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夏熱冬冷地區(qū)節(jié)能住宅圍護結(jié)構(gòu)的選擇論文
摘要：本文依據(jù)圍護結(jié)構(gòu)傳熱基本原理,在準穩(wěn)態(tài)條件下,采用分布達到法,進行了夏熱冬冷地區(qū)圍護結(jié)構(gòu)冬夏熱工計算的理論推證。在理論研究的基礎(chǔ)上,以成都地區(qū)為范例,進行了節(jié)能住宅冬,夏圍護結(jié)構(gòu)的選擇與評價.最后,本文得出了有益于工程實踐的重要結(jié)論。
關(guān)鍵詞：節(jié)能住宅 供熱系統(tǒng) 舒適性空調(diào)
1．引言
我國夏熱冬冷地區(qū)泛指長江中下游及其周圍廣大地區(qū)。該地區(qū)夏季炎熱、冬季寒冷，氣侯條件差直接影響人們的工作和生活。改革開放以來，隨著我國國民經(jīng)濟的高速增長，人民生活水平不斷改善，人們對居住環(huán)境質(zhì)量的要求也越來越高。各種采暖空調(diào)設(shè)備的大量采用，隨之又帶來了能耗的大量增加和對環(huán)境的污染及空調(diào)房間綜合癥等影響人們健康的疾病，因此研究該地區(qū)的節(jié)能住宅勢在必行，刻不容緩。
在研究該地區(qū)節(jié)能住宅時，面臨的首要問題是：進行節(jié)能住宅圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，首先應解決圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能評價及計算問題。我國夏熱冬冷地區(qū)的許多城市過去在規(guī)范上屬于冬季既不采暖、夏季又不空調(diào)的地區(qū)，現(xiàn)時的規(guī)范對該地區(qū)節(jié)能住宅圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計缺乏結(jié)合當?shù)貧夂驐l件的節(jié)能評價及計算方法，本次研究依照夏季圍護結(jié)構(gòu)傳熱基本原理，把在空調(diào)條件下的室內(nèi)氣溫近似假定為恒定，將室外綜合溫度分解為平均值及波動值兩部分，然后分別考慮在兩種情況下的傳熱問題，并疊加即得到通過圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面進入房間的最大熱流密度。把該地區(qū)80年代初的通用住宅的能耗減少50％(即按建筑物承擔30%，設(shè)備承擔20%,)的原則進行簡化，即得出節(jié)能住宅圍護結(jié)構(gòu)應承擔的比例。冬季通過圍護結(jié)構(gòu)的傳熱量則通過對<<民用建筑節(jié)能設(shè)計標準>（采暖居住建筑部分）[1]提出的能耗計算公式的分析簡化，從而得出該地區(qū)圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的限值。在理論研究的基礎(chǔ)上，以成都地區(qū)為范例，進行節(jié)能住宅冬、夏圍護結(jié)構(gòu)的選擇與評價。最后，本文得出了有益于工程實踐的重要結(jié)論。
2．夏熱冬冷地區(qū)冬季住宅外圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)限值的分析:
由于夏熱冬冷地區(qū)許多城市雖處于不采暖地區(qū)，或現(xiàn)時的采暖方式也并非集中采暖(而多系用電暖器、空調(diào)器或燃氣紅外爐等進行間歇采暖)，但由于集中連續(xù)采暖的不可替代的優(yōu)點，定系該地區(qū)將來的發(fā)展方向，因此完全可參照采暖地區(qū)建筑耗熱量的分析方法來分析該地區(qū)圍護結(jié)構(gòu)冬季的節(jié)能設(shè)計。
設(shè)80年代初該地區(qū)通用住宅（可能會因城市而不同）耗熱量指標按下式計算[1]：
qH=qH。T+qINF—qI．H （1）
式中：
qH------建筑物耗熱量指標(W／m2)；
qH。T------單位建筑面積通過圍護結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量(W／m2)；
