寒冷地區裝配式建筑外圍護結構節能設計研究

邸芃，巨斌

（西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054）

0 引言

結合各國經驗和國內當前的建筑能耗水平，可以預計到2020年，我國建筑能耗所占能源消耗總量的比例將達到35%左右，超越交通、農業、工業等其他行業成為第一耗能產業[1]。由此可見，建筑節能無疑是節約能源最有效的方法之一。裝配式建筑是實現建筑節能的有效途徑。裝配式建筑以施工周期短、現場濕作業少、不受季節限制以及資源循環利用率高的優勢，越來越受到人們的青睞。同時，裝配式建筑建造過程中節能、節地、節水、節材、保護環境，能夠滿足建筑業可持續發展的戰略需求。未來裝配式建筑將占到新建建筑的比例達到30%。當然也必須注重裝配式建筑在使用過程中的節能減排。我國地域遼闊，從北到南氣候變化較大，共有5個熱工分區，寒冷地區建筑能耗體現在冬季保溫和夏季防熱上，因此研究這一地區的裝配式建筑節能設計意義重大。

1 裝配式建筑的概念及節能設計標準

裝配式建筑施工質量高、節省勞動力、建造速度快，受氣候條件制約小。裝配式建筑所用構件在工廠內工業化生產，如外墻板、內墻板等?，F場進行大量的裝配作業，現澆作業大大減少。用建筑、裝修一體化設計、施工，理想狀態是裝修可隨主體施工同步進行。構件的標準化設計和建造時的信息化管理，極大地提高了裝配式建筑的生產效率，使裝配式建筑能夠高效快速地建造。本文主要研究裝配式住宅外圍護結構對建筑采暖、制冷負荷的影響，探討模型建筑能否達到綠色建筑的標準。

對于圍護結構的要求，綠色建筑評價標準規定：圍護結構熱工性能指標優于國家現行有關建筑節能設計標準的規定，并按相應的規則評分。

2 裝配式建筑采暖和制冷負荷的影響因素

影響裝配式住宅運行負荷的諸多因素大體可以分為外因和內因兩大類。其中外因是指影響住宅室內熱環境的各種擾量，包括住宅所在地域的室外空氣溫度、濕度、太陽輻射強度等外擾和住宅內人員活動和設備運行所產生的熱和濕等內擾。外因對住宅室內環境負荷所造成的影響因人因地而異，因此在一般性的住宅能耗計算過程中不予考慮，內因主要指住宅建筑本身，包括建筑朝向、體型系數、外圍護結構構造形式和保溫隔熱性能、窗墻比等建筑節能設計參數。其中外墻、屋面、外窗的保溫隔熱性能和不同朝向窗墻比的設計對建筑運行負荷的影響最大，因此作為本文的研究重點。

2.1 外墻保溫層厚度對裝配式建筑采暖和制冷負荷的影響

建筑圍護結構保溫隔熱技術在建筑節能中非常重要。以1棟采暖居住建筑為例，圍護結構熱損失占77%，其中外墻25%、外窗24%、樓梯間11%、屋面9%、陽臺3%、戶門3%、地面2%、門窗空氣滲透23%[2]。因此，降低外圍護結構的傳熱系數，減小外圍護結構冷熱損失，從而降低采暖空調系統負荷，是實現建筑節能的有效途徑。目前，國內可作為裝配式外墻板使用的主要墻板種類有：承重混凝土巖棉復合外墻板、薄壁混凝土巖棉復合外墻板、混凝土聚苯乙烯復合外墻板、混凝土膨脹珍珠巖復合外墻板、鋼絲網水泥保溫夾芯板、SP預應力空心板、加氣混凝土外墻板及真空擠壓成型纖維水泥板（簡稱ECP板）[3]。本文取混凝土聚苯乙烯復合外墻板為研究對象，對于復合外墻板來說，保溫層的厚度是其傳熱系數最主要的影響因素。預制混凝土夾芯外墻板，分為結構層、保溫層和保護層，其中結構層厚度為200 mm，保溫層厚度為30～100 mm，外葉厚度為60 mm?，F以XPS夾芯保溫墻板為例，分析保溫層厚度對外墻傳熱系數和采暖、制冷負荷的影響。

XPS板保溫墻體結構構造（從室外到室內）為：15 mm厚外抹灰混合砂漿、60 mm厚外葉墻板、一定厚度XPS擠塑保溫板、200 mm厚內葉墻板、20 mm厚內抹白灰砂漿，改變XPS聚苯板保溫層厚度，根據墻體傳熱系數計算公式得出外墻構造形式參數見表1。

為了便于進行外墻在不同傳熱系數下采暖制冷耗負荷的模擬計算，選擇長15 m，寬4.8 m，高3 m的長方體作為研究用基礎模型[4]。采用清華大學設計研發的能耗模擬軟件DeST-h，以西安地區為例，模擬計算出該模型在不同傳熱系數下的建筑全年累計冷熱負荷，結果見圖1。

