空调建筑围护结构设计中的建筑节能.doc

空调建筑围护结构设计中的建筑节能(1 广东省佛山市能源利用监测中心 佛山528000；2 广州大学环境工程系 广州510000)摘要:针对炎热地区夏季空调能耗大的现状,提出靠改善围护结构热工性能来降低空调耗能,并通过分析不同围护结构构件特点,说明应采取的节能技术方案和措施。 关键词:舒适,热工性能,建筑节能 中图分类号:TU201.5,TU831 南方夏热冬暖地区夏季气候炎热，酷暑时间长，室内热环境恶劣，过去由于受社会经济发展水平的限制，只好忍受。但到20世纪80年代后期，情况发生了根本性的变化。随着经济的发展，生活水平的提高，无论公共建筑还是民用住宅，各种空调在各式各样的建筑物中得到普及，由此造成巨大的供电压力。广东省自改革开放后，电力供应一直紧张，后经能源基础设施建设者们做了大量的努力，连续六年维持供电供需平衡，但这种平衡又被新一轮用电态势所打破。2001年6月5号省网系统缺电150万，被迫对20个城市采取拉闸限电措施1。 物质生活水平的提高，使人们追求舒适的室内工作环境成为必然，但目前建筑物普遍不足以抵御室外热浪对室内热环境的入侵，造成室内环境过热。为了消除这种过热，只好靠人工冷源来补偿，由此浪费了大量宝贵的电力资源。 为了节约能源，同时又能拥有舒适的室内环境，国家建筑节能“九五”计划和2010年规划中要求尽快制定本地区建筑节能标准，积极开展建筑节能研究，尽早采用适合这一地区的节能技术措施。 1 建筑物环境热舒适性与围护结构热工特性 舒适性空调建筑是通过建筑物围护结构良好的热工性能和辅助的人工冷源，来抵御自然界各种气候因素对室内环境作用，调节室内环境的微小气候，建立一种舒适的室内热环境，以满足人们学习、工作、生活的需要。环境的热舒适是指人们对热环境感到满意的主观评价，此时人体既不感到热，也不感到冷，从理论上讲，人体达到物理及生理的平衡。影响这种平衡的环境因素有四个：即空气温度，墙体内表面温度，风速及相对湿度，人体本身影响因素为人体活动量和衣着。其中空气温度对热舒适的影响最大，一般要求维持在室内温度2428左右；其次为墙体内表面温度,热工设计标准中规定外墙体内表面最高温度小于夏季室外计算温度最高值,即imaxTemax；湿度主要影响人体排汗,夏季湿度较大时,人体表面水分难以由皮肤顺利的向外排出,如广州地区的夏季多雨，相对湿度常在80%90%之间,影响人体的正常排汗，使人感到闷热不舒服,若考虑衣着对调节热舒适的有效性，着夏装时对办公楼室内温度宜取26左右，着薄西装宜取24左右。无论围持夏季室内空气温度或墙体内表面温度,都要耗费冷量，因此，环境热舒适的建立与耗能密切相关。 南方炎热地区夏季建筑物能耗过高,用电量过大。究其原因,一是建筑物的规划与设计问题，二是空调设计及运行管理方法存在问题，致使单位建筑面积冷负荷过大，制冷及空调设备运行耗电过高，使得建筑节能降耗势在必行。 建筑节能降耗主要从两方面进行，一是提高建筑物空调设备的效益及改进运行管理方式，二是改善建筑物围护结构热工性能，增强建筑物自身隔热防热能力，降低夏季热浪对室内环境的影响和入侵，减少建筑物得热量。 舒适性空调建筑的热量是指某时刻进入空调房间的热量。包括经围护结构进入房间的热量和室内设备、人体、照明产生的热量,在炎热夏季，前一部分的热量较大，节能潜力也大，通过围护结构传热得热量约占整个围护结构得热量的70%80%，通过门窗缝隙渗透约占20%30%2，实现围护结构节能,降低围护结构得热量，也就是降低建筑物耗冷量，使得为维持室内舒适性所需冷负荷降低，从而节约空调系统向每个房间提供的冷量，达到节能省电目的。 