住宅墙体热工性能分析论文

摘要：本文立足于上海地区，根据该地区的实际情况和低密度住宅现状的调查结果，以《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》为参考，借助于能耗分析软件TRACETM700对目前低密度住宅的一些常见墙体形式和新型墙体材料进行热工性能模拟，并进行简单的经济分析，得出一些结论和提出建议。

关键词：建筑节能低密度住宅热工性能

0引言

建筑能耗的剧烈增长引发了一系列环境、能源和社会问题。我国的建筑能耗占全国能耗量的1/4以上，其中建筑采暖、空调、照明占14%，建筑建造能耗为11%[1]。而且在我国经济比较发达的中心城市中建筑能耗还会有很大的增长空间。因此实施建筑节能不仅可以有效地节约能源，减少对环境造成的直接或间接的压力，而且还能降低电网的负荷，保证社会的稳定。

在本文中，笔者着重讨论建筑围护结构部分的外墙体热工性能。墙体是建筑围护结构的主要组成部分，在建筑物采暖、空调负荷中，围护结构的传热占了很大一部分比重，通过外墙传热所造成的能耗损失约占建筑的护结构总能耗损失的48%[2]。墙体热工性能直接影响着建筑的能耗水平，对于建筑节能有着极其重要的意义。

上海不属于冬季采暖区，历年来建筑设计对于围护结构的保温隔热性能没有给予特殊重视，因此该地区建筑围护结构的保温隔热性能要比采暖地区差很多。本文所研究的对象——低密度住宅因其自身的特点，与其他类型的住宅建筑相比建筑能耗较高，笔者认为对低密度住宅的墙体进行热工性能分析有着迫切的现实意义。因此，笔者针对上海地区2003年新建低密度住宅的墙体材料的使用现状做了详细的调研，并根据调研结果，采用美国特灵公司开发的能耗模拟软件TRACETM700，模拟一幢典型的两层独立式住宅，分析由于不同墙体形式对建筑负荷与能耗的综合影响，并选择几种墙体进行了简单的经济分析。

1上海整体环境以及低密度住宅材料使用现状的调研结果

1.1上海整体环境

上海属于夏热冬冷地区，夏季连晴的高温天气中，室内温度超过30℃，冬季室内外温差只有1~4℃，室内阴冷，温度不到12℃，人在室内坐久，则感到寒气袭人。在建筑节能实践的层面上，上海与西方国家相比还存在相当大的差距，具体数据参见表1。英国标准在能源危机前外墙传热系数值为1.6W/(m2.℃)，现已降至0.45W/(m2.℃)，而上海的节能标准规定，外墙体的传热系数上限值为1.5W/(m2.℃)，可见差距是非常大的。因此迫切需要对住宅建筑的外墙体进行革新，实现建筑节能。

表1上海与先进国家在建筑传热系数值方面的比较国别节能标准瑞典英国美国

传热系数

W/(m2.℃)外墙≤1.50.170.450.3~0.5

窗户≤3.22.02.0~2.6

屋顶≤1.00.120.450.15

说明：其中上海地区窗户传热系数值的规定是在窗墙面积比>0.25且≤0.35的前提条件下设定。

1.2上海低密度住宅材料应用现状的调查与分析

2004年4月我们就上海地区低密度住宅材料使用的现状作了一次随机抽样调查。低密度住宅就是指建筑容积率不大于0.9或套密度不大于3.5（套／1000平方米）且层数在四层以下的住宅[3]。本次调研活动的对象是2003年在上海新建成的独立式住宅、联排式住宅、叠加别墅或低于六层的多层住宅。共发放问卷250份，收回问卷60份，其中有效问卷42份，涉及调研人员125人，被访楼盘覆盖上海10大区域。因此能基本和客观地反映目前上海新建低密度住宅建筑材料使用的主流现状。调研数据总结如下：

