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1、图 1SIP 板结构构造图 Fig.1 Construction drawing of SIP plate 收稿日期：2014-03-31；修回日期：2014-05-07 * 基金项目：高校省级优秀青年人才基金项目(2011SQRL118) 0引言 SIP 板是一种新型的夹心保温板，由 2 层 OSB 板 (欧松板)作为面层，中间层由保温材料 EPS 板作为夹 芯板，各层之间使用环氧树脂进行粘接，其构造层次 如图 1 所示。 这种板材具有强度高、质量轻、隔声效果 好、抗震能力强、设计方便、施工快捷的特点，具有广 泛的应用前景1-2。 但是这种轻质的墙体材料的热工性 能不同于传统墙体材料，SIP
2、 板结构主要组成材料是 EPS 板，其与传统材料热工性能如表 1 所示。 从表 1 中可以看出作为 SIP 板主要材料的木屑 板、EPS 板相对于传统材料钢筋混凝土、砖砌体、水泥 砂浆而言，具有密度小、导热系数小和蓄热系数小的 特点。SIP 结构导热系数小对建筑节能是有利的，但是 其蓄热系数小会造成室内温度有较大的波动，对于降 低建筑能耗是不利的。 需要对其能耗特点进行单独的 分析。一些学者也对围护结构进行了分析，杨丽萍4分 析了轻质围护结构不舒适的真正原因；Geros5等人研 SIP 轻质围护结构节能优化研究 * 管乃彦 1， 吕亚军 2 (1.天津大学 建筑学院 绿色建筑研究所，天津市建筑
3、物理与生态技术实验室，天津300072； 2.华北水利水电大学，郑州450045) 摘要：SIP 板结构作为一种新型的围护结构体系，具有热阻大、质量轻的特点，应用前景广泛。 但是这 种板材的蓄热能力较差，室内热环境容易受到室外环境的影响，这对建筑节能不利。 采用 De- signbuilder 能耗模拟软件进行能耗分析，并通过被动式措施(遮阳的运用、围护结构与高热惰性 材料进行复合、改变围护结构窗墙比)对该围护结构形式进行全年能耗分析，通过调整所采用 措施的参数，总结出最优布置方法，为 SIP 板结构的节能设计提供参考。 关键词：轻质围护结构；遮阳；重质材料复合；窗墙比 中图分类号：TU111
4、.4文献标志码：A文章编号：1673-7237(2014)06-0028-04 Energy Saving Optimization of the Lightweight Enclosure Structure of SIP GUAN Nai-yan 1, LYU Ya-jun2 (1.School of Architecture，Tianjin University, Tianjin Key Laboratory of Building Physical Environment and Ecological Technology, Tianjin 300072, China; 2.North
5、 China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China) Abstract: As a new retaining structure system, SIP has the characteristics of high thermal resistance, light weight, and has wide application prospect. But it has poor heat storage capacity, and the indoor ther mal env
6、ironment is easily influenced by outside environment, so it is not conducive to building energy sav ing. Through software Designbuilder for simulation of energy consumption, this paper adopts a series of passive measures (the shading, compounding the heavy thermal inert material to the envelope, cha
7、nging the ratio of window to wall) in order to analyze the annual energy consumption of the enclosure structure. Through adjusting the parameters of measures adopted, the optimal layout is concluded as reference for en ergy-saving design of SIP board structure. Keywords: lightweight enclosure struct
8、ure; sunshade; heavy composite materials; window-wall ratio OSB 板 EPS 板 建筑节能 2014 年第 6 期(总第 42 卷第 280 期) doi：10.3969/j.issn.1673-7237.2014.06.008 保温隔热与材料 28 表 1围护结构材料性质3 Table 1 Properties of materials 究了建筑结构、通风状况和气候条件下，夜间通风降 温对建筑能耗值的影响；Roueoult6等人对建筑围护 热惰性与自然通风对建筑能耗的影响进行了研究；简 毅文7对传统结构窗墙比对建筑能耗值进行了研究