2 建筑围护结构热工性能与建筑节能 减少建筑能耗,降低围护结构得热量，是靠降低墙体、门窗、屋顶、地面得热量以及减少门窗空气渗透热来实现。改善围护结构热工性能,是建筑节能取得成效的关键。 建筑物热工特性参数主要包括外围护结构墙体热阻；窗子面积及遮阳状况，屋面隔热情况等。要改善建筑物热工性能，就必须分析这些参数对空调负荷的影响。 2.1 围护结构热阻 南方炎热地区长期以18实心粘土砖作墙体材料，有些需要隔热的墙体西墙，也是以增加砌筑厚度(多为24墙)来满足要求，这是对能源和土地资源的严重浪费。这些年来，超高层建筑在广州急剧增加，超过30层的建筑目前有200多座，这些建筑为追求立面的豪华气派，不顾围护结构的保温和隔热，立面采用全玻璃幕墙设计，加大了空调负荷。2001年6月，广州市政府公告禁止使用实心粘土砖这一政策后，新墙体材料的使用必将在这一地区迅速推广，新墙体材料具有轻质高强、保温隔热、保护耕地、保护环境、节约能源的优点。下面通过比较这三种具有代表性的建筑围护结构热阻对空调负荷的影响,来说明建筑围护结构热阻对建筑能耗的影响。 2.1.1 玻璃幕墙夏季空调负荷计算 用作建筑物玻璃幕墙的材料很多，但目前在许多建筑中仍大量使用的还是镀膜热反射玻璃，下面利用冷负荷系数法来计算幕墙形成的冷负荷。 (1) 由日辐射引起的冷负荷3: 1=2cmaxcl 其中:1为透过玻璃窗进入室内的日射引起的逐时单位面积冷负荷(/2);2为窗玻璃的综合遮阳系数，2=sn取1；cmax为日射得热因素的最大值，西向广州地区525/2;cl为冷负荷系数，广州地区取0.61。 (2) 由瞬变传热引起的冷负荷: 2=(T-Tn) 其中:2为瞬变传热引起的空调冷负荷；为厚度为6的单层镀膜反射玻璃传热系数，为4.46/2；T为冷负荷计算温度的逐时值，西向Tmax为33.2；Tn为室内设计温度,取25。 2.1.2 红砖墙和新型墙材的夏季空调冷负荷计算 红砖墙取18cm西墙,新型墙材取目前南方地区大量用作填充墙的加气混凝土，厚度为15cm的西墙，在日射和室外气温综合作用下，其冷负荷按下式不稳定传热计算: cl=(-n) 三种墙材计算结果如表1所示。 表1 三种墙材计算结果墙材指 标CclKTmax西向值Tn日射+传热 W/m2 6mm厚镀膜玻璃 0.614.1633.2258118cm厚烧结砖+2cm批荡 2.6041.0253415cm厚加气混凝土 1.0745.82528由表1可以看出: (1) 玻璃幕墙(窗)因太阳辐射而产生的日射冷负荷为主要负荷。玻璃幕墙应以防辐射为主,如遮阳等。 (2) 15厚加气混凝土墙围护结构的热与6厚镀膜玻璃的相比,大为减少,若将玻璃幕墙换成加气混凝土墙,则冷负荷减少53/2,减少63%。 (3) 三种代表性墙材中,新型墙材热阻最大,围护结构引起单位面积冷负荷最小,建筑能耗最低。 (4) 传统的18烧结砖墙,与新型墙材比较,热阻仍然偏低,夏季不足以防御室外热浪对室内热环境的入侵;加之浪费土地,消耗资源,污染环境,被新墙体取代,是墙体发展的必然。 (5) 增加墙体热阻在一定程度上降低空调负荷,增加了墙体隔热能力。但墙体热阻大到一定程度时,由于不利于晚间室内散热,将引起空调负荷升高,这是需要引起注意的。 2.2 窗户面积与遮阳情况 窗户的热工特性对空调建筑物的能耗影响很大，是夏季建筑热工设计的关键。