1 前言
在節(jié)能住宅的設(shè)計(jì)中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫狀況是影響住宅冬、夏季能耗指標(biāo)的重要因素。我國(guó)現(xiàn)行的《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（采暖居住建筑部分）》從降低冬季采暖能耗的角度，詳細(xì)規(guī)定了北方各采暖地區(qū)住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件傳熱系數(shù)的上限值[1]，但這些限值主要是根據(jù)冬季的室外氣象參數(shù)確定的，并沒有考慮當(dāng)?shù)叵募臼彝鈿庀髼l件的變化特點(diǎn)。而對(duì)于某些采暖地區(qū)（如北京），其室外氣象條件的特點(diǎn)是冬季寒冷和夏季炎熱。此外，作為影響住宅熱狀況的另一個(gè)重要外擾，太陽輻射對(duì)各個(gè)朝向的作用又是有所差別的。因此，為了以最少的投入獲得的保溫效果，應(yīng)同時(shí)考慮室外氣象條件變化的動(dòng)態(tài)性和方向性對(duì)住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的不同要求，合理地確定住宅外墻及屋面的保溫性能。
住宅節(jié)能的主要目的是在滿足人體熱舒適的基礎(chǔ)上，盡可能地降低機(jī)械系統(tǒng)的使用能耗。因此，本文以北京地區(qū)實(shí)際的住宅建筑作為研究對(duì)象，采用建筑熱環(huán)境模擬分析軟件DeST，分析住宅建筑外墻和屋面保溫性能的變化對(duì)房間冬季耗熱量指標(biāo)和夏季（6、7、8月）耗冷量指標(biāo)的影響，并初步確定同時(shí)滿足冬、夏季住宅節(jié)能要求的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能。
2 研究方法及工具采用計(jì)算模擬分析的方法。
相比于實(shí)驗(yàn)研究，這種方法可以方便有效地研究不同住宅建筑方案在各種內(nèi)擾和外擾作用下的室內(nèi)熱狀況特性（室溫和負(fù)荷）。
模擬分析的工具是清華大學(xué)空調(diào)教研組經(jīng)過20年時(shí)間研究開發(fā)的DeST軟件。該軟件對(duì)建筑熱過程模擬的可靠性已通過傅里葉變換方法，在不同建筑物結(jié)構(gòu)和不同室內(nèi)外熱擾狀況下得到了驗(yàn)證。因此，在建筑描述、室外氣象條件、室內(nèi)熱擾量及室溫設(shè)定值定的情況下，可通過DeST模擬分析。住宅耗熱量指標(biāo)和耗冷量指標(biāo)的全年逐時(shí)變化情況。
3 研究對(duì)象
3.1 建筑形式研究對(duì)象為普通的5層居民住宅樓，其標(biāo)準(zhǔn)層的平面布局見圖1所示。
為了簡(jiǎn)化問題，選取取底層、中間層（3層）和頂層的中間段及東、西端頭的南、北向房間，分析它們的耗熱量和耗冷量指標(biāo)的變化。這些房間的功能均為臥室，房間的朝向分別為南向、北向、東南向、東北向、西南向和西北向。
3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的選擇應(yīng)保證它們的傳熱系數(shù)不超過新節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的相應(yīng)限值。各部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的具體構(gòu)造及其傳熱系數(shù)見表1所列。
樓板樓地外門外窗加氣砼300mm.砼隔墻140mm，內(nèi)、外各抹20mm的石灰砂漿加氣砼保溫屋面，防水珍珠巖保溫100mm，鋼肋砼150mm，內(nèi)、外抹灰分別 為15mm和20mm鋼肋砼150mm，上下抹灰均勻?yàn)?0 mm.砼保溫樓地，碎石40mm，聚苯保溫150mm，內(nèi)抹灰20mm.單層陽臺(tái)木制外門單層塑鋼外窗，尺寸120mm×1500mm，5mm平板玻璃。
3.3 室內(nèi)熱擾量住宅臥式內(nèi)熱源（照明燈具、家用電器及人體）的平均散熱狀況見表2所列。這是通過對(duì)100戶住宅內(nèi)熱源散熱狀況的調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)整理得出。
