夏热冬冷地区建筑围护结构节能体系的研究进展

夏热冬冷地区建筑围护结构节能体系的研究进展

付萍1孙茜茜1王旭光2

（1.南京工业大学浦江学院江苏南京210000）（2.江苏苏美达成套设备工程有限公司江苏南京210000）

【摘要】介绍了夏热冬冷地区建筑节能所面临的主要问题，在南北地区不同的气候特点与用能方式的基础上阐述了产生此问题的主要原因，然后列举了近年来国内外学者研究该地区建筑节能的主要方法，分析了现有研究状况中出现的主要特征。研究表明，重视夏热冬冷地区的自身特点，研究适合的墙体保温系统是未来该地区建筑围护结构节能的发展重点。

【关键词】夏热冬冷；围护结构；节能；研究进展

Researchprogressoftheenergysavingsystemofbuildingenvelopeinhotsummerandcoldwinterclimatezone

FuPing1SunQian-qian1WangXu-guang2

【Abstract】Themainproblemoftheenergysavingofbuildingenvelopeinhotsummerandcoldwinterclimatezoneisintroducedinthispaper,andthereasonisanalyzedbasedonthedifferentclimateandenergyconsumptioncharacteristicsbetweennorthandsouthpartofChina.Furthermore,thelatestresearchmethodsandthemainfeaturesbothabroadanddomesticareinvolved.Atlast,thefuturedirectionofenergysavingofbuildingenvelopesystemisindicatedasproperbuildingenvelopeenergysavingsystembasedonthecharacteristicofhotsummerandcoldwinterclimatezone.

【Keywords】Hotsummerandcoldwinterclimatezone;Buildingenvelope;Energysaving;Researchprogress

【中图分类号】TU201.5【文献标识码】A【文章编号】1002-8544（2017）02-0199-04

引言

我国地域辽阔，不同地区有不同的气候特点。“夏热冬冷”地区地处我国中部的长江流域及其周围地区，上海、南京、杭州等地同属于“夏热冬冷”地区。该地区夏季闷热、冬季湿冷，空气湿度大，昼夜温差小，年降水量大、日照偏少，居住热环境很差。随着人民生活水平的提高，这类地区居民大多采用小型家用空调及取暖器进行降温与取暖，不仅浪费了大量能源，而且由于围护结构热工性能差等原因，效果不够理想。因此，我国颁布了《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》[1-2]等一系列标准，以期在建筑设计和改造方面通过科学设计、合理选材，在将室内温度控制在人体舒适度范围内并提供健康舒适的居住空间前提下，尽可能降低建筑物的运行能耗。

由于墙体是建筑围护结构的主体，外界与室内通过墙体进行热量交换，从而形成室内冷热负荷。因此，减少通过墙体的热量传递，对降低室内负荷有着重要的作用。墙体节能技术关键在于改善墙体材料的热工性能。主要手段包括墙体外保温、墙体内保温以及墙体自保温[3-5]。由于夏热冬冷地区的建筑节能很大程度上照搬了北方采暖地区的现有技术体系，忽视了本地区气候，尤其是用能方式的特点，导致这一地区建筑节能未能达到预计的节能效果。

本文首先介绍了夏热冬冷地区建筑节能所面临的主要问题，在南北地区不同的气候特点与用能方式的基础上阐述了产生此问题的主要原因，然后列举了近年来国内外学者研究该地区建筑节能的主要方法，分析了现有研究状况中出现的主要特征，最后指出了夏热冬冷地区建筑节能领域未来的研究重点。

1.面临的主要问题

当前夏热冬冷地区建筑实际节能率远低于设计过程中的理论节能率。据调查：目前夏热冬冷地区绝大多数居住建筑的实际节能率仅达到理论节能率的20%~40%。这暴露了诸多资源没有得到合理应用，造成了极大的资源浪费。然而夏热冬冷地区相关的节能基础理论研究几乎是空白。其实际节能率远低于设计过程中的理论节能率与该地区在设计方法、应用技术上都平移了北方的节能体系有非常大的关系，而这也是面临的最大困境。

夏热冬冷地区气候因为夏季炎热，冬季湿冷，台风影响严重，长年湿度很高，所以在建筑节能上要求围护结构既要考虑冬季采暖，更要兼顾夏季隔热，同时还要求能够具备防潮防水的功能。相比而言，北方采暖地区建筑节能则只需要解决围护结构冬季保温问题，而南方夏热冬暖地区则只需解决围护结构夏季隔热问题。因此，对于夏热冬冷地区而言，急需研发兼保温和隔热双重功能及良好的防潮性能的材料与技术体系。

