既有建筑各組成類型圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能分類診斷的方法

楊昌智 劉浩為 雷小慧

摘要：基于等效傳熱系數(shù)法與正交試驗(yàn)法，針對(duì)既有建筑各組成類型圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能提出了一種分類診斷方法.該診斷方法首先將各類型圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)綜合成一個(gè)等效指標(biāo)———綜合等效傳熱系數(shù).只需要測(cè)量既有建筑室內(nèi)外溫度序列與各類型圍護(hù)結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，便可以計(jì)算出綜合等效傳熱系數(shù)，再通過正交試驗(yàn)法與回歸分析法求出各類型圍護(hù)結(jié)構(gòu)的等效傳熱系數(shù).將各類型圍護(hù)結(jié)構(gòu)的等效傳熱系數(shù)與節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中傳熱系數(shù)的限值進(jìn)行比較，便可以診斷其熱工性能.為了驗(yàn)證方法的可行性，以位于長(zhǎng)沙市的一棟實(shí)驗(yàn)小房為例進(jìn)行計(jì)算，得到了外墻、外窗、屋頂與外門的等效傳熱系數(shù)分別為1.62 W/（m2·K）、2.84 W/（m2·K）、1.25 W/（m2·K）、3.14 W/（m2·K）.對(duì)比等效傳熱系數(shù)與實(shí)際傳熱系數(shù)，兩者數(shù)值吻合較好，證明了該方法在工程應(yīng)用上具有可行性.

關(guān)鍵詞：圍護(hù)結(jié)構(gòu)；熱工性能；快捷檢測(cè)診斷；等效傳熱系數(shù)；正交試驗(yàn)

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

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51578221），National Natural Science Foundation of China（51578221）；湖南省既有建筑能耗診斷方法與技術(shù)規(guī)程編制項(xiàng)目（KY2016068）

A Method for Evaluating Thermal Performance of Various Envelopes in Existing Buildings

YANG Changzhi，LIU Haowei，LEI Xiaohui

（College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

Abstract：Based on the equivalent heat transfer coefficient method and orthogonal experiments，a method for e-valuating the thermal performance of various envelopes in existing buildings is proposed. The heat transfer coefficients of the external wall，external window，roof，and external door are integrated into an index（comprehensive equivalent heat transfer coefficient）. It is only necessary to measure indoor and outdoor temperature sequences of the existing buildings and geometrical dimensions of envelopes. The comprehensive equivalent heat transfer coefficient can be calculated，and the equivalent heat transfer coefficient of various envelopes can be obtained by orthogonal experi-ments and regression analysis. By comparing the equivalent heat transfer coefficients of various envelopes with heat transfer coefficient limits in standards，the thermal performance can be evaluated. To verify the feasibility of the method，a small experimental building located in Changsha is taken as an example. The equivalent heat transfer coef-ficients of the external wall，external window，roof and external door are1.62 W/（m2·K），2.84 W/（m2·K），1.25 W/（m2·K）and 3.14 W/（m2·K），respectively. Comparing equivalent heat transfer coefficients with actual heat transfer coeffi-cients，the values are in good agreement，which proves that the method is feasible in engineering applications.

Key words：envelope structure；thermal performance；fast detection and diagnosis；equivalent heat transfer coef-ficients；orthogonal experiments

據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)供熱、通風(fēng)、空調(diào)的能耗已經(jīng)達(dá)到了建筑總能耗的65%左右[1-3]，而其中的約30%到50%被圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱所消耗[4]，可見圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的好壞對(duì)既有建筑能耗的高低有著巨大的影響.預(yù)計(jì)到2020年底我國(guó)高能耗建筑面積將達(dá)到700億平方米，建筑能耗占比全國(guó)總能耗將高達(dá)35%[5]，所以對(duì)既有建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能改造具有重大意義.要進(jìn)行節(jié)能改造，首先必須能夠?qū)扔薪ㄖo(hù)結(jié)構(gòu)的綜合熱工性能做出診斷，以快速地判斷其是否具有改造價(jià)值.如需改造，為了得到最優(yōu)的改造方案，需要對(duì)各類型圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能做出診斷.已有的對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能進(jìn)行診斷的方法需要知道詳細(xì)的熱工參數(shù)或進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)熱流測(cè)試[6-7]，但由于建筑資料丟失和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試?yán)щy，往往無法達(dá)到目的.本文基于等效傳熱系數(shù)法[8]和正交試驗(yàn)法[9]，提出了一種簡(jiǎn)便的既有建筑各組成類型圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能分類診斷的方法.只需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試既有建筑室內(nèi)外溫度序列與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)學(xué)處理即可得到各組成類型圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù).將其與節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中傳熱系數(shù)的限值進(jìn)行比較，便可對(duì)熱工性能做出診斷.該方法對(duì)于判定既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能有一定的意義.

1圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合等效傳熱系數(shù)[9]

1.1建模方法

考慮到建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，為了簡(jiǎn)化建模過程，文獻(xiàn)[10]提出了一種將圍護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成單層規(guī)則長(zhǎng)方體模型的方法，并驗(yàn)證了模型準(zhǔn)確性.依照此建模方法，建立建筑面積、室內(nèi)熱擾條件、室外氣象參數(shù)均與既有建筑相同的單層圍護(hù)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)方體即為等效能耗模型建筑.

1.2等效原理

改變等效能耗模型建筑的傳熱系數(shù)，使得模型建筑與原型既有建筑通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量偏差最小，此時(shí)等耗模型建筑的傳熱系數(shù)被定義為等效傳熱系數(shù).由于原型、模型建筑在能耗偏差和溫度偏差的變化趨勢(shì)上具有一致性，為了避免現(xiàn)場(chǎng)熱流測(cè)試的困難，可用溫度偏差代替熱流偏差來說明等效性.假設(shè)原型建筑與模型建筑的傳熱量和圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面積相同，由傳熱學(xué)[11]公式Q = K·F·Δt可知傳熱系數(shù)與室內(nèi)外溫差形成了唯一對(duì)應(yīng)的關(guān)系.原型建筑實(shí)測(cè)的室內(nèi)外溫度序列tin，tout與模擬得到的模型建筑室內(nèi)外溫度序列tk，in，tk，out越接近，則二者的傳熱系數(shù)也越接近，即等效傳熱系數(shù)越能反映既有建筑真實(shí)的傳熱系數(shù)值.各溫度序列可以表示為：

2.2各類型圍護(hù)結(jié)構(gòu)等效傳熱系數(shù)的計(jì)算方法

第一步：正交試驗(yàn)

根據(jù)需要診斷的圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型，預(yù)估各類型圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的取值范圍.選取合適的正交表，在合理的傳熱系數(shù)范圍內(nèi)對(duì)各類型傳熱系數(shù)選取不同水平進(jìn)行正交試驗(yàn).

第二步：確定回歸關(guān)系式

3方法可行性的實(shí)例驗(yàn)證

3.1綜合等效傳熱系數(shù)的計(jì)算

3.1.1等效建模

為了驗(yàn)證該方法的可行性，以位于長(zhǎng)沙市的一個(gè)實(shí)驗(yàn)小房為例進(jìn)行分析.實(shí)驗(yàn)小房建筑面積約為6.12 m2，層高2.55 m，南北朝向，南向一扇外窗，北向一扇外窗，一面外門.建筑相關(guān)參數(shù)見表1.

按照1.1節(jié)中給出的模型建立方法，根據(jù)既有建筑建立單層圍護(hù)結(jié)構(gòu)的等效能耗模型建筑，如圖1所示.

3.1.2測(cè)試與模擬溫度

利用溫度自動(dòng)記錄儀測(cè)試24 h實(shí)驗(yàn)房間室內(nèi)外的實(shí)際溫度，利用DeST軟件模擬等效能耗模型建筑在不同傳熱系數(shù)下的室內(nèi)溫度.實(shí)測(cè)溫度與模擬結(jié)果見表2.

3.1.3計(jì)算結(jié)果

根據(jù)式（1）～式（3）計(jì)算室內(nèi)外相關(guān)系數(shù)偏差Δρ，得出結(jié)果見表3.根據(jù)表3中數(shù)據(jù)，采用二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，擬合趨勢(shì)線如圖2，得到相關(guān)系數(shù)偏差與傳熱系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系式為：

Δρ= 0.125 5K2- 0.469 9K + 0.541 5，R2= 0.987

當(dāng)K = 1.87時(shí)Δρ最小，即實(shí)驗(yàn)小房圍護(hù)結(jié)構(gòu)的綜合等效傳熱系數(shù)為Kz= 1.87 W/（m2·K）.