3.4 室外氣象的條件全年逐時(shí)的外溫和太陽輻射值可通過氣象數(shù)據(jù)隨機(jī)生成軟件Medpha得出，它們能夠代表北京地區(qū)室外氣象條件歷年變化的平均狀況。另一方面，為了更真實(shí)地反映住宅熱過程的實(shí)際變化，在模擬計(jì)算中還考慮了南向陽臺(tái)底板對(duì)太陽直射遮擋所導(dǎo)致的南外墻和南外窗所實(shí)際接受太陽輻射的變化，以及冬季由于門窗縫隙的滲透所導(dǎo)致室內(nèi)外0.5次的通風(fēng)換氣和夏季的夜間通風(fēng)。
3.5 室溫的設(shè)定值冬季的室溫設(shè)定值為16℃，夏季為28℃。
4 冬季耗熱量分析
冬季室外氣象條件的特點(diǎn)是外溫總是低于室溫，從而使得室內(nèi)熱量向室外散失，而太陽輻射對(duì)降低房間冬季耗熱量又總是有利的因素。因此，失熱與得熱這兩者對(duì)住宅冬季能耗的影響是相反的。
不同朝向房間的耗熱量指標(biāo)相差較大。其中南向房間的耗熱量指標(biāo)最低，并已達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的要求，北向房間稍偏高，而東北、西北、東南及西南房間則明顯增加。這是由于南向房間所接受的太陽輻射熱較大而外墻面積又較??；而對(duì)于東北、西北、東南及西南向房間，外墻表面積的加大同時(shí)，導(dǎo)致了房間所接受太陽輻射熱和室內(nèi)向室外散熱的增加，而太陽輻射熱增加的幅度要小于室內(nèi)室外散熱的增加幅度，因此，房間的冬季耗熱量指標(biāo)增加。而不同樓層房間相比較，底層、中間層和頂層對(duì)應(yīng)房間的耗熱量指標(biāo)則相差較小，這說明通過屋面向室外散失的熱量與所接受的太陽輻射熱基本相等。因此，住宅房間冬季耗熱量指標(biāo)的大小主要與房間外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的朝向及其面積大小有關(guān)。
為了進(jìn)一步分析住宅外圍護(hù)士結(jié)構(gòu)不同朝向及不同面積大小的保溫效果，出各個(gè)朝向外墻及屋面單獨(dú)保溫（30mm厚的聚苯板）后，對(duì)應(yīng)于各自的基本狀況，頂層各房間耗熱量指標(biāo)的相對(duì)變化幅度。其中正號(hào)表示耗熱量指標(biāo)減少，負(fù)號(hào)表示耗熱量指標(biāo)增加。
各個(gè)房間相比較，南向房間耗熱量指標(biāo)降低的幅度均比對(duì)應(yīng)的北向房間低。因此，南向外墻單獨(dú)保溫的效果不如北外墻的好。而同一房間的不同外墻相比較，東、西向及北向外墻單獨(dú)保溫后房間耗熱量指標(biāo)降低的幅度基本相符，這說明這三個(gè)朝向外墻單獨(dú)保溫的效果基本一致。并且這些雙朝向房間的所有外墻保溫后，其耗熱量指標(biāo)降低的幅度接近30%，要好于北外墻的單獨(dú)保溫效果。而對(duì)于屋面保溫，頂層房間的耗熱量指標(biāo)反而增加。外墻保溫效果與房間耗熱量指標(biāo)的變化趨勢(shì)相同，即房間的耗熱量指標(biāo)越大，外墻保溫后的效果越明顯。而對(duì)于屋面，由于太陽輻射對(duì)室內(nèi)熱狀況的影響較大，增加其保溫性能反而會(huì)增加房間的耗熱量。因此，住宅建筑屋面的保溫性能存在一個(gè)臨界值。
根據(jù)上述的分析，住宅建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的確定，也應(yīng)根據(jù)其朝向及面積小大采用不均勻分布的原則。對(duì)于本文的研究對(duì)象。由于東、西向及北向外墻的保溫效果基本一致而且比南向外墻及屋面的保溫效果好；另一方面，東北、西北、東南及西南向房間的耗熱量指標(biāo)要高于北向房間的耗熱量指標(biāo)，而南向房間的則已滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此，除北墻外，應(yīng)著重加強(qiáng)東、西外墻的保溫，而對(duì)南墻和屋面不采取保溫措施。列出了均勻和不均勻保溫方案的保溫狀況及保溫材料的總消耗量。表4列出了在兩種不同的保溫方案下，頂層各房間的耗熱量指標(biāo)以及各房間對(duì)應(yīng)于南向房間的相對(duì)耗熱量指標(biāo)。
