建筑體形參數(shù)與外擾因素影響下冷負(fù)荷的相關(guān)性分析

苑翔，龍惟定，張潔

(1. 同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海，201804；2. 同濟(jì)大學(xué) 中德工程學(xué)院，上海，200092)

區(qū)域供冷負(fù)荷受到許多因素的影響。區(qū)域內(nèi)建筑的形式多種多樣，不同類型的建筑組合，其空調(diào)冷負(fù)荷最大值出現(xiàn)的時(shí)間和大小不同。建筑體形參數(shù)包括建筑體形系數(shù)、窗墻面積比和建筑長寬比等參數(shù)，其中，建筑窗墻面積比對(duì)空調(diào)負(fù)荷的影響較大，其次為建筑的體形系數(shù)。建筑的長寬比不僅對(duì)冷負(fù)荷有影響，而且對(duì)空調(diào)最大負(fù)荷出現(xiàn)的時(shí)間也有較大影響；此外，對(duì)于不同長寬比的建筑，朝向?qū)照{(diào)最大冷負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)間的影響也較明顯。人們就建筑體形參數(shù)對(duì)建筑能耗的影響進(jìn)行了較多的研究[1-4]，但大多都是針對(duì)建筑能耗的研究。侯余波等[2]分析了建筑物全年逐時(shí)的能耗值，指出南京地區(qū)建筑全年空調(diào)耗冷量與窗墻面積比呈線性關(guān)系；李玉云等[3]指出供暖耗熱量與所有朝向的窗墻面積比都呈正線性關(guān)系，窗墻面積比越小越有利于建筑節(jié)能；簡毅文等[4]用動(dòng)態(tài)模擬分析的方法，研究分析在不同朝向下窗墻面積比對(duì)建筑全年空調(diào)能耗的影響規(guī)律；龍恩深等[5]分析了窗墻面積比對(duì)建筑冷熱耗量和能耗相對(duì)變化率的影響，并分析了當(dāng)建筑體形系數(shù)不同時(shí)，窗墻面積比對(duì)全年空調(diào)耗冷量指標(biāo)及全年空調(diào)節(jié)能率的影響；文獻(xiàn)[6]分析了窗尺寸和建筑材質(zhì)對(duì)建筑熱舒適性的影響；劉倩等[7]對(duì)上海某節(jié)能住宅小區(qū)典型住宅樓進(jìn)行了能耗模擬；LONG[8]比較了不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱方式對(duì)采暖、空調(diào)及全年總能耗節(jié)能率的影響；Chow等[9-14]對(duì)區(qū)域建筑負(fù)荷計(jì)算模型進(jìn)行了探討，指出區(qū)域建筑供冷系統(tǒng)負(fù)荷特點(diǎn)與計(jì)算方法，但此方法是按照逐時(shí)相加取最大值的方法，沒有給出區(qū)域建筑規(guī)劃初期的負(fù)荷預(yù)測(cè)方法。本文作者忽略建筑內(nèi)擾的影響，僅考慮外擾產(chǎn)生的冷負(fù)荷，利用DOE-2程序逐時(shí)動(dòng)態(tài)模擬分析的方法，以上海地區(qū)的建筑為例，選取不同的體形系數(shù)、長寬比和窗墻面積比，得出不同朝向下的最大冷負(fù)荷值，并分析最大冷負(fù)荷出現(xiàn)的時(shí)間，得到單位體積下的建筑冷負(fù)荷指標(biāo)，為區(qū)域供冷負(fù)荷預(yù)測(cè)提供參考。

1 建筑冷負(fù)荷及體形參數(shù)分析

1.1 建筑冷負(fù)荷組成

建筑冷負(fù)荷包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱冷負(fù)荷、窗戶日射得熱形成的冷負(fù)荷、室內(nèi)熱源散熱形成的冷負(fù)荷和新風(fēng)形成的冷負(fù)荷等，某時(shí)刻建筑冷負(fù)荷值為：