qINF------單位建筑面積的空氣滲透耗熱量(w／m2)；
qI.H------單位建筑面積的建筑物內(nèi)部得熱(包括炊事、照明、家電和人體散熱)，對住宅建筑，取3.80w/m2。將(1)式各個分項展開得：
qH.T＝（ti-te）（εi·Ki·Fi）/Ao （2）
式中:
ti------全都房間平均室內(nèi)計算溫度(·C)；
te ------采暖期室外平均溫度(℃)；
εi------圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)修正系數(shù)；
Ki———圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)(w／m2·k)
Fi———圍護結(jié)構(gòu)的面積(m2)；
A�！ㄖ娣e(m2)．
qINF＝(ti—te)(Cp··N·V)/A。 （3）
式中：
Cp———空氣定壓比熱容；
———空氣密度(kg／m3)；
N———換氣次數(shù)；
V———換氣體積。
參照[1],為了實現(xiàn)節(jié)能50%的目標,建筑物節(jié)能率應達到35%(即建筑物耗熱量指標應降低35%)；供熱系統(tǒng)的節(jié)能率應達到23.6%.若在總節(jié)能率50%中按比例分配,則建筑物約承擔30％，供熱系統(tǒng)約承擔20％。
按建筑物耗熱量指標應降低35％這一要求，設(shè)節(jié)能住宅耗熱量指標為 qˊH.,
則qˊ H =(1—0.35)qH=0.65qH
又qˊH.=qˊH.T+qˊINF+qˊI.H=0.65(qH.T+qINF+qI.H)=0.65qH.T+0.65qINF+0.65qI.H
即得出： qˊH.T=0.65qH.I （4）
80年代初，該地區(qū)城市住宅換氣次數(shù)N約為1．5，對節(jié)能住宅，若要qˊINF＝0．65qINF，則N=0．65N=0.98≈1．0，對夏熱冬冷的廣大的地區(qū)的節(jié)能住宅將N控制在1．0也是可行的。對qˊI.H=0.65X3.80=2.47，這一熱流密度量的變化對房間影響甚小，且系有利因素,故對其變化可忽略不計。
從(4)式得：
(ti-te)(εiˊ·Kiˊ·Fi)/Ao=0.65(ti-te)(εiˊ·Kiˊ·Fi)/Ao （5）
對(5)式中所包含的屋頂、外墻、與室外連通的樓梯間隔墻、戶門、窗戶(含陽臺門上部玻璃部分)、陽臺門下部不透明部分、地面等各部位，
εiˊ·Kiˊ=0.65εi·Ki
對屋頂、外墻、 與室外連通的樓梯間隔墻、陽臺門下部(或無玻門),
Kiˊ=0.65Ki，對同一朝向的單層窗、雙層窗、雙玻窗(有無陽臺)其εiˊ·Kiˊ=0.65εi·Ki
80年代初，夏熱冬冷地區(qū)許多城市的通用住宅設(shè)計，其屋頂為架空通風屋頂，屋頂基層為120mm厚鋼筋混凝土空心板，平均厚度約為70mm左右的爐渣混凝土找平兼作保溫層，通風層約高180mm，架空板為30mm厚。按過去筆者在成都地區(qū)實測這種屋頂冬季傳熱阻為R。=0．48m2·k/W，其K0=2.08w/m2·k。其Kiˊ=0.65K。=0.65X2.08=1.35w/m2·K。這是按冬天采暖算的結(jié)果，還應按夏季空調(diào)計算，以二者中Ki小者作為設(shè)計依據(jù)。當時通用住宅外墻為雙面抹灰240mm厚實心磚墻，按成都地區(qū)實測其冬季傳熱系數(shù)K。=2.27w/m2·k，其K0=0．65K。=0.65X2.27=1.48w/m2·k≈1.5Ow/m2·k，同樣也應進行夏季空調(diào)計算以二者中K。小者作為設(shè)計依據(jù)。對其余部分，因在這一地區(qū)尚未對εi及εiˊ進行研究，故仍可按K0ˊ=0.65K。進行近似處理，在此從略。
3．夏熱冬冷地區(qū)夏季空調(diào)狀態(tài)下外圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能量的分析與評價:
3.1 在周期性外擾作用下，當室內(nèi)氣溫穩(wěn)定時傳入室內(nèi)的最大熱流密度的計算：
