严寒地区学生公寓围护结构能耗测试分析

秦 力，樊晓玲，2，李国强

(1.东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林 132012；2.国网邳州市供电公司，江苏 邳州 221300)

我国严寒地区冬季采暖期长达半年，建筑能耗主要以冬季采暖为主，耗能较大，并且居住建筑的能耗及环境问题已成为人们关注的焦点[1].建筑围护结构是建筑的内、外部之间进行物质、能量交换的重要媒介，也是严寒地区建筑能耗损失的主要途径，保温性能较好的建筑只需很少量的供暖就可以达到较高的舒适度[2].因此，建筑节能的当务之急是改善围护结构的热工性能，以达到降低建筑能耗、节约建筑能源的目的.

国内外的很多学者一直致力于建筑节能降耗的工作中.意大利学者Ilaria Ballarini、Luca Evangelisti、Francesca Stazi等通过实测建筑围护结构的特性(传热系数、热工缺陷等)，结合能耗模拟软件找出最佳的节能方案[3～5]；约旦学者K.Hassouneh通过能耗模拟软件得出该地区的建筑在不同方向最佳的窗户类型及其尺寸[6]；西班牙学者Juli a Coma提出一种新型的被动节能方式——绿色屋顶的热性能和可持续性[7]；周振、李玲、夏博等对建筑室内外温湿度、房间气密性以及集热效率等方面进行测试，评估建筑的节能效果并提出了相应的改进措施[8～10].然而，目前严寒地区学生公寓围护结构采暖能耗测试方面的实践还相对较少，学生公寓建筑围护结构热消耗的主要影响因素以及建筑节能改造方向的研究还处于探索阶段，进展相对缓慢.

学生公寓的建筑形式、使用功能、人流密度与用能情况等均与普通住宅存在较大区别，如果直接将普通住宅建筑的节能方法用在学生公寓上，必然不能达到最佳的节能效果.带着以上问题，我们2015年12月～2016年1月基于围护结构传热系数、室内热环境和建筑能耗等方面，选择东北电力大学研二公寓有代表性的16个房间进行现场测试，力求找到严寒地区学生公寓围护结构热消耗的主要影响因素，进而得出一套是适用于该地区学生公寓围护结构的节能设计策略.

1 建筑介绍

文中建筑对象为吉林市东北电力大学研二公寓，始建于1998年，于2013年进行了外墙体外保温初步改造，属于典型的学生公寓建筑.为内廊式布局的6层砖混结构，建筑面积为6 994.57 m2，全长69.14 m，宽15.74 m，总高21.75 m，体形系数为0.2.公寓除一楼及两侧靠山墙房间外，均外设凸阳台，供暖方式为地板辐射式供暖，采用铝合金门窗.该建筑平面示意图，如图1所示.

图1 研二公寓平面示意图

吉林市处于严寒气候热工分区(Ⅰ-B)，冬季寒冷，夏季凉爽，按照吉林省工程建设地方标准《居住建筑节能设计标准(节能75%)》(DB22/T—2012)，吉林市计算采暖天数为168d，对应室外平均温度为- 7.9 ℃，采暖度日数5 007 ℃·d.

2 实验介绍

建筑节能现场测试的主要目的：一是检验建筑物是否达到节能标准中所规定的节能指标；二是找出问题总结经验[11].

2.1 实验对象

选取研二公寓底层、标准层、顶层相同位置的16个房间(充分考虑了不同楼层、朝向和位置)为代表性房间，进行围护结构传热系数、室内热环境以及单位面积建筑耗热量的测试.测试时间为2015年12月26日～2016年1月12日.

2.2 实验目标

通过对实测数据的整理与分析，得到该建筑围护结构现状及其热工性能对室内热环境与建筑耗热量的影响；分析严寒地区既有学生公寓的能耗现状及能耗特征，找出节能改造的重点部位，期望总结出围护结构节能改造的潜力及改造方向.

2.3 实验内容

2.3.1 围护结构热工性能测试

围护体系的耗热损失，是冬季建筑采暖能耗损失的主要原因.对围护结构的传热系数进行准确测量，有利于合理分析严寒地区既有学生公寓围护结构的保温现状，使围护结构节能改造的实施更有针对性.2015年12月26日～2016年1月2日，对公寓一楼北侧109室的外墙体进行了为期8天的测试，外墙体传热系数测试装置图，如图2所示.2016年1月3日～2016年1月12日，对公寓顶层东北角629室的屋面进行了为期10天的测试，屋面传热系数测试装置图，如图3所示.测试内容包括外墙体与屋面内外表面的热流密度、温度以及室内外空气温度[12]，屋面传热系数测试装置图，如图3所示.

