夏热冬暖地区典型建筑外墙对建筑能耗影响研究

李梅香，刘红娟，蒋能飞，林宇

[1.深圳市建筑设计研究总院有限公司，广东 深圳 518028；2.华蓝设计（集团）有限公司 广西城市建筑热环境控制工程技术研究中心，广西 南宁530011]

0 引言

当前，随着经济的快速发展，能源消耗也随之增加，造成的碳排放量也在不断增长。而建筑行业作为工业、交通和建筑能源消耗的三大领域之一，是直接或间接造成碳排放的“巨头”。实际上，在全球能源消耗中，建筑运行能耗占比30%，建筑建造能耗占比5%[1]。聚焦到我国，根据《中国建筑节能年度发展研究报告2021》显示，我国社会总能耗中建筑运行能耗占比22%，建造能耗占比11%[2]。为此，住房和城乡建设部在2021年9月8日发布了GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》（以下简称通用规范），旨在降低建筑能耗。而通过降低由外墙进入室内的热量，从而使空调能耗减少，是一种减少建筑运行能耗的有效途径。

目前，已有关于外墙对建筑节能影响的研究。Zhang等[3]以哈尔滨、西安、上海、昆明和广州5个不同气候区的建筑为研究对象，针对建筑外墙保温层厚度与位置对商业建筑冷负荷与热负荷的影响进行了数值模拟，结果表明，保温层厚度的增加对建筑热负荷有显著影响，对建筑冷负荷影响相对较小，且在哈尔滨节能率最大，在广州节能率最小。Rosti等[4]以伊朗8个气候区的建筑为研究对象，研究4种不同墙体构造、不同朝向时建筑的最佳保温层厚度，结果表明，墙体的最佳保温层厚度为0~4 cm，节能率为12.8%~69.0%，且与其他国家文献中的数据存在显著差异。周骏等[5]以浙西地区农村建筑作为研究对象，采用有限差分法的数值模拟计算墙体内外保温系统的热损失与其对建筑能耗的影响，结果表明，外保温系统比内保温系统建筑年能耗高，外墙内保温系统更适用于浙西地区农村建筑。徐洪涛等[6]采用动态湿热耦合程序，对不同湿度条件下抹灰外墙系统和钢结构夹芯板墙体的传热情况进行研究，结果表明，若围护结构能完全阻隔湿流，则计算能耗时可单纯采用传热计算，反之则需要适当修正。从上述文献可以看出，以往研究已经获得了不同条件下外墙对建筑负荷（能耗）的影响。然而，上述研究在进行模拟仿真时，采用的建筑外墙未提及是否通过节能与隔热要求（强制性条文），且除外墙的其他设定参数均采用GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》内容。在通用规范中，除外墙外的其他设定参数均有一定程度的变化，因此外墙负荷在建筑总负荷中的占比可能会有所变化，从而引起空调能耗的变化。

针对以上情况，本研究通过分析不同窗墙比下，夏热冬暖地区典型建筑外墙构造对公共建筑与住宅建筑的建筑冷负荷与自然室温的影响，以寻求对建筑节能最有利的典型建筑外墙，从而为2022年4月1日后的新建公共、住宅建筑项目外墙选用提供参考。

1 研究方法

本研究以广西夏热冬暖地区典型外墙构造为基础，分析在不同窗墙比对夏热冬暖地区公共建筑与住宅建筑供冷季冷负荷及过渡季节自然室温的影响，以得到对节能最有利的典型建筑外墙，从而为夏热冬暖地区新建建筑外墙选取提供参考。研究技术路线如图1所示。

首先，对广西夏热冬暖地区的典型外墙构造进行整理统计。本团队在之前的研究中[7]，根据大量文献调研以及在实际项目中的工程经验，列出了一系列典型的外墙构造。并根据JGJ/T 359—2015《建筑反射隔热涂料应用技术规程》与JG/T 235—2014《建筑反射隔热涂料》对节能与隔热性能进行评价，最终得到满足节能与隔热性能的广西夏热冬暖地区典型外墙构造。

其次，建立设计建筑与参照建筑能耗计算模型，设计建筑外墙热工参数采用本团队之前研究所得，参照建筑外墙热工参数采用通用规范中的数值。而对于建筑几何信息、气象参数、其余围护结构热工参数等，设计建筑与参照建筑均一致。对于气象参数，采用夏热冬暖地区南宁市的典型气象年数据。

各参数设定后，采用清华大学自主研发的能耗模拟软件DeST，对不同窗墙比下的设计建筑与参照建筑进行能耗模拟计算，得到供冷季的建筑冷负荷与过渡季节自然室温，并进行对比分析，最终得到对建筑节能最有利的典型建筑外墙。