9、， 并得出了加大南向窗墙比可有效降低全年能耗值的 结论。 本文对影响 SIP 板结构能耗的因素(建筑遮阳，与重 质材料进行结合，围护结构窗墙比)，使用 Designbuilder 建筑能耗模拟软件进行模拟，对这些因素进行组合并进 行优化设计，从而在最大限度上节约建筑能耗。 1研究对象 以天津地区某 SIP 结构建筑为研究对象， 其建 筑面积为 74 m2，建筑的外墙采用 SIP 板结构；本文在 对该结构进行研究的时候，该建筑的工作模式按照办 公建筑进行使用，即在白天进行使用，而在夜间不使 用。 外围护结构为 SIP 板，面板为 10 mm OSB 板， 中间芯板为 210 mm 厚的 EPS
10、板， 总的传热系数为 0.169 W/(m2 K)；窗户采用 Low-E 玻璃，传热系数为 1.2 W/(m2 K)，太阳辐射得热系数为 0.576，其布置如 图 2 所示。 图 2洞口分布图 Fig.2 Plan of the hole 1.1设置参数的确定 本文使用 DesignBuilder 软件进行模拟分析，工 作时间为 8：0017：00，照明功能密度值 LPD 值为 7 W/m2，选用吸顶式照明方式。 白天人们在室内工作， 夜晚没有人员活动，人员密度为 0.03 人 /m2，人体新 陈代谢率为 0.9。 夏季，空调的开启时间为每天的 8：0017：00，室内温度控制在 26 ，其余
11、时间空调 关闭，夜间采用自然通风的方式降温蓄冷，夏季夜间 通风次数暂定为 4 次 /h，室内照明设施和办公设备总 的发热量定为 400 W。 在冬季，每天的工作时间为 8：0017：00，室内的温度定在 18 ，非工作的时间 室内温度定为 12 ，每年的供暖时间为从每年的 11 月 15 日到第二年的 3 月 15 日，总共 121 d。 在冬 季为了保证有足够的新鲜空气， 同时又能够节约能 源，把室内的换气次数定为 1 次 /h，室内人员和设备、 照明与夏季的工作状况相同。 2各因素对建筑能耗的影响 2.1遮阳帘的反射系数对能耗值的影响 夏季的时候，太阳辐射能够极大地增加空调的冷 负荷，而遮
12、阳则能够降低夏季空调冷负荷。 为了检验 遮阳对该建筑能耗的影响， 本文采用了布艺遮阳帘， 夏季通过改变遮阳帘的反射系数来调整太阳光进入 室内的辐射强度， 遮阳帘的反射系数分别取 0、0.2、 0.4、0.6、0.8、1，冬季不采用遮阳，得到的能耗结果如 图 3 所示。 图 3随反射系数变化能耗值 Fig.3 Changes of energy consumption value with the reflection coefficient 窗五 窗四窗三 窗一窗二 门一 门二 管乃彦，等：SIP 轻质围护结构节能优化研究 29 表 3选用玻璃情况 Table 3 Properties of
13、the glass 从图 3 中可以看出： (1)该建筑在未使用遮阳帘以前，夏季能耗值为 55.53 kW h/m2，而冬季能耗值为 18.89 kW h/m2，夏季 能耗值占全年能耗值的 74.50%， 可见使用布艺遮阳 帘后对建筑能耗降低具有极大的作用。 (2)当使用遮阳帘以后，随着布艺遮阳帘太阳辐射 反射系数的增大，夏季的能耗值由 55.53 kW h/m2 降低到 14.53 kW h/m2，降低了 74.54%；冬季的能 耗值保持 18.89 kW h/m2不变，全年的能耗值由 74.42 kW h/m2降为 33.42 kW h/m2，降低了 55.66%。 在以下的研究过程中选用
14、布艺遮阳帘反射系数 为 0.8。 2.2与重质材料进行复合 由于 SIP 板质量较轻，蓄热能力差，这样在夏季 即使增加通风换气的次数， 也不能起到夏季夜间蓄 冷、冬季白天蓄热的作用。 为了有效降低该建筑的能 耗， 可以将 SIP 板与热惰性较大的材料进行复合，同 时，也能够为室内提供舒适的热环境。 黏土是热惰性 非常好的一种材料(如表 2)，并且易于就地取材，可以 重复利用，是一种绿色环保的建筑材料，在以下的研 究中将黏土与 SIP 板进行复合，构造如图 4。 表 2材料性质 Table 2 Properties of materials 图 4构造示意图 Fig.4 Construction
15、 drawing of the plate 将黏土层铺设于地面以上，同时做好固定的构造 措施。 设置夏季夜间通风换气的次数为 4 次 /h；在冬 季的时候不进行遮阳处理，设置冬季通风换气的次数 为 1 次 /h。 模拟结果如图 5 所示。 图 5随黏土层厚度变化的能耗值 Fig.5 Changes of energy consumption with clay layer thickness values 由图 5 可以看出： (1)与黏土层进行复合后，夏季、冬季、全年的总能 耗值较没有复合黏土层时有比较明显的降低，并且随 着黏土层厚度的增加，夏季、冬季、全年的总能耗值越 来越低； (2)当黏