式中：CLen為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱形成的冷負(fù)荷，包括外墻、屋頂和外窗溫差傳熱形成的冷負(fù)荷，W；CLw為窗戶日射得熱形成的冷負(fù)荷，W；CLin為室內(nèi)熱源散熱形成的冷負(fù)荷，包括人體散熱散濕形成的冷負(fù)荷、照明和設(shè)備散熱形成的冷負(fù)荷，若建筑為餐廳，則應(yīng)包括食物的散熱散濕形成的冷負(fù)荷，W；CLp為新風(fēng)形成的冷負(fù)荷，W。其中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱冷負(fù)荷和窗戶日射得熱形成的冷負(fù)荷是由建筑外部氣候條件因素引起的冷負(fù)荷，稱為外擾形成的冷負(fù)荷；室內(nèi)熱源散熱形成的冷負(fù)荷為內(nèi)擾形成的冷負(fù)荷。內(nèi)擾冷負(fù)荷主要由建筑內(nèi)使用人員和設(shè)備因素引起，其規(guī)律性較差，又由于建筑使用功能復(fù)雜多樣，區(qū)域供冷負(fù)荷的內(nèi)擾逐時(shí)冷負(fù)荷很難呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，所以，計(jì)算區(qū)域供冷負(fù)荷的內(nèi)擾冷負(fù)荷只能用情景分析的方法，設(shè)置有限的情景大致掌握其規(guī)律。與內(nèi)擾冷負(fù)荷相比，外擾冷負(fù)荷有相對(duì)穩(wěn)定的規(guī)律性和周期性，在同一地區(qū)，不論內(nèi)部使用情況如何，所有的建筑都處在相同的氣候條件下，不同建筑的冷負(fù)荷差異只與建筑本身的特性參數(shù)有關(guān)。

由以上分析，暫不考慮內(nèi)擾因素形成的冷負(fù)荷，以此分析建筑體形系數(shù)與建筑冷負(fù)荷的關(guān)系。令CLin=0，CLp=0，則

式中：CLout為建筑外擾形成的冷負(fù)荷，由建筑外部氣候條件因素引起的冷負(fù)荷，W。

1.2 建筑體形系數(shù)

設(shè)建筑形狀為柱形，建筑的占地面積為 A，建筑水平面周長為l，建筑高度為h，建筑外表面積為F，建筑體積為V，則建筑的體形系數(shù)T可以表示為：

若建筑為矩形建筑，長和寬分別為a和b，則

由式(4)可以得出：對(duì)于矩形建筑，體形系數(shù)與建筑尺寸成反比。體形尺寸越大的建筑，體形系數(shù)越小。根據(jù)冷負(fù)荷系數(shù)法，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱冷負(fù)荷CLen和窗戶日射得熱形成的冷負(fù)荷CLw可分別表示為：

式中：Ki為外墻、屋頂或外窗的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Fi為外墻、屋頂或外窗的面積，m2；Fw為外窗凈有效面積，m2；tw為外墻、屋頂或外窗的逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算溫度，℃；tn為夏季空調(diào)室內(nèi)計(jì)算溫度，℃；CS為窗玻璃的遮擋系數(shù)；Cn為窗內(nèi)遮陽設(shè)施的遮陽系數(shù)；DJ·max為日射得熱因數(shù)最大值，W/m2；CLQ為冷負(fù)荷系數(shù)。

設(shè)某建筑的外表面積為F(包括屋頂面積)，其建筑窗體面積與建筑外表面積比為x，建筑的窗面積為x·F，屋頂和外墻所占外表面積比例記為 xi，則建筑外擾冷負(fù)荷可寫為：

由式(7)可以看到：建筑外擾冷負(fù)荷與建筑外表面積呈線性關(guān)系，同時(shí)，影響冷負(fù)荷的建筑體形參數(shù)還有窗墻面積比與朝向。在式(7)的左右兩邊同除以建筑體積V，可得：

式中：CLv=CLout/V，即建筑單位體積冷負(fù)荷。

由式(9)可以看出：在窗墻面積比不變的情況下，單位體積冷負(fù)荷與體形系數(shù)呈線性關(guān)系；在相同的體形系數(shù)下，單位體積冷負(fù)荷與窗墻面積比呈線性關(guān)系。

2 模擬分析

選取上海地區(qū)矩形建筑作為研究對(duì)象，由于朝向和長寬比對(duì)建筑最大冷負(fù)荷出現(xiàn)的時(shí)間和大小有很大的影響，所以，選取不同長寬比的建筑分別模擬計(jì)算其冷負(fù)荷。

設(shè)建筑模型為公共類建筑，墻體材料為 240 mm厚普通磚墻，雙面抹灰，根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)夏熱冬冷地區(qū)公共