表1 不同傳熱系數下的外墻構造形式參數

由圖1可知，采暖和制冷總負荷隨著墻體中保溫層厚度的增加而降低，降低幅度明顯。采暖負荷、制冷負荷與采暖和制冷總負荷變化趨勢相同，其中采暖負荷降低幅度明顯，制冷負荷降低幅度不明顯。由此可以得出，通過改變保溫層厚度降低采暖負荷效果顯著；在厚度大于70 mm時，其下降趨勢趨于平緩，說明此時通過改變保溫層厚度降低采暖負荷效果并不明顯。采暖制冷總負荷和采暖負荷與保溫層厚度的關系類似。綜上所述，外墻最佳保溫層厚度為70 mm，對應的外墻傳熱系數為0.360 W/（m2·K）。

對不同保溫層厚度下建筑采暖、制冷及采暖制冷總負荷進行量化統計分析，以更加準確地描述外墻保溫層厚度與采暖制冷負荷之間的關系，如表2所示。

從表2可以看出，保溫層厚度從30 mm增加到40 mm，傳熱系數由0.713 W/（m2·K）降至0.572 W/（m2·K），單位面積負荷減小了4.27 kW·h/（m2·a），外墻保溫層厚度增加10 mm，單位面積負荷遞減百分比為3.0%。保溫層厚度從40 mm增加到70 mm時，傳熱系數由0.572 W/（m2·K）下降到0.360 W/（m2·K），單位面積負荷減小了6.63 kW·h/（m2·a），外墻保溫厚度每增加10 mm，單位面積能耗遞減百分比大于1%，說明通過增加保溫層厚度降低外墻傳熱系數的做法在一定程度上可以減小全年的單位面積負荷，保溫層厚度從70 mm增加到100 mm時，即傳熱系數由0.360 W/（m2·K）下降到0.262 W/（m2·K），單位面積負荷減少了3.11 kW·h/（m2·a），外墻保溫厚度每增加10 mm，單位面積能耗遞減百分比小于1%，說明通過增加保溫層厚度降低外墻傳熱系數的做法對全年的單位面積負荷減少效果不明顯。綜上所述，西安地區裝配式建筑中住宅的外墻XPS保溫層厚度取70 mm為宜，外墻傳熱系數以0.360 W/（m2·K）為宜，

2.2 屋面保溫層厚度對建筑采暖和制冷負荷的影響

參照西安某住宅建筑屋面構造做法，屋面板為疊合板（在預制板60 mm上做100 mm的現澆層），利用上述研究方法計算得到該屋面XPS保溫層厚度取60 mm為宜，屋面傳熱系數以0.417 W/（m2·K）為宜。

2.3 外窗類型及窗墻比對建筑采暖和制冷負荷的影響

2.3.1 基礎模型外窗類型選擇

寒冷地區裝配式建筑研究過程中普通節能建筑常用的外窗類型可以滿足要求，西安地區住宅建筑的外窗在考慮到透光率、遮陽系數、傳熱系數、經濟成本等影響因素下，在一般的集合住宅中，采用斷橋塑鋼中空玻璃或者在窗墻比較小的外窗采用斷橋塑鋼普通雙玻。目前，西安市場可以選用的節能窗戶的熱工性能：單層玻璃塑鋼窗、單框雙層塑鋼窗、中空玻璃塑鋼窗的傳熱系數[5]分別為4.7、2.7、2.6 W/（m2·K）。

2.3.2 南向外窗窗墻比

對不同塑鋼窗戶在南向外窗不同窗墻比條件下建筑采暖與制冷總負荷用DeST-h能耗模擬軟件進行模擬分析，結果見圖2。

圖2 采暖與制冷總負荷與南向外窗窗墻比的關系

由圖2表明，3種不同形式的外窗隨著南向窗墻比的增大，全年建筑總負荷均增大。其中中空玻璃塑鋼窗和單框雙層塑鋼窗的負荷量明顯小于單層玻璃塑鋼窗，且漲幅較為緩慢，因此，南向外窗優先選用中空玻璃塑鋼窗和單框雙層塑鋼窗，當窗墻比＜0.6時，優先選用中空玻璃塑鋼窗，當窗墻比＞0.6時，優先選用單框雙層塑鋼窗。

