李 偉，武陽陽

（天津城建大學建筑學院，天津 300384）

自1978年改革開放以來，中國城市化建設的速度不斷加快.為了緩解城市住宅短缺的狀況，天津市在20世紀八九十年代興建了大量城市住宅.在1989—1995年間[1]，天津市新建的居住區(qū)建筑面積達100多萬m2.由于當時的建筑設計標準及技術條件，建成的住宅并未采取綠色節(jié)能措施，在住宅區(qū)規(guī)劃和建筑設計方面也存在著一些問題.經(jīng)過二三十年的使用，這些建筑開始暴露出室內(nèi)外舒適度不高、室內(nèi)通風不暢、室內(nèi)采光不足、圍護結構耗能較高等問題.在夏季，圍護結構外表面溫度較高，較多的熱量傳入室內(nèi)，人們?yōu)榱耸覂?nèi)舒適性，逐漸地大量使用空調(diào)設備，因此夏季空調(diào)的能耗也逐步增大[2].

在通過隔熱遮陽等手段來降低夏季制冷能耗研究中，國內(nèi)外學者大多采用數(shù)值計算和軟件模擬的方法，得到了不同隔熱遮陽措施與能耗的關系.然而，由于不同使用者對軟件的使用習慣、參數(shù)設置、邊界條件設定以及不同軟件算法的區(qū)別，可能導致模擬結果存在較大差異，從而影響研究結論[3].現(xiàn)階段，國內(nèi)外尚缺乏通過實尺實驗模型就寒冷地區(qū)夏季隔熱措施對節(jié)能效果的影響進行研究.為此課題組建造了兩個邊界條件一致的實尺模型，開展夏季隔熱措施與能耗定量關系的實驗研究，為既有建筑的節(jié)能改造提供依據(jù)和參考.

1 實驗設計

1.1 實尺模型設計

根據(jù)對20世紀七八十年代的老舊住區(qū)的實地調(diào)研和戶型圖資料分析，本實驗的兩座實尺模型基于老舊住區(qū)頂層西向住戶臥室的構造和尺寸建造.課題組在老舊居住建筑保溫性能及對能耗影響的定量化研究中，綜合考慮室內(nèi)升溫速度、能耗情況及生命周期成本，得出冬季保溫層的最佳厚度為120 mm[4].因此，兩個實尺模型中：測試模型的圍護結構由內(nèi)到外為石灰砂漿（20 mm）、磚墻（240 mm）、擠塑聚苯乙烯保溫板（120 mm）和水泥壓力板（5 mm）；參考模型的圍護結構由內(nèi)到外為石灰砂漿（20 mm）、磚墻（240 mm）和水泥壓力板（5 mm），模擬老舊住區(qū)住宅的石灰砂漿內(nèi)粉刷（20 mm）、磚墻（240 mm）和涂料等外粉刷.兩個實尺模型的尺寸與臥室面積一致，為16 m2左右，高為2.7 m.

由于實驗場地的限制，不能制作鋼筋混凝土立柱，因而實尺模型以磚墻和防腐木為主要承重結構，防腐木截面為70 mm×70 mm.外部木框架材料也為防腐木，尺寸由外掛水泥壓力板決定，市場上常見水泥壓力板尺寸為1.22 m×2.44 m，由此確定木框架間距為1.20～1.23 m，南立面和北立面尺寸較小，間距做一定的調(diào)整.實尺模型的框架如圖1所示.

圖1 實尺模型整體框架

框架建造完畢后，在外部掛上水泥壓力板，整體構造見圖2.屋頂處構造為20 mm厚擠塑聚苯乙烯保溫板加水泥壓力板，可充當老舊住區(qū)的屋頂結構[4].

在兩座實尺模型內(nèi)部增加了240 mm厚的磚墻，磚墻內(nèi)表面粉刷水泥砂漿，如圖3所示.考慮到老住區(qū)頂層西側臥室在實際情況下任意戶型的圍護結構有兩面為室內(nèi)隔墻，因此在兩座實尺模型東、北向的磚墻和水泥壓力板之間，增加220 mm厚的擠塑聚苯乙烯保溫板作為隔墻，地面增加了250 mm厚的擠塑聚苯乙烯保溫板作為房間的樓板層地面，以減少和外界的熱量交換.經(jīng)過冬季實驗的測試驗證，增加了220 mm厚的擠塑聚苯乙烯保溫層后，東、北向墻面的傳熱較南墻低，可以充當室內(nèi)隔墻[4].

