不同年代居住建筑外墙供热特点与调节策略探讨

北方地区供暖能耗占比很大，约为总建筑能耗的40%，其中集中供暖面积占总供暖面积76%，集中供暖总量大、节能潜力大。济南热电有限公司一直重视供热节能工作，现已实现了供热管网的自动运行调节；但作为主要供暖对象的居住建筑，由于各种原因实际供热耗热量及调节性能复杂。随着供热调节自动化程度的提高、准确性要求的严格，针对不同年代居住建筑供暖耗热量和供暖调节性能进行研究，提出针对不同年代居住建筑的调节时间与策略，变得越来越迫切。

居住建筑先后经过了非节能居住建筑（1986年8月1日之前），节能30%居住建筑（《民用建筑节能设计标准》（采暖居住建筑部分）JGJ26-1986，1986年8月1日起实施），节能50%居住建筑（《民用建筑节能设计标准》（采暖居住建筑部分）JGJ26-1995，1996年7月1日起实施），节能65%居住建筑（《居住建筑节能设计标准》DBJ14-037-2012，2012年5月1日起实施），节能75%居住建筑（《居住建筑节能设计标准》DB37/5026-2014，2015年10月1日起实施），各时期标准对外墙、外窗、屋顶以及窗墙比等热工参数要求不同。根据济南热电有限公司供热统计数据，供热范围内各时期供暖建筑面积如表1。非节能居住建筑占9%；一步节能建筑（节能30%）占12%；非节能和一步节能合计占21%；二步节能（节能50%）占36%；非节能、一步节能、二步节能合计占57%；三步节能（节能65%）占40%；四步节能占3%。非节能至二步节能的建筑面积占多半，其中，非节能建筑和一步节能建筑占比21%，为整体供暖面积的1/5，是供热的最薄弱环节。

研究人员韩莹依据相似准则对实测建筑进行建模，探究了住宅建筑窗墙比、保温层、人员散热与是否有家具对室内热惰性的影响 ^[1] 。有学者考虑影响热力站耗热量的各种因素建立耗热量预测数学模型，并据此计算不同热工性能建筑耗热量 ^[2] 。还有学者对典型房间物理模型建立动态数学模型，分析室外温度、太阳辐射、风速等对室内温度及延迟的影响 ^[3] 。可见，研究人员对居住建筑热惰性和蓄热性能有较多模拟和实验研究，但从集中供热调节的出发点对不同年代居住建筑供暖运行耗热量及其对集中供热调节影响研究较少。本次计算分析内容：利用负荷计算软件计算不同时期居住建筑的外墙传热损失、外窗传热损失及户间传热损失（隔墙和楼板）、冷风渗透热损失（冷风侵入）的比例，分析不同时期各方面的热损失变化；模拟计算外墙内表面温度在室外气温突然降温时的变化规律。

根据我院历史存档住宅楼资料，经由建筑专业沟通确认，部分典型住宅建筑做法如表2。

采用ANSYS Workbench模拟计算室外降温时，五个时期外墙内表面降温情况。ANSYS Workbench介绍：ANSYS是一种数值分析软件，它面对的是固体的力学分析，流体的力学分析，温度场的分析以及电磁场的分析；ANSYS Workbench相当于对以上各个数值分析进行汇总的工作平台，可以方便进行工程模拟分析。由于降温过程非稳态计算，本计算用稳态计算结果作为非稳态计算的初始输入条件，计算选取室内设计温度为18℃，室内侧换热系数8.7W/(m ² .K)，室外侧换热系数23W/(m ² .K)。

1.1  外墙1（非节能）模拟计算

对非节能外墙进行模拟计算，非节能外墙做法见表3。稳态情况下，室外温度5℃，室内温度18℃，模拟结果稳定时外墙室内侧温度为15.7℃。瞬态情况下，室外温度突降低为-5℃，室内侧保持热流密度20W/m ² （8.7*（18-15.7）=20），模拟结果如图1，经过86400s（24h），外墙内表面温度由15.7℃降为13.7℃，降低2.0℃。

1.2  外墙2（30%）模拟计算

对1步节能外墙进行模拟计算，1步节能外墙做法见表4。稳态情况下，室外温度5℃，室内温度18℃，模拟结果稳定时外墙室内侧温度为16.5℃。瞬态情况下，室外温度突降低为-5℃，室内侧保持热流密度13.05W/m ² （8.7*（18-16.5）=13.05），模拟结果如图2，经过86400s（24h），外墙内表面温度由16.5℃降为14.85℃，降低1.65℃。

1.3  外墙3（50%）模拟计算

对2步节能外墙进行模拟计算，2步节能外墙做法见表5。稳态情况下，室外温度5℃，室内温度18℃，模拟结果稳定时外墙室内侧温度为17.25℃。瞬态情况下，室外温度突降为-5℃，室内侧保持热流密度6.5W/m ² （8.7*（18-17.25）=6.5），模拟结果如图3，经过86400s（24h），外墙内表面温度由17.25℃降为15.07℃，24h降了2.18℃。

