夏热地区被动式居住建筑围护结构传热系数分析

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陈旭马伊硕郝生鑫陈秉学

现阶段，我国建成房屋面积与日俱增，而已建城乡建筑中99%为高能耗建筑，对能源及环境造成了极大破坏，促使建筑行业进入技术变革时代，被动式低能耗建筑理念得到进一步推广，逐步进入发展的快车道。被动式低能耗建筑的设计理念在于通过减小建筑围护结构传热系数等措施，以维持室内温度全年在20-26℃之间，可有效降低建筑能耗[2]。自2011年秦皇岛“在水一方”住宅项目作为中国首个被动式低能耗建筑示范项目建成后，该类建筑在全国各地得到飞速发展。但就目前实施的被动式低能耗建筑设计标准仅涉及河北省、山东省及黑龙江省，即严寒地区与寒冷地区，而针对夏热冬冷、夏热冬暖地区尚无明确规范，在一定程度上致使建筑围护结构设计不合理、建筑能耗增加及工程开发成本提高等现象发生，阻碍被动式低能耗建筑推广。

本文以被动式居住建筑为物理模型，结合夏热冬冷、夏热冬暖地区气候相关特征，参考河北省及黑龙江省被动式低能耗居住建筑设计标准中能耗计算准则，研究被动式居住建筑屋顶、外墙、地下室采暖与非采暖隔墙（被动区与非被动区）及不采暖地下室顶板等围护结构传热系数适用范围。对此开展研究分析，将对夏热地区被动式低能耗居住建筑工程提供参考借鉴。

1 夏热地区气候参数及计算条件

按照我国热工设计分区，夏热地区位于我国寒冷地区南部，又分为夏热冬冷及夏热冬暖地区。相关气候参数及计算条件介绍如章节1.1、1.2及1.3所示。

1.1 居住建筑

本文以被动式居住建筑为研究对象，该建筑地上建筑18层，地下2层，建筑面积9092.6152m²，东、南、西、北墙面积分别为1474.15m²、1175.02m²、1459.82m²及1742.44m²。考虑人体传热量及各居住用户比例，设置该建筑总人数为201人。

能耗计算时，建筑的采暖期取连续低于15℃的小时数超过20小时连续三天以上，或全天24小时均低于15℃的日期为起始日期；取连续高于15℃的小时数超过5小时连续三天以上的日期为终止日期。建筑的制冷期取连续高于29℃的小时数超过4小时连续三天以上的日期为起始日期；取连续高于29℃的小时数小于4小时连续三天以上，或全天24小时均低于29℃的日期为终止日期。

1.2 夏热冬冷地区

夏热冬冷地区处于我国寒冷地区和夏热冬暖地区之间，该地区四季分明，气候变化大。夏天高温炎热，冬季寒冷,常年湿度较高，室内热环境质量较差[4]。夏热冬冷地区将以上海及重庆地区为代表城市进行计算分析。

其中，上海夏季空气密度为1.1589kg/m³，冬季空气密度为1.2851kg/m³；重庆夏季空气密度为1.108kg/m³，冬季空气密度为1.21kg/m³。考虑外窗辐射传热量，假设固定外遮阳门窗g值为0.4，传热系数均为1.5W/（m²·k）。

上海及重庆地区采暖期、制冷期及传热系数假定范围，如表1所示。

表1 上海及重庆市总一次能源需求计算基本设置参数

1.3 夏热冬暖地区

表2 广州及海口市总一次能源需求计算基本设置参数

夏热冬暖地区处于我国夏热冬冷地区南部，该地区长夏无冬，高温湿重，昼夜温差小。夏热冬暖地区以广州及海口地区为代表城市进行计算分析。

其中，广州夏季空气密度为1.147kg/m³，冬季空气密度为1.2286kg/m³；海口夏季空气密度为1.1446kg/m³，冬季空气密度为1.2059kg/m³。考虑外窗辐射传热量，假设固定外遮阳门窗g值为0.35，传热系数均为1.5W/（m²·k）。广州及海口地区采暖期、制冷期及传热系数假定范围，如表2所示。

2 被动式建筑能耗计算

根据河北省及黑龙江省《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》中涉及能耗计算要求进行计算。相关计算理论及公式，如章节2.1、2.2所示。

2.1 采暖能耗计算

1）房屋单位面积的年采暖需求，应从规定的采暖计算起始日期至采暖计算终止日期。按下列公式逐时计算（当计算值为负值则取零；计算值是正则为该点的采暖需求，将各点累加即为房屋的采暖需求）：