圖2 實尺模型構造

圖3 實尺模型內(nèi)部

1.2 實驗方案設計

本實驗使用的儀器主要包括室內(nèi)溫濕度記錄儀（美國HOBO temp/RH logger）和壁面溫度測試儀（日本HIOKI Temperature Logger LR5021）.其中，室內(nèi)溫濕度記錄儀分別放置于兩實尺模型中央柱子地面中央位置、距地面1.5 m左右和室內(nèi)屋頂中央處；壁面溫度測試儀根據(jù)不同工況放置于不同位置，用來檢測壁面溫度變化情況.這兩種儀器運行模式均為5 min記錄一次平均值，連續(xù)記錄24 h，這種記錄模式可以更好分析一個周期（24 h）內(nèi)室內(nèi)溫度的變化規(guī)律.

JGJ/T129—2012《既有居住建筑節(jié)能改造技術章程》[5]規(guī)定：嚴寒和寒冷地區(qū)，在進行外墻節(jié)能改造時，應優(yōu)先選用外保溫技術，并應與建筑的立面改造相結合；胡琪曼[6]研究得出：“在空調(diào)工況下，保溫屋頂?shù)母魺峁?jié)能效果較好，其次為綠化屋頂，最后為架空屋頂”；張連飛[7]分析“若水平板緊貼窗口上沿，則全年節(jié)約空調(diào)能耗有限；若水平板距窗頂距離越大，同時滿足充分遮陽，則全年節(jié)約能耗可達20%左右”；墻體垂直綠化對改造房的熱環(huán)境有明顯的改善作用，且室外太陽輻射越強烈，改善效益越好[8].因此，本次夏季隔熱實驗中實尺模型的改造措施選取墻體外保溫、屋頂外保溫、水平外遮陽和垂直綠化的隔熱遮陽措施.

本次隔熱實驗中，將兩座實尺模型分為測試模型與參考模型，實驗方案分4組工況.為了便于比較，且相對減少其他因素影響，每組工況的測量周期起點均定于晚上或早上陽光還未照射到實尺模型時.在樓板層地面、東墻、北墻條件不變的情況下，對比測試模型和參考模型的室內(nèi)溫度變化情況及用電量，即可得出4種不同工況下測試模型相對于參考模型的溫度變化規(guī)律和用電量的節(jié)約程度.為了減小墻體蓄熱和室內(nèi)氣溫差異導致的誤差，在每組工況開始測試前，通過開啟門窗進行通風，使得測試模型與參考模型的室內(nèi)初始氣溫和壁面溫度基本相同，空調(diào)初始設置溫度、功率保持一致.根據(jù)《國務院辦公廳關于嚴格執(zhí)行公共建筑空調(diào)溫度控制標準的通知》[9]和人體舒適性，將最終制冷溫度設定為26℃，試驗期間除讀數(shù)以外禁止人員進出，以減少實驗誤差.

2 實驗過程

實驗過程中，改變測試模型的實驗條件，而參考模型保持原狀，不采取任何隔熱遮陽措施.按照實驗條件設定，在實驗開始時，依據(jù)夏季空調(diào)的使用習慣，將兩座實尺模型內(nèi)空調(diào)溫度設置為低于26℃的值，使室內(nèi)溫度迅速降至26℃以下；再調(diào)節(jié)溫度為26℃，使室內(nèi)溫度保持在26℃左右（±1℃）.空調(diào)在室內(nèi)溫度升至一定溫度后自動啟動，降到設定溫度后自動停止，如此循環(huán)往復.通過對比實驗來觀察隔熱遮陽措施對室內(nèi)溫度和空調(diào)能耗的影響.各工況下兩模型采取的措施情況見表1.

表1 各工況兩模型采取措施情況對比

2.1 工況一時兩實尺模型溫度變化情況

在工況一時，測試模型和參考模型室內(nèi)溫度的變化情況如圖4所示.