不論是在自然通風或室內(nèi)空調(diào)條件下，圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度均是評價圍護結(jié)構(gòu)隔熱性能的重要指標。在空調(diào)條件下，通過圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面?zhèn)魅胧覂?nèi)的熱流密度，與內(nèi)表面溫度和室內(nèi)的氣溫之差成正比。在住宅舒適性空調(diào)條件下，可近似假定室內(nèi)氣溫是一個不變的常數(shù)，按[2]規(guī)定其平均值i≤28℃，計算時可取i=28℃。這樣在室外周期性外擾作用下，通過圍護結(jié)構(gòu)傳入室內(nèi)的熱流密度可認為包含兩部分。一部分是由室外空氣綜合溫度平均值sa與室內(nèi)氣溫i(對設(shè)計計算來說，室溫巳假定為常數(shù))之差造成的傳熱量，另一部分是由于室外綜合溫度波動值A(chǔ)tsa()使圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面也具有波動Aθi()，而產(chǎn)生的附加傳熱量，即
q() =K。(sa-i)+αi[θi.()-i] （6）
式中：
αi——圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面逐時換熱系數(shù)(W／m2·k)；
θi.() ———圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面逐時溫度(℃)；
按逐時法計算θi.() 過于復雜，不便于工程應用，為了簡化起見可計算通過圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面進入房間的最大熱流密度，并同保溫計算所取的比較基準類似，將80年代初期，夏熱冬冷地區(qū)典型的通用住宅設(shè)計中，通過屋頂，西、東、南墻的最大熱流密度量作為比較基準。
這時，通過圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面?zhèn)魅胧覂?nèi)的最大熱流密度
qi.max=+Aq （7）
式中：
=K。(sa–i) （8）
Aq＝qmax–＝（–i）–（–i）＝（–）＝Aθi （9）
(7)式將變?yōu)椋?/p>
qi.max＝+Aq＝（i–i）+Aθi＝Ko（sa–i）+Aθi＝Ko（sa–i）+ （10）
對(10)式中幾個參量的計算：
1)的計算：
由(10)式可得出：
�。終o（sa–i）＝（i–i）
即可得出＝ （11）
這即是計算(10)式中的公式。
2）Ko的計算：
Ko＝ （12）
R。———圍護結(jié)構(gòu)的傳熱阻
R。＝Ri+∑R+Re （13）
式中：
Ri———內(nèi)表面換熱阻
∑R———圍護結(jié)構(gòu)各層的熱阻之和
Re———外表面換熱阻
3)sa的計算：
sa＝e+ （14）
4)Atsa的計算：
按<<民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范>>[3]規(guī)定進行：
Atsa＝（Ate+Atb）β （15）
5）vo的計算：
vo＝······· （16）
式中：
v�！獓o結(jié)構(gòu)的衰減倍數(shù)；
D———圍護結(jié)構(gòu)的熱情性指標；
s1、sa、———Sn---由內(nèi)到外各層材料的蓄熱系數(shù)(W／m2·k)，空氣間層取s＝0；
Y1、Ya、———yn---由內(nèi)到外各層材料外表面蓄熱系數(shù)(w／m2·k)；
Yk、Yk-1——分別為空氣間層外表面和空氣間層前一層材料外表面的蓄熱系數(shù)(w／m2·k)。
3.2 計算實例：
3.2.1 計算雙面抹灰240mm厚實心磚西墻的qi.max：
1)計算Tsa：
℃
2)Awtsa＝(Ate+Atb)β＝(5.2+15.99)X0.99=20.98℃
3)計算R。：
經(jīng)過去在成都地區(qū)多次實測雙面抹灰240mm厚磚墻：
R＝0．29m2·k／w 則夏季Ro＝0．45m2·k／w
Ko＝2．22w/m2·k
4)計算：
�。健�
5)計算：
＝℃（vo采用過去實測數(shù)據(jù)）
6)計算：
�。絯/m2·k
7)計算qwi.max：
qwi.max＝Ko(w/m2·k
