既有建筑各组成类型围护结构热工性能分类诊断的方法

杨昌智 刘浩为 雷小慧

摘要：基于等效传热系数法与正交试验法，针对既有建筑各组成类型围护结构的热工性能提出了一种分类诊断方法.该诊断方法首先将各类型围护结构的传热系数综合成一个等效指标———综合等效传热系数.只需要测量既有建筑室内外温度序列与各类型围护结构的几何尺寸，便可以计算出综合等效传热系数，再通过正交试验法与回归分析法求出各类型围护结构的等效传热系数.将各类型围护结构的等效传热系数与节能设计标准中传热系数的限值进行比较，便可以诊断其热工性能.为了验证方法的可行性，以位于长沙市的一栋实验小房为例进行计算，得到了外墙、外窗、屋顶与外门的等效传热系数分别为1.62 W/（m2·K）、2.84 W/（m2·K）、1.25 W/（m2·K）、3.14 W/（m2·K）.对比等效传热系数与实际传热系数，两者数值吻合较好，证明了该方法在工程应用上具有可行性.

关键词：围护结构；热工性能；快捷检测诊断；等效传热系数；正交试验

中图分类号：TU111.19文献标志码：A

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51578221），National Natural Science Foundation of China（51578221）；湖南省既有建筑能耗诊断方法与技术规程编制项目（KY2016068）

A Method for Evaluating Thermal Performance of Various Envelopes in Existing Buildings

YANG Changzhi，LIU Haowei，LEI Xiaohui

（College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

Abstract：Based on the equivalent heat transfer coefficient method and orthogonal experiments，a method for e-valuating the thermal performance of various envelopes in existing buildings is proposed. The heat transfer coefficients of the external wall，external window，roof，and external door are integrated into an index（comprehensive equivalent heat transfer coefficient）. It is only necessary to measure indoor and outdoor temperature sequences of the existing buildings and geometrical dimensions of envelopes. The comprehensive equivalent heat transfer coefficient can be calculated，and the equivalent heat transfer coefficient of various envelopes can be obtained by orthogonal experi-ments and regression analysis. By comparing the equivalent heat transfer coefficients of various envelopes with heat transfer coefficient limits in standards，the thermal performance can be evaluated. To verify the feasibility of the method，a small experimental building located in Changsha is taken as an example. The equivalent heat transfer coef-ficients of the external wall，external window，roof and external door are1.62 W/（m2·K），2.84 W/（m2·K），1.25 W/（m2·K）and 3.14 W/（m2·K），respectively. Comparing equivalent heat transfer coefficients with actual heat transfer coeffi-cients，the values are in good agreement，which proves that the method is feasible in engineering applications.

Key words：envelope structure；thermal performance；fast detection and diagnosis；equivalent heat transfer coef-ficients；orthogonal experiments

據统计我国供热、通风、空调的能耗已经达到了建筑总能耗的65%左右[1-3]，而其中的约30%到50%被围护结构传热所消耗[4]，可见围护结构热工性能的好坏对既有建筑能耗的高低有着巨大的影响.预计到2020年底我国高能耗建筑面积将达到700亿平方米，建筑能耗占比全国总能耗将高达35%[5]，所以对既有建筑的围护结构进行节能改造具有重大意义.要进行节能改造，首先必须能够对既有建筑围护结构的综合热工性能做出诊断，以快速地判断其是否具有改造价值.如需改造，为了得到最优的改造方案，需要对各类型围护结构的热工性能做出诊断.已有的对于围护结构热工性能进行诊断的方法需要知道详细的热工参数或进行现场热流测试[6-7]，但由于建筑资料丢失和现场测试困难，往往无法达到目的.本文基于等效传热系数法[8]和正交试验法[9]，提出了一种简便的既有建筑各组成类型围护结构热工性能分类诊断的方法.只需要现场测试既有建筑室内外温度序列与围护结构的几何尺寸，经过相应的数学处理即可得到各组成类型围护结构的传热系数.将其与节能标准中传热系数的限值进行比较，便可对热工性能做出诊断.该方法对于判定既有建筑围护结构的热工性能有一定的意义.

1围护结构综合等效传热系数[9]

1.1建模方法

考虑到建筑围护结构的复杂性，为了简化建模过程，文献[10]提出了一种将围护结构简化成单层规则长方体模型的方法，并验证了模型准确性.依照此建模方法，建立建筑面积、室内热扰条件、室外气象参数均与既有建筑相同的单层围护结构的长方体即为等效能耗模型建筑.

