超低能耗建筑外保溫對室外熱環(huán)境衰減實測分析＊

贠清華，崔國游，曹依蕾

（河南五方合創(chuàng)建筑設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450003）

0 引言

被動式超低能耗建筑通過對圍護結(jié)構(gòu)的保溫層進行合理設(shè)計和施工，同時利用建筑本身重質(zhì)材料的熱惰性，對室外溫度的波動產(chǎn)生了很好的衰減和延遲作用，既可削減用能需求的峰值，又可減小室內(nèi)溫度的波動，增強室內(nèi)環(huán)境的熱穩(wěn)定性。外墻外保溫系統(tǒng)在我國嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)使用，可保持穩(wěn)定的室內(nèi)溫度，為住戶提供舒適的生活環(huán)境[1]。目前，有不少學者針對圍護結(jié)構(gòu)特性對室內(nèi)熱環(huán)境影響進行了研究。程飛等[2]采用數(shù)值計算的方法，比較了相同運行模式下住宅外墻外保溫和外墻內(nèi)保溫2種保溫方式的性能，結(jié)果表明，采用外保溫的房間在空調(diào)關(guān)閉后熱舒適性更好。圍護結(jié)構(gòu)特性對室內(nèi)熱環(huán)境的研究大多停留在軟件模擬或者仿真基礎(chǔ)上，因此，本文基于對建筑外保溫對室內(nèi)環(huán)境影響的理論認識，對五方科技館圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面及室內(nèi)外溫度進行實測分析，得出不同季節(jié)的溫度變化曲線，總結(jié)建筑內(nèi)表面溫度的實際變化規(guī)律，為后續(xù)被動式超低能耗建筑的研究、設(shè)計提供實測數(shù)據(jù)支撐。

1 項目概況

1.1 項目簡介

本研究測試對象為中原地區(qū)首個被動式超低能耗建筑——五方科技館，總建筑面積約1 515.68m2，地上3層，內(nèi)部功能主要為會議、辦公、住宿和餐飲等。

1.2 外圍護系統(tǒng)

建筑外墻保溫采用150mm厚的石墨聚苯板，屋頂采用150mm厚的擠塑板，外墻傳熱系數(shù)為0.198W/（m2·K），屋頂傳熱系數(shù)為0.205W/（m2·K），地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為2.905W/（m2·K）。外窗采用鋁包木窗，Uf=0.91W/（m2·K），Ug=0.61W/（m2·K），g＝0.43。建筑氣密性N50達到0.17 h-1。

2 監(jiān)測條件及內(nèi)容

2.1 監(jiān)測對象

監(jiān)測對象為五方科技館，測試時該館已投入正常使用，主要功能以體驗參觀為主，日均人流量為10～50人，截至2019年9月5日，已有7 300余人進行參觀體驗。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng)包括室外環(huán)境參數(shù)采集、室內(nèi)環(huán)境參數(shù)采集，采集參數(shù)包括室內(nèi)外環(huán)境溫度、濕度、CO2濃度、PM2.5濃度、PM10濃度、風速、風向、噪聲等。監(jiān)測系統(tǒng)還包括對外墻內(nèi)表面、地面、屋頂內(nèi)表面溫度的采集。

2.3 監(jiān)測周期

自五方科技館開館，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就已開始運行。取監(jiān)測周期為2019年1月29日—2019年8月31日，期間經(jīng)歷了冬季、春季及夏季。

3 室內(nèi)外溫度監(jiān)測結(jié)果

3.1 采暖季

采暖季是測試的關(guān)鍵階段之一。五方科技館由帶高效熱回收的新風系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)進行極端天氣下的輔助制熱。采暖季2月份的監(jiān)測結(jié)果如圖1所示，由此可知，2月份室外溫度在10℃以下且溫度波動很大，而科技館室內(nèi)溫度和圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度卻始終維持在某一較高溫度區(qū)間值，日均溫度隨時間的變化很小；室內(nèi)溫度與圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度是個趨同的過程，室內(nèi)溫度通過相對較低的圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度向室外傳熱。另外，由圖1可知，室內(nèi)溫度和圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的溫度相差2～3℃，而理論計算的溫差一般為1.3℃左右。主要原因是：在采暖季2月份，五方科技館處于剛開館的狀態(tài)，外圍護結(jié)構(gòu)及內(nèi)部重質(zhì)結(jié)構(gòu)材料中蓄存的熱量很少，溫度相對較低，所以存在兩者溫差較大的情況。

