方法，并驗證了模型準確性.依照此建模方法，建立建筑面積、室內熱擾條件、室外氣象參數均與既有建筑相同的單層圍護結構的長方體即為等效能耗模型建筑.

1.2等效原理

改變等效能耗模型建筑的傳熱系數，使得模型建筑與原型既有建筑通過圍護結構的傳熱量偏差最小，此時等耗模型建筑的傳熱系數被定義為等效傳熱系數.由于原型、模型建筑在能耗偏差和溫度偏差的變化趨勢上具有一致性，為了避免現場熱流測試的困難，可用溫度偏差代替熱流偏差來說明等效性.假設原型建筑與模型建筑的傳熱量和圍護結構表面積相同，由傳熱學[11]公式Q = K·F·Δt可知傳熱系數與室內外溫差形成了唯一對應的關系.原型建筑實測的室內外溫度序列tin，tout與模擬得到的模型建筑室內外溫度序列tk，in，tk，out越接近，則二者的傳熱系數也越接近，即等效傳熱系數越能反映既有建筑真實的傳熱系數值.各溫度序列可以表示為：

2.2各類型圍護結構等效傳熱系數的計算方法

第一步：正交試驗

根據需要診斷的圍護結構類型，預估各類型圍護結構傳熱系數的取值范圍.選取合適的正交表，在合理的傳熱系數范圍內對各類型傳熱系數選取不同水平進行正交試驗.

第二步：確定回歸關系式

3方法可行性的實例驗證

3.1綜合等效傳熱系數的計算

3.1.1等效建模

為了驗證該方法的可行性，以位于長沙市的一個實驗小房為例進行分析.實驗小房建筑面積約為6.12 m2，層高2.55 m，南北朝向，南向一扇外窗，北向一扇外窗，一面外門.建筑相關參數見表1.

按照1.1節中給出的模型建立方法，根據既有建筑建立單層圍護結構的等效能耗模型建筑，如圖1所示.

3.1.2測試與模擬溫度

利用溫度自動記錄儀測試24 h實驗房間室內外的實際溫度，利用DeST軟件模擬等效能耗模型建筑在不同傳熱系數下的室內溫度.實測溫度與模擬結果見表2.

3.1.3計算結果

根據式（1）～式（3）計算室內外相關系數偏差Δρ，得出結果見表3.根據表3中數據，采用二次多項式進行擬合，擬合趨勢線如圖2，得到相關系數偏差與傳熱系數之間的函數關系式為：

Δρ= 0.125 5K2- 0.469 9K + 0.541 5，R2= 0.987

當K = 1.87時Δρ最小，即實驗小房圍護結構的綜合等效傳熱系數為Kz= 1.87 W/（m2·K）.

3.2各類型圍護結構等效傳熱系數的計算

3.2.1正交試驗設計

考慮實驗房的外窗、外墻、屋頂、外門四類圍護結構，對每個因素取3個水平，選用正交表L9（34）進行正交試驗，正交表如表4所示.

3.2.2回歸模型

3.2.3對熱工性能做出診斷

對（8）式求最優解，當K1= 1.62，K2= 2.84，K3= 1.25，K4= 3.14時，ΔQ取得最小值.所以外墻、外窗、屋頂、外門的等效傳熱系數分別為1.62 W/（m2·K）、2.84 W/（m2·K）、1.25 W/（m2·K）、3.14 W/（m2·K）.根據《湖南省公共建筑節能設計標準》[12]得到各類型圍護結構傳熱系數的標準限值，見表7.將等效傳熱系數與標準限值比較可做出診斷：外窗的熱工性能符合節能標準，而外墻、屋頂與外門的熱工性能較差，不符合節能標準.

3.3結果驗證

為了驗證結果的準確性，將計算得到的實驗小房各組成類型圍護結構的等效傳熱系數與實際的傳熱系數進行對比.實驗小房各組成類型圍護結構的參數見表8，對比結果如圖3所示.對比結果顯示，運用本文方法計算所得的等效傳熱系數與實際傳熱系數在數值上吻合較好.這證明了結果的準確性，也表明應用此方法對既有建筑各組成類型圍護結構的熱工性能進行診斷具有可行性.

需要說明的是，由于本文所提出的方法沒有考慮建筑蓄熱差異及太陽輻射對圍護結構的熱作用，在診斷蓄熱影響較大的圍護結構熱工性能時會造成不同程度的偏差.現階段可以通過延長測試時間的方法，減小建筑蓄熱性的影響，從而減小誤差；在夜間或陰天進行測試時，可以減小太陽輻射的干擾.

4結論

1）本文基于等效傳熱系數法，闡述了等效原理并提出了一種簡便的既有建筑各組成類型圍護結構熱工性能分類診斷的方法.該方法只需測量既有建筑室內外溫度序列與圍護結構幾何尺寸，經相應的數學處理即可得到各組成類型結構的傳熱系數.

2）本文以具體的實驗建筑作為算例，得到該建筑外墻、外窗、屋頂與外門的等效傳熱系數分別為1.62 W/（m2·K）、2.84 W/（m2·K）、1.25 W/（m2·K）、3.14 W/（m2·K）.由此做出診斷，外窗的熱工性能符合節能標準，外墻、屋頂與外門的熱工性能不符合節能標準.將等效傳熱系數與實際傳熱系數進行對比，兩者數值吻合較好，證明將此方法應用于診斷既有建筑各組成類型圍護結構的熱工性能具有可行性.

3）本文提出的方法沒有考慮建筑蓄熱性能差異及太陽輻射對圍護結構熱作用的影響.可通過延長測試時間減小測量誤差.我們將在后續的工作中展開進一步的理論與實驗研究.

注：本文實驗過程中得到了陳友明教授及其研究生郭猛的大力支持并無償提供了試驗臺，在此表示衷心感謝！

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