真空绝热板对我国不同气候区建筑能耗的影响模拟分析
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分享时间：2022-04-13
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摘要：针对真空绝热板(Vacuum Insulated Panels，简称Vies)和聚苯乙烯泡沫2种围护结构住宅建筑
模型。运用Doe-2能耗分析软件对我国不同气候区的住宅建筑能耗进行动态模拟，计算采暖能耗、制
冷能耗、总用电量及减排量。分析建筑物的朝向对能耗的影响。结果表明，南向建筑能耗最低，比东
向建筑能耗要低20％左右，发现使用VIPs比聚苯乙烯泡沫节能最多达到18．8％，二氧化碳减排接近
5000kg。
1研究背景
据统计，我国建筑能耗占社会总能耗的比例已从1978年的10％上升到目前的27．6％，是能源消耗增长最快的领域，预计到2020年将增加到35％。住宅建筑能耗中采暖和空调能耗占总能耗的65％，厨房饮食占6％，电视照明占14％，热水占15％，采暖空调所占比例最大，因此这部分具有很大的节能潜力…。在住宅建筑中围护结构漏热量占总散热量的64％，降低这部分能耗为住宅建筑节能的重点。
真空绝热板(Vacuum Insulated Panels，简称Vies)是一种非常有效的热屏蔽物，由芯材、阻隔膜和吸气剂组成。它是基于真空绝热原理，由芯部的微孔材料与真空保护表面隔膜复合而成的新型、高效的绝热材料，采用抽真空的方法将存留在绝热空间内的气体清除掉，这样使得气体导致的各种传热途径被消除，起到了非常有效的热屏蔽作用，同时也起到了支撑壁面的作用旧j。VIPs具有极低的热导率，通常为4—6mW／(m·K)，且在生产过程中，并未使用消耗臭氧层物质(Ozone Depleting Substances，简称ODS)，具有环保和高效节能的特性，是目前世界上最先进的高效保温材料¨J。其热导率可以达到传统绝热材料的1／4甚至1／10Hj。因此，随着能源危机日益严峻，VIPs受到了国内外各行各业的青睐。近20年来，真空绝热板受到了国际研究组织的高度重视，就真空绝热的基本问题和真空绝热板在建筑领域应用的实际问题进行了深入地研究"1。欧溯的一些发达国家已实现了Ⅷs的产业化生产和大规模的应用，甚至已经出现了以Vies作为建筑材料的新型节能建筑，并且向建筑领域不断拓展¨J。VIPs不仅具有良好的阻热性能，还能为建筑节省空间，设计潜力很大，还将带来不可估量的经济利益¨1。开发建筑专用VIPs技术，不仅将有力地推动我国住宅建筑的节能减排工作，而且可以实现建筑绝热材料的零ODP，有效地增加室内使用空间，具有重要的社会能源环境效益。目前，在我国VIPs技术还不成熟，仅限于高端食品冷冻、冷藏及家电中应用的少量产品。鉴于VIPs技术在建筑上应用的特殊性，本文对VIPs技术在建筑上的应用进行了模拟分析，量化了其节能潜力，并分析了VIPs技术对环境的影响【8q J。
建筑能耗的计算方法有很多，总体分为理论计算与动态软件能耗模拟计算2种方法，理论计算有度日法、当量满负荷运行时间法、温频法。常用的能耗模拟软件有Doe-2、EncrgyP|us、eQUEST、DEST等。本课题采用能耗模拟工具是以Doe-2(Department of Energy,Version2)为内核的能耗工具，Doe-2是应用最广泛的能耗分析工具。该课题研究可以对建筑物的采暖/空调负荷、采暖空调设备的能耗等进行全年8760h逐时模拟的建筑能耗模拟工具，适用于我国各个建筑区的建筑能耗分析[10-1]。
2建筑能耗的计算
2.1典型城市的选取
我国幅员辽阔，南北跨越纬度近50°。由于气候的多样性和地形的复杂性，很多地区气候特征差别很大。根据不同的分类目的，划分气候类型有很多方法。根据建筑散热设计划分，可以分为5个主要的气候区，分别为严寒地区、寒冷地区、冬冷夏热地区、温和地区、冬暖夏热地区[12-13]。本文分别从5个建筑气候区中各选择1个典型的城市来进行分析，如表1所示。
2.2基准建筑模型的建立
每个城市住宅建筑会使用不同的围护结构设计以适应当地的气候，例如在严寒地区的哈尔滨，外墙和屋顶往往会使用大量的保温绝热材料，以达到减少采暖热损失的目的。在热带的三亚，空调负荷为主导，外墙保温就没那么重要。但是，为了统计能耗变化情况，对比真空绝热板对各个气候区建筑的影响，在5个典型城市模拟应用相同的建筑模型，如图1所示。
建筑模型的基本情况是：
1)层高2800mm，共6层，楼高16800mm。
2)建筑总面积3394．26m2，窗户面积总和697．36m2，外墙面积总和2404．10m2，屋顶面积590．7m2。
3)外窗均为双层(6遮阳Low—E+9空气+6透明)中空玻璃，遮蔽系数为0．44。
4)采暖空调设备为家用空气源热泵空调器，采暖能效比1．9，制冷能效比2．3，换气次数为1次／h。
5)冬季采暖要求：室内温度6：00—22：00为22℃，22：00～次日5：00为18℃。
6)夏季制冷要求：室内温度6：00～22：00为26℃，22：00～次日5：00为30℃。
7)照明要求时间统一设定为6：00—22：00，单位建筑面积照明用电量为5．10kWh／m2。
为了方便对比2种不同的保温材料组成的建筑围护结构的建筑能耗，故建立2个建筑模型，在建筑模型A中围护结构的绝热材料是聚苯乙烯泡沫，建筑模型B的围护结构绝热材料选用VIPs。围护结构传热系数等具体数据，如表2所示。2个模型中保温材料的具体参数如表3所示。
2．3计算结果
使用能耗分析工具Doe-2分别对5个气候区典型城市住宅建筑进行能耗模拟。根据输入的建筑情况(包括建筑结构、围护结构材料、采暖空调方式与系统分布、室内人员活动规律、照明情况等)和室内设定温度值的要求，动态计算出建筑物的全年能耗情况。
2．3．1建筑物朝向对能耗的影响
为了得到建筑物最佳朝向，分别分析了建筑物向南、东、西、北4个朝向的采暖能耗、制冷能耗和总能耗，如图2一图4所示。