圖4 工況一時模型溫度變化曲線

圖4可看出：相對于參考模型，測試模型降溫至26℃的速度比參考模型快70%左右，且在保持26℃時溫度波動幅度更小.

2.2 工況二時兩實尺模型溫度變化情況

工況二時在測試模型屋頂增加120 mm厚擠塑聚苯乙烯保溫板，并在保溫板上覆蓋水泥壓力板.測試模型與參考模型如圖5所示，在此工況下測試模型和參考模型室內(nèi)溫度的變化情況如圖6所示.

由圖6可看出：測試模型降溫至26℃的速度比參考模型快50%左右，且在維持26℃時波動范圍更小，空調(diào)啟動次數(shù)更少.

2.3 工況三時兩實尺模型溫度變化情況

圖5 工況二時的測試模型和參考模型

圖6 工況二時模型溫度變化曲線

工況三的垂直綠化植物選擇了天津地區(qū)常見的綠蘿，其具有耐干旱、生長繁殖能力強的特性.根據(jù)植物特性選擇了懸掛式種植方式，綠蘿懸掛于離墻20 cm遠的不銹鋼鋼架上.垂直綠化面積占墻體面積的85%左右.增加了垂直綠化后的測試模型見圖7，在此工況下測試模型和參考模型室內(nèi)溫度的變化見圖8.

圖7 增加垂直綠化后的測試模型

圖8 工況三時模型溫度變化曲線

由圖8可知：測試模型降至26℃的速度比參考模型快60%左右，且在降至26℃后溫度波動范圍更小.

2.4 工況四時兩實尺模型溫度變化情況

工況四時測試模型的遮陽板由等間距格柵組成，片狀格柵角度可調(diào)節(jié)，根據(jù)太陽高度角來調(diào)節(jié)格柵的角度，從而達到最好的遮陽效果；與此同時，格柵間隙可讓熱空氣順利地通過遮陽板，避免熱空氣在窗口聚集.遮陽板構造和增加遮陽板后的測試模型分別見圖9-10.此工況下兩模型室內(nèi)溫度變化情況見圖11.

圖9 遮陽板構造

圖10 增加遮陽板后的測試模型

由圖11可看出：測試模型降溫至26℃時的速度比參考模型的快50%左右，空調(diào)啟動頻率更低.

2.5 各工況時兩實尺模型溫度和能耗情況

實驗中各工況的日期及室內(nèi)外溫度情況見表2，其能耗情況見表3和圖12.從表2可知，采取綜合隔熱遮陽措施后測試模型的降溫速度均比參考模型的快；從表3和圖12可看出，屋頂外保溫和垂直綠化均可以在墻體保溫的基礎上進一步節(jié)約電能，提高節(jié)能率，而外遮陽對節(jié)能效果的影響并不明顯.

圖11 工況四時模型溫度變化曲線

對比不同工況模型的溫度變化和能耗情況來看，在有墻體外保溫的情況下，屋頂外保溫和垂直綠化的節(jié)能效果優(yōu)于窗口外遮陽.

表2 各工況測試模型和參考模型溫度情況

表3 各工況下能耗統(tǒng)計

圖12 各工況下測試模型相對于參考模型的節(jié)能率

3 結論

綜合各工況下的實驗數(shù)據(jù)分析，可得出以下結論.

（1）增加墻體保溫層、屋頂保溫層的綜合改造措施，可以有效提高老舊住區(qū)的夏季制冷節(jié)能率；而在增加保溫層和垂直綠化的基礎上增加外遮陽板，對提高制冷節(jié)能效果并不明顯.

（2）增加保溫層、垂直綠化和外遮陽等隔熱遮陽措施，可以明顯提高開啟空調(diào)后室內(nèi)的降溫速度，且在維持26℃時室內(nèi)溫度的波動幅度較小.

（3）在天津市的老舊住區(qū)改造過程中，綜合考慮節(jié)能效果和經(jīng)濟成本，可采取墻體外保溫和屋頂外保溫的綜合改造措施，在有條件的老舊住區(qū)可增加墻體垂直綠化，從而進一步提高夏季制冷的節(jié)能率.