夏熱冬暖地區典型建筑外墻對建筑能耗影響研究

李梅香，劉紅娟，蔣能飛，林宇

[1.深圳市建筑設計研究總院有限公司，廣東 深圳 518028；2.華藍設計（集團）有限公司 廣西城市建筑熱環境控制工程技術研究中心，廣西 南寧530011]

0 引言

當前，隨著經濟的快速發展，能源消耗也隨之增加，造成的碳排放量也在不斷增長。而建筑行業作為工業、交通和建筑能源消耗的三大領域之一，是直接或間接造成碳排放的“巨頭”。實際上，在全球能源消耗中，建筑運行能耗占比30%，建筑建造能耗占比5%[1]。聚焦到我國，根據《中國建筑節能年度發展研究報告2021》顯示，我國社會總能耗中建筑運行能耗占比22%，建造能耗占比11%[2]。為此，住房和城鄉建設部在2021年9月8日發布了GB 55015—2021《建筑節能與可再生能源利用通用規范》（以下簡稱通用規范），旨在降低建筑能耗。而通過降低由外墻進入室內的熱量，從而使空調能耗減少，是一種減少建筑運行能耗的有效途徑。

目前，已有關于外墻對建筑節能影響的研究。Zhang等[3]以哈爾濱、西安、上海、昆明和廣州5個不同氣候區的建筑為研究對象，針對建筑外墻保溫層厚度與位置對商業建筑冷負荷與熱負荷的影響進行了數值模擬，結果表明，保溫層厚度的增加對建筑熱負荷有顯著影響，對建筑冷負荷影響相對較小，且在哈爾濱節能率最大，在廣州節能率最小。Rosti等[4]以伊朗8個氣候區的建筑為研究對象，研究4種不同墻體構造、不同朝向時建筑的最佳保溫層厚度，結果表明，墻體的最佳保溫層厚度為0~4 cm，節能率為12.8%~69.0%，且與其他國家文獻中的數據存在顯著差異。周駿等[5]以浙西地區農村建筑作為研究對象，采用有限差分法的數值模擬計算墻體內外保溫系統的熱損失與其對建筑能耗的影響，結果表明，外保溫系統比內保溫系統建筑年能耗高，外墻內保溫系統更適用于浙西地區農村建筑。徐洪濤等[6]采用動態濕熱耦合程序，對不同濕度條件下抹灰外墻系統和鋼結構夾芯板墻體的傳熱情況進行研究，結果表明，若圍護結構能完全阻隔濕流，則計算能耗時可單純采用傳熱計算，反之則需要適當修正。從上述文獻可以看出，以往研究已經獲得了不同條件下外墻對建筑負荷（能耗）的影響。然而，上述研究在進行模擬仿真時，采用的建筑外墻未提及是否通過節能與隔熱要求（強制性條文），且除外墻的其他設定參數均采用GB 50189—2015《公共建筑節能設計標準》內容。在通用規范中，除外墻外的其他設定參數均有一定程度的變化，因此外墻負荷在建筑總負荷中的占比可能會有所變化，從而引起空調能耗的變化。

針對以上情況，本研究通過分析不同窗墻比下，夏熱冬暖地區典型建筑外墻構造對公共建筑與住宅建筑的建筑冷負荷與自然室溫的影響，以尋求對建筑節能最有利的典型建筑外墻，從而為2022年4月1日后的新建公共、住宅建筑項目外墻選用提供參考。

1 研究方法

本研究以廣西夏熱冬暖地區典型外墻構造為基礎，分析在不同窗墻比對夏熱冬暖地區公共建筑與住宅建筑供冷季冷負荷及過渡季節自然室溫的影響，以得到對節能最有利的典型建筑外墻，從而為夏熱冬暖地區新建建筑外墻選取提供參考。研究技術路線如圖1所示。