图2 外墙体传热系数测试装置图

图3 屋面传热系数测试装置图

将HF-1型温度传感器安装在受检围护结构两侧表面；HF-1型多点热流计安装在受检围护结构的内表面；用 QTS-8型温度热流记录仪记录所采集的数据.本次实验在受检部位各布置两个测点，仪器每15 min自动采集一次数据，共取得数据约3 500个.

2.3.2 冬季室内热环境测试

采暖期室内温度状况可以反映建筑的室内热环境以及热稳定性.2015年12月26日～2016年1月12日，对研二公寓16个典型房间进行连续18天的室内温度监测，并记录室外温度变化情况.

测试过程从以下两方面进行：①测试1层、标准层(5楼)和顶层(6楼)的温度差异并找出原因，通过设计解决不舒适的热环境问题[13]；②根据不同方向房间室温的对比，找出规律，提出学生公寓在朝向、选址、布置等方面尽可能合理的方案.

RHLOG型温度自记仪，如图4所示.和SH612型智能数字测温仪放在室内活动区域，探头距地面0.8 m，每15 min自动采集一次数据，共取得数据约28 000个.

图4 温度自记仪

2.3.3 建筑采暖能耗测试

单位建筑面积耗热量指标可以反映建筑的实际能耗情况.2015年12月26日～2016年1月12日，对公寓标准层北侧511室和东北角527室进行了连续14天的采暖能耗测试，建筑采暖能耗测试装置图，如图5所示.

图5 建筑采暖能耗测试装置图

将TS-2型超声波外夹式流量传感器、外夹式PT100温度传感器安装在测试房间的进回水热力管的适当位置，采集的瞬时流量、净累积流量、瞬时流速、瞬时热量、总热量以及供回水温度等详细数据记录到YJF-KY-CSB-1000型超声波热量表中.根据实测的供热量计算单位建筑面积采暖耗热量.

3 测试结果分析

3.1 围护结构传热系数

(1)外墙体、屋面的温度与热流实测数据整理后的结果，如表1所示.

表1 外围护结构传热系数实测数据

(2)外围护结构传热系数测试值与标准规定值比较结果，见表2所示.

表2 外围护结构传热系数测试值与标准规定值比较

由表2可得，研二公寓围护结构各主体部位的传热系数已超过了吉林省工程建设地方标准《居住建筑节能设计标准(节能75%)》(DB22/T—2012)中的限值.外墙体的传热系数超出标准限值8.87%，屋面的传热系数超出标准限值116.76%.因此，为了达到标准中规定的节能指标，严寒地区学生公寓围护结构的外墙体、屋面必须在现有基础上，采取相应的节能改造措施，以大幅度降低围护结构能耗.

(3)建筑外墙体传热系数实测值与理论值对比分析.

根据《民用建筑热工设计规范》(GB 50176-93)和《居住建筑节能检测标准》(JGJ/T 132-2009)，围护结构传热系数K可通过下式求得：

K=1/(Ri+R+Re)，

(1)

(2)

式中：Ri、Re为内、外表面换热阻，m2·K/W，按上述规范取值；R为围护结构主体部位热阻，m2·K/W；δ为材料厚度，m；λ为材料导热系数，W/(m·K).

表3 外墙体传热系数理论分析数据

通过外墙体传热系数理论计算值与实测值对比得出：外墙体传热系数理论值与实际测试结果相差12.64%，这是因为建筑结构的形状和构造复杂多样，加上保温隔热墙体在施工过程中不可避免会出现各种问题.因此，在设计围护结构时，最好有实测值或生产中积累的经验数据作为参考.

3.2 冬季室内热环境

表4 采暖期研二公寓的室温测试结果(℃)

(1)不同楼层室温的比较

从表4中可以掌握学生公寓不同楼层各个房间室内温度的全貌，底层和顶层的平均温度均低于其它中间楼层，尤其底层的温度最低，中间层与底层差异明显，并且中间层室内平均温度均高于标准规定的24 ℃限值，处在不舒适的范围，不利于学生的学习和生活.

(2)不同方向室温的比较

对学生公寓顶层东、西、南、北四个方向房间的室内温度进行对比分析，处在中间的房间仅一面受室外环境影响，而东西宿舍处在公寓楼东西方向最边界房间，有两面受外界影响.用温度自记仪每15 min采集一次数据，记录采暖季最冷一周(2016年1月1日～2016年1月7日)全天的温度，在此基础上计算每天的平均室温，对采暖季最冷一周研二公寓顶层不同方向室内温度的对比，如图6所示.

图6 顶层不同方向房间室温对比(2016年1月1日～2016年1月7日)

由图6可得知，公寓正南方向的房间温度最高，西北、东北方向的房间温度低，并且西北方向的温度最低，结合表3可以确定底层西北向房间是整栋建筑热工性能最差的地方.

