155 建筑围护结构热性能指标OTTV的研究与应用

1建筑围护结构热性能指标OTTV的研究与应用党奇徐新华华中科技大学建筑环境与设备工程系摘要：透过建筑围护结构进入空调建筑的得热量是构成建筑空调负荷的重要组成部分，因此很多国家通过立法设立标准来控制建筑围护结构的热工特性以达到建筑节能的目的。围护结构总传热值(OverallThermalTransferValue,OTTV)是一综合考虑墙体与屋顶的热特性，窗户的热特性及太阳透过窗户的热射得热的建筑围护结构性能指标。这一指标最早在美国提出，在东南亚及香港地区得到的一定的发展及广泛的应用并列入国家标准。但我国依然采用传热系数，窗墙比等参数控制建筑围护结构的设计。因此本文回顾OTTV的发展与应用，以期开展OTTV在我国的应用方面的研究。关键词：围护结构总传热值性能指标建筑节能1引言随着生活水平的提高，人们对室内环境的要求也越来越高，因而近年来建筑能耗不断攀升。在美国，2005商业用能占整个美国用能的18％而供热及空调占商业用能的27.3%【1】。在香港，商业建筑的空调能耗要占建筑能耗的一半以上。在我国，建筑用能已超过全国能源消费总量的四分之一，并将随着人民生活水平的提高逐步增加到三分之一以上，居住建筑用能数量巨大，浪费也很严重。另一方面，地球上的不可再生能源日益枯竭及环境日益恶化。这引起了社会及政府对建筑热工性能及能源利用率的高度关注。美国有相应的建筑设计节能标准【2,3】来控制围护结构的热工特性以期减少围护结构传热。在东南亚国家比如新加坡也有相应的建筑设计节能标准【4】。在我国，相应的标准是1995年发布的行业标准《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》、2001年发布的行业标准《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》、2003年发布的行业标准《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》等设计标准。在这些节能标准里建筑围护结构包括外墙，屋面及窗户等的热工性能是一个非常重要的参数。在我国的节能标准里，窗户的传热系数，外墙与屋面的传热系数及热惰性指标直接用来指导建筑节能设计。在美国的七十年代及八十年代采用采用建筑围护结构总传热值(OverallThermalTransferValue,OTTV)的方法来控制建筑围护结构的节能设计并颁布了相应的标准【2,5】。由于种种原因，该标准除了用于底层住宅建筑节能设计不再适应与其它的建筑节能设计【6】。但是在亚洲的很多国家和地区采用了OTTV这一指标来评价建筑围护结构的热性参数并用来控制建筑的围护结构节能设计。本文主要回顾这一指标在美国及新加坡，马来西亚及香港等的发展及应用，以期对我国的建筑节能研究及设计提供一个参考的作用。2OTTV在美国的发展与应用OTTV的全称是OverallThermalTransferValue，即总传热值。这一概念最早是在1975年的ASHRAE标准90-75【5】中提出的。这一标准随后修订为ASHRAE标准90A-1980【2】。在这个标准中，明确地给出了OTTV的计算方法和及其最大允许值。墙壁和屋顶的OTTV的计算公式如下。对于屋顶，OTTV的最大值为26.8W/m2,但是外墙的最大OTTV值因建筑的地点不同而有所不同。这些值都是采用面积平均的方法来计算的。2WWEQfffWWfUATDASFSCUAOTTVAAT(1)434.726.8RREQSSSRRSUATDASCUAOTTVAAT(2)其中，OTTVW与OTTVR是外墙与屋顶的OTTV值(W/m2)，UW,UR,Uf,US是外墙，屋顶，外窗，及天窗的传热系数(W/(m2•℃))，AW,AR,Af,AS是外墙，屋顶，外窗，及天窗的面积(m2)，TDEQ是外墙/屋顶的当量温差(℃)，该温差考虑了结构的衰减因子及时间滞后因素【7】,SC是窗户或天窗的遮阳系数，SF是太阳辐射得热因子(W/m2)ΔT是室内外设计条件下的温差(℃)。