2）围护结构传热引起的房屋单位面积耗热量（包括非透明围护结构及透明围护结构所引起的房屋单位面积耗热量），应按下列公式计算：

3）通风引起的房屋单位面积耗热量（包括开启外门进入空气及通风系统进入新风所引起的房屋单位面积耗热量），应按下列公式计算：

4）透明围护结构通过太阳辐射获得的房屋单位面积得热量，应按下列公式计算：

5）建筑物内部热源引起的房屋单位面积得热量（包括人体散热、照明散热及家用电器散热所引起的房屋单位面积耗热量），应按下列公式计算：

2.2 制冷能耗计算

1）房屋单位面积的年制冷需求，应从规定的制冷计算起始日期至制冷计算终止日期。按下列公式逐时计算（将所有时点的制冷需求累加，即为房屋的年制冷需求）：

2）围护结构传热引起的房屋单位面积得热量（包括非透明围护结构及透明围护结构所引起的房屋单位面积得热量），应按下列公式计算：

3）通风引起的房屋单位面积得热量（包括开启外门进入空气及通风系统进入新风所引起的房屋单位面积得热量），应按下列公式计算：

4）透明围护结构通过太阳辐射获得的房屋单位面积得热量，应按下列公式计算：

5）建筑物内部热源引起的房屋单位面积得热量（包括人体散热、照明散热及家用电器散热所引起的房屋单位面积耗热量），应按下列公式计算：

3 能耗计算结果对比分析

通过改变被动式居住建筑屋顶、外墙、地下室采暖与非采暖隔墙及不采暖地下室顶板等围护结构传热系数中任意单一变量，观察总一次能源需求数据变化，进而得出该类建筑围护结构传热系数适用范围。参考河北省《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》，60kWh/(m²·a)为被动式低能耗居住建筑采暖、供冷和照明总一次能源需求限值。因不考虑照明一次能源需求，且各围护结构保温传热系数之间具有耦合性，故取30kWh/(m²·a)为被动式低能耗居住建筑采暖及供冷总一次能源需求限值（该限值考虑了热泵提供的能源需求，但不包括太阳能等其他可再生能源提供的能源需求）。

3.1 夏热冬冷地区能耗计算结果分析

上海及重庆地区外墙传热系数分析如图1所示，通过改变上海及重庆地区外墙传热系数进行计算，发现上海及重庆地区总一次能源需求变动波幅较大，且波动范围趋于23~32kWh/(m²·a)。总一次能源需求随外墙传热系数增大而增大，当外墙传热系数在0.3W/(m²·K)以上时，总一次能源需求超过30kWh/(m²·a)。为保障夏热冬冷地区建设被动式低能耗居住建筑，建议外墙传热系数适用范围在0.2~0.3W/(m²·K)。

图1 上海及重庆地区外墙传热系数分析

上海及重庆地区屋顶、地下室采暖与非采暖隔墙及不采暖地下室顶板传热系数分析，如图2~4所示。通过改变上海及重庆地区屋面、地下室采暖与非采暖隔墙及不采暖地下室顶板传热系数进行计算，发现上海地区总一次能源需求较高于重庆地区，且趋近于30kWh/(m²·a)，造成该现象的主要原因是重庆属国内日照较少的地区，冬季日照严重不足使得外窗辐射传热量存在差异。由屋面、地下室采暖与非采暖隔墙及不采暖地下室顶板传热系数所引起的冷热需求影响较小，但屋面直接接触室外空气，受室外阳光直接照射，对居住建筑的顶层用户影响较大，故建议夏热冬冷地区屋面传热系数适用范围在0.2-0.3W/(m²·K)；地下室采暖与非采暖隔墙传热系数适用范围在0.5-0.7W/(m²·K)；不采暖地下室顶板传热系数适用范围在0.3-0.45W/(m²·K)。

图2 上海及重庆地区屋顶传热系数分析

图3 上海及重庆地区地下室采暖与非采暖隔墙传热系数分析

图4 上海及重庆地区不采暖地下室顶板传热系数分析

3.2 夏热冬暖地区能耗计算结果分析

广州及海口地区外墙传热系数分析，如图5所示，通过改变广州及海口地区外墙传热系数进行计算，发现广州及海口地区总一次能源需求随外墙传热系数增大，且变动波幅较大，波动范围趋于23-30kWh/(m²·a)。夏热冬暖地区虽无采暖区，但由于制冷期较长，能耗较高。为保障夏热冬暖地区建设被动式低能耗居住建筑，建议外墙传热系数适用范围在0.2-0.35W/(m²·K)

图5 广州及海口地区外墙传热系数分析

广州及海口地区屋顶、地下室采暖与非采暖隔墙及不采暖地下室顶板传热系数分析，如图6~图8所示。通过改变广州及海口地区屋面、地下室采暖与非采暖隔墙及不采暖地下室顶板传热系数进行计算，发现海口地区总一次能源需求高于广州地区，且趋近于30kWh/(m²·a)，原因在于海口地区天气较广州地区更加炎热，制冷能耗较大。由屋面、地下室采暖与非采暖隔墙及不采暖地下室顶板传热系数引起的冷热需求影响较小，建议夏热冬暖地区屋面传热系数适用范围在0.2-0.35W/(m²·K)，地下室采暖与非采暖隔墙传热系数适用范围在0.8-1.2W/(m²·K)，不采暖地下室顶板传热系数适用范围在0.35-0.45W/(m²·K)。