不同气候地区外墙保温技术对空调负荷的影响

1、不同气候地区外墙保温技术对空调负荷的影响 朱光俊 重庆工业高等专科学校 张晓亮 清华大学建筑技术科学系摘 要 在不同气候条件下，采用建筑热环境模拟工具DeST对同一住宅建筑进行模拟计算，分析了不同气候地区外墙保温形式及保温层厚度对空调负荷的影响，并进一步讨论了空调运行模式及自然通风模式的影响，可为不同气候地区的住宅建筑外墙隔热保温设计提供依据。关键词 外墙 保温 空调负荷 不同气候地区1 前言外围护结构有无隔热保温措施，以及隔热保温层在内侧和外侧对建筑热过程影响很大，它直接影响建筑能耗的大小和室内热环境条件。就建筑热过程而言，夏季白天外围护结构受到太阳辐射被加热升温，向室内传递热量，夜间围护结

2、构散热，即存在建筑围护结构内、外表面日夜交替变化方向传热，以及在自然通风条件下对围护结构双向温度波作用；冬季基本上是以通过外围护结构向室外传递热量为主的热过程1。因此，不同气候地区进行建筑围护结构设计时所考虑的角度不同：夏热冬暖地区（比如广州），主要考虑夏季隔热；夏热冬冷地区（比如上海），既要保证夏季隔热，又要兼顾冬季保温；寒冷地区（比如北京），既要保证冬季保温，又要兼顾夏季隔热。夏季隔热是使室外热量尽量少传入室内，而且希望室内热量在夜间室外温度下降后能很快地散发出去；冬季保温是使室内热量尽量少传向室外。因此，如何处理好夏季隔热和冬季保温的关系，是改善室内热环境和节能的重要环节。恰当地选择围护

3、结构构造形式，来满足外围护结构节能要求和合理、经济的隔热效果，一直是人们所关注的问题。本文仅研究外墙外隔热保温和内隔热保温对不同气候地区空调负荷的影响。2 建筑模型以某花园为模拟对象，该花园共19层，一层为商场，2层以上为住宅，顶部跃层，有一层地下室；一层商场层高4.8m，住宅层高2.8 m，总高度 57.4m；总面积24095m2，其中住宅约15000 m2，底层商场约4000 m2，地下室约4000 m2。其建筑围护结构参数如表1。表1 建筑围护结构参数围护结构名称围护结构类型传热系数（W/ m2.K）外窗双层中空铝合金玻璃窗3.7 外墙基墙为200mm钢筋砼, 采用40mmZL胶粉聚苯颗

4、粒保温0.918屋面不上人防水平屋面，倒置式外保温，XPS20找坡层：砂加气，平均厚度：80 mm0.78分户墙伊通砂加气砌块2.00户门保温型防火防盗门：聚氨酯泡沫30硅酸铝纤维103.00楼板现浇混凝土120木地板2.00架空楼板（不通风）现浇混凝土120硬质矿棉板302.003 模拟计算由于该建筑的住宅层结构及功能相同，为了简化计算，用标准层来代替中间住宅层。所以，建筑模型可简化为7层，即地下层、商场层、第一层住宅层、第二四层标准住宅层、第五层住宅层、顶部跃层。标准住宅层的平面图如图1。图1 标准住宅层的平面图本文采用建筑热环境模拟工具DeST进行计算，其模拟计算条件为：（1）内部热扰

5、： 室内照明，2.35W/m2；室内人员、设备等，4.3 W/m2。（2）空调控制温度： 1826 湿度： 3070%（3）容忍温度（开启空调温度）：1629（4）通风模式：模式1 换气次数：110次/h（可变通风）模式2 换气次数：15次/h（可变通风）（5）空调开启模式：模式1 周一周五8：00至12：00、14：00至18：00不空调，其余时间全空调模式2 全开（6）厨房、卫生间和楼梯间均不空调。该建筑空调总面积 4148.78m2。其中，容忍温度是指需要启动空调时房间的温度，空调控制温度是指开启空调后房间的控制温度；可变通风指当夏季外温较低时，通过增加通风量而非开启空调来达到降温目的，

