外保温节能个性与共性的研究

　　由瓦克聚合物材料（上海）有限公司发起，联合北京、上海、广州3所高校和系统供应商共同启动了“外墙外保温系统在多种气候条件下的应用”研究项目。在代表寒冷地区、夏热冬冷地区和夏热冬暖地区的上述三地同时建造两间完全相同的样板房，其中一间安装外保温系统，一间未安装。经过一年多的实验发现，外墙保温系统在不同气象条件下都能够改善住宅舒适性，具有非常明显的节能效果。
　　对比外保温房特点
　　（1）对比房的实验条件。未保温房与保温房的几何参数必须完全相同，均为无窗建筑，且修建于空旷场地，其净面积、净高、朝向要保持一致，对比房的屋顶、地面的热工性能也要完全相同；三城市未保温房与保温房的墙体使用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）；未保温房与保温房安装的空调为1.5匹同样型号，每个空调单接5～10A的电表，人工记录电表读数并比较其用电量；未保温房与保温房安装完全相同的换气扇（90m3／h）；未保温房与保温房的空调设置为冬季加热20℃，夏季制冷25℃。
　　（2）对比房室内外气象条件。尽管北京、上海、广州的保温房与未保温房冬季空调设定温度均为20℃，但实验测定结果仍然存在一定误差。为了使模拟条件与实测的情况一致，模拟时以12月室内平均气温的实测数据作为室内设定条件。对于保温房，北京、上海、广州的室内温度估计分别为22℃、21℃、23℃；未保温房，室内温度分别为19℃、16℃、21.6℃（即文献所述分别低3℃、5℃和1.4℃）。由此可以看出，三地室外逐时气象条件对实验建筑的耗电量有重要的影响。
　　实测电耗与模拟结果的对比根据三地外保温对比房的热工特性及室内外气象条件，利用特征温度法对外保温房与未保温房的能耗进行模拟，从模拟结果得知，对于保温房，模拟的月采暖耗电量与实测的耗电量是比较接近的。北京的月耗电量偏小是因为模拟用气象的月均温度比实测月均温度要高；上海偏大是因为模拟用气象的月均温度比实测月均温度偏低所致；广州的月耗电量偏小，一是因为月均温度比实测月均温度要高，二是因为广州气温较高，可能有一定的空调耗电量，而对比实验只有一个电表无法区分所致，因缺乏公开的实验数据而没有模拟使偏差略大。但对于未保温房，按相同COP模拟的月采暖耗电量虽然高于保温房的模拟和实测的耗电量，总体趋势是正确的，但是，对应城市耗电量值低于或远低于实测的耗电量。我们认为，主要是因为三地实验对比房选用了完全相同的空调设备。未保温房采暖负荷远高于保温房的采暖负荷，当室外气温较低时，采暖负荷较大（尤其是未保温房负荷更大），热泵式空调设备不能满足室内负荷要求时，可能会开启电加热辅助加热装置，因此会使热泵的COP值降低，耗电量增加。因此在同一地方，即使采用完全相同的风冷热泵时，其COP值也可能是不同的。
　　综上所述，在三地对比实验条件下，利用特征温度法模拟采暖耗电量得到如下结论：
　　（1）气象条件的显著不同决定相同建筑在不同地方的负荷和能耗完全不同；
　　（2）当对相同建筑采取相同的外墙外保温措施，采暖负荷及耗电量在不同城市均有不同程度的降低，不同城市的月耗电量的降低量（即为节能量）是完全不同的，最大相差达2倍，说明气象条件也决定节能量的大小；
　　（3）由于相同的外保温系统在全国不同城市的初投资差异不大，因此，相同的保温系统在不同气候的城市的投资回报率和节能潜力存在显著的差异；
　　（4）对于保温房，三地采暖耗电量的模拟值与实测结果是比较接近的；
　　（5）对于未保温房，三地采暖耗电量的模拟值与实测结果存在一定的差异；
　　（6）模拟结果与实测数据的对比表明，用特征温度法进行建筑的负荷计算及能耗分析是可靠的。
　　对比实验的局限性通过对比实验推断外保温系统在不同气候区域的节能率是值得商榷的。主要有以下原因：尽管对比建筑的几何特征在三地完全相同，保温材料和屋顶处理完全相同，但外墙主体热工性能存在明显差异，因此，三地的建筑并非严格的相同；由于实验测定的是耗电量，对于某些时刻，当室外气温较低时，未保温房负荷较大，设备能效比较低，这些时刻的耗电量就大，与保温房相比，节能率很高。但节能率里即包括外保温系统的贡献，又有设备能效比的降低的贡献，因此，很难把外保温系统对节能的贡献区分出来。因此通过现有的实验数据很难得出外保温尽管系统的节能率。
　　项目的策划者煞费苦心，但是，在各地测试过程中，由于种种原因，客观上对比建筑在不同地方很难达到完全相同的运行参数，导致最终耗电量变化的影响因素太复杂。逐时能效比测量操作上有一定难度，太阳总辐射、散射、逐时风速均会影响建筑的耗电量，只有将所有因素逐一测量，才能得到外墙外保温系统的节能率。本项目火柴盒式建筑便是如此，真正有窗类建筑更要复杂得多，需要投入更多的人力、物力、财力，这是对比实验的局限所在。