(1)楼地：多为混凝土碎石和砖块楼地。

(2)地坪以上外墙体材料：100%为混凝土或石材墙体，组成略有不同，所占比例参见表2。

(3)地坪以上墙体：100%无保温材料。

(4)楼板：多为钢筋混凝土楼板。

(5)屋顶和阁楼：100%有保温，其中95%的保温材料为膨胀珍珠岩，5%为聚苯板。

(6)门和窗：室外以复合门、钢门和实木门居多，室内多为木门；窗框使用材料见表3。

表2外墙体中各材料的比例编号各材料组成所占比例

1100%现浇钢筋混凝土25%

220%现浇混凝土+80%空心粘土砖50%

350%现浇混凝土+50%加气混凝土15%

4混凝土砌块10%

表3窗框使用材料编号窗框材料所占比例

1铝合金60%

2塑钢31%

3不锈钢7%

4实木2%

由于低密度住宅有其特殊的消费群体，因此在以往的设计理念中，往往从美学、功能等角度加以重点设计，从根本上忽略其建筑节能的问题。但是从如今低密度住宅的能耗现状看，它的耗能与普通住宅相比是非常严重的，据笔者所做的统计可知，普通住宅（1户）全年支付的单位面积电力能耗费平均为8元/m2~38元/m2，仅为低密度住宅的35%左右。然而根据此次调查结果，我们看到上海地区新建低密度住宅材料的使用还比较单一。屋顶和楼地的保温措施不够完善，窗墙比从0.25~0.50，建筑很少有外遮阳，门窗气密性不高。外墙大都是混凝土结构或砖混结构，还仅仅局限于单一墙体材料的使用。与我市普通的多层住宅相比，屋顶、楼地板、窗户以及外墙体等围护结构的材料使用并没有太大差别，尤其是外墙体部分，基本达不到节能标准所定的要求(传热系数值≤1.5W/(m2.℃)[4]。这与国家的节能大潮相不符，也体现不出低密度住宅与普通住宅的特殊之处，因此我们要重视低密度住宅的建筑节能问题，运用科学的节能技术和可持续发展的理念使其真正达到长效、低耗、舒适的目标。

2不同墙体材料热工性能的模拟、分析和比较

通过调研结果得到了目前上海低密度住宅材料使用的主流现状，笔者运用能耗分析软件模拟一幢典型的两层独立式住宅，通过变换不同的外墙墙体材料，使热工性能中的关键性指标——传热系数K值发生变化，从而对全年建筑负荷和能耗量发生影响。在该模拟试验中，建筑朝向、体形系数、窗墙比、窗、门和屋顶的材料等参数均定为常量，唯一的变量就是不同外墙材料的传热系数K值。

2.1建筑模型描述

该建筑模型为两层独立式住宅，建筑面积为215.4m2，体形系数为0.3，屋顶为角度30o的坡屋顶，窗墙比为0.30，具体平面布置参见下图1。

图1两层独立式住宅平面布置图

该住宅选用风冷热泵机组作为空调冷、热源，空调末端为风机盘管，空调面积为168m2。夏季室内设计温度为26℃，冬季室内设计温度为18℃，室内设计相对湿度为60%。在模拟中全年24小时空调系统运行。天气参数采用典型气象年的逐时气象资料。除外墙外其他围护结构的传热系数如表4所示。

表4围护结构的构成和传热系数围护构件常量参数外窗屋顶楼板楼地

材料铝合金型材双玻窗（断热）水泥膨胀珍珠岩屋面110钢筋混凝土楼板混凝土碎石楼地

K值W/(m2.℃)3.201.002.724.41

在该模型中，人员结构为五口之家，一对年轻夫妇及其父母和一个已上学的小孩。基于此次调研的结果，按照居民的生活习惯和家用电器使用情况,对室内负荷进行了设定，如表5、6所示。新风量按30立方米/小时·人计算，房间与室外的冷风渗透量为0.2次/小时。模拟采用能耗模拟软件——特灵公司开发的TRACETM700，通过变换外墙材料，使该模型建筑的传热系数K值发生变化，模拟计算该两层独立式住宅的建筑负荷和全年能耗量。

