既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合熱工性能評(píng)價(jià)方法研究

楊昌智 雷小慧 張泠 王琳

摘 要：針對(duì)既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)提出了一種綜合熱工性能評(píng)價(jià)方法——等效傳熱系數(shù)法.等效傳熱系數(shù)評(píng)價(jià)法是基于指標(biāo)評(píng)價(jià)法和等效能耗模型提出來的，將圍護(hù)結(jié)構(gòu)多個(gè)參數(shù)指標(biāo)綜合為一個(gè)等效指標(biāo)，通過比較既有建筑和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能建筑的等效傳熱系數(shù)來評(píng)價(jià)既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能與節(jié)能潛力.研究分析表明，該方法只需要測(cè)試室內(nèi)外溫度，不需要對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)熱工性能參數(shù)進(jìn)行全面布點(diǎn)測(cè)試，可以克服既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試?yán)щy和實(shí)際圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能并不均衡難以全面把握的問題，縮短圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能診斷周期.可以用于指導(dǎo)既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能改造.

關(guān)鍵詞：既有建筑；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；熱工性能；等效傳熱系數(shù)

中圖法分類號(hào)：TU111.19 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674—2974（2018）07—0150—07

Abstract： This paper proposed a method for the comprehensive thermal performance assessment （equivalent heat transfer coefficient） of building envelopes in existing buildings. This method is based on the index evaluation and equivalent energy consumption model， which integrates many evaluation indexes into an equivalent index. The thermal performance and energy-saving potentiality of the building envelope are evaluated by calculating and comparing the heat transfer coefficient of the two equivalent energy consumption models. It is shown that only measurement of indoor and outdoor temperature is needed， while measurement of every parameter in the envelope structure is not needed， which can overcome the difficulties in testing the existing buildings with complex structures. The proposed method can assess the total thermal performance of building envelope rapidly and evaluate the necessity of retrofitting before energy-saving renovation.

Keywords： existing buildings；building envelopes；thermal performance；equivalent heat transfer coefficient

近些年來建筑能耗特別是既有公共建筑能耗高的問題逐漸顯現(xiàn)，此類建筑的年平均耗電量是普通公共建筑的24倍[1].在大型公共建筑能源消耗中，空調(diào)采暖用電大約占60%左右[2-4]，但其中大約有40% ～ 50%為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱所消耗[5].所以圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能的好壞直接影響著建筑空調(diào)采暖負(fù)荷的大小，決定著建筑能耗的高低.現(xiàn)有的關(guān)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能評(píng)價(jià)與診斷方法大多需要知道詳細(xì)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)[6-8]或者詳細(xì)的傳熱模型[9]，但是對(duì)于既有建筑而言很難實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的全面布點(diǎn)測(cè)試，并且由于既有建筑建造時(shí)間較久，資料可能缺失，無(wú)法獲得完整的設(shè)計(jì)參數(shù).所以需要提出一種簡(jiǎn)單且適用于既有建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能綜合評(píng)價(jià)方法，以便在既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造之前能初步快速地判斷是否具有改造價(jià)值.

基于以上目的，本文提出了一種既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合熱工性能的評(píng)價(jià)方法——等效傳熱系數(shù)法，即分別建立既有建筑和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能建筑的等效能耗建筑模型，計(jì)算模型的等效傳熱系數(shù)，比較等效傳熱系數(shù)來評(píng)估既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體熱工性能的好壞.

1 等效傳熱系數(shù)

文獻(xiàn)[10-11]研究了如何避開圍護(hù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，將復(fù)雜圍護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成具有單層圍護(hù)結(jié)構(gòu)的規(guī)則長(zhǎng)方體模型，并稱該模型為等效能耗模型，利用累計(jì)能耗偏差、累計(jì)室內(nèi)溫度偏差、室內(nèi)外溫度相關(guān)系數(shù)偏差表征原圍護(hù)結(jié)構(gòu)與模型的能耗等效程度，同時(shí)驗(yàn)證了三個(gè)指標(biāo)在表征等效程度上具有一致性：偏差越小，越等效.三個(gè)指標(biāo)具體的計(jì)算方法[11]如式（1） ～ 式（3）所示.