另外，夏热冬冷地区居住建筑以夏季制冷为主，在用能方式上具有间歇式、分室用能的特点，无论夏季制冷还是冬季采暖，冷热源主要是空调器；而北方建筑用能以冬季采暖为主，用能方式上实行统一供暖制，且采暖期室内几乎所有空间24h不间断供暖。用能方式的不同将导致两地区建筑(尤其是居住建筑)能量耗散模式的本质差异。从而也决定了节能设计方法的不同[6]。

2.主要研究方法

2.1试验测试方法

热流计法[7]作为国内外常用的现场测试方法，被广泛用于单块试件、单面墙体、单一或多材料围护结构的传热性能测试。利用热流计测试墙体的热流密度，当热流通过墙体时，由于墙体具有热阻，墙体内外表面将具有不同的温度。用热电偶温度传感器测量墙体内外表面的温度，即可计算出墙体的热阻值及传热系数。国际标准《建筑构件热阻和传热系数的现场测量》（ISO9869），美国标准《建筑围护结构构件热流和温度的现场测试》（ASTMC1046-95）和《由现场数据确定建筑围护结构构件热阻》（ASTMC1155-95）都对热流计测试方法做了详细规定。

2.2软件模拟方法

试验测试方法受到试验成本高、搭建与试验周期长等条件的限制，使得软件模拟方法在建筑能耗分析领域表现出极大的应用价值。

DeST

DeST是由清华大学建筑技术科学系研制开发的面向暖通空调设计者的集成于AutoCAD上的辅助设计计算软件，是目前我国唯一的自主研发的动态模拟建筑制冷采暖负荷软件。软件主要用于住宅建筑热特性的影响因素分析、住宅建筑热指标计算、全年动态特性的影响因素分析、住宅建筑的全年动态负荷计算、逐时外温和房间自然室温计算、末端设备系统经济性分析等领域。如今，DeST无论在国内外的工程项目上还是基础科学研究都有着广泛的应用。

DOE-2

DOE-2是由美国能源部支持，美国加州大学劳伦斯伯克利国家实验室开发的以小时为计算单位的建筑全年逐时能耗和负荷模拟软件。软件主要功能包括逐时能耗分析、暖通空调系统运行的全周期成本分析等。如今，它是国际上应用最普遍建筑热模拟商用软件，用户遍布全世界数十个国家地区。

EnergyPlus

EnergyPlus同样是由美国能源部和劳伦斯伯克利国家实验室共同开发的，被认为是用来替代DOE-2的新一代的建筑能耗分析软件。它在吸收了建筑耗能分析软件DOE-2优点的基础上，还具备了很多新功能。其功能主要包括多区域气流分析、太阳能利用方案、建筑物热性能研究等。

eQUEST

eQUEST是在美国能源部和电力研究院的资助下，由劳伦斯伯克利国家实验室和J.J.Hirsch及其联盟共同开发的一款能耗模拟软件。采用反应系数法计算建筑围护结构的传热量，即先计算出围护结构的吸热、放热和传热反应系数，再将任意变化的室内温度分解成一个个可叠加的三角波，利用导热微分方程将围护结构对每个温度三角波的反应相叠加，从而得到任一时刻围护结构表面的温度和热流。

TRNSYS

TRNSYS软件是由美国威斯康星大学最早开发，后来在欧洲一些研究所的共同努力下逐步完善的瞬时系统模拟程序。其功能主要包括建筑物全年的逐时能耗分析、优化空调系统方案、预测系统运行费用、太阳能利用方案设计、地板辐射供暖（冷）系统模拟计算等。

Fluent

Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包。Fluent软件具有强大的解决流动传热耦合问题功能，且在建筑暖通空调能耗计算上可以秒为时间步长，从而可精确地获得各个围护结构内外表面实时温度、实时热流等过程量，以及温度场、速度场分布。该软件充分考虑了室内空气的流动及传热，不仅可以模拟墙体等围护结构的热过程，同时也可模拟内部空气的热过程，与现实更贴近。

2.3理论分析方法

在工程设计中，传统设计思想主要是考虑如何减少在项目施工过程中的物资成本、时间成本等。随着科技的飞速发展以及人们环保意识的增强，人们发现这种观念存在片面性，因为它没有考虑工程完成后项目的使用运行成本。因此国外有人提出了LCC(LifeCycleCost)设计分析概念。LCC即“全生命周期成本”，是指工程项目(或产品)在整个生命周期内，包括设计、施工、使用、维护、报废等所有过程产生的费用总和。它并不只是发生在投资初期与施工阶段，而是在系统整个生命周期内按时间序列发生的。设计人员不能局限于降低投资方的成本，更应着眼于降低工程项目全生命周期成本，把握全局观和系统[8]。