首先，對廣西夏熱冬暖地區的典型外墻構造進行整理統計。本團隊在之前的研究中[7]，根據大量文獻調研以及在實際項目中的工程經驗，列出了一系列典型的外墻構造。并根據JGJ/T 359—2015《建筑反射隔熱涂料應用技術規程》與JG/T 235—2014《建筑反射隔熱涂料》對節能與隔熱性能進行評價，最終得到滿足節能與隔熱性能的廣西夏熱冬暖地區典型外墻構造。

其次，建立設計建筑與參照建筑能耗計算模型，設計建筑外墻熱工參數采用本團隊之前研究所得，參照建筑外墻熱工參數采用通用規范中的數值。而對于建筑幾何信息、氣象參數、其余圍護結構熱工參數等，設計建筑與參照建筑均一致。對于氣象參數，采用夏熱冬暖地區南寧市的典型氣象年數據。

各參數設定后，采用清華大學自主研發的能耗模擬軟件DeST，對不同窗墻比下的設計建筑與參照建筑進行能耗模擬計算，得到供冷季的建筑冷負荷與過渡季節自然室溫，并進行對比分析，最終得到對建筑節能最有利的典型建筑外墻。

2 典型建筑外墻構造

在夏熱冬暖地區，全年大部分時間氣溫較高，夏季時間較長，冬季時間極短或沒有，氣溫年較差與日較差均較小，因此該地區的建筑外墻主要以隔熱為主。本團隊在之前的研究中通過文獻調研[8]并結合參與實際項目經驗，確定了加氣混凝土砌塊、頁巖燒結磚和小型空心砌塊這3種材料為廣西夏熱冬暖地區典型的外墻主要構造材料，其中不同空心砌塊的構造做法如圖2所示，典型外墻主體構造的熱工參數如表1所示。

以上述材料為主要構造，在其內外側加之用以隔熱與裝飾用的無機保溫膩子、水泥砂漿、石灰水泥砂漿、無機保溫砂漿及反射隔熱涂料構造層，外墻具體構造做法如圖3所示，反射隔熱涂料與無機保溫砂漿為非必要構造層，可選用。反射隔熱涂料可有效減少通過圍護結構傳入室內的熱量[9]。

結合實際項目工程經驗，考慮涂料顏色明度對太陽光反射比和近紅外反射比的影響[10-11]，選用反射隔熱涂料的顏色為淺黃色。同時考慮到由于太陽光的直射，紫外線引起光老化等原因會加速反射隔熱涂料的老化[12-13]，按照JGJ 75—2012《夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準》計算得到污染后的太陽輻射吸收系數為0.32，且符合JG/T 235—2014的要求。

表1 典型外墻主體構造熱工參數

在水泥砂漿與反射隔熱涂料2種材料之間的3 mm厚無機保溫膩子，施工性能與柔韌性均較好，在無機保溫膩子外層涂抹抗裂面層后再涂刷封閉底漆和建筑反射隔熱涂料[14]，這使得外墻外側具有較好的安全性能與耐久性能。外墻其他構造層熱工參數如表2所示。

表2 外墻其他構造層熱工參數

通過GB 50176—2016《民用建筑熱工設計規范》附帶的K-value軟件，計算不同外墻構造的節能與隔熱性能，最終通過節能與隔熱性能要求的外墻構造如表3所示[7]。其中，考慮到實際施工難度及工程經濟性，在外墻滿足其節能與隔熱性能要求時，不采用反射隔熱涂料與無機保溫砂漿構造層。

表3 通過節能與隔熱性能要求的外墻構造

3 模型建立

3.1 幾何模型建立

在公共建筑中，辦公建筑都比其他類型建筑的占比大[15]，且具有公共建筑人員密集、室內熱源強大等特點，因此將辦公建筑作為公共建筑的代表。本文選取夏熱冬暖地區實際項目中的某辦公建筑與住宅建筑為研究對象，這2棟建筑包含了辦公建筑與住宅建筑的一般性特點，具有一定的典型性。在DeST軟件中建立能耗模型，如圖4所示。