圖1 2月份監(jiān)測結(jié)果

3.2 過渡季

圖2為過渡季4月份溫度監(jiān)測情況。在過渡季節(jié)，要充分利用自然通風與機械通風相結(jié)合，在室外空氣質(zhì)量較好的情況下，可加強氣流與建筑蓄熱體的對流換熱，充分利用自然通風。從溫度變化曲線可以看出，室外溫度4月份波動很大，而圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度波動非常小，與室外平均溫度呈現(xiàn)非常弱的聯(lián)動關(guān)系，同時有持續(xù)增高趨勢。同樣，室內(nèi)溫度的變化情況與其相似。在過渡季節(jié)，室內(nèi)溫度與圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度基本一致，且室內(nèi)溫度與各內(nèi)表面溫度也是逐漸趨同的過程，通過新風系統(tǒng)及自然通風等，使室內(nèi)溫度保持在一個合理的范圍內(nèi)。

圖2 4月份監(jiān)測結(jié)果

3.3 制冷季

7—8月屬于夏季，室外溫度較高，科技館室內(nèi)通過新風系統(tǒng)的輔助制冷功能，使室內(nèi)各圍護結(jié)構(gòu)的溫度維持在25℃左右（見圖3），即使在非常炎熱的天氣，室內(nèi)也能保持較舒適的環(huán)境，且各參數(shù)也符合設(shè)計要求。在夏季，圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度及室溫隨外部氣溫小幅波動，室內(nèi)溫度與圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度是一個日趨分化的過程。圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度日趨高于室內(nèi)溫度，開始通過圍護結(jié)構(gòu)的重質(zhì)材料吸收室內(nèi)空氣的冷量，同時起到控制室內(nèi)輻射溫度的作用。

圖3 7月份監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié)語

被動式超低能耗建筑是在提高室內(nèi)舒適度和室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的前提下的超低能耗建筑。五方科技館經(jīng)歷了冬、夏季及過渡季3種狀態(tài)，通過監(jiān)測結(jié)果得到以下結(jié)論。

1）在采暖季，室內(nèi)溫度通過相對較低的圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度向室外傳熱。在過渡季節(jié)，室內(nèi)溫度與圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度基本一致，通過新風系統(tǒng)及自然通風等，能保持室內(nèi)溫度在一個合理的范圍內(nèi)。在夏季空調(diào)開啟后，室內(nèi)溫度開始低于內(nèi)表面溫度，冷量通過墻體擴散至室外，結(jié)構(gòu)體開始蓄冷；同時，良好的保溫性能保證了日間太陽輻射不會因曬透保溫層而造成圍護結(jié)構(gòu)過熱。

2）室內(nèi)熱舒適度受各種因素影響，同時，它們之間也互相影響。其中，環(huán)境輻射溫度是影響室內(nèi)熱舒適度的重要因素之一。由以上的監(jiān)測結(jié)果可知，即便在極端天氣下，室內(nèi)溫度和圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度溫差也在2℃以內(nèi)。五方科技館圍護結(jié)構(gòu)良好的保溫性能，保證了室內(nèi)的輻射熱舒適度。

超低能耗建筑不能提供全年恒溫、恒濕環(huán)境，但通過良好的圍護結(jié)構(gòu)保溫，為超低能耗建筑的結(jié)構(gòu)體系提供了一個穩(wěn)定的熱惰體。冬季和夏季只需持續(xù)輸入很小的空調(diào)負荷即可滿足建筑要求。圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度及室內(nèi)溫度會隨外部氣溫小幅波動。在不同季節(jié)，有良好保溫性能的圍護結(jié)構(gòu)均起到了室內(nèi)溫度穩(wěn)定器的作用。