在上述的计算公式中采用了当量温差来说明围护结构的蓄热对建筑传热的影响。有的学者指出这一简化方法过于简单【8】，有的学者也认为在ASHRAE标准90A中，建筑围护结构和供暖、通风以及空调系统都是独立考虑的，并且很多要可考虑的因素限制了建筑设计的灵活性，因此该标准中对围护结构的热工参数的要求也有一定的局限性【9-12】。鉴于上述的不足，在修编的ASHRAE标准90A-a-1987【13】的附录中作了相应的修订。在随后的ASHRAE标准90.1-1989【6】中规定：只有低层住宅建筑沿用原先的OTTV值设计标准，其它的新建筑均采用新的标准。3OTTV在新加坡的发展与应用自从把OTTV作为建筑围护结构的热性能指标并作为ASHRAE标准90-75【5】的评价方法的一部分后，许多亚洲国家接受了这种方法，并建立了类似的OTTV公式用于控制建筑围护结构的节能设计。新加坡最先引进了这一方法，并于1979年正式在建筑节能手册中立法规定：空调建筑围护结构的外墙OTTV设计值不超过45W/m2；对于屋顶，空调和非空调建筑都需要进行隔热保温，同时屋顶的OTTV值不应超过与屋顶质量密度相对应的OTTV最大值【14】。五年后，新加坡政府重新修订了这一建筑节能手册【4】。在该手册中介绍了有天窗的屋顶OTTV值的新标准，以及在外墙的OTTV计算公式中确定外遮阳系数的新方法。但外墙的OTTV最大允许值保持不变。由于设计高大的中庭及和大面积的天窗是一种趋势，因此建筑屋顶的设计必须符合新的设计标准。Turieletal.【15,16】审阅了新加坡的建筑节能手册，并进行了研究。结果表明建筑的OTTV值与制冷耗能并不总是呈线性关系，仅仅只有在建筑外窗日照辐射得热量与建筑围护结构总得热量的比例为常量时，这一关系才成立。研究结果也表明在OTTV计算公式中低估了透过窗户的太阳辐射得热，夸大了穿过墙体及窗户的温差传热。因此在该手册中的OTTV计算公式低估了通过减低太阳日射得热而达到的节能潜力。该研究者建议在计算公式中提高太阳辐射得热因子SF。Ullahetal.【17】的研究表明，在OTTV方程中不透明外墙的得热量与其外表面吸收率呈线性关系，并根据该关系式可以估计墙体传热对OTTV的贡献率，并改写OTTV计算公式。新加坡的节能手册并未采纳这一计算式子，但该式子指出了外墙表面吸收率对OTTV计算公式的重要性。这一点在ASHRAE标准90-75中并未考虑。同样，ChouandLee【18,19】也审阅了新加坡的建筑节能手册和Turieletal.【15,16】提出的修订建议，同时也进行了研究。该研究指出，在非空调时间里的得热量的积累对空调耗能产生一定的影响并应该予以考虑，并定义为建筑空调面积在空调时间及非空调时间通过围护结构的年得热量与一年的总空调时间及围护结构的总面积的商，如式(4)。围护结构总得热量在OTTV方程的表示如式（3）。该研究这进一步研究了建筑方位、朝向、窗墙比(WWR)、遮阳系数(SC)，以及窗户和墙壁的传热系数等因素对由建筑围护结构得热而形成的全年冷负荷的影响。当量温差(TDEQ)、室内外温差(ΔT)、太阳辐射得热因子3(SF)的值可以利用DOE2软件【20】进行详细的模拟计算的结果进行计算。这些参数(TDEQ，ΔT，SF)不同于ASHRAE标准90-75【5】中的定义。ChouandLee提出的OTTV的计算方法的应用并不普遍但广为接受。OTTV建筑围护结构的总得热空调总工作时间围护结构面积(3)在新加坡，OTTV的计算方法在不断发展中。但重点已转变为用它作为由得热量产生的冷负荷的评估标准【21,22】。ChouandChang【21】根据ChouandLee【18,19】的成果进一步推导了OTTV计算公式并根据对一个普通的办公楼建筑的详细模拟并回归出该方程中的系数值。该OTTV计算式已被新加坡政府采用，并编入新标准中，计算出的OTTV值与实际空调系统的制冷耗能的关系也非常吻合【Goh2001】。