這便是雙面抹灰西墻傳入室內(nèi)的最大熱流量qwi.max。按與以上相同的方法可求出南墻、屋頂?shù)鹊谋容^基準qsi.max、qri.max：
qsi.max＝16.20 w/m2
qri.max＝38.17 w/m2
3.3 節(jié)能量的分析：
按前面提出50%的節(jié)能要求，得出圍護結(jié)構(gòu)墻體(主要指西、南墻，北墻可采用南墻控制值)，屋頂?shù)淖畲罂刂茻崃髁浚?/p>
qkwi.max＝0.65 qwi.max＝0.65X29.94＝19.46w／m2
qksi.max＝0.65 qsi.max＝0.65X16.20＝10.53w／m2
qkri.max＝0.65 qri.max＝0.65X38.17＝24.81w／m2
3.4 問題討論：
若要保證最大控制熱流量，則
由(10)式
qi.max＝Ko()+
其中：＝
將代入(10)式，則得qi.max＝K。()+·＝Ko()[1+·] （17）
下面我們對(14)式進行討論：
對西墻：
Ko＝1.5w／m2·k twsa＝34.28℃ ti＝28.00℃ Awtsa＝20.98℃
節(jié)能住宅房間屬于要求較高的房間，可取i-i=1.00℃
因qkwi.max＝19.46w／m2用(14)式求得vo＝19.68 這是屬于重質(zhì)圍護結(jié)構(gòu)才能達到的指標。
這時Ael＝＝1.07
若取Aθi＝1.0℃ 可由(14)式求得Ko=1.55w／m2·k這時vo=20.98同冬季Ko＝1.50w/m2·k(見前)比較可知應取Ko＝1.50w／m2·k
對輕質(zhì)結(jié)構(gòu)西墻，若將其vo減小一半，即使vo=9.84，則求得所需Ko=0.99w／m2·k
這時Ael＝＝2.13
若取Aθ＝2.0℃ 可由（14）式求得Ko＝1.03w/m2·k 這時vo＝10.49
對南墻：
Ko＝1.5w/m2·k ssa＝31.63℃ i＝28.00℃ Astsa＝10.63℃ 取i–i＝1℃
因qksi.max＝10.53w/m2用(14)式求得vo＝11.38
這時Aθi＝＝0.93
對屋頂：
Ko=1.0w／m2·k rsa＝39.80℃ i＝28.00℃ Arsa＝25.52℃ i–i＝1.0℃
因qri.max＝24.81w/m2用(14)式求得vo=23.15℃
這也是屬于重質(zhì)圍護結(jié)構(gòu)尚能達到的指標。
這時 Aθi＝＝1.1℃
若取Aθi＝1.0℃ 可由(14)式求得Ko=1.05w／m2·k 這時vo＝25.52 同冬季
Ko＝1.35w／m2·k(見前)比較可知應取Ko=1.05w/m2·k
若取Aθi=2.0℃ 可由(14)式求得Ko=0.70w／m2·k 這時vo=12.76
對輕質(zhì)結(jié)構(gòu)屋頂，若將其vo減小一半，即使vo＝11.58，則求得所需Ko=0.66w／m2·k
Aθi＝＝2.2℃
從以上對幾種墻體、屋頂內(nèi)表面溫度振幅值A(chǔ)θi的計算結(jié)果來看，重質(zhì)結(jié)構(gòu)處于0.93～1.1℃的范圍，輕質(zhì)結(jié)構(gòu)處于2.13～2.2℃的范圍。根據(jù)[4]中陳述的觀點，對要求較高的房間Aθi≤1.5℃；對一般房間Aθi≤2.5℃。那么以上考慮均是合適的，僅為適用不同擋次的要求而已。當然在條件允許時，選用Aθi≤1.0℃的外圍護結(jié)構(gòu)，居住舒適度更好一些(過大的Aθi值明顯地使人感到不適)。從上面的分析可看出，公(14)既適用于重質(zhì)外圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能計算，也適用于輕質(zhì)外圍護結(jié)構(gòu)的計算。當＝1℃時，重質(zhì)外圍護結(jié)構(gòu)，Vo大，Ko值可選大一些，而輕質(zhì)外圍護結(jié)構(gòu)，Vo小，相應的Ko值應選小一些，且同重質(zhì)結(jié)構(gòu)相比，內(nèi)表面Aθi要大一些，但Aθi≤2.5℃。從上述分析可看出在<<采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范>>[5]對舒適性空氣調(diào)節(jié)給出的圍護結(jié)構(gòu)最大傳熱系數(shù)限值：屋蓋Ko=1.0w／m2·k，外墻Ko=1.5W/m2·k恐只適用于重質(zhì)圍護結(jié)構(gòu)，輕質(zhì)圍護結(jié)構(gòu)與此有較大差距，值得進一步探索。