基于以上模型與計(jì)算方法，本文進(jìn)一步提出了等效傳熱系數(shù)概念：通過改變等效模型建筑單層結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)使模型建筑的能耗與原型建筑結(jié)構(gòu)最接近，定義使得能耗最接近（偏差最小）時(shí)的傳熱系數(shù)為等效傳熱系數(shù).但該等效傳熱系數(shù)與文獻(xiàn)[3]中提出的等效傳熱系數(shù)概念不同：本文提出的等效傳熱系數(shù)是單層圍護(hù)結(jié)構(gòu)建筑模型的傳熱系數(shù)，綜合了圍護(hù)結(jié)構(gòu)所有影響能耗的因素；文獻(xiàn)[3]提出的等效傳熱系數(shù)是考慮了窗墻比后的窗和墻的平均傳熱系數(shù)，這兩個(gè)等效傳熱系數(shù)沒有本質(zhì)關(guān)聯(lián).此外，從公式（1）可以看出計(jì)算累計(jì)能耗偏差需要進(jìn)行熱流測(cè)試，而三個(gè)指標(biāo)在表征等效程度上具有一致性，也就是說能耗體現(xiàn)在累計(jì)傳熱量上，假設(shè)原型建筑與模型建筑的外圍面積相等，要想使得二者的傳熱量相等或相近，傳熱系數(shù)和室內(nèi)外溫差必須相等或相近.為避免復(fù)雜的測(cè)試實(shí)現(xiàn)原型建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工綜合性能的快速測(cè)量，可以假設(shè)原型建筑和模型建筑的外圍面積和傳熱量相等，這樣傳熱系數(shù)和室內(nèi)外溫差就形成了唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系：當(dāng)傳熱系數(shù)大時(shí)，室內(nèi)外溫差相應(yīng)減小，反之增大.當(dāng)原型建筑實(shí)測(cè)室內(nèi)溫度序列與模型建筑模擬得到的室內(nèi)溫度序列越接近，說明模型建筑的傳熱系數(shù)也就越接近于原型建筑的傳熱系數(shù)值.而室內(nèi)外溫度的相關(guān)性實(shí)際上就是反映了室內(nèi)外溫差，原型建筑的室內(nèi)外溫度相關(guān)性和模型建筑的室內(nèi)外溫度相關(guān)性越接近，二者的室內(nèi)外溫差也就越接近，傳熱量也就越接近，模型建筑的傳熱系數(shù)也就越能反映原既有建筑的綜合傳熱系數(shù)值.所以本文用室內(nèi)外溫度相關(guān)系數(shù)偏差代替累計(jì)能耗偏差表征原建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與模型建筑的等效程度.

2 基于等效傳熱系數(shù)的既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)

熱工性能評(píng)價(jià)方法

2.1 方法簡(jiǎn)述與基本定義

等效傳熱系數(shù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能評(píng)價(jià)方法首先需要建立既有建筑（原型建筑）對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能建筑，然后分別建立既有建筑和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能建筑的等效模型建筑，再計(jì)算兩個(gè)模型的等效傳熱系數(shù)，最后通過兩個(gè)等效傳熱系數(shù)的比較來評(píng)估既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，甚至計(jì)算出節(jié)能潛力.基本思路如圖1所示.

既有建筑：需要進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能評(píng)價(jià)的建筑.

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能建筑：與既有建筑具有相同的形狀尺寸，但是各項(xiàng)參數(shù)值滿足建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的限值.

等效能耗模型建筑：根據(jù)既有建筑建立的具有單層圍護(hù)結(jié)構(gòu)的規(guī)則長(zhǎng)方體.

標(biāo)準(zhǔn)等效能耗模型建筑：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能建筑建立的等效能耗模型，增加“標(biāo)準(zhǔn)”一詞是為與既有建筑的等效能耗模型區(qū)分開，方便文章表述.

2.2 模型建立方法

利用能耗模擬軟件DesT建立模型，包括等效能耗模型建筑、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能建筑、標(biāo)準(zhǔn)等效能耗模型建筑.

建模之前，需要對(duì)既有建筑進(jìn)行相關(guān)測(cè)試：室內(nèi)散熱量、建筑尺寸、測(cè)試時(shí)間段內(nèi)室內(nèi)外逐時(shí)溫度等.通過測(cè)試，得到τ時(shí)間段室內(nèi)外溫度序列為：

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能建筑：與既有建筑形狀大小尺寸相同，但是圍護(hù)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)均滿足公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，通過對(duì)DesT軟件設(shè)置使得室外氣象參數(shù)、內(nèi)擾與既有建筑相同，然后模擬得到室內(nèi)溫度序列：