在節(jié)能住宅的設(shè)計(jì)中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫狀況是影響住宅冬、夏季能耗指標(biāo)的重要因素。我國(guó)現(xiàn)行的《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（采暖居住建筑部分）》從降低冬季采暖能耗的角度，詳細(xì)規(guī)定了北方各采暖地區(qū)住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件傳熱系數(shù)的上限值[1]，但這些限值主要是根據(jù)冬季的室外氣象參數(shù)確定的，并沒有考慮當(dāng)?shù)叵募臼彝鈿庀髼l件的變化特點(diǎn)。而對(duì)于某些采暖地區(qū)（如北京），其室外氣象條件的特點(diǎn)是冬季寒冷和夏季炎熱。此外，作為影響住宅熱狀況的另一個(gè)重要外擾，太陽輻射對(duì)各個(gè)朝向的作用又是有所差別的。因此，為了以最少的投入獲得的保溫效果，應(yīng)同時(shí)考慮室外氣象條件變化的動(dòng)態(tài)性和方向性對(duì)住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的不同要求，合理地確定住宅外墻及屋面的保溫性能。
住宅節(jié)能的主要目的是在滿足人體熱舒適的基礎(chǔ)上，盡可能地降低機(jī)械系統(tǒng)的使用能耗。因此，本文以北京地區(qū)實(shí)際的住宅建筑作為研究對(duì)象，采用建筑熱環(huán)境模擬分析軟件DeST，分析住宅建筑外墻和屋面保溫性能的變化對(duì)房間冬季耗熱量指標(biāo)和夏季（6、7、8月）耗冷量指標(biāo)的影響，并初步確定同時(shí)滿足冬、夏季住宅節(jié)能要求的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能。
2 研究方法及工具采用計(jì)算模擬分析的方法。
相比于實(shí)驗(yàn)研究，這種方法可以方便有效地研究不同住宅建筑方案在各種內(nèi)擾和外擾作用下的室內(nèi)熱狀況特性（室溫和負(fù)荷）。
模擬分析的工具是清華大學(xué)空調(diào)教研組經(jīng)過20年時(shí)間研究開發(fā)的DeST軟件。該軟件對(duì)建筑熱過程模擬的可靠性已通過傅里葉變換方法，在不同建筑物結(jié)構(gòu)和不同室內(nèi)外熱擾狀況下得到了驗(yàn)證。因此，在建筑描述、室外氣象條件、室內(nèi)熱擾量及室溫設(shè)定值定的情況下，可通過DeST模擬分析。住宅耗熱量指標(biāo)和耗冷量指標(biāo)的全年逐時(shí)變化情況。
3 研究對(duì)象
3.1 建筑形式研究對(duì)象為普通的5層居民住宅樓，其標(biāo)準(zhǔn)層的平面布局見圖1所示。
為了簡(jiǎn)化問題，選取取底層、中間層（3層）和頂層的中間段及東、西端頭的南、北向房間，分析它們的耗熱量和耗冷量指標(biāo)的變化。這些房間的功能均為臥室，房間的朝向分別為南向、北向、東南向、東北向、西南向和西北向。
3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的選擇應(yīng)保證它們的傳熱系數(shù)不超過新節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的相應(yīng)限值。各部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的具體構(gòu)造及其傳熱系數(shù)見表1所列。
樓板樓地外門外窗加氣砼300mm.砼隔墻140mm，內(nèi)、外各抹20mm的石灰砂漿加氣砼保溫屋面，防水珍珠巖保溫100mm，鋼肋砼150mm，內(nèi)、外抹灰分別 為15mm和20mm鋼肋砼150mm，上下抹灰均勻?yàn)?0 mm.砼保溫樓地，碎石40mm，聚苯保溫150mm，內(nèi)抹灰20mm.單層陽臺(tái)木制外門單層塑鋼外窗，尺寸120mm×1500mm，5mm平板玻璃。
3.3 室內(nèi)熱擾量住宅臥式內(nèi)熱源（照明燈具、家用電器及人體）的平均散熱狀況見表2所列。這是通過對(duì)100戶住宅內(nèi)熱源散熱狀況的調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)整理得出。