由于窗的传热系数高，隔热能力差，单位面积玻璃窗得热量比墙体高得多，一般为墙体的520倍。室外热空气也通过窗缝隙渗透入室,使得玻璃窗得热量占整个围护结构热量的40%以上4。热量通过窗户传至室内，主要是通过玻璃导热、太阳辐射、空气渗透等途径实现的。这些途径都与窗子大小有关，窗子面积与空调负荷大小成线性关系。浙江大学曾选择一座旅馆作研究对象，研究外窗大小对空调负荷的影响，结论是:在房间朝向、墙体热阻、热容量、遮阳系数等热工特性相同前提下,50%窗墙比的房间与30%窗墙比的房间相比,设计日冷负荷增加25%42%。运行负荷增加17%25%。因此，大面积玻璃窗对空调冷负荷增加很大。从节能的角度出发，围护结构外窗面积取小值对空调负荷的降低是有利的，但窗太小将使建筑物室内采光通风等受到影响，因此，热工设计标准中规定窗墙比在0.3以下，但南面朝向可放宽到0.35，这是因外窗朝向不同，接受到太阳辐射热量多少也不同，根据太阳在天空中运行规律，冬季南向墙面将得到最大的太阳辐射热量,而夏季却是东、西墙面。因此,房间外窗面积大，开窗多的一面正对冬季太阳辐射强度大的南向方位，而把房屋外墙面积小，不开窗或开窗少的一面朝向夏季太阳辐射强度大的东、西方位，使得外窗在冬季太阳辐射强度大的南面，有较大的辐射得热面；而夏季太阳辐射大的西面，有最小的窗玻璃隔热面，这样按朝向不同布置开窗面，有利于房屋夏季隔热，冬季保温。由于南方夏季季候风盛，且多吹东南风，房屋南窗面积的开大，有利于利用自然风散热除湿，及晚间自然降温。由于太阳辐射是窗子得热的一个主要途径之一，因此，改进窗子遮阳特性,能较大幅度地降低空调负荷，特别是运行负荷，约能降低16%29%5。 2.3 屋顶隔热 在围护结构墙体、门窗、屋面、地面四大构件中，屋面的保温隔热能力是最值得引起关注的。南方炎热地区往往因夏季屋面得热量大而引起顶层住宅室内环境恶化，使得空调冷负荷升高。南方地区纬度较低，太阳辐射高度角大,如广州地区太阳辐射高度角几乎等于90,阳光直射屋顶平面，几乎完全暴露在阳光的强烈照射下。辐射强度大，日照时间长，表面温度高,最高可达60，对屋顶结构设计必须采取良好隔热措施，才能减轻通过屋面对室内的大量传热。 常用且隔热效果明显的措施有：通风屋面、夹心隔热保温及生态型建筑屋面隔热技术，后者为绿色建筑，符合国家可持续发展战略，是最具发展潜力的建筑隔热技术。生态型隔热技术为利用水的蒸发和植被对太阳能的吸收、转化作用而降温，能将照射到屋顶的太阳辐射热进行自我良性化解，从而降低屋顶表面传热，减少屋顶向室内传热。如蓄水屋顶，是利用水蒸发时需要大量汽化热，把太阳辐射到水面上的热量转化为汽化热而消耗掉；植被屋顶的攀缘植物有紫藤，牵牛花，灯烛花，使它攀爬上架或直接攀附于屋面上，让屋面具有良好的夏季隔热能力和冬季保温能力，而使建筑物具有较好的热稳定性。 3 结论 (1) 建筑物热环境舒适性与建筑节能是一对固有矛盾，化解这一矛盾使建筑物具有良好的热工特性是最有效措施之一。 (2) 改善建筑物围护结构热工特性,主要是通过增大外墙体热阻,使窗户具有较好的朝向,较合适的窗墙比以及提高屋面保温隔热能力等途径来实现。 (3) 由围护结构外墙传热=KF(T-T)可知,墙体得热与传热系数K、外墙面积F成正比。外墙体面积大，占整个围护结构面积50%以上。当建筑物体形系数确定时，外墙面积也随之确定。因此,要减少传热量，只有降低传热系数。新型墙材拥有较大的热阻，是建筑节能墙体之首选，应大力