等效能耗模型建筑：根據(jù)既有建筑建立的具有單層圍護(hù)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)方體模型，該模型的建筑面積與既有建筑相同，室外氣象參數(shù)、內(nèi)擾與既有建筑也相同，模擬室內(nèi)溫度，但是由傳熱學(xué)[13]理論可以知道模型建筑的傳熱系數(shù)K改變，室內(nèi)溫度會(huì)發(fā)生變化，因此在改變傳熱系數(shù)K的情況下，分別利用DesT軟件模擬等效模型建筑的室內(nèi)溫度，得到對(duì)應(yīng)的溫度序列組：

標(biāo)準(zhǔn)等效能耗模型建筑：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能建筑建立的單層圍護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)方體，建筑內(nèi)擾、室外氣象參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)建筑相同，同樣，室內(nèi)溫度與傳熱系數(shù)K相關(guān)，分別模擬不同K值情況下的等效能耗模型室內(nèi)溫度，得到對(duì)應(yīng)的溫度序列組為：

該建模方法的優(yōu)點(diǎn)：只需要知道既有建筑的形狀大小，室內(nèi)熱擾，室外氣象參數(shù)，不需要知道圍護(hù)結(jié)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)形式、詳細(xì)的傳熱系數(shù)等參數(shù)值，而既有建筑的面積通過測(cè)量得到，室內(nèi)熱擾根據(jù)計(jì)算照明、設(shè)備發(fā)熱或者人員等散熱等得到估計(jì)值，克服了既有建筑現(xiàn)場(chǎng)布點(diǎn)難和資料不全的問題.

2.3 計(jì)算等效傳熱系數(shù)

2.3.1 等效指標(biāo)計(jì)算

2.3.2 等效傳熱系數(shù)計(jì)算方法

根據(jù)計(jì)算可知室內(nèi)外溫度相關(guān)系數(shù)偏差與等效模型建筑單層結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)相關(guān)，可以建立Δρ、Δρ′與K的關(guān)系式，又由于該指標(biāo)越小越等效，所以可以根據(jù)等效程度與傳熱系數(shù)的關(guān)系求等效傳熱系數(shù).由等效傳熱系數(shù)定義，當(dāng)使得室內(nèi)外溫度相關(guān)系數(shù)偏差最小時(shí)所對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)即為等效傳熱系數(shù).因此由室內(nèi)外溫度相關(guān)系數(shù)偏差與傳熱系數(shù)的關(guān)系式求等效傳熱系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)過程為：

由式（7）、式（10）可以知道Δρ ≥ 0和Δρ′ ≥ 0恒成立的，所以求使得Δρ、Δρ′有最小值時(shí)對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)K值，即為所求值.

2.4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能潛力計(jì)算

根據(jù)2.3節(jié)的計(jì)算方法得到等效傳熱系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)等效傳熱系數(shù).通過比較既有建筑和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能建筑的等效能耗模型建筑的傳熱系數(shù)來評(píng)估既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，并定義圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能潛力計(jì)算公式為：K′B

3 方法應(yīng)用舉例′B

3.1 建立模型

為說明該方法的應(yīng)用過程，以位于長(zhǎng)沙市的某三層辦公建筑為例進(jìn)行分析，建筑面積約為360 m2，南北朝向，南向兩扇外窗，北向有三扇外窗，建筑形狀如圖2所示，具體相關(guān)參數(shù)見表1.

根據(jù)既有建筑建立標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能建筑，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)滿足《湖南省公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[15]，即表2中的最低限值.根據(jù)既有建筑和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能建筑建立等效單層圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型建筑，如圖3所示.

3.2 模擬結(jié)果

采用溫濕度自動(dòng)記錄儀通過24 h測(cè)試得到既有建筑室內(nèi)外實(shí)際溫度，利用DeST軟件模擬了標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能建筑和不同傳熱系數(shù)下的模型建筑的室內(nèi)溫度，相關(guān)測(cè)試和模擬結(jié)果如表3所示，其中因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)等效能耗模型建筑與等效能耗模型建筑形狀一樣，都是單層圍護(hù)結(jié)構(gòu)的規(guī)則長(zhǎng)方體，其他條件也相同，所以得到與等效能耗模型相同的室內(nèi)溫度.

3.3 計(jì)算結(jié)果

3.3.1 室內(nèi)外溫度相關(guān)系數(shù)偏差

根據(jù)式（5） ～ 式（10）計(jì)算室內(nèi)外溫度相關(guān)系數(shù)偏差，得到結(jié)果如表4所示：Δρ為等效能耗模型建筑與既有建筑對(duì)比得到的累計(jì)室內(nèi)外溫度相關(guān)系數(shù)偏差，Δρ′為標(biāo)準(zhǔn)等效能耗模型建筑與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能建筑對(duì)比得到的累計(jì)室內(nèi)外溫度相關(guān)系數(shù)偏差.