3.2各類型圍護(hù)結(jié)構(gòu)等效傳熱系數(shù)的計(jì)算

3.2.1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

考慮實(shí)驗(yàn)房的外窗、外墻、屋頂、外門四類圍護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)每個(gè)因素取3個(gè)水平，選用正交表L9（34）進(jìn)行正交試驗(yàn)，正交表如表4所示.

3.2.2回歸模型

3.2.3對(duì)熱工性能做出診斷

對(duì)（8）式求最優(yōu)解，當(dāng)K1= 1.62，K2= 2.84，K3= 1.25，K4= 3.14時(shí)，ΔQ取得最小值.所以外墻、外窗、屋頂、外門的等效傳熱系數(shù)分別為1.62 W/（m2·K）、2.84 W/（m2·K）、1.25 W/（m2·K）、3.14 W/（m2·K）.根據(jù)《湖南省公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[12]得到各類型圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)限值，見表7.將等效傳熱系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)限值比較可做出診斷：外窗的熱工性能符合節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，而外墻、屋頂與外門的熱工性能較差，不符合節(jié)能標(biāo)準(zhǔn).

3.3結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性，將計(jì)算得到的實(shí)驗(yàn)小房各組成類型圍護(hù)結(jié)構(gòu)的等效傳熱系數(shù)與實(shí)際的傳熱系數(shù)進(jìn)行對(duì)比.實(shí)驗(yàn)小房各組成類型圍護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)見表8，對(duì)比結(jié)果如圖3所示.對(duì)比結(jié)果顯示，運(yùn)用本文方法計(jì)算所得的等效傳熱系數(shù)與實(shí)際傳熱系數(shù)在數(shù)值上吻合較好.這證明了結(jié)果的準(zhǔn)確性，也表明應(yīng)用此方法對(duì)既有建筑各組成類型圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能進(jìn)行診斷具有可行性.

需要說明的是，由于本文所提出的方法沒有考慮建筑蓄熱差異及太陽輻射對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱作用，在診斷蓄熱影響較大的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能時(shí)會(huì)造成不同程度的偏差.現(xiàn)階段可以通過延長(zhǎng)測(cè)試時(shí)間的方法，減小建筑蓄熱性的影響，從而減小誤差；在夜間或陰天進(jìn)行測(cè)試時(shí)，可以減小太陽輻射的干擾.

4結(jié)論

1）本文基于等效傳熱系數(shù)法，闡述了等效原理并提出了一種簡(jiǎn)便的既有建筑各組成類型圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能分類診斷的方法.該方法只需測(cè)量既有建筑室內(nèi)外溫度序列與圍護(hù)結(jié)構(gòu)幾何尺寸，經(jīng)相應(yīng)的數(shù)學(xué)處理即可得到各組成類型結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù).

2）本文以具體的實(shí)驗(yàn)建筑作為算例，得到該建筑外墻、外窗、屋頂與外門的等效傳熱系數(shù)分別為1.62 W/（m2·K）、2.84 W/（m2·K）、1.25 W/（m2·K）、3.14 W/（m2·K）.由此做出診斷，外窗的熱工性能符合節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，外墻、屋頂與外門的熱工性能不符合節(jié)能標(biāo)準(zhǔn).將等效傳熱系數(shù)與實(shí)際傳熱系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，兩者數(shù)值吻合較好，證明將此方法應(yīng)用于診斷既有建筑各組成類型圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能具有可行性.

3）本文提出的方法沒有考慮建筑蓄熱性能差異及太陽輻射對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱作用的影響.可通過延長(zhǎng)測(cè)試時(shí)間減小測(cè)量誤差.我們將在后續(xù)的工作中展開進(jìn)一步的理論與實(shí)驗(yàn)研究.

注：本文實(shí)驗(yàn)過程中得到了陳友明教授及其研究生郭猛的大力支持并無償提供了試驗(yàn)臺(tái)，在此表示衷心感謝！

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