6、这反映了居民根据外温情况，通过开关窗自主调节自然通风量的行为。4 计算结果及分析4.1保温层厚度对空调冷负荷的影响本文选择了上海、北京和广州三地进行模拟计算，不同保温方式及保温层厚度对空调冷负荷的影响如图2、3、4。图2 不同保温方式及保温层厚度对空调冷负荷的影响（上海）（注：空调模式1、通风模式1）图3 不同保温方式及保温层厚度对空调冷负荷的影响（北京）（注：空调模式1、通风模式1）图4 不同保温方式及保温层厚度对空调冷负荷的影响（广州）（注：空调模式1、通风模式1）从图可以看出：上海、北京和广州三地的外保温方式均较内保温方式的空调冷负荷小，且以上海的影响最大。随着保温层厚度的增加，上海、北

7、京的空调冷负荷有增大趋势。当保温层厚度从10mm增加到80mm时，上海的外保温空调冷负荷增加2，北京增加0.79 kW.h/m2。而广州，随着保温层厚度的增加，空调冷负荷开始有所降低，而后又有所增加。当保温层厚度从10mm增加到40mm时，其空调冷负荷降低0.59 kW.h/m2；当保温层厚度从40mm增加到80mm时，其空调冷负荷增加0.08 kW.h/m2。从建筑热过程来分析，当蓄热系数大的材料层（或者说较重的材料层）设置在室内侧时，围护结构内表面对室外空气温度波和室内空气温度波的传热衰减倍数和吸热衰减倍数均较大，即室内温度受外扰波动影响较小，热稳定性好。所以，外隔热保温对减轻室内负荷及抵

8、抗室外强烈的温度波衰减更有利。俞力航等的研究结果表明2，采用外隔热构造形式的内表面最高温度imax低于内隔热构造形式的内表面温度，进入室内的热流也相应小些。两种构造方式的热阻R0和热惰性指标D值相等，但对室内外空气温度波的衰减、延迟是不同的，外隔热构造方式受室外综合温度波动的影响要小，房间热稳定性也比内隔热构造方式好。外隔热材料层的热阻作用对室外综合温度波首先进行衰减，使其后产生在重质材料层上内部温度分布低于内隔热方式的温度分布，加上外表面在升温过程中的吸收升温隔热机理，外隔热方式的围护结构所传递的热量始终低于内隔热方式的围护结构，形成夜间向室内散热比内隔热方式要小，有利于降低空调冷负荷。当保

9、温层加厚时，这种作用越强，降低冷负荷越多。但这种热阻作用还与室内外温度变化有关。不同地区夏季室内外温度比较如表2。表2 不同地区夏季（6.1-8.31）室内外温度比较地区室外平均温度（）室内平均温度（）北京25.1028.11上海25.8728.15广州28.2428.17当室外温度高于室内温度时（比如广州），随着保温层的加厚，外温作用减弱，空调冷负荷有所降低；保温层厚度增加到一定程度时，冷负荷降低幅度减小；如果再加厚，外墙的蓄热作用增强，冷负荷反而有所增加。但当室外温度低于室内温度时（比如上海、北京），可利用夜间开窗通风来降低空调冷负荷，随着保温层的加厚，夜间室内向室外散热作用减弱，所以其空

10、调冷负荷不是降低，而是有所增加。4.2 不同地区，不同保温方式对空调负荷的影响上海、北京和广州三地不同保温方式的空调最大负荷如表3、累计负荷如表4。表3 不同保温方式的空调最大负荷地区负荷（W/m2）空调模式1、通风模式1，保温层厚度40mm内保温外保温变化率上海最大热负荷121.2799.68-17.8%最大冷负荷221.05187.81-15.0%北京最大热负荷151.13143.82-4.8%最大冷负荷182.70179.27-1.9%广州最大热负荷最大冷负荷187.08184.01-1.6%表4 不同保温方式的空调累计负荷地区负荷（kW.h/m2）空调模式1、通风模式1，保温层厚度40