3.4 室外氣象的條件全年逐時(shí)的外溫和太陽輻射值可通過氣象數(shù)據(jù)隨機(jī)生成軟件Medpha得出，它們能夠代表北京地區(qū)室外氣象條件歷年變化的平均狀況。另一方面，為了更真實(shí)地反映住宅熱過程的實(shí)際變化，在模擬計(jì)算中還考慮了南向陽臺(tái)底板對(duì)太陽直射遮擋所導(dǎo)致的南外墻和南外窗所實(shí)際接受太陽輻射的變化，以及冬季由于門窗縫隙的滲透所導(dǎo)致室內(nèi)外0.5次的通風(fēng)換氣和夏季的夜間通風(fēng)。
3.5 室溫的設(shè)定值冬季的室溫設(shè)定值為16℃，夏季為28℃。
4 冬季耗熱量分析
冬季室外氣象條件的特點(diǎn)是外溫總是低于室溫，從而使得室內(nèi)熱量向室外散失，而太陽輻射對(duì)降低房間冬季耗熱量又總是有利的因素。因此，失熱與得熱這兩者對(duì)住宅冬季能耗的影響是相反的。
不同朝向房間的耗熱量指標(biāo)相差較大。其中南向房間的耗熱量指標(biāo)最低，并已達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的要求，北向房間稍偏高，而東北、西北、東南及西南房間則明顯增加。這是由于南向房間所接受的太陽輻射熱較大而外墻面積又較??；而對(duì)于東北、西北、東南及西南向房間，外墻表面積的加大同時(shí)，導(dǎo)致了房間所接受太陽輻射熱和室內(nèi)向室外散熱的增加，而太陽輻射熱增加的幅度要小于室內(nèi)室外散熱的增加幅度，因此，房間的冬季耗熱量指標(biāo)增加。而不同樓層房間相比較，底層、中間層和頂層對(duì)應(yīng)房間的耗熱量指標(biāo)則相差較小，這說明通過屋面向室外散失的熱量與所接受的太陽輻射熱基本相等。因此，住宅房間冬季耗熱量指標(biāo)的大小主要與房間外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的朝向及其面積大小有關(guān)。
為了進(jìn)一步分析住宅外圍護(hù)士結(jié)構(gòu)不同朝向及不同面積大小的保溫效果，出各個(gè)朝向外墻及屋面單獨(dú)保溫（30mm厚的聚苯板）后，對(duì)應(yīng)于各自的基本狀況，頂層各房間耗熱量指標(biāo)的相對(duì)變化幅度。其中正號(hào)表示耗熱量指標(biāo)減少，負(fù)號(hào)表示耗熱量指標(biāo)增加。
各個(gè)房間相比較，南向房間耗熱量指標(biāo)降低的幅度均比對(duì)應(yīng)的北向房間低。因此，南向外墻單獨(dú)保溫的效果不如北外墻的好。而同一房間的不同外墻相比較，東、西向及北向外墻單獨(dú)保溫后房間耗熱量指標(biāo)降低的幅度基本相符，這說明這三個(gè)朝向外墻單獨(dú)保溫的效果基本一致。并且這些雙朝向房間的所有外墻保溫后，其耗熱量指標(biāo)降低的幅度接近30%，要好于北外墻的單獨(dú)保溫效果。而對(duì)于屋面保溫，頂層房間的耗熱量指標(biāo)反而增加。外墻保溫效果與房間耗熱量指標(biāo)的變化趨勢(shì)相同，即房間的耗熱量指標(biāo)越大，外墻保溫后的效果越明顯。而對(duì)于屋面，由于太陽輻射對(duì)室內(nèi)熱狀況的影響較大，增加其保溫性能反而會(huì)增加房間的耗熱量。因此，住宅建筑屋面的保溫性能存在一個(gè)臨界值。
根據(jù)上述的分析，住宅建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的確定，也應(yīng)根據(jù)其朝向及面積小大采用不均勻分布的原則。對(duì)于本文的研究對(duì)象。由于東、西向及北向外墻的保溫效果基本一致而且比南向外墻及屋面的保溫效果好；另一方面，東北、西北、東南及西南向房間的耗熱量指標(biāo)要高于北向房間的耗熱量指標(biāo)，而南向房間的則已滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此，除北墻外，應(yīng)著重加強(qiáng)東、西外墻的保溫，而對(duì)南墻和屋面不采取保溫措施。列出了均勻和不均勻保溫方案的保溫狀況及保溫材料的總消耗量。表4列出了在兩種不同的保溫方案下，頂層各房間的耗熱量指標(biāo)以及各房間對(duì)應(yīng)于南向房間的相對(duì)耗熱量指標(biāo)。