2 典型建筑外墙构造

在夏热冬暖地区，全年大部分时间气温较高，夏季时间较长，冬季时间极短或没有，气温年较差与日较差均较小，因此该地区的建筑外墙主要以隔热为主。本团队在之前的研究中通过文献调研[8]并结合参与实际项目经验，确定了加气混凝土砌块、页岩烧结砖和小型空心砌块这3种材料为广西夏热冬暖地区典型的外墙主要构造材料，其中不同空心砌块的构造做法如图2所示，典型外墙主体构造的热工参数如表1所示。

以上述材料为主要构造，在其内外侧加之用以隔热与装饰用的无机保温腻子、水泥砂浆、石灰水泥砂浆、无机保温砂浆及反射隔热涂料构造层，外墙具体构造做法如图3所示，反射隔热涂料与无机保温砂浆为非必要构造层，可选用。反射隔热涂料可有效减少通过围护结构传入室内的热量[9]。

结合实际项目工程经验，考虑涂料颜色明度对太阳光反射比和近红外反射比的影响[10-11]，选用反射隔热涂料的颜色为浅黄色。同时考虑到由于太阳光的直射，紫外线引起光老化等原因会加速反射隔热涂料的老化[12-13]，按照JGJ 75—2012《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》计算得到污染后的太阳辐射吸收系数为0.32，且符合JG/T 235—2014的要求。

表1 典型外墙主体构造热工参数

在水泥砂浆与反射隔热涂料2种材料之间的3 mm厚无机保温腻子，施工性能与柔韧性均较好，在无机保温腻子外层涂抹抗裂面层后再涂刷封闭底漆和建筑反射隔热涂料[14]，这使得外墙外侧具有较好的安全性能与耐久性能。外墙其他构造层热工参数如表2所示。

表2 外墙其他构造层热工参数

通过GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》附带的K-value软件，计算不同外墙构造的节能与隔热性能，最终通过节能与隔热性能要求的外墙构造如表3所示[7]。其中，考虑到实际施工难度及工程经济性，在外墙满足其节能与隔热性能要求时，不采用反射隔热涂料与无机保温砂浆构造层。

表3 通过节能与隔热性能要求的外墙构造

3 模型建立

3.1 几何模型建立

在公共建筑中，办公建筑都比其他类型建筑的占比大[15]，且具有公共建筑人员密集、室内热源强大等特点，因此将办公建筑作为公共建筑的代表。本文选取夏热冬暖地区实际项目中的某办公建筑与住宅建筑为研究对象，这2栋建筑包含了办公建筑与住宅建筑的一般性特点，具有一定的典型性。在DeST软件中建立能耗模型，如图4所示。

3.2 围护结构热工参数

对于外墙热工参数，参照建筑取值根据通用规范设定，即当热惰性指标D≤2.5时，传热系数取0.7 W/（m2·K）；当D>2.5时，传热系数取1.5 W/（m2·K）。对于设计建筑，根据前述典型外墙构造取值。对于除外墙之外其余围护结构的热工性能参数，根据通用规范与GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》中的限值要求，透光围护结构热工参数取值如表4、表5所示。屋面传热系数限值为0.4 W/（m2·K），架空或外挑楼板传热系数限值为1.5 W/（m2·K）。

表4 住宅建筑透光围护结构热工参数的设定值

3.3 室内负荷设计参数

室内负荷设计参数包括照明、设备、人员密度以及相应的时间表，人员散热量及新风量，设计温度以及相对湿度，具体数值如表6所示，对于如卫生间、厨房等非空调房间，相关参数不进行表述。时间表由于篇幅有限故不进行展示。建筑供冷期均为5月1日至10月31日[16-17]。

表5 公共建筑透光围护结构热工参数设定值

表6 室内负荷设计参数设定值

4 模拟结果分析

4.1 围护结构节能率计算方法

为了使计算结果更直观，将建筑冷负荷转换为围护结构节能率进行分析。围护结构节能率计算方法采用JGJ/T 449—2018《民用建筑绿色性能计算标准》中相关公式，其中由于夏热冬暖地区无供暖需求，因此只计算供冷季的围护结构节能率，如式（1）、式（2）所示：

式中：Ф——围护结构节能率，%；

Ed——设计建筑供冷综合能耗量，kW·h；

Er——参考建筑供冷综合能耗量，kW·h；

Qd——设计建筑累积耗冷量，kW·h；

Qr——参考建筑累积耗冷量，kW·h；

Θ——供冷系统综合效率折算权重，夏热冬暖地区公共建筑取2.5，居住建筑取2.8。

4.2 建筑负荷

完成各项参数设定后，通过DeST能耗模拟软件计算，得到建筑冷负荷。由于本文研究的是夏热冬暖地区，夏季炎热且时间较长，冬季温暖且时间较短，因此下述分析中的建筑冷负荷都为供冷期内的建筑冷负荷。经过统计，不同窗墙比下各个外墙构造的建筑冷负荷指标如图5所示。