11、mm内保温外保温变化率上海累计热负荷23.9119.66-17.8%累计冷负荷50.2142.58-15.2%北京累计热负荷55.9755.34-1.1%累计冷负荷32.0731.32-2.3%广州累计热负荷累计冷负荷96.5295.43-1.1%从表中数据可知：外隔热保温较内隔热保温的最大热负荷、最大冷负荷和累计热负荷、累计冷负荷都低。上海地区外隔热保温较内隔热保温的累计热负荷低17.8%、北京低1.1%，广州不考虑；而累计冷负荷，上海地区外隔热保温较内隔热保温低15.2%、北京低2.3%、广州低1.1%。冬季外围护结构的热阻决定着各内表面温度和室内所需热量。这是因为在冬季室内的温度一般比室

12、外温度要高，在连续采暖的建筑内，传热接近于稳定状态。夏季，虽然室内外温差的方向并不总是一致的，而在夜间可能由室内向室外方向传热，但是，在有空调设备的建筑中，外围护结构热阻的作用仍与冬季类似。不过，由于夏季室内外温差与室外空气温度的日波动值相比，两者不相上下，所以，在决定室内热环境方面，围护结构热阻的相对重要性减小了，而蓄热量的相对重要性要比冬季为大。从建筑热过程来看，外墙外隔热保温较内隔热保温的热稳定性好，夏季内表面温度低，空调时的室内得热少，冷负荷降低；冬季墙体蓄热能力大，能蓄存更多的热量，室内热扰得到较好利用，可降低热负荷。处于夏热冬冷地区的上海，外墙外隔热保温较内隔热保温的优势更为突出，

13、这是由于外隔热保温较内隔热保温能充分利用夏季夜间蓄冷和冬季蓄热所致。4.3 在不同通风模式下，内外保温对空调负荷的影响在空调模式1下，采用不同通风模式对上海地区建筑进行模拟计算，计算结果如表5。表5 不同通风模式的空调负荷负荷通风模式1通风模式2内保温外保温变化率内保温外保温变化率最大热负荷（W/m2）121.2799.68-17.8%104.1999.68-4.3%最大冷负荷（W/m2）221.05187.81-15.0%194.69191.76-1.5%累计热负荷（kW.h/m2）23.9119.66-17.8%20.5319.66-4.2%累计冷负荷（kW.h/m2）50.2142.58

14、-15.2%48.8048.16-1.3%从表中数据可知，不同通风模式对外墙内外保温的影响规律相同，即在空调模式1下，外隔热保温对降低空调负荷有利。随着通风量的增大，外隔热保温较内隔热保温的优势更为明显。4.4 在不同空调模式下，内外保温对空调负荷的影响 在通风模式1下，采用不同空调模式对上海地区建筑进行模拟计算，计算结果如表6。表6 不同空调模式的空调负荷负荷空调模式1空调模式2内保温外保温变化率内保温外保温变化率最大热负荷（W/m2）121.2799.68-17.8%114.19100.08-12.4%最大冷负荷（W/m2）221.05187.81-15.0%114.99114.46-0.

15、5%累计热负荷（kW.h/m2）23.9119.66-17.8%20.7119.84-4.2%累计冷负荷（kW.h/m2）50.2142.58-15.2%44.6244.02-1.3%从表中结果来看，不同空调模式对外墙内外保温的影响规律相同，即外隔热保温均较内隔热保温的负荷小，间歇空调较连续空调的差异更大。5 结论从以上研究可得如下结论：（1） 不同气候地区的外墙外隔热保温较内隔热保温对降低空调负荷均有利。增大隔热保温层厚度对降低空调热负荷有利，对降低空调冷负荷不利，有增大趋势。（2） 随着自然通风量的增大，外隔热保温较内隔热保温对降低空调负荷的效果更显著。（3） 间歇空调时，外隔热保温较内隔热保温对降低空调负荷的优势更为突出。有鉴于此，不同气候地区应采取不同的隔热