在2000年，新加坡引入了围护结构传热值(EnvelopeThermalTransferValue，EETV)及屋顶传热值(RoofThermalTransferValue，RTTV)以取代之前的OTTV值。EETV与RTTV的计算公式基本上是根据OTTV的计算公式修改而来。其参数与OTTV的计算公式中的参数一样，即外墙与屋顶的当量温差(TDEQ)，室内外设计条件下的温差(ΔT)，太阳辐射得热因子(SF)，但这些参数是根据室外气候参数和严格的计算机模拟确定的。对于商业建筑，EETV与RTTV的最大值为50W/m2【23】。4OTTV在其它东南亚国家的发展与应用与新加坡类似，马来西亚在1987年也在其建筑节能标准里采用了OTTV作为商业建筑围护结构的热性能指标【24】。在正式采用OTTV之前，马来西亚工业大学【25】与亚细安－美国能源节约与管理项目组织【26,27】提出了两种不同的方法来控制建筑围护结构的热工性能。Kannnan【25】提出用窗户传热值(FenestrationThermalTransferValue,FTTV)来代替OTTV计算公式，同时限制外墙及屋面的传热系数，从而来控制透过建筑围护结构的得热量。FTTV只与穿过窗户太阳辐射得热有关，它的值应限制在45W/m2以下。有天窗的屋顶的最大OTTV值应控制在45W/m2以下，其计算公式与新加坡标准中的类似。亚细安－美国能源节约与管理项目组织建议采用OTTV来控制建筑围护结构的热工性能【26,27】。OTTV计算公式中的参数包括当量温差(TDEQ)，室内外温差(ΔT)，太阳辐射得热因子(SF)。八个不同方位的太阳辐射得热因子根据实测的太阳辐射强度及相关的公式计算得出。计算出的太阳辐射得热因子进一步用于TDEQ及ΔT的回归分析。利用模拟软件DOE-2可以详细计算透过不透明外墙及屋顶的传热、透过玻璃窗的传热及透过窗户的太阳辐射并进一步计算室内空调冷负荷。OTTV计算公式中的参数室内空调冷负荷(即机组负荷)及其它参数进行计算。在详细模拟的基础上发现墙体表面吸收率会影响机组8%至10%的负荷，因而认为是围护结构设计中的重要参数。墙体外表面吸收率作为一个参数包括在OTTV计算公式中，某个朝向的外墙的OTTV计算如式(4)。19.11194iwOTTVWWRUWWRSCCF(4)其中，是外墙外表面吸收率，CF是修正系数。马来西亚政府最终采纳了亚细安－美国能源节约与管理项目组织的建议，采用该组织提出的OTTV计算公式，并编入马来西亚标准【24】。它不同于ASHRAE标准和新加坡标准中的计算公式。在亚细安中的成员国中，印度尼西亚【28】，菲律宾【29】和泰国【30】都采用OTTV计算公式并对某些参数进行小的改动以实现对新建筑的热工性能进行控制。5OTTV在香港地区的发展与应用4香港直到上世纪80年代末才正式开始讨论建筑节能。ShillinglawandChen【31】基于当地的气象数据确定了OTTV的计算公式并对OTTV值的评估给出了分级。Chan【32】在用DOE-2计算室内得热的基础上，建立了商业建筑的OTTV计算公式。该公式中的参数是基于对一个40层的建筑围护结构的得热进行模拟之后进行多重线性回归得到的。该模拟建筑是香港地区具有代表性的建筑物。Chowetal.【33,34】利用多个能量模拟程序进行建筑围护结构的得热模拟进而研究OTTV计算公式。在香港目前规范中给出的OTTV计算公式的计算方法和相关数据【35】只适用于商业建筑和酒店。在该计算公式中只考虑了穿过不透明外墙和屋顶的传导得热，以及穿过外窗的太阳辐射得热。窗户的传导得热忽略不计。该规范也有一定的局限性，比如只考虑了围护结构的设计，忽略了建筑性能和服务系统之间的设计优化。因此该规范也饱受到批评，同时建筑专家也批评因使用OTTV方法限制了设计的自由和创新，计算程序也冗长而费时。为了消除这些不足，Hui【36】提出对建筑设计和建筑设备进行规范要求，以及一套评估建筑系统能耗性能的体系。他还制定了一套完整的方法来推导OT