1.2等效原理

改变等效能耗模型建筑的传热系数，使得模型建筑与原型既有建筑通过围护结构的传热量偏差最小，此时等耗模型建筑的传热系数被定义为等效传热系数.由于原型、模型建筑在能耗偏差和温度偏差的变化趋势上具有一致性，为了避免现场热流测试的困难，可用温度偏差代替热流偏差来说明等效性.假设原型建筑与模型建筑的传热量和围护结构表面积相同，由传热学[11]公式Q = K·F·Δt可知传热系数与室内外温差形成了唯一对应的关系.原型建筑实测的室内外温度序列tin，tout与模拟得到的模型建筑室内外温度序列tk，in，tk，out越接近，则二者的传热系数也越接近，即等效传热系数越能反映既有建筑真实的传热系数值.各温度序列可以表示为：

2.2各类型围护结构等效传热系数的计算方法

第一步：正交试验

根据需要诊断的围护结构类型，预估各类型围护结构传热系数的取值范围.选取合适的正交表，在合理的传热系数范围内对各类型传热系数选取不同水平进行正交试验.

第二步：确定回归关系式

3方法可行性的实例验证

3.1综合等效传热系数的计算

3.1.1等效建模

为了验证该方法的可行性，以位于长沙市的一个实验小房为例进行分析.实验小房建筑面积约为6.12 m2，层高2.55 m，南北朝向，南向一扇外窗，北向一扇外窗，一面外門.建筑相关参数见表1.

按照1.1节中给出的模型建立方法，根据既有建筑建立单层围护结构的等效能耗模型建筑，如图1所示.

3.1.2测试与模拟温度

利用温度自动记录仪测试24 h实验房间室内外的实际温度，利用DeST软件模拟等效能耗模型建筑在不同传热系数下的室内温度.实测温度与模拟结果见表2.

3.1.3计算结果

根据式（1）～式（3）计算室内外相关系数偏差Δρ，得出结果见表3.根据表3中数据，采用二次多项式进行拟合，拟合趋势线如图2，得到相关系数偏差与传热系数之间的函数关系式为：

Δρ= 0.125 5K2- 0.469 9K + 0.541 5，R2= 0.987

当K = 1.87时Δρ最小，即实验小房围护结构的综合等效传热系数为Kz= 1.87 W/（m2·K）.

3.2各类型围护结构等效传热系数的计算

3.2.1正交试验设计

考虑实验房的外窗、外墙、屋顶、外门四类围护结构，对每个因素取3个水平，选用正交表L9（34）进行正交试验，正交表如表4所示.

3.2.2回归模型

3.2.3对热工性能做出诊断

对（8）式求最优解，当K1= 1.62，K2= 2.84，K3= 1.25，K4= 3.14时，ΔQ取得最小值.所以外墙、外窗、屋顶、外门的等效传热系数分别为1.62 W/（m2·K）、2.84 W/（m2·K）、1.25 W/（m2·K）、3.14 W/（m2·K）.根据《湖南省公共建筑节能设计标准》[12]得到各类型围护结构传热系数的标准限值，见表7.将等效传热系数与标准限值比较可做出诊断：外窗的热工性能符合节能标准，而外墙、屋顶与外门的热工性能较差，不符合节能标准.

3.3结果验证

为了验证结果的准确性，将计算得到的实验小房各组成类型围护结构的等效传热系数与实际的传热系数进行对比.实验小房各组成类型围护结构的参数见表8，对比结果如图3所示.对比结果显示，运用本文方法计算所得的等效传热系数与实际传热系数在数值上吻合较好.这证明了结果的准确性，也表明应用此方法对既有建筑各组成类型围护结构的热工性能进行诊断具有可行性.

需要说明的是，由于本文所提出的方法没有考虑建筑蓄热差异及太阳辐射对围护结构的热作用，在诊断蓄热影响较大的围护结构热工性能时会造成不同程度的偏差.现阶段可以通过延长测试时间的方法，减小建筑蓄热性的影响，从而减小误差；在夜间或阴天进行测试时，可以减小太陽辐射的干扰.

4结论

1）本文基于等效传热系数法，阐述了等效原理并提出了一种简便的既有建筑各组成类型围护结构热工性能分类诊断的方法.该方法只需测量既有建筑室内外温度序列与围护结构几何尺寸，经相应的数学处理即可得到各组成类型结构的传热系数.

2）本文以具体的实验建筑作为算例，得到该建筑外墙、外窗、屋顶与外门的等效传热系数分别为1.62 W/（m2·K）、2.84 W/（m2·K）、1.25 W/（m2·K）、3.14 W/（m2·K）.由此做出诊断，外窗的热工性能符合节能标准，外墙、屋顶与外门的热工性能不符合节能标准.将等效传热系数与实际传热系数进行对比，两者数值吻合较好，证明将此方法应用于诊断既有建筑各组成类型围护结构的热工性能具有可行性.

3）本文提出的方法没有考虑建筑蓄热性能差异及太阳辐射对围护结构热作用的影响.可通过延长测试时间减小测量误差.我们将在后续的工作中展开进一步的理论与实验研究.

注：本文实验过程中得到了陈友明教授及其研究生郭猛的大力支持并无偿提供了试验台，在此表示衷心感谢！

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