1.4  外墙4（65%）模拟计算

对3步节能外墙进行模拟计算，3步节能外墙做法见表6。稳态情况下，室外温度5℃，室内温度18℃，模拟结果稳定时外墙室内侧温度为17.41℃。瞬态情况下，室外温度突降为-5℃，室内侧保持热流密度5.1W/m ² （8.7*（18-17.41）=5.1），模拟结果如图4，经过86400s（24h），外墙内表面温度由17.41℃降为15.79℃，24h降了1.62℃。

1.5  外墙5（75%）模拟计算

对4步节能外墙进行模拟计算，4步节能外墙做法见表7。稳态情况下，室外温度5℃，室内温度18℃，模拟结果稳定时外墙室内侧温度为17.57℃。瞬态情况下，室外温度突降为-5℃，室内侧保持热流密度3.74W/m ² （8.7*（18-17.57）=3.74），模拟结果如图5，经过86400s（24h），外墙内表面温度由17.57℃降为16.5℃，24h降了1.07℃。

1.6  各年代降温时趋势比较

室内保持恒定热流，假定室外温度突然降低为-5℃，接下来24h外墙内表面降温情况，如图7，随着室外温度降低，各年代外墙内表面温度均一致降温，在7h左右降温速度增加；同时，随着保温性能的提升，65%及75%节能外墙降温趋势较缓和，而非节能外墙降温速度最快，50%节能外墙降温度与室温温差经24h降温能保证3℃以内，满足舒适度，而30%节能外墙及非节能外墙内表面温度与室内温差则降低到3℃以上，不满足舒适度要求。这说明，在假定的室内侧恒定热流情况下，室外大幅度降温时，非节能外墙和30%节能外墙在更容易破坏原先供暖的舒适度，需要进行保温改造；75%和65%节能外墙经过接近24h降温仍能保持较理想的内表面温度，建议3、4步节能建筑在供热运行调节时适当调整供暖控制温度；2步节能在降温时，有急剧降温的可能，所以应关注其供暖温度调节过程。

本计算选取某典型小高层建筑的中间层中间户，上、下、左、右有四个邻户，户内供暖建筑面积约110m ² 。通过天正暖通负荷计算软件，分别按五个时期的围护结构进行热损失计算，根据计算结果对五个时期的各项热损失进行对比分析，以总结从非节能到四步节能各项热损失变化情况。

各个时期各项热损失占比汇总与分析。非节能建筑各类热损失中外墙和外窗占比很大，约占3/5，原因是外墙为红砖墙无保温、外窗为单层玻璃木窗；非节能建筑单层玻璃木窗占热损失最大，为总热损失1/3；非节能建筑红砖墙占热损失较大，为总热损失1/4。1步节能建筑各类热损失中外墙和外窗占比很大，但比非节能有所降低，约占1/2多，原因是红砖墙已有保温、外窗为单层玻璃铝合金窗；1步节能建筑单层铝合金窗占热损失仍较大，约占总热损失1/3；1步节能建筑红砖墙保温后占热损失仍较大，不到总热损失1/4。2步节能建筑各类热损失中外墙和外窗占比有所降低，约占1/2，原因是外墙已有保温、外窗为单层玻璃塑钢窗；2步节能建筑单层塑钢窗热损失有所降低，比铝合金窗节约25%；2步节能建筑外墙保温后占热损失降低，约占总热损失1/5。3步节能建筑各类热损失中外墙和外窗占比有所降低，约占45%，原因是外墙已有保温、外窗为断桥铝外窗（两玻一腔）；随外墙和外窗保温性能提高户间传热损失占比增大，约占1/4；3步节能断桥铝外窗（两玻一腔）热损失有所降低，比塑钢窗节约30%；3步节能建筑外墙保温后占热损失降低，约占总热损失16%。

现阶段居住建筑供热损耗突出表现为户间传热损失和用户开窗热损失。以一个卧室为研究对象，分别为非节能至三步节能建筑围护结构的情况，得到外墙热损失、外窗热损失、户间传热损失及冷风渗透热损失的比较。非节能建筑与三步节能建筑相比，外墙热损失和外窗热损失由58%降低为45%，而冷风渗透热损失和户间传热损失由42%升高为55%。这说明，户间传热损失和用户开窗热损失是目前供热运行调节需要降低的重点。

非节能建筑外墙和1步节能建筑外墙在更容易破坏原先供暖的舒适度，需要进行保温改造；2步节能建筑外墙在降温时会急剧降温，应根据具体围护结构做法分析保温。

3步节能建筑和4步节能建筑外墙在室外降温时保温性能良好，在供热运行调节时供暖运行的目标控制温度可调低1℃～2℃，在供热调节时间上也可比非节能建筑延迟2小时～3小时。