16、土层的厚度小于 40 mm 时，随着黏土 层厚度的增加，夏季、冬季和全年的能耗值下降较 为明显；但是当黏土层厚度大于 40 mm 厚时，随着 黏土层厚度的增加，夏季、冬季和全年的能耗值降 低并不明显，所以对于本建筑来说可以取 40 mm 厚 的黏土层。 2.3窗墙比对能耗值的影响 在夏季时，门窗等洞口能够吸收太阳辐射，会增 加夏季的空调能耗；但是在冬季，窗户能够透过太阳 辐射获取热量，对降低采暖负荷是有利的，采用多大 的窗墙比能够使得全年的能耗值最低是需要研究确 定的。 本文采用如表 3 所示 3 种玻璃进行研究，只在 南向墙体上开窗， 并且围护结构各个表面都复合上 40 mm 厚黏土层。 从
17、图 6 可以看出，南向情况下，使用 3 种玻璃能 耗值的变化趋势具有一致性， 随着南向窗墙比的增 加，全年的能耗值出现了先减小后增大的趋势，当南 向窗墙比为 0.4 的时候，全年的能耗值是最低的。 SIP 板 复合 SIP 板 黏土层 管乃彦，等：SIP 轻质围护结构节能优化研究 30 (上接第 23 页) 4.3经济方面 电驱动冷水机组制冷 + 锅炉供暖的这种用能方 式初投资费用较燃气直燃机少，但占地面积较大且运 行费用偏高。 燃气直燃机初投资费用大，但运行费用 低，一般在较短的时间内即会收回成本。 燃气直燃机 的使用可提高燃气管网利用率，降低燃气成本；同时 某些当地燃气部门对这种能够调节季
18、节性负荷以降 低燃气成本的用户，对燃气实行优惠价格，以降低业 主的运营费用。 综上所述，电力和天然气是可以满足日益增长的 能源需求，又能缓解环境污染的高效优质能源。 电驱 动冷水机组制冷 + 锅炉供暖能源利用率高， 能耗少； 燃气直燃机的高效利用，对于缓解电力和天然气的峰 谷差异有明显的效果，当前电驱动冷水机组制冷和燃 气直燃机具有各自适用的条件，可以根据建设项目的 实际能源利用情况，进行能耗、经济技术指标对比论 证后进行冷热源方案选择。 4.4二氧化碳排放方面 采用电驱动冷水制冷机组比直燃式吸收机组减 少更多的碳排放量，采用电动冷水机组的碳排放量仅 为直燃式吸收机的 61.9%。 则从制冷能
19、源利用的角度 分析，采用电驱动冷水机组制冷比燃气直燃机制冷更 为低碳，每年可减少 162 t 二氧化碳排放。 参考文献： 1彦启森.空气调节用制冷技术M.第四版.北京:中国建筑工业出版 社,2010. 2吴味隆.锅炉及锅炉房设备M.第四版.北京:中国建筑工业出版社, 2006. 3贺平,孙刚.供热工程M.第四版.北京:中国建筑工业出版社,2009. 4赵荣义.空气调节M.第四版.北京:中国建筑工业出版社,2009. 5李德英.建筑节能技术M.北京:机械工业出版社,2006. 6GB 507362012,民用建筑供暖通风与空气调节设计规范S. 7CJJ 342010,城镇供热管网设计规范S. 8
20、GB 500282006,城镇燃气设计规范S. 9北京市人民政府.关于印发北京市 “ 十二五”时期能源发展建设规划 的通知L.京政发201143 号.2011.8. 10北京市企业(单位)二氧化碳排放核算和报告指南R.北京:北京中 创碳投科技有限公司,2013. 作者简介：张然(1982)，男，北京人，毕业于北京工业大学，硕士，工程 师，技术咨询部主任，控制工程专业，从事节能减碳及其相关技术研究 (zhangran_)。 图 6南向随窗墙比变化全年能耗指标 Fig.6 Changes of annual energy consumption index with the south windo
21、w wall ratio 3结论 对于该 SIP 结构，其被动式节能优化策略主要有 以下几点： (1)当使用布艺遮阳帘的时候，夏季能耗值有明显 的下降，随着布艺遮阳帘反射系数的增加，轻质围护 结构能耗值有比较明显的下降； (2)当使用黏土层与该围护结构进行复合时，能耗 值下降比较明显，当黏土层的厚度大于某值后，能耗 值下降并不明显，在进行设计的时候黏土层的厚度应 该等于该值； (3)采用以上措施后，南向墙体的窗墙比控制在 0.4，其他方向上，在满足通风、采光的情况下尽量降 低其他方向墙体的窗墙比。 参考文献： 1胡红梅.墙体材料改革的必要性和改革趋向J.工业建筑,1995,(4): 27-30
22、. 2杨娟.浅析 SIP 板的发展应用及前景J.住宅产业,2011,(12):32-36. 3刘加平.建筑物理M.北京:中国建筑工业出版社,2009:164-165. 4杨丽萍,闫增峰.轻质复合围护结构建筑的室内热环境分析J.四川 建筑科学研究,2012,36(6):265-268. 5GEROS V, SANTAMOURIS M, TSANGRASOUIIS A, et a1. Experi- mental evaluation of night ventilation phenomena J. Energy and Build- ings,1999,29(2):141-154 6ROUCO
23、ULT J M, DOUZANE O, LANGLET T. Incorporation of ther- mal inertia in the aim of installing a natural night time ventilation system in buildingsJ. Energy and Buildings,1999,29(2):129-133. 7简毅文,江亿.窗墙比对住宅供暖空调总能耗的影响J.暖通空调, 2006,36(6),1-5. 作者简介：管乃彦(1981)，男，山西人，毕业于天津大学，博士，中级， 建筑技术科学专业， 从事建筑工业化方向的研究(420035413qq. com)。 管乃彦，等：SIP 轻质围护结构节能优化研究 31