綜上所述，寒冷地區裝配式建筑住宅南向外窗類型為中空玻璃塑鋼窗和單框雙層塑鋼窗，應該在滿足日照、天然采光和自然通風中對各使用房間限值的基礎上盡可能降低窗墻比設置。

2.3.3 北向外窗窗墻比

對不同塑鋼窗戶在北向外窗不同窗墻比條件下建筑采暖與制冷總負荷用DeST-h能耗模擬軟件進行模擬分析，結果見圖3。

由圖3可知，3種不同形式的外窗隨著北向窗墻比的增大，全年建筑總負荷均增大。其中中空玻璃塑鋼窗和單框雙層塑鋼窗的負荷量明顯小于單層玻璃塑鋼窗。因此，單框雙層塑鋼窗和中空玻璃塑鋼窗最適宜用于北向外窗，其中單框雙層塑鋼窗適用于北向窗墻比＜0.5的情況，中空玻璃塑鋼窗適用于北向窗墻比＞0.5的情形。

圖3 采暖與制冷總負荷與北向外窗窗墻比的關系

綜上所述，寒冷地區裝配式建筑建筑（住宅）北向外窗類型為中空玻璃塑鋼窗和單框雙層塑鋼窗，應該在滿足日照、天然采光和自然通風中對各使用房間限值的基礎上盡可能降低窗墻比設置。

2.3.4 東西向外窗窗墻比

對不同塑鋼窗戶在東西向外窗不同窗墻比條件下建筑采暖與制冷總負荷用DeST-h能耗模擬軟件進行模擬分析，結果見圖4。

圖4 采暖與制冷總負荷與東、西向外窗窗墻比的關系

由圖4可知，3種不同形式的外窗隨著東西向窗墻比的增大，全年建筑總負荷均增大。其中，中空玻璃塑鋼窗和單框雙層塑鋼窗的負荷量明顯少于單層玻璃塑鋼窗。因此，對于這3種形式的外窗，單框雙層塑鋼窗和中空玻璃塑鋼窗最適宜用于東西向，其中單框雙層塑鋼窗適用于東西向窗墻比＜0.4的情形，中空玻璃塑鋼窗適用于東西向窗墻比＞0.4的情形。

綜上所述，寒冷地區裝配式建筑建筑（住宅）東西向外窗類型宜選用中空玻璃塑鋼窗和單框雙層塑鋼窗，應該在滿足日照、天然采光和自然通風中對各使用房間限值的基礎上盡可能降低窗墻比設置。

3 裝配式建筑模型優化方案設計

3.1 住宅模型的建立

以西安市某裝配式住宅為例，該住宅地上6層，采用裝配式的建造方式進行建造。本文以其中一戶為例，建立住宅模型對其進行能耗模擬分析。住宅平面如圖5所示。

圖5 某裝配式住宅模型

3.2 優化方案模擬分析

利用DeST-h對模型建筑進行能耗模擬分析，房間類型選擇普通房間，房間功能按戶型圖設置有主臥室、次臥室、陽臺、衛生間、廚房。內部熱擾選擇系統默認值，調整燈光最大功率為5 W，房間通風選擇“通風范圍定義”，房間與外界最小通風次數在冬季及夏季空調開啟時設定換氣次數為0.5次/h，在夏季空調未開啟時設定為2次/h；房間與外界最大通風次數為5次/h；建筑空調面積優化和統計值為91.22 m2，住宅負荷計算結果見表3。

表3 某裝配式住宅全年負荷統計

從表3可以得出，住宅模型全年累計熱負荷為3442.26 kW·h。與優化前相比，供暖空調全年計算負荷降低幅度可以滿足綠色建筑評價標準中對于圍護結構的要求。

4 結論

（1）寒冷地區（西安）裝配式建筑中住宅的外墻XPS保溫層厚度取70 mm為宜，外墻傳熱系數以0.360 W/（m2·K）為宜；屋面XPS保溫層厚度取60 mm為宜，屋面傳熱系數以0.417 W/（m2·K）為宜。

（2）寒冷地區（西安）裝配式住宅最佳外窗類型宜選用中空玻璃塑鋼窗和單框雙層塑鋼窗，且應該在滿足日照、天然采光和自然通風中對各使用房間限值的基礎上盡可能降低窗墻比設置。

（3）結合工程實例，某裝配式建筑住宅模型全年累計熱負荷為3442.26 kW·h。與優化前相比，供暖空調全年計算負荷降低幅度可以滿足綠色建筑評價標準中對于圍護結構的要求。

[1] 吳浪，綠建節能正當時[J]．科技創新與品牌，2012（15）：82-83．

[2] 徐峰，周愛東，劉蘭．建筑圍護結構保溫隔熱應用技術[M]．北京：中國建筑工業出版社，2010．

[3] 葉增平.建筑工業化裝配式復合外墻板的發展現狀與趨勢[J].福建建設科技，2016（1）：28-30.

[4] 房濤，天津地區零能耗住宅設計研究[D]．天津：天津大學，2012.

[5]張揚，居住小區設計中的節能對策研究——以西安地區為例[D].西安：西安建筑科技大學，2011.