装配式建筑外墙传热系数测试与能耗模拟

夏锋 恽燕春 潘登 * 朱学海 高乃平

1 宝业集团股份有限公司

2 同济大学机械与能源工程学院

装配式建筑是指在车间生产建筑物的墙体、楼板等非承重结构，然后将生产好的预制件运送至施工土地并进行装配。由于装配式建筑能够减少现场建筑垃圾，降低原材料损耗，大幅缩短建设周期，建造速度更快，近年来在各国均得到大力发展[1-3]。目前，国内外有许多关于装配式建筑发展现状，耗能耗材，工程造价等方面的研究[4-8]，但对其围护结构热工性能和能耗情况研究还较少。为研究装配建筑的热工性能及其对建筑能耗的影响，本文对上海已建成的某装配式住宅建筑外墙的综合传热系数进行了现场测量，基于测试结果，通过能耗模拟方法，对比了参照建筑和只改变外墙综合传热系数条件下实际建筑的供冷和制供热能耗。

1 建筑概况

测试建筑为新建住宅建筑，位于上海市青浦区，采用全装配式构造，建筑总面积为4684 m2，其中空调区建筑面积2940 m2。建筑地上16 层，地下2 层，其中地下一层和地上一层到十六层为居住层，地下二层为地下车库，建筑高度为53 m。内部空间包括客厅、卧室、储藏室、餐厅、厨房、卫生间、走道、电梯间、楼梯间等功能空间，其中客厅，卧室和餐厅为空调区域。建筑外墙采用夹心保温构造。建筑外墙综合传热系数的测试点位于建筑第三层的东北角卧室，测试外墙位于房间东侧。测试建筑整体效果图见图1 所示。

图1 测试建筑整体效果图

2 实验测试方法

测试方法参考《居住建筑节能检测标准》（JGJ/T132-2009）[9]中的相关要求，采用热流计法进行测试。要求检测期间室内空气温度应保持基本稳定，且围护结构高温侧表面温度应高于低温侧10 ℃以上，检测持续时间不应少于96 h。检测期间，为了防止房间内与外界空气进行热交换，需把房间紧紧封闭。为了维持房间室内的温度稳定，同时保持室内外的温差满足要求，采用电加热采暖器控制房间温度。被测墙体的热阻计算见式（1）所示。

式中：R 为被测墙体的热阻，(m2·K)/W；θIj为被测墙体内表面温度的第j 次测量值，K；θEj为被测墙体外表面温度的第j 次测量值，K；qj为被测墙体热流密度的第j次测量值，W/m2。

被测墙体的综合传热系数按式（2）计算：

式中：K 为被测墙体的传热系数，W/(m2·K)；Ri为被测墙体内表面换热热阻，(m2·K)/W；Ro为被测墙体外表面换热热阻，(m2·K)/W。

测试房间位于建筑第三层东北侧，测试参数包括：建筑室外空气温度、测试房间东外墙内外侧墙表面温度、测试房间邻室空气温度、通过测试房间东外墙内侧和外侧的热流密度、房间加热器的加热功率。测试中使用的主要实验仪器见表1 所示。测试过程中，在外墙内侧和外侧中心对称各布置1 个热流测点和9 个温度测点。为了隔绝室内加热器和墙壁的热辐射影响，采用开孔的遮热罩对热流计进行遮挡，遮热罩上的开孔促进热流计附近空气流通，保证热流计周边的空气温度与室内空气温度一致。房间内外传感器的现场布置见图2 所示。

表1 围护结构综合传热系数测试主要实验仪器列表

图2 测试房间外墙热流计和温度测点布置

3 能耗模拟分析工况

本文对建筑能耗的模拟采用e-QUEST 能耗模拟软件。基于建筑图纸，在e-QUEST 中的建立的建筑三维模型见图3 所示。本项目位于上海市青浦区，北纬31.00°，东经121.00°，属夏热冬冷地区，采用美国能源部提供的气象数据集中上海的典型气象年气象数据进行计算。参照建筑的围护结构热工参数按照《居住建筑节能设计标准》（DGJ08-205-2015）[10]的规定性指标进行设置。为了单独对外墙的综合传热系数改变所引起的空调能耗变化进行分析，实际建筑除外墙的传热系数按照测试结果进行设置，其他围护结构的热工参数与参照建筑一致，参照建筑和实际建筑的热工参数设置如表2 所示。