3.2 圍護結構熱工參數

對于外墻熱工參數，參照建筑取值根據通用規范設定，即當熱惰性指標D≤2.5時，傳熱系數取0.7 W/（m2·K）；當D>2.5時，傳熱系數取1.5 W/（m2·K）。對于設計建筑，根據前述典型外墻構造取值。對于除外墻之外其余圍護結構的熱工性能參數，根據通用規范與GB 50189—2015《公共建筑節能設計標準》中的限值要求，透光圍護結構熱工參數取值如表4、表5所示。屋面傳熱系數限值為0.4 W/（m2·K），架空或外挑樓板傳熱系數限值為1.5 W/（m2·K）。

表4 住宅建筑透光圍護結構熱工參數的設定值

3.3 室內負荷設計參數

室內負荷設計參數包括照明、設備、人員密度以及相應的時間表，人員散熱量及新風量，設計溫度以及相對濕度，具體數值如表6所示，對于如衛生間、廚房等非空調房間，相關參數不進行表述。時間表由于篇幅有限故不進行展示。建筑供冷期均為5月1日至10月31日[16-17]。

表5 公共建筑透光圍護結構熱工參數設定值

表6 室內負荷設計參數設定值

4 模擬結果分析

4.1 圍護結構節能率計算方法

為了使計算結果更直觀，將建筑冷負荷轉換為圍護結構節能率進行分析。圍護結構節能率計算方法采用JGJ/T 449—2018《民用建筑綠色性能計算標準》中相關公式，其中由于夏熱冬暖地區無供暖需求，因此只計算供冷季的圍護結構節能率，如式（1）、式（2）所示：

式中：Ф——圍護結構節能率，%；

Ed——設計建筑供冷綜合能耗量，kW·h；

Er——參考建筑供冷綜合能耗量，kW·h；

Qd——設計建筑累積耗冷量，kW·h；

Qr——參考建筑累積耗冷量，kW·h；

Θ——供冷系統綜合效率折算權重，夏熱冬暖地區公共建筑取2.5，居住建筑取2.8。

4.2 建筑負荷

完成各項參數設定后，通過DeST能耗模擬軟件計算，得到建筑冷負荷。由于本文研究的是夏熱冬暖地區，夏季炎熱且時間較長，冬季溫暖且時間較短，因此下述分析中的建筑冷負荷都為供冷期內的建筑冷負荷。經過統計，不同窗墻比下各個外墻構造的建筑冷負荷指標如圖5所示。

由圖5可見，無論是辦公建筑還是住宅建筑，相同窗墻比下不同外墻構造建筑冷負荷指標均相差不大，相應地對項目后續的空調設備選型也影響較小。

將1#~10#外墻構造的建筑冷負荷采用式（1）、式（2）計算與參照建筑相比的圍護結構節能率，結果如圖6所示。

由圖6可以看出，對于辦公建筑，1#外墻的建筑無論在何種窗墻比下，對圍護結構節能率都無貢獻，而3#外墻的建筑在各窗墻比下對圍護結構節能率貢獻都最大；對于住宅建筑，圍護結構節能率都為正值，其中除了1#外墻的建筑外，其余外墻的建筑圍護結構節能率都相近，3#外墻的建筑圍護結構節能率仍最大。這表明，主要構造材料的不同是影響圍護結構節能率的最主要原因。此外，辦公建筑在窗墻比為0.75與0.95時，不同外墻建筑的圍護結構節能率幾乎相等，因此在夏熱冬暖地區，2022年4月1日后新建的辦公建筑應注意此問題，窗墻比大于0.75時，上述外墻構造對圍護結構節能率已不再具有提高作用。

