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核心提示:外墙保温系统起源于欧洲大陆的寒冷气候,20世纪末进入中国北方寒冷地区。但对建筑物采取外保温措施的节能效果如何
由华克高分子材料(上海)有限公司发起,与北京、上海、广州三所高校及系统供应商合作,启动了不同气候条件下外墙保温系统应用研究项目。同时,三地建设了两栋相同的样板房,分别代表寒冷地区、夏热冬冷地区和夏热冬暖地区。其中一个装有外绝缘系统,另一个没有安装。经过一年多的实验,发现该系统在不同的天气条件下都能提高房屋的舒适性,具有非常明显的节能效果。
(1) 控制室的实验条件。非保温房和保温房的几何参数必须完全相同,均为无窗建筑,均为露天建筑,其净面积、净高、朝向应一致,对比室的屋顶、地面热工性能也应完全相同;墙体三个城市的无保温房和保温房的材料与外保温系统相同,但不同地方的墙体材料略有不同(北京、多孔粘土砖、上海、混凝土空心砌块、广州、灰砂砖);无保温房安装的空调保温间为1.5台同型号,每台空调机接一台5-10A电表,电表读数由人工记录并与用电量进行比较;未保温间与保温间均装同一台通风机(90m3/h)、设置无保温房、保温房空调,冬季供暖20℃,夏季降温25℃。
(2) 比较室内外气象条件。虽然北京、上海、广州等地冬季空调的设定温度为20℃,但试验结果仍存在一定的误差。为使模拟条件与实际情况相一致,以12月份室内平均温度的实际数据作为室内设定条件。保温房估计北京、上海、广州的室内温度分别为22℃、21℃和23℃;非保温房的室内温度分别为19℃、16℃和21.6℃(即室内温度比文献低3℃、5℃和1.4℃)。可见,三地以外的小时气象条件对实验楼的用电量有重要影响。
综上所述,在三种对比试验条件下,采用特征温度法对供暖能耗进行模拟,得出以下结论:(1)气象条件的显著差异决定了同一建筑在不同地点的负荷和能耗分别为:完全不同;(2)同一建筑采用相同的外墙保温措施时,不同城市的供热负荷和用电量都有不同程度的降低,同一城市月用电量(即节能)的降低是完全不同的,最大相差2倍,这说明气象条件也决定了节能效果;(3)由于同一外保温系统在我国不同城市的初期投资没有差异,不同城市同一外保温系统的投资回报率和节能潜力存在显著差异;(4) 由于三个地点的热耗模拟值与实测值接近;(5)对于非保温房间,三个地点的热耗模拟值与实测值不同;(6) 仿真结果与实测数据对比表明,特征温度法用于建筑荷载计算和能耗分析是可靠的。
通过对比试验推断不同气候区外保温系统的节能率是值得商榷的。主要原因是:比较建筑三处几何特征相同,屋顶处理相同,但外墙主体热工性能差异较大,三处建筑不完全相同;因为实验测量的是耗电量,有一段时间,当室外气温较低时,无绝缘房间的负荷较大,设备能效较低,这些耗电量在任何时候都较大,与保温房间相比,节能率很高。但是,由于节能率包括外保温系统的贡献和设备能效比的降低,因此很难区分外保温系统对节能的贡献。因此,通过现有的实验数据很难得到外绝缘系统的节能率。
这个项目的策划者煞费苦心。然而,在现场试验过程中,由于各种原因,很难通过对建筑物的客观比较,在不同的位置得到相同的运行参数,导致最终用电量变化的影响因素复杂。小时能效比很难测量。太阳总辐射、散射和每小时风速都会影响建筑物的耗电量。只有对各种因素逐一测量,才能得到外墙外保温系统的节能效果。这就是本项目中火柴盒建筑的情况。真正的带窗建筑要复杂得多,需要更多的人力、物力和财力,这是比较实验的局限性。
为了客观评价外保温系统在不同气候条件下的节能效果,应在室内设定温度相同、围护结构热工性能和系统能效比相同的条件下进行比较。最好的方法是通过年负荷仿真和能耗分析来研究。本文以哈尔滨、北京、上海、广州、武汉、重庆、昆明、乌鲁木齐等8个城市的气象条件为基础,采用特征温度法对同一对比室、同一设定条件下的年负荷进行了研究,对解决同一外绝缘系统在不同气候条件下的节能率是否相似这一普遍关注的问题起到了一定的作用。
根据相应城市的逐时气象资料和上述比较建筑的设置条件,采用特征线法模拟了8个城市的年累计供热负荷和空调负荷。结果表明:(1)对于平均气温较低的城市,年累积热负荷较大,而年累积空调负荷较小;(2)各城市年最大热负荷相差9.9倍,而各城市年最大热负荷相差9.9倍全年为20.5倍,说明气象条件的显著差异决定了同一建筑在不同地方的年荷载是完全不同的;(3)同一建筑采取相同的外保温措施时,不同城市的年供热负荷将有不同程度的降低,不同城市的年空调负荷也将有不同程度的降低;(4)同一建筑将采取相同的外保温措施不同城市的年负荷降低是由温度系统引起的(当系统能效比相同,即外墙保温板代表批量节能)完全不同,最大相差10-20倍。说明气象条件决定了不同的节能效果;(5)由于同一外保温系统在全国不同城市的初投资差别不大,同一保温系统在不同气候城市的投资回报和节能潜力存在显著差异。这就是建筑外保温系统的节能个性。
为了比较同一外保温系统在不同气候条件下的节能率,对无保温房间的年负荷进行了分析。由于年负荷与能耗的关系取决于系统的能效比,当系统在不同城市的能效比相同时,减负荷率即为节能率。结果表明:(1)虽然8个城市年供热负荷的最大差值大于10倍,但同一外保温系统在不同城市的采暖节能率非常相似;(2)8个城市年空调负荷的最大差值大于20倍,不同城市同一外保温系统的空调节能率基本相同。
我们不难发现建筑外保温系统节能的一般规律,即对同一建筑采取相同的外保温措施,其节能率在不同城市相似,但这种相似性并不完全相同。实际上,上述年节能率是基于对年负荷变化规律的分析,反映了年能耗变化的宏观特征。为了揭示年节能率一般相似但不完全相同的特点,通过对重庆、哈尔滨两市的对比,分析了时、月空调减负荷率的变化和分布与年空调节能率的内在关系,结论基本相同。
(1) 对于保温房,三次热耗模拟值与实测值接近;对于非保温房,三次热耗模拟值与实测值相差较大。
(3) 仿真结果与实测数据对比表明,特征温度法用于建筑荷载计算和能耗分析是可靠的。
(4) 对比试验和仿真结果表明,不同城市同一建筑的采暖和空调负荷完全不同,同一城市的年负荷差异可达10-20倍,说明气象条件是决定负荷大小的外部因素。
(5) 对于同一建筑,同一外保温系统,不同城市的供热负荷和空调负荷年减少量可能达到几十倍。由于同一外保温系统在不同城市的初投资并不不同,同一节能措施在不同气象条件下的经济价值和节能潜力是完全不同的。
(6) 同一建筑同一外保温系统,不同城市年采暖节能率相近(约),不同城市空调节能率基本相似。但这种相似性并不完全相同。气象特征的显著差异将在一定程度上决定年节能率的相似性。
(7) 证明了Wacker公司外绝缘系统在不同气候条件下的节能率可以达到40%以上的结论是正确的。