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 （上海市建筑科学研究院，上海200032）

 

摘 要 为了分析混凝土砌块别墅建筑外围护结构的热工性能及其对建筑物能耗的影响，本文以上海地区的典型混凝土砌块别墅楼盘为建筑物理模型，该模型的两种围护结构方案采用了建筑物能耗分析软件DeST 进行动态模拟分析，结果表明：对建筑物屋面和墙体添加保温层、对门窗采用低传热系数门窗，不改变建筑物其它构造，就能大幅减少建筑物的空调采暖能耗量。

 

关键词 混凝土砌块；别墅；围护结构；能耗

 

随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，混凝土砌块别墅建筑的建造量已越来越大，而混凝土砌块别墅建筑的耗能量在住宅建筑中占据了很大的比例。如何降低其耗能量已成为当前迫切需要进行研究和解决的课题。本文针对上海地区的典型混凝土砌块别墅的热工性能和能耗分析来具体阐述混凝土砌块别墅建筑可采用的节能措施。

 

上海地区的典型混凝土砌块别墅——“漓江山水花园”[1]中K 型混凝土砌块别墅主要是从门窗节能、外墙外保温、屋面保温这三个方面来设计整个建筑的保温节能方案的。（1）窗节能方案中窗采用了环保型断热彩铝中空玻璃门窗技术，使得传热系数比普通玻璃大大下降，同时夏季可以有效的阻止外面热辐射进入室内，而冬季则可以有效的阻止室内暖气向外泄漏。而门则采用了保温门，保温隔热性能要远胜于传统的木门。（2）外墙外保温方案为双排孔砌块复合挤压型聚苯乙烯外保温系统并采用了陶瓷隔热外墙涂料。这两重措施使得外墙体的保温隔热性能十分突出。（3）屋面保温方案采用挤塑聚苯乙烯板进行保温隔热处理，使得屋面具有高抗压强度、低热导性和高抗水气渗透能力等性能。

 

本文以上海“漓江山水花园”中K 型混凝土砌块别墅的房型为建筑模型，对普通的混凝土砌块别墅的围护结构设计方案和采用了节能措施后的混凝土砌块别墅的围护结构设计方案进行对比，采用DeST 逐时动态模拟软件来对这两种设计方案进行计算分析，对比得出各自的耗能量，为混凝土砌块别墅围护结构的节能设计方案提供了可靠的科学依据。

 

1 计算物理模型

 

混凝土砌块别墅建筑的围护结构基本是由屋面、外墙、门窗等组成。本文进行计算分析的建筑模型如图1 所示，为一栋三层建筑，内含地下室和车库。第一种方案是普通型的混凝土砌块别墅，其围护结构具体构造如下表所示：

 

 

 

 

 

2 计算数学模型

 

建筑物能耗的求解过程就是求解室内空气的温度场和热流场随时间的变化过程。对本文而言，主要是通过求解墙体、屋面、门窗和室内空气的温度的动态变化来计算建筑物的能耗。

 

2.1 墙体、屋面和门窗的能量控制方程

 

本文采用一维传热理论分析建筑物各构件的温度场分布和建筑物的能耗。当不考虑建筑物与天空之间的辐射换热时，外墙体、屋面和门窗的能量控制方程为：

 

初始条件

 

边界条件

 

 

 

2.2 室内空气的能量方程

 

根据能量守恒定律，室内空气的能量方程为：

 

初始条件

  

 

其中， t 为温度℃， a 为导温系数  为构件的导热系数

（W /(m⋅K) ），τ 为时间，x 为建筑物外表面到计算单元的距离（m）, l 为建筑物构件的厚度（m），α e 为室外空气与建筑物外表面之间的对流换热系数(W) /( m ².K )，ρ 为建筑物构件外表面的太阳吸收率，ρi 为建筑物构件内表面的太阳吸收率，，β 为太阳辐射得热在建筑物构件上的分配系数， I 为太阳辐射强度（W / m ²）， te (τ ) 为室外空气温度（℃），ρa 度（W / m² ）， te (τ ) 为室外空气温度（℃），ρa 为建筑物构件的密度（ kg / m³ ）Cp 为建筑物构件的定压比热（kJ／（kg·℃））， V 为室内空气体积（ m³），Q(τ ) 为热扰（W）。

.