在目前的市场及技术下，建筑保温材料还不能实现回收再利用，因此不考虑其残余价值，同时若也不考虑保温系统的维护、维修等费用，那么保温墙体LCC简化方法通常就考虑包括以下两个方面内容:

（l）保温系统初始费用（也称系统费用）：包含设计费、材料费、安装人工的总和；

（2）保温系统耗能费用：指在保温系统整个使用生命周期过程中，空调制冷、热所产生的耗能电费用。

3.国内外的研究现状

近几十年来，墙体保温技术在建筑节能中的独特性能，受到越来越多的各国学者的关注[9-10]。

FLORIDES等[11]利用TRNSYS软件研究自然和人工通风、遮阳、玻璃类型、建筑外形和朝向、保温墙体和屋顶保温等措施对全年采暖和制冷能耗的影响，并分析全生命周期成本。王厚华等[12]采用能耗模拟软件DOE4.0，模拟分析了外墙围护结构各部件热工性能对建筑能耗的影响。韦延年[13]提出在夏季热风下外围护结构的传热特征下，用综合热稳定系数法计算内表面温度时的热阻抗隔指数和热稳定隔热指数，可作为评价该地区外围护结构隔热性能的指标。于靖华等[14]则提出用包括围护结构各传热系数、太阳辐射系数等在内的建筑围护结构热能性能系统评价指标来评价夏热冬冷地区建筑围护结构的整体热工性能。针对设计本身，黄光德[15]提出“用”好与“防”好太阳辐射也是夏热冬冷地区居住建筑节能的关键之一。

在目前的研究当中，夏热冬冷地区建筑能耗情况研究出现了以下的三个主要特征：

3.1外保温“反节能”现象显著

吴玲红等[16]采用DOE-2软件对上海一办公楼进行建筑能耗计算，用能时间为7:00～19:00，结果表明，提高外围护结构的保温性能，反而会增大全年冷负荷。

MASOSO等[17]针对非洲博茨瓦纳地区办公楼，用能时间为6:00～18:00，利用EnergyPlus软件分析6种不同空调设定温度下的建筑全年冷负荷和全年热负荷，结果发现，增加墙体外保温可以降低全年热负荷，但却不一定能降低冷负荷，存在一个临界空调设定温度，低于该温度可以节能，而高于此温度却反而增加能耗。

Pan等[18]对北京、上海和广州等三种不同气候地区的外墙外保温节能特性进行了研究，发现：在建筑热负荷占据主导的北京，外墙外保温具有显著节能效果；但是，在上海，南墙的外保温超过临界厚度时，存在“反节能”特性；而在广州，四面墙均具有明显的“反节能”特性。

泰国TUMMU团队[19]试验研究不同窗墙比和不同围护结构下的空调冷负荷，结果表明，在没有窗户时，内保温和外保温都可以降低建筑能耗，但随着窗户面积增加，内保温仍能节约能耗，相反外保温却反而增加能耗，表现出“反节能”特性。

3.2气候条件与用能方式的突破性探讨

浙江大学的钱晓倩团队[6]通过分析对比夏热冬冷地区在气候条件、用能方式上有别于北方采暖地区的特殊性，分析提炼了两地区建筑节能模式。在此基础上，针对当前夏热冬冷地区建筑节能存在的误区与问题，提出了开展适用本地区建筑节能的能耗模式、设计方法与应用体系等研究的思考。从而为本地区建筑节能突破现有技术瓶颈，走出技术误区并顺利推进提供了研究方向。

李金[20]利用数值计算的方法，使用编制matlab程序，计算了基准墙体、自保温、外保温、内保温在夏季单次间歇式用能在三种工作环境下空调的耗冷量，证实自保温和内保温具有更好的节能效果，且内保温更好，而外保温墙体基本没有节能效果。通过分析能耗流向，推论出分户间歇式用能墙体蓄热对能耗有巨大影响的结论，也解释了外保温在南北方收效差异大的原因。

吴敏莉[21]发现部分时间用能特性是外墙外保温技术在夏热冬冷地区出现“反节能”特性的根本原因；夏季制冷和冬季制热在部分时间用能特性下均有可能出现“反节能”特性。对于部分空间用能，外墙外保温技术忽略了内墙等内围护构件的能量耗散，不能最大程度上降低能量通过墙体等围护结构的耗散。因此，部分空间用能将降低外墙外保温技术的建筑节能效果。在夏热冬冷地区部分空间用能时，住宅建筑内墙的保温重要性反而高于外墙。