通过以上两方面的分析，可以得出以下结论：①学生公寓建筑与外界接触面积小的房间室内温度高的多.因此，严寒地区建筑的体形系数应尽量小；②建筑的朝向和选址对室内热环境有较大影响.从室温波动来看，严寒地区学生公寓为朝南及南偏东更为合适.

3.3 建筑采暖能耗

(1)建筑单位面积采暖能耗实测数据整理后结果，见表5所示.

表5 建筑单位面积采暖能耗实测数据

(2)建筑采暖能耗测试值与标准规定值比较结果，见表6所示.

表6 建筑单位面积采暖能耗测试值与标准规定值比较

从表6中可以看出，研二公寓标准层(5楼)的单位面积采暖耗热量已经超出吉林省工程建设地方标准《居住建筑节能设计标准(节能75%)》(DB22/T—2012)规定的16.6 W/m2标准限值.位于楼层中间北侧的511室比标准限值超出19.40%；而位于东山墙北侧的527室，由于山墙的散热，单位采暖耗热量比标准限值超出 21.14%.究其原因，一方面是由于该建筑外墙的围护结构传热系数超标；另一方面由于该建筑没有采取控温措施，室内温度偏高，热能浪费严重.

4 结 论

本文通过对严寒地区典型学生公寓的测试，研究分析学生公寓围护结构的能耗现状及特征，得出以下结论：

(1)围护结构的保温性能差.实测外墙体传热系数超标率达到8.87%，屋面传热系数超标率高达116.76%.

(2)学生公寓采暖期室内平均温为24.964 4 ℃.室内存在较为明显的过热现象，在一定程度上造成了采暖能源的浪费，这主要与温控阀调节不合理有直接关系.

(3)底层与顶层的室内平均温度均低于中间层，并且底层西北方向是整栋建筑热工性能最差的地方，应重点改造；严寒地区学生公寓宜为朝南及南偏东，并且建筑体形系数应尽量小.

(4)不同位置单位建筑面积采暖能耗超出标准限值19.40%和20.14%.严寒地区学生公寓建筑存在较大的节能潜力，只对围护结构进行保温升级改造是解决建筑耗能的必要但不充分条件，在此基础上应联合建筑节能技术与行为节能控制等手段才能达到真正的节能降耗最终目的.

[1] 秦力，赵娜，孙东风.严寒地区居住建筑采暖能耗实测结果分析[J].东北电力大学学报，2016，36(1)：36-40.

[2] 袁天皎.济南市既有居住建筑围护结构节能改造技术研究[D].济南：山东建筑大学，2010.

[3] Ilaria Ballarini，Stefano Paolo Corgnati，Vincenzo Corrado.Use of reference buildings to assess the energy saving potentials of the residential building stock：the experience of TABULA project[J].Energy Policy，2014，68(68)：273-284.

[4] Luca Evangelisti，Claudia Guattari，Paola Gori.Energy retrofit strategies for residential building envelopes：an Italian case study of an early-50s building[J].Sustainability，2015，7(8)：10445-10460.

[5] Francesca Stazi，Ambra Vegliò，Costanzo Di Perna.Retrofitting using a dynamic envelope to ensure thermal comfort，energy savings and low environmental impact in Mediterranean climates[J].Energy and Buildings，2012，54(3)：350-362.

[6] K.Hassouneh，A.Alshboul，A.Al-Salaymeh.Influence of windows on the energy balance of apartment buildings in amman[J].Energy Conversion and Management，2010，51(8)：1583-1591.

[7] Julia Coma，Gabriel Perez，Cristian Sole，et al.Cabeza.Thermal assessment of extensive green roofs as passive tool for energy savings in buildings[J].Renewable Energy，2015，85(6)：1106-1115.

[8] 周振，李德英.北京浅山区生态建筑能耗测试与分析[J].北京建筑工程学院学报，2007，23(1)：67-70.

[9] 李玲，杨红梅，陈功.成都地区新农村住宅外围护结构节能设计研究[J].建筑节能，2015，2(7)：26-30.

[10] 夏博.高校学生公寓室内热环境研究[D].西安：西安建筑科技大学，2003.

[11] 左现广，邹勇惠，唐鸣放,等.夏热冬冷地区节能建筑测试分析与思考[J].新型建筑材料，2003(2)：1-2.

[12] 中华人民共和国行业标准.JGJ/T 132-2009.居住建筑节能检测标准[S].北京：中国工业出版社，2010.

[13] 屈万英.高校既有学生公寓热环境研究[J].山西建筑，2007，33(8)：240-241.