Q(τ ) 中包括外扰和内扰两部分，外扰包括玻璃窗逐时辐射得热Qg (τ ) 和空气渗透的逐时传热Qa,l (τ ) ，内扰为室内人员、照明和其他设备等的潜热和显热Qin (τ ) 。

 

为简化计算，本文中令室内人员、照明和其他设备等的潜热和显热Qin (τ ) = 0 ，即不考虑室内热扰的影响。

 

2.3 建筑物的能耗

 

根据室内空气能量方程（5），由于外扰和内扰的作用，室内温度随时间的变化而变化，为了满足《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》[2]中室内温度冬季全天为18℃，夏季全天为26℃的要求，需要加入人为热扰，此人为热扰被称为建筑物的能耗。其中，为满足冬季18℃的要求而输入的能耗称为采暖能耗，为满足夏季26℃的要求而输入的能耗称为空调能耗，采暖能耗与空调能耗之和为建筑物的总能耗。

 

3 模拟计算参数设置

 

在对本文中的两种混凝土砌块别墅进行能耗分析时，根据《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》统一设置的参数为：采用上海地区的气象参数，采暖能效比为1.9，空调能效比为2.3。室内温度设定为采暖18℃，空调26℃。无室内热扰，换气次数1 小时1 次。另根据两种混凝土砌块别墅的围护结构差异分别列出计算参数如下表所示：

 

 

4 结果分析与讨论

 

为了科学设计混凝土砌块别墅围护结构的节能方案，本文采用DeST 软件对两种混凝土砌块别墅方案的总能耗进行了模拟计算，得出了相关结果如下表所示：

 

 

由表中数据可以看出节能型混凝土砌块别墅的能耗量比普通型混凝土砌块别墅的能耗量要节省33％，超过了《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》规定的围护结构节能约25％的指标。所以节能型混凝土砌块别墅的围护结构设计方案是可行的。通过对比后的结果可以看出，对于混凝土砌块别墅这类低层建筑，为了达到降低其建筑能耗的效果，在传统的普通混凝土砌块别墅上可采用仅对建筑物的屋面和墙体添加保温层，而不改变其它构造，对建筑物的门窗采用低传热系数的构件的方法。在《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中给出了屋面、墙体、门窗的节能设计限值，但是如果为了建筑设计的需要，也可以整体考虑建筑物的节能效果。如本文中所给出的计算物理模型上海“漓江山水花园”中的K 型混凝土别墅，它的南向窗墙比相当大，达到了0.65，远远超过了《夏热冬冷地区住宅建筑节能标准》中的上限值0.5。其余各向的窗墙比为：北向为0.3、东向为0.15、西向为0.06。但是由于它整体围护结构（屋面、墙体、门窗）的综合保温措施做的好。所以它的节能效果还是达到了要求。因此今后在给混凝土砌块别墅做节能方案时，可以从全局出发，配合建筑师的设计理念，选用合适的保温隔热材料和门窗构件，通过建筑物动态能耗模拟分析软件来给出一个综合的能耗值，以此来判断该混凝土砌块

别墅是否达到节能指标。

 

5 结论

 

通过本文的典型实例分析，可以得到如下结论：

 

1、在传统的普通混凝土砌块别墅上可采用仅对建筑物的屋面和墙体添加保温层，而不改变其它层构造，对建筑物的门窗采用低传热系数的构件的方法来减少建筑物的能耗量。

 

2、在给混凝土砌块别墅做节能设计方案时，可通过建筑物动态能耗模拟分析软件来给出一个综合的能耗值来判断该混凝土别墅是否达到节能指标，而不要为《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中的节能设计限值所限制。