3.3.2 等效傳熱系數(shù)

根據(jù)表4中數(shù)據(jù)，擬合得到室內(nèi)外溫度相關(guān)系數(shù)偏差與傳熱系數(shù)的關(guān)系式，擬合趨勢(shì)線如圖4所示，擬合關(guān)系式分別為：

根據(jù)2.3.2節(jié)中的求解方法，計(jì)算得到等效傳熱系數(shù)K′≈2.38，標(biāo)準(zhǔn)等效傳熱系數(shù)K′B≈1.37.

3.4 節(jié)能潛力

根據(jù)計(jì)算結(jié)果運(yùn)用公式（11）得到節(jié)能潛力為：

3.5 結(jié)果驗(yàn)證

文獻(xiàn)[16]利用能耗模擬軟件模擬建筑改造前和改造后的負(fù)荷，通過負(fù)荷比較得到建筑的節(jié)能潛力，所以采用該方法來驗(yàn)證本文提出的等效傳熱系數(shù)法評(píng)價(jià)既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的可行性.利用能耗模擬軟件DeST模擬該辦公建筑改造前后的負(fù)荷，得到改造前建筑的全年累計(jì)負(fù)荷為98 573.88 kW·h，改造后的節(jié)能建筑全年累計(jì)負(fù)荷50 004.79 kW·h，所以節(jié)能潛力：

結(jié)果表明軟件模擬負(fù)荷法得到的節(jié)能潛力與等效傳熱系數(shù)法得到的結(jié)果比較接近但不完全一樣是因?yàn)閮烧叨贾皇枪烙?jì)值，本身都存在一定的誤差，所以結(jié)果必然不可能完全一致.但是在工程上用來指導(dǎo)圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造，初步判斷圍護(hù)結(jié)構(gòu)是否具有改造價(jià)值已經(jīng)足夠，比較發(fā)現(xiàn)等效傳熱系數(shù)法比負(fù)荷模擬法更具有一定的優(yōu)勢(shì).等效傳熱系數(shù)法不需要知道實(shí)際建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)，而軟件模擬負(fù)荷法要得到改造前的負(fù)荷需要知道實(shí)際建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)，顯然這是較難實(shí)現(xiàn)的，尤其是對(duì)于建造時(shí)間較久遠(yuǎn)的建筑而言圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料可能丟失，只能采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法得到，但是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式、材料復(fù)雜多樣，甚至同樣的材料隨著建造時(shí)間的推移，不同的地方損壞程度不同，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)各個(gè)局部全面而準(zhǔn)確的測(cè)試.由此看來用等效傳熱系數(shù)法對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能進(jìn)行評(píng)價(jià)更方便和快速.

4 結(jié) 論

1）本文基于已有的能耗等效模型提出了等效傳熱系數(shù)概念并具體介紹了獲得方法，同時(shí)還介紹了建立等效模型建筑和標(biāo)準(zhǔn)等效模型建筑的方法.

2）等效傳熱系數(shù)綜合了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件，包括外墻、外窗、窗墻比、遮陽(yáng)等因素對(duì)建筑能耗的影響，使得評(píng)價(jià)指標(biāo)由多個(gè)簡(jiǎn)化為一個(gè)，簡(jiǎn)化了圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，減少了測(cè)試參數(shù)，只需要測(cè)試實(shí)際建筑的室內(nèi)外溫度，克服了既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和設(shè)計(jì)參數(shù)不全的困難.所以等效傳熱系數(shù)法可以初步快速判斷圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合熱工性能以及改造價(jià)值，用于指導(dǎo)既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能改造工作.

3）本文針對(duì)具體建筑舉例說明了等效傳熱系數(shù)

方法的應(yīng)用過程，得到該建筑的節(jié)能潛力，并將結(jié)果與軟件模擬負(fù)荷方法得到的結(jié)果進(jìn)行了比較，說明了該方法具有可行性.但本文提到的方法沒有考慮太陽(yáng)輻射透過透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入室內(nèi)的輻射傳熱，對(duì)于具有大面積透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的建筑應(yīng)用本文推薦的方法所產(chǎn)生的誤差有待進(jìn)一步研究.

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