4．舒適性空調(diào)條件下內(nèi)墻和樓板的選擇
在成都地區(qū)及我國南方的廣大地區(qū)(包括廣大的夏熱冬冷和夏熱冬暖地區(qū)以及部分溫和地區(qū))的住宅夏季并非個個房間都空調(diào)，冬季并非個個房間都采暖，而且鄰居的相鄰房間也并非同時空調(diào)和采暖．這樣在一家人的不同房間(或與鄰居的相鄰房間均存在著傳冷(或傳熱)問題．在國家標準《采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》[5]中提出：當相鄰房間的溫差大于3℃時，對舒適性空氣調(diào)節(jié)，內(nèi)墻和樓板的最大傳熱系數(shù)不宜大于2.0w／m2·k。這個規(guī)定對于240mm厚多孔磚(KP1或矩形孔KP1磚)作內(nèi)墻的多層建筑恰好可以滿足，但對于高層建筑問題就來了，能小于(或等于)此傳熱系數(shù)的且能滿足分戶墻(或分室墻)隔聲要求，且墻體荷載要輕的材料并不多。多年來我們并沒有把建筑節(jié)能提到提高居住質(zhì)量及維持可持續(xù)發(fā)展的高度來認識。只有新型墻體材料(包括KP1多孔磚、190mm厚雙孔方型空心磚、厚度大于100mm的加氣混凝土墻體、QTC輕質(zhì)復合砌塊和3—D板隔墻，樓板能達到這一要求的并不多，只有3-D樓板，或者結(jié)合裝修(或作采暖地板)時對地面作保溫處理也可達到這一要求。
5．結(jié)語
通過本次研究可得出如下結(jié)論：
1．通過對[1]中耗熱量指標的分析簡化，依據(jù)節(jié)能50％的指標，分析得出了夏熱冬冷地區(qū)圍護結(jié)構(gòu)冬季的傳熱系數(shù)的限值。
2．對夏季空調(diào)狀態(tài)下圍護結(jié)構(gòu)的傳熱問題，把通過外圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面進入房間的最大熱流密度作為評價指標之一。把室內(nèi)氣溫近似假定為恒定，將室外綜合溫度分解為平均值和波動值兩部分，導出了計算通過圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面進入房間的最大熱流密度的公式。將80代初通用住宅外圍護結(jié)構(gòu)最大熱流密度減小35%，即得出了節(jié)能住宅外圍護結(jié)構(gòu)最大控制熱流密度，經(jīng)分析得出內(nèi)表面溫度波幅值范圍并進行了討論。導出的公式既適用于重質(zhì)圍護結(jié)構(gòu)的計算，也適用于輕質(zhì)圍護結(jié)構(gòu)的計算。[5]給出的舒適性空調(diào)屋蓋、外墻傳熱系數(shù)限值恐只適用于重質(zhì)圍護結(jié)構(gòu)，值得進一步探索。
3．依據(jù)成都地區(qū)(及我國南方廣大地區(qū))空調(diào)及采暖現(xiàn)狀，對舒適性空調(diào)及采暖房間內(nèi)隔墻及樓板的現(xiàn)狀進行了論證，給出了傳熱系數(shù)限值，推薦了幾種符合要求的地板和樓板，指出了節(jié)能建筑設(shè)計時不容忽視的方面。
6．參考文獻
[1]中華人民共和國行業(yè)標準<<民用建筑節(jié)能設(shè)計標準>>(采暖居住建筑部分) JGJ 26—95 中國建筑工業(yè)出版社 1996 北京
[2]<<成都地區(qū)住宅建筑節(jié)能管理規(guī)定>>(試行)2000年成都地區(qū)<<規(guī)定>>編制組
[3]中華人民共和國國家標準<<民用建筑熱上設(shè)計規(guī)范>>GB50176—93中華人民共和國建設(shè)部 1993年10月
[4]<<建筑熱工設(shè)計>>西安冶金建筑學院建筑物理實驗室編 中國建筑工業(yè)出版社 1977年10月第一版
[5]中華人民共和國國家標準<<采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范>>GBJ19—87 中國有色金屬工業(yè)總公司主編
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