由图5可见，无论是办公建筑还是住宅建筑，相同窗墙比下不同外墙构造建筑冷负荷指标均相差不大，相应地对项目后续的空调设备选型也影响较小。

将1#~10#外墙构造的建筑冷负荷采用式（1）、式（2）计算与参照建筑相比的围护结构节能率，结果如图6所示。

由图6可以看出，对于办公建筑，1#外墙的建筑无论在何种窗墙比下，对围护结构节能率都无贡献，而3#外墙的建筑在各窗墙比下对围护结构节能率贡献都最大；对于住宅建筑，围护结构节能率都为正值，其中除了1#外墙的建筑外，其余外墙的建筑围护结构节能率都相近，3#外墙的建筑围护结构节能率仍最大。这表明，主要构造材料的不同是影响围护结构节能率的最主要原因。此外，办公建筑在窗墙比为0.75与0.95时，不同外墙建筑的围护结构节能率几乎相等，因此在夏热冬暖地区，2022年4月1日后新建的办公建筑应注意此问题，窗墙比大于0.75时，上述外墙构造对围护结构节能率已不再具有提高作用。

结合外墙传热系数与相应的围护结构节能率进行分析，结果如图7所示。

由图7可知，在办公建筑中，与传统认知（传热系数越大，建筑冷负荷越大）不同的是，围护结构节能率与外墙传热系数为正相关，即外墙传热系数越大，建筑冷负荷反而越小。分析其原因，在夏季空调开启时段内，室外温度较高，此时较小的外墙传热系数有积极的隔热作用，可有效阻挡室外热量进入室内；而当室外温度比室内温度低时，如夏季夜间时段，较小的外墙传热系数不利于室内热量向外散失，导致室内冷负荷反而增加。而在住宅建筑中，传热系数对建筑冷负荷的影响相对较小，在窗墙比为0.4时才较为显著。1#与5#外墙构造传热系数相近，但围护结构节能率却相差较大，分析是由于1#外墙构造未采用反射隔热涂料，使得隔热效果较差。

4.3 过渡季节自然室温

以4月份为例，在不同窗墙比下，对过渡季节采用设计的10种不同外墙围护结构与参照外墙围护结构进行仿真模拟，计算自然室温。由于在不同窗墙比下室温变化规律较为相似，因此办公建筑以0.55窗墙比、住宅建筑以0.3窗墙比为例，选取西南向房间，分析设计建筑与参照建筑自然室温的差值，结果如图8所示。

由图8可见，对于办公建筑，只有3#外墙构造的建筑与参照建筑相比能够降低自然室温，其余外墙构造的自然室温都有不同程度的升高，尤其1#外墙构造的温差最大。对于住宅建筑，只有3#外墙构造的建筑能整月都降低自然室温，其余外墙构造只在温度较高时段有一定程度的降低。温差的变化程度与室外干球温度存在一定的正相关性，且相比于室内热源强度更大的办公建筑，室内热源较小的住宅建筑变化程度与室外干球温度相关性更大。

选取无论是建筑冷负荷还是自然室温表现都最好的3#外墙构造建筑，以及具有其余外墙构造结果相似的4#外墙建筑，与参照建筑进行不同窗墙比下自然室温差值的分析，结果如图9所示。

由图9可知，对于办公建筑，由于窗墙比可选范围较大，不同窗墙比下对自然室温的影响较大，且窗墙比0.75与0.95下自然室温较为接近，窗墙比0.15与0.35下自然室温也较为接近。对于住宅建筑，窗墙比存在限值要求，不同窗墙比下自然室温较为接近。

5 结论

（1）不同窗墙比下，不同外墙构造建筑的冷负荷指标相差不大，对项目后续相应的空调设备选型影响较小。

（2）公共建筑中主体构造为加气混凝土砌块（B05级）的外墙建筑无论在何种窗墙比下对建筑都没有节能效果，对建筑节能效果最好的是主体构造为页岩烧结多孔砖（240 mm）的外墙，在0.15窗墙比时达到最高节能率将近1.5%。而对于住宅建筑，10种外墙构造都对建筑有节能效果，最高节能率将近3.5%，但1#外墙其节能效果与其他外墙相比较差。

（3）在室内热源强度更大的公共建筑中，外墙传热系数并非越小越好，还需考虑非空调时段室内热量向外散失的问题。

（4）在其他条件相同的情况下，外墙采用反射隔热涂料能够有效降低建筑冷负荷，并使得过渡季节的自然室温有效降低。

（5）对于公共建筑，只有主体构造为页岩烧结多孔砖（240 mm）的外墙建筑能够使过渡季节自然室温降低，且受窗墙比影响较大；对于住宅建筑，主体构造为页岩烧结多孔砖（240 mm）的外墙建筑在过渡季节都能使自然室温降低，其余外墙只在室外干球温度较高的时间段能使自然室温降低，且受限值内的窗墙比影响较小。

（6）在夏热冬暖地区，对于2022年4月1日后的新建建筑，应优先采用主体构造为页岩烧结多孔砖（240 mm）的外墙构造，以达到最优的建筑节能效果。