图3 e-QUEST 建筑的建筑3D 模型

表2 参照建筑和实际建筑围护结构热工参数设置

建筑内空调房间包括客厅，卧室和餐厅，上海市居住建筑不同类型空调房间工作日和周末的人员在室率，照明功率密度和设备功率密度的设置参考相关上海市居住建筑人员作息调研情况进行设置[11]。居住建筑人员密度为15 m2/人，照明功率密度为2.8 W/m2，设备功率为3.8 W/m2。本项目采用空气源热泵型房间空调器进行制冷和制热。根据《居住建筑节能设计标准》（DGJ08-205-2015），设备供冷额定能效比3.1，供热额定能效比为2.5。住宅采暖期为12 月1 日到次年2月28 日，空调期为6 月15 日到8 月31 日。冬季全天室内设计值18 ℃，夏季全天为26 ℃。非空调房间冬季温度5 ℃，夏季温度为30 ℃。

4 结果与分析

4.1 装配式建筑外墙传热系数测试结果

被测房间外墙内侧，外墙外侧，室内空气干球温度和室外空气干球温度随测试时间的变化见图4 所示。由于室外气温的变化，被测墙体外壁面的平均温度也随之发生变化，而室内空气温度和外墙的室内侧壁面的温度受室内加热器的控制，较为稳定。

图4 室内外空气温度和测试外墙的内侧和外侧平均温度随时间变化情况

由于本实验基于稳态测试方法，因此如何判断通过外墙的传热达到稳态是本实验测试的关键。虽然规范中给定了总测试测试至少96 h，但对于达到稳态的时间没有给出明确的判断标准。本实验在外墙内侧和外侧同时布置了热流计，基于两个热流计的测试结果，提出当两侧热流密度接近，且变化趋势一致时，认为通过墙体的传热达到稳态。

外墙内侧和外侧的热流密度测试结果随测试时间的变化见图5 所示。在测试初期，墙体内侧壁面的热流密度明显高于墙体外侧壁面的热流密度，随着测试进行，两者的数值逐渐接近，在测试达到60 h 左右，两者数值接近，60 h 后的测试结果两者的数值基本一致，且变化趋势一直，认为通过外墙的传热达到稳态，其后采集的94 h 的数据作为计算外墙传热系数的数据。

图5 测试房间外墙内侧和外侧的热流密度随时间变化情况

利用式（1）计算得到被测外墙的热阻为1.89(m2·K)/W。根据规范[12]内表面换热热阻取0.13(m2·K)/W，外表面换热热阻取0.05(m2·K)/W，利用式（2）计算得到被测外墙的传热系数为0.48 W/(m2·K)。《居住建筑节能设计标准》（DGJ08-205-2015）中给定的外墙综合系数限值为1 W/(m2·K)，测试结果说明该装配式建筑外墙综合传热系数满足标准要求。

4.2 装配式建筑能耗模拟结果与分析

参照建筑与实际建筑各月份的制冷和制热能耗见图6 所示。对于制冷能耗，6 月份参照建筑的制冷能耗低于实际建筑的制冷能耗，7 月份和8 月份参照建筑的制冷能耗均高于实际建筑的制冷能耗。这是由于6 月份相对气温不高，而且对于住宅建筑，主要使用时间在夜晚，因此部分时间会出现室外温度低于房间设计温度，而出现通过外墙向室外传热的情况，此时降低墙体的传热系数，增加了热量向室外传递的热阻，进而导致制冷能耗增加。

图6 参照建筑与实际建筑全年不同月份的制冷和制热能耗

参照建筑与实际建筑全年制冷，制热和空调总能耗的对比见图7 所示。实际建筑改变外墙综合传热系数条件下的制冷能耗和制热能耗相对参照建筑均降低，实际建筑的全年总空调能耗比参照建筑少16.7%。实际建筑的制热能耗相对参照建筑降低百分比要大于制冷能耗降低百分比，实际建筑制冷能耗比参照建筑制冷能耗低4.1%，实际建筑制热能耗比参照建筑制热能耗低30.6%，此趋势与文献[13]中研究结果一致。

图7 改变外墙综合传热系数下的建筑空调能耗与参照建筑对比

5 结论

本文采用热流计对上海市某装配式住宅建筑外墙的综合传热系数进行现场测试，基于建筑外墙综合传热系数的测试结果，对比了基于规范的建筑热工性能限值条件下的参照建筑和改变外墙综合传热系数条件下的实际建筑的空调能耗，得到如下结论：

1）测试中在外墙内外表面均布置热流计进行测试，结果表明在测试时间约60 h 后，两个热流计测量值一致。可以通过外墙内外表面两个热流计的测量值差别，判断传热是否达到稳态。

2）通过对94 h 稳态测量数据的整理，采用平均方法，得到建筑外墙的综合传热系数为0.48 W/(m2·K)，外墙的综合传热系数满足标准的限值要求。

3）通过能耗模拟，实际建筑在仅改变外墙综合传热系数条件下，全年建筑总空调能耗较参照建筑降低16.7%。制热能耗的降低值大于制冷能耗降低值，其中制冷能耗降低4.1%，热能耗降低30.6%。