　　对比房的室内外模拟条件要客观地评价外保温系统在不同气候条件下的节能效果，应该是在室内设定温度一致，围护结构热工性能、系统能效比完全相同的条件下比较。最好的办法是通过全年负荷模拟和能耗分析来研究。通过对哈尔滨、北京、上海、广州、武汉、重庆、昆明和乌鲁木齐等8个城市的气象条件下，用特征温度法研究同样的对比房、完全相同的设定条件的全年负荷情况，对解决相同外保温系统在不同气候下的节能率是否相近这一普遍关心的问题起到了一定的作用。
　　如果把上述两个对比建筑放置到不同气象条件的背景城市，那么我们就可以研究在所有设定条件相同的情况下，相同的外墙外保温系统在不同气候条件下全年的能耗变化规律。利用特征温度法进行能耗模拟时，使用的逐时气象数据有：干球温度、水平面太阳辐射、法向直射辐射、逐时湿度及室外风速等。
　　全年累计冷、热负荷模拟结果根据相应城市的逐时气象数据和上述对比建筑的设定条件，利用特征法模拟了8城市的全年累计采暖负荷和空调负荷，其结果为：
　　（1）对于平均气温较低的城市，其全年累计采暖负荷较大，而全年累计空调负荷较小；
　　（2）各城市的全年采暖负荷最大相差9.9倍，而各城市的全年空调负荷最大相差20.5倍，说明气象条件的显著不同决定相同建筑在不同地方的全年负荷完全不同；
　　（3）当对相同建筑采取相同的外墙外保温措施，全年的采暖负荷在不同城市均有不同程度的降低，全年空调负荷在不同城市也有不同程度的降低；
　　（4）相同的外墙外保温系统使不同城市的全年负荷的降低量（当系统能效比相同时，即为节能量）是完全不同的，最大相差达10－20倍。说明气象条件决定节能量的大小不同；
　　（5）由于相同的外保温系统在全国不同城市的初投资差异不大，因此，相同的保温系统在不同气候的城市的投资回报率和节能潜力存在显著的差异。这是建筑外保温系统节能的个性。
　　相同系统在不同气象下的节能率为了比较相同外保温系统在不同气候条件下的节能率，以未保温房的全年负荷为比较基础进行分析。由于全年负荷与能耗的关系取决于系统的能效比，当假设系统能效比在不同城市相同时，负荷降低率即为节能率。结果表明：
　　（1）尽管8个城市的全年采暖负荷最大相差达10倍以上，但是，相同外保温系统在不同城市的采暖节能率却是非常相近的；
　　（2）尽管8个城市全年空调负荷最大相差达20倍以上，但是相同外保温系统在不同城市的空调节能率也是基本相近的。
　　我们不难发现，建筑外保温系统节能的共性规律，即对相同建筑采取相同的外保温措施，在不同城市其节能率是相近的，但是这种相近性并不完全相同。事实上，上述全年的节能率是建立在对全年负荷变化规律分析的基础上得到的，它代表了全年能耗变化的宏观特征。为了揭示全年节能率总体相近但又绝非完全相同的特性，通过对重庆和哈尔滨对比分析逐时、逐月空调负荷降低率的变化分布规律与全年空调节能率的内在联系，结论也基本如此。
　　逐时负荷降低率对比分析
　　（1）当逐时空调负荷较大时，相同外保温系统的建筑空调负荷节能率较低，且变化不大。因未保温房的基础负荷较大，节能量也较大，比值变化小；
　　（2）当空调负荷较小时，空调负荷节能率较高；
　　（3）当换气量较大时，空调负荷节能率降低，主要是因为换气量同时额外增加了保温房与未保温房的负荷，而节能量基本不变，所以空调节能率总体降低。而节能率的变化范围是相近的，这就决定了全年空调节能率相近的必然性。逐月对比分析逐时的负荷变化规律影响逐月的负荷变化规律，从而最终影响全年宏观的节能率。通过对重庆、哈尔滨和昆明三城市的逐月空调负荷节能率变化分布规律可以看出，在全国的不同地方，不管是什么气象条件，对相同建筑采取相同的外保温系统，尽管建筑本身的全年负荷及节能量差异非常大，但同样措施的节能率是相近的；对于同一地方，对同一建筑采取某种节能措施后，在建筑使用寿命内，不管当地各年气象存在多大的差异，各年的能耗及该措施的节能量肯定是不同的，但对建筑采取节能措施后，各年的节能率肯定是相近的。这为在全国各地实施一系列现行建筑节能标准，提供了强有力的理论依据。
　　结论
　　（1）对于保温房，三地采暖耗电量的模拟值与实测结果是比较接近的；对于未保温房，三地采暖耗电量的模拟值与实测结果存在较大的差异。
　　（3）模拟结果与实测数据的对比表明，用特征温度法进行建筑的负荷计算及能耗分析是可靠的。
　　（4）对比实验与模拟结果表明，完全相同的对比建筑，在不同城市，全年的采暖与空调负荷是完全不同的，全年负荷在同城市的差异可达10－20倍，说明气象条件是决定负荷大小的外在因素。
　　（5）对于相同建筑采用相同的外保温系统，采暖负荷和空调负荷的全年减低量，在不同城市差异可能达到数十倍。由于相同外保温系统在不同城市的初投资差异不大，故相同节能措施在不同气象条件下的城市其经济价值和节能潜力是完全不同的。
　　（6）对相同建筑采用相同外保温系统，在不同城市的全年采暖节能率是相近的（约），在不同城市的空调节能率也基本相近。但是这种相近性并非是完全相同。气象特征的显著不同将在一定程度上决定全年节能率的相近程度。
　　（7）本文也证明了瓦克公司项目在不同气候条件下外保温系统可实现节能率40%以上的推断是正确的。