周斌等[22]基于夏热冬冷地区间歇用能的特点，针对典型居室建立了三维动态传热模型，采用Fluent软件数值分析了几种常用墙体结构(自保温墙体、无保温墙体、内保温墙体和外保温墙体)对空调夏季制冷能耗和冬季制热能耗的影响。在夏季夜间制冷时，墙体温度既高于室内温度又高于环境温度，外保温墙体结构阻碍了墙体向外界散热，存在“反节能”现象；在冬季夜间制热时，内保温墙体结构能形成较高的内壁面温度，具有较为明显的节能降耗效果。

阮方等[23]采用问卷调查与试验相结合的方式研究了人的行为模式对墙体内外保温的影响，发现连续用能方式下，外墙外保温的全年采暖及制冷效果均好于内保温；而夏热冬冷地区居住建筑具有间歇用能的特点，空调的开启行为受人体热感受影响，因此外墙内保温的全年采暖及制冷效果均好于外保温。

3.3墙体自保温和内保温的意识增强

随着建筑节能的推进，传统墙体材料(黏土砖、各种机制实心砖、混凝土墙体等)的应用比例逐渐减小，作为建筑节能墙体之一的自保温墙体(加气混凝土砌块、细石空心混凝土砌块或复合墙体)逐渐增多。人们对探讨墙体系统本身热工性能的研究也逐渐增多。

LINDBERG等[24]通过对6个建筑结构相同但采用不同外墙材料的建筑物进行五年的连续测试，论证墙体材料热容性的重要影响，指出采用合适的墙体材料是降低空调能耗的有效手段。

王庆轩等[25]对陶粒泡沫混凝土砌块、加气混凝土砌块、黏土砖以及细石空心混凝土砌块（填充聚苯板/未填充聚苯板）5种砌体材料进行研究，并建立了多材料围护结构模型，采用热流计法同步测试了各墙体的传热系数。结果表明，190mm厚陶粒泡沫混凝土砌块和加气混凝土砌块墙体以及290mm厚填充聚苯板的细石空心混凝土砌块墙体的传热系数均小于1.0W/(m2?K)；虽然陶粒泡沫混凝土砌块的传热系数与填充聚苯板的细石空心混凝土砌块基本相同，但前者块体容重却远比后者低，可有效减少施工的人力和机械成本。

何莉莎等[26]针对墙体的内外表面同时设置无机保温砂浆的内外联合保温的构造系统，研究了其厚度配比问题。指出在夏热冬冷地区间歇式、分室用能模式下，内保温层的厚度应选取在10~20mm的范围内。

高汉民等[27]提出了复合墙体不仅应满足节能、隔热设计要求，还应满足防潮设计要求，其内侧渗透阻不应小于冷凝计算界面内侧的蒸汽渗透阻。当不能改变已设定墙体结构及其各项参数时，则可在保温层内侧设隔汽层，但当围护结构中保温层含水量大或冷凝水滞留量大时，则不宜设防潮层，应在保温层外侧设排汽槽道，以满足防潮要求。

4.结论

由于计算机技术的快速发展，目前研究者大多采用一种或几种计算软件进行建筑节能方面的研究。

对于夏热冬冷地区，由于其与北方地区的气候特点、用能方式均不相同，因此在进行建筑节能设计中照搬北方采暖地区的现有技术体系出现了很大的弊端，实际节能率大大低于设计节能率，造成了极大的资源浪费。因此夏热冬冷地区应根据本身的夏季酷热、冬季湿冷的气候特点与间歇、分室的用能方式研究与之相适应的节能体系。

从目前的研究进展看来，墙体内保温、自保温的节能方式，适合本地区的具体情况。研究表明，外保温墙体并不适用于夏热冬冷地区的节能设计，往往会出现“反节能”特性，尤其是对夏季冷负荷，该特性表现更加明显；而自保温和内保温墙体却具有较好的节能性能。因此，结合夏热冬冷地区潮湿的特点，研发并推广具有质轻、强度可靠、保温性能好、隔热、防潮的新型保温墙体材料，优化内保温与自保温系统的节能设计方案，将是当前及未来夏热冬冷地区建筑围护结构节能的研究重点。

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基金项目：南京工业大学浦江学院校级重点课题（njpj2015-1-05）

作者简介：付萍（1989），河北沧州人，2015年毕业于浙江大学，硕士研究生，主要研究方向为强化传热，建筑节能。