表5人员、照明和设备负荷率房间类型人员照明设备

娱乐室8:00~11:00:20%;14:00~16:00:20%;

19:00~21:00:20%;其余:0%19:00~21:00:50%;其余:0%8:00~11:00:40%;14:00~16:00:40%;

19:00~21:00:40%;其余:0%

餐厅7:00~9:00:100%;11:00~13:00:40%;

18:00~20:00:40%;其余:0%18:00~20:00:100%;其余:0%10:00~12:00:10%;

18:00~20:00:10%;其余:0%

厨房7:00~9:00:80%;11:00~13:00:100%;

17:00~19:00:100%;其余:0%17:00~20:00:100%;其余:0%7:00~9:00:80%;11:00~13:00:80%;

17:00~19:00:80%;其余:0%

客厅10:00~12:00:30%;15:00~17:00:30%;

19:00~21:00:20%;其余:0%19:00~21:00:70%;其余:0%10:00~12:00:50%;15:00~17:00:50%;

19:00~21:00:50%;其余:0%

老人卧室20:00~7:00:100%;

13:00~15:00:80%;其余:0%19:00~22:00:90%;其余:0%22:00~7:00:5%;13:00~15:00:40%;

19:00~22:00:60%;其余:0%

起居室19:00~22:00:40%;其余:0%19:00~21:00:80%;其余:0%19:00~21:00:80%;其余:0%

书房19:00~23:00:90%;其余:0%19:00~23:00:100%;其余:0%19:00~23:00:80%;其余:0%

主卧室20:00~23:00:50%;

23:00~7:00:100%;其余:0%20:00~21:00:90%;其余:0%20:00~22:00:50%;其余:0%

小孩卧室20:00~7:00:100%;其余:0%20:00~22:00:100%;其余:0%20:00~22:00:50%;其余:0%

表6人员、照明和设备负荷房间类型人员密度(人/m2)照明负荷(W/m2)设备负荷(W/m2)

娱乐室0.6105

餐厅0.35103.5

厨房0.251015

客厅0.2158

老人卧室0.1285

次卫1无83

次卫2无108

家居室0.2105

书房0.181210

主卧室0.0785

小孩卧室0.25585

主卫无158

次卫3无83

2.2五种墙体热工性能分析以及经济收益的比较

2.2.1参数的设定

五种外墙体的传热系数K值参见表7。其中1号、2号、3号墙体来自于此次调查的结果，它代表了目前上海低密度住宅外墙材料使用的主流现状，而4号和5号墙体则是在2号墙体的基础上分别添加保温材料后满足节能标准的墙体。

表7五种墙体的构成和传热系数K值围护构件变量参数外墙传热系数W/(m2.℃)

材料组成钢筋混凝土墙体（1号）2.91

钢筋混凝土与空心砖的混合墙体（2号）1.89

钢筋混凝土与加气混凝土的混合墙体（3号）1.94

钢筋混凝土与空心砖混合墙体、内贴6mm水泥聚苯板（4号）1.50

钢筋混凝土与空心砖混合墙体、外贴30mmEPS聚苯板（5号）0.70

2.2.2建筑负荷以及全年能耗量的模拟结果

从模拟结果可以看到：当外墙体的传热系数K值从1号墙体的2.91W/(m2.℃)逐步降低到5号墙体的0.70W/(m2.℃)时，建筑冷负荷从26.04kW减小到20.49kW，建筑热负荷从19.44kW减小到12.32kW，同时全年耗电量也呈明显的下降趋势，电力耗能量从11980kWh降低到8250kWh。

建筑总负荷中的围护结构负荷以及室内负荷的详细数据参见表8，其中围护结构冷负荷占建筑总冷负荷的69％～75%，围护结构热负荷则占建筑总热负荷的95％～97％，相对而言室内冷负荷占建筑总冷负荷的比例仅在21％～27％左右，所占比例较小。在这种围护结构传热负荷所占比例很大的建筑中，提高外墙的保温绝热性能，相对于围护结构传热负荷所占比例较小的商业建筑或工业建筑，其作用是比较显著的。

