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夏热冬冷地区既有建筑节能改造探究
摘 要 使用清华斯维尔软件公司开发的节能设计软件TH-BECS2008，对夏热冬冷地区（南京）的一幢既有公共建筑的能耗随围护结构（外墙、外窗、遮阳）改善的变化规律进行了分析，得出对围护结构各部分的改造对建筑能耗的影响。
关键词 围护结构改造，动态负荷，影响因子
1 引言
南京位于夏热冬冷地区，该地区夏季闷热，冬季寒冷，室内热环境较差。随着经济发展和人民生活水平快速提高，空调设备也得到普及使用。如何通过改善建筑围护结构热工性能，使建筑物具有良好的室内热舒适性，降低建筑耗能成为急需研究的课题。目前八十年代以来的既有建筑仍占有相当大比重，因此在对新建建筑加以节能设计的同时，还应研究对既有建筑的节能改造。本文以南京的某幢既有公共建筑为例进行了动态负荷计算，分析了围护结构的改造对建筑能耗的影响。
2 软件计算模型
斯维尔软件采用DOE-2.1E-119计算内核，DOE-2用反应系数法[1]来计算建筑围护结构的传热量。反应系数法，将计算围护结构作为线性的热力系统，利用系统的传递函数得出某单位扰量（如三角波）作用下的反应系数，也即单位扰量作用下系统的得热量，由于任意变化的室外温度可以分解成一个个可迭加的三角波，利用导热微分方程可迭加的性质，因此可通过反应系数来求解系统得热量。反应系数法用时间序列表示外扰变化，不考虑外扰是否呈周期性变化，反应系数的计算可参考专门的资料[2]。若反应系数已知，就可利用下式计算第n个时刻,从室外通过围护结构向室内的传热得热量。

空调负荷的计算中，室温相对恒定，假定tr不变，以一年8760小时为计算区间模拟全年空调负荷，则第n时刻的得热量为：

则n时刻的室内冷负荷为：

3 原有建筑动态负荷模拟计算：
3.1 建筑概况
办公建筑，建筑节能计算面积7193 m2，高度55.5 m，层数16层，建筑外表面积为：6090.32 m2，体形系数0.246。各向窗墙比：东向：0.09，西向：0.31，南向：0.42，北向：0.25，均满足《公共建筑节能设计标准》(GB50189-2005)第4.2.4条各朝向窗墙比不超过0.7的规定[3]。
3.2 软件建模如下：
改造前主要围护结构的做法：
1. 屋顶构造：加气混凝土找坡160 传热系数：K=0.983 W/m•K
2. 外墙构造：砖墙240 传热系数：K=2.017 W/m•K
3. 地面构造：大理石+砂浆40+细混凝土60+厚混凝土100+沙石垫层100+素土夯实800 传热系数：K=3.109 W/m•K
4. 外窗构造：6透明玻璃-非隔热金属窗框 K=6.5 W/m•K
人员密度值：4 m2/人
照明功率密度值：25 W/m2
电器设备功率密度值：20 W/m2
3.3 计算结果与分析：
表1：全年逐月动态负荷
月份
一
二
三
四
五
六
七
八
九
十
十一
十二
总计
冷负荷（MWh）
10.8
6.2
24
52.3
66.6
121
178
141
104
68.2
44.6
13.9
830.4
热负荷（MWh）
-139
-133
-77
-31
-12
-1.1
-0
-0
-0.8
-9.6
-37
-103
-544
由表1可知全年总冷负荷为：1169.078MWh，最大冷负荷出现在七月192.896 MWh，冷负荷指标为162.5 kWh/m2；全年总热负荷为：-513.212MWh，最大热负荷出现在一月-132.114MWh，热负荷指标为-71.35 kWh/m2。
模拟结果分析：
冬季某些时刻可能同时存在着热负荷与少量的冷负荷，这是由于在冬季为克服建筑内部的灯光、设备、人体的散热量以及在白天太阳辐射得热所造成的冷负荷。
图1中，可以看出全年冷负荷中，由于外窗的太阳辐射得热而引起的冷负荷占了最大的比例47.6%，通过外墙导热而引起的冷负荷占7.1%，屋顶占0.5%。人员占20.5%，灯光占14.2%，设备占22.4%。
图2中，全年热负荷中，由于外窗导热产生的热负荷占了最大的比例69.9%，外墙导热占了69.1%，屋顶占3.4%。外窗辐射得热抵消了部分热负荷-28.9%，人员-7.8%，灯光-7.4%，设备-8.1%。
由此可知，外墙在建筑热负荷中占了相当大的比重，而在冷负荷占的比例相对较小。

图1 建筑各部分在冷负荷中的比例

图2 建筑各部分在热负荷中的比例
4 改造建筑动态负荷模拟计算
在研究中采用仅改造外墙，即在外墙外表面上用聚氨酯做保温，而外窗，屋面，室内人员，灯光，设备的条件都不变的条件下，对外墙加以能耗模拟分析，考察外墙传热对冷热负荷的影响。
4.1 仅改外墙构造
分别将外墙的外侧加5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm的聚氨酯保温。保温后的外墙传热系数分别为：1.494W/m•K、1.186W/m•K、0.984W/m•K、0.84W/m•K、0.733W/m•K、0.65W/m•K、0.584W/m•K。

图3 建筑冷负荷变化规律

图4 建筑热负荷变化规律

外墙改造后热负荷显著减少，但冷负荷减少的并不明显，由改造前的115.4 kWh/m2减少为113.3 kWh/m2，热负荷指标由改造前的-75.6 kWh/m2减少为-66.2 kWh/m2。且负荷指标的降低并非按线性规律变化，减少的程度随着外墙传热系数的减少而减少，为此定义节能率[4]：

图5 建筑负荷节能率的变化规律
由图5可知：增强外墙的保温性能，可使冷热负荷影响因子增大，且当传热系数小于1 W/m•K时，影响因子的增大趋势减少，而外墙做保温所需的经济成本不断升高，因此应综合考虑技术与经济的可行性。此外，增强外墙的保温，对热负荷的影响要大于对冷负荷的影响且在五到七倍之间。
4.2 仅改外窗构造
改造外窗的传热系数分别为：6.5W/m•K、5.5W/m•K、4.5W/m•K、3.5W/m•K、2.5W/m•K、2W/m•K。
计算结果分析：计算得到节能率随着外窗传热系数的变化趋势如下所示：

图6 建筑负荷节能率的变化规律
由图6可以看出由于外窗导热系数的减少，外窗结构的保温性能增强，使建筑热负荷减少，建筑冷负荷略有增加，这是因为在过渡季节，由于外窗的保温性能增强，使得由室内进入环境的热量减少，也即使冷负荷增加。
4.3 仅改遮阳的构造
采用内外遮阳设施夏季（六月至九月底）遮阳系数0.2，冬季（12月至次年2月底）0.8，过渡季0.5。
计算结果分析：采用遮阳设施以后，全年建筑冷负荷由1169.078MWH降低为926.338MWH，全年建
筑热负荷由-513.212MWH降低为-266.667MWH，建筑冷热负荷节能率分别为20.8%，48%，节能效果很明显，建筑中各个部分在冷热负荷中的比例见图7，图8。可以看出由于采用了遮阳设施，外窗辐射在冷负荷中所占的比例大大减少。

图7 建筑各部分在冷负荷中的比例

图8 建筑各部分在热负荷中的比例
5 结论
上述模拟计算结果表明：
1）夏热冬冷地区，增强外墙的保温性能，降低外墙的传热系数，可使冷热负荷影响因子增大，也即使夏季冷负荷，冬季热负荷均降低，但敏感的程度不同，对热负荷的改善作用大大高于对冷负荷的改善作用，对热负荷的影响要大于对冷负荷的影响且在五到七倍之间。
2）夏热冬冷地区，外窗结构的保温性能增强，使建筑热负荷减少，建筑冷负荷略有增加。
3）夏热冬冷地区，对遮阳设施的改善可大大降低建筑的冷热负荷 。