結合外墻傳熱系數與相應的圍護結構節能率進行分析，結果如圖7所示。

由圖7可知，在辦公建筑中，與傳統認知（傳熱系數越大，建筑冷負荷越大）不同的是，圍護結構節能率與外墻傳熱系數為正相關，即外墻傳熱系數越大，建筑冷負荷反而越小。分析其原因，在夏季空調開啟時段內，室外溫度較高，此時較小的外墻傳熱系數有積極的隔熱作用，可有效阻擋室外熱量進入室內；而當室外溫度比室內溫度低時，如夏季夜間時段，較小的外墻傳熱系數不利于室內熱量向外散失，導致室內冷負荷反而增加。而在住宅建筑中，傳熱系數對建筑冷負荷的影響相對較小，在窗墻比為0.4時才較為顯著。1#與5#外墻構造傳熱系數相近，但圍護結構節能率卻相差較大，分析是由于1#外墻構造未采用反射隔熱涂料，使得隔熱效果較差。

4.3 過渡季節自然室溫

以4月份為例，在不同窗墻比下，對過渡季節采用設計的10種不同外墻圍護結構與參照外墻圍護結構進行仿真模擬，計算自然室溫。由于在不同窗墻比下室溫變化規律較為相似，因此辦公建筑以0.55窗墻比、住宅建筑以0.3窗墻比為例，選取西南向房間，分析設計建筑與參照建筑自然室溫的差值，結果如圖8所示。

由圖8可見，對于辦公建筑，只有3#外墻構造的建筑與參照建筑相比能夠降低自然室溫，其余外墻構造的自然室溫都有不同程度的升高，尤其1#外墻構造的溫差最大。對于住宅建筑，只有3#外墻構造的建筑能整月都降低自然室溫，其余外墻構造只在溫度較高時段有一定程度的降低。溫差的變化程度與室外干球溫度存在一定的正相關性，且相比于室內熱源強度更大的辦公建筑，室內熱源較小的住宅建筑變化程度與室外干球溫度相關性更大。

選取無論是建筑冷負荷還是自然室溫表現都最好的3#外墻構造建筑，以及具有其余外墻構造結果相似的4#外墻建筑，與參照建筑進行不同窗墻比下自然室溫差值的分析，結果如圖9所示。

由圖9可知，對于辦公建筑，由于窗墻比可選范圍較大，不同窗墻比下對自然室溫的影響較大，且窗墻比0.75與0.95下自然室溫較為接近，窗墻比0.15與0.35下自然室溫也較為接近。對于住宅建筑，窗墻比存在限值要求，不同窗墻比下自然室溫較為接近。

5 結論

（1）不同窗墻比下，不同外墻構造建筑的冷負荷指標相差不大，對項目后續相應的空調設備選型影響較小。

（2）公共建筑中主體構造為加氣混凝土砌塊（B05級）的外墻建筑無論在何種窗墻比下對建筑都沒有節能效果，對建筑節能效果最好的是主體構造為頁巖燒結多孔磚（240 mm）的外墻，在0.15窗墻比時達到最高節能率將近1.5%。而對于住宅建筑，10種外墻構造都對建筑有節能效果，最高節能率將近3.5%，但1#外墻其節能效果與其他外墻相比較差。

（3）在室內熱源強度更大的公共建筑中，外墻傳熱系數并非越小越好，還需考慮非空調時段室內熱量向外散失的問題。

（4）在其他條件相同的情況下，外墻采用反射隔熱涂料能夠有效降低建筑冷負荷，并使得過渡季節的自然室溫有效降低。

（5）對于公共建筑，只有主體構造為頁巖燒結多孔磚（240 mm）的外墻建筑能夠使過渡季節自然室溫降低，且受窗墻比影響較大；對于住宅建筑，主體構造為頁巖燒結多孔磚（240 mm）的外墻建筑在過渡季節都能使自然室溫降低，其余外墻只在室外干球溫度較高的時間段能使自然室溫降低，且受限值內的窗墻比影響較小。

（6）在夏熱冬暖地區，對于2022年4月1日后的新建建筑，應優先采用主體構造為頁巖燒結多孔磚（240 mm）的外墻構造，以達到最優的建筑節能效果。