图2不同墙体形式下的建筑负荷

图3不同墙体形式下的全年耗电量

图4为全年12个月的电力消耗情况，其中峰值出现在7月和8月，谷值则出现在4月、5月、10月和11月，墙体传热系数值降低，全年能耗随之降低，其中冬、夏季能耗降低比较显著，而过渡季变化很小。说明提高建筑围护结构的热工性能，增强其保温隔热能力，能够减小建筑负荷以及全年耗能量，达到建筑节能的目的。

表8各墙体总建筑负荷详细列表负荷单位（kW）一号墙体二号墙体三号墙体四号墙体五号墙体

冷负荷热负荷冷负荷热负荷冷负荷热负荷冷负荷热负荷冷负荷热负荷

围护结构负荷19.5218.8017.1215.4918.9015.6614.8514.2513.9511.68

室内负荷5.6505.6505.6505.6505.650

通风负荷等0.870.640.880.640.880.640.880.640.890.64

总建筑负荷26.0419.4423.6516.1325.4316.3021.3814.8920.4912.32

图4全年逐月耗电量

2.2.3经济性分析

目前上海低密度住宅的外墙体普遍采用2号墙体，其造价最低且传热系数K值达到1.89W/(m2.℃)，4号和5号墙体则是在2号墙体的基础上添加保温层，使其传热系数K值达到节能标准——1.50W/(m2.℃)和0.70W/(m2.℃)。在表9中，我们从经济收益的角度简单比较了这三种墙体，可以明显地看到，要提高墙体热工性能，降低墙体传热系数值必然会增加墙体的初投资。达到节能标准的4号、5号墙体和未达到节能标准的2号墙体相比，增加的初投资分别为25元/m2和55元/m2，而年节约费用分别为420元和1011元，投资回收期则分别为21年和17.9年（银行贷款利率按6%计算，且仅记入材料费未计入人工费用）。

表9墙体的经济收益比较墙体类型2号墙体4号墙体5号墙体

传热系数值W/(m2.℃)1.891.500.70

墙面面积(m2)199199199

增加造价(元/m2)/2555

年节约费用(元)/4201011

投资回收期(年)/2117.9

从投资回收期的角度看，这个回收周期并不理想，这也给节能墙体的推广带来了一定的难度。从房地产开发商的角度看，投资最小而能达到利益最大化是他们的目标，而采用节能墙体没有给他们带来明显的收益，因此很难推广。

目前，建筑节能的方法很多，但关键是要积极响应和贯彻实施，因此笔者认为，如果国家要有效地推动房地产行业的规范化，使其能够自觉地遵守节能标准就十分有必要出台一些经济奖励制度或惩罚制度，从根本上推动上海地区节能事业的有效发展。

3结论

根据上述的模拟和分析，笔者得到了如下几点结论：

(1)在一定范围内减小墙体传热系数K值，可以降低建筑负荷、减少建筑能耗，但同时也会增加墙体的初投资。因此在墙体传热系数K值、建筑能耗和墙体初投资这三者间，必然存在一个综合最优值，它与住宅的各项参数和所采用的设备以及运行效率有关。

⑵居住建筑相对于商业建筑或工业建筑，室内负荷在建筑总负荷中所占比例相对较小且比较稳定，因此对于居住建筑的围护结构实施节能措施是非常有意义的。

⑶如果将住宅外墙体传热系数值降低到节能标准所规定的限值（K≤1.5W/(m2.℃)），其投资回收期大概在18～21年左右，计算时只记入材料费用，如果记入人工费用，则投资回收期还要相应延长。由于回收周期较长，给节能标准在上海的实施带来了一定的困难，因此笔者认为政府有必要出台相关政策以便推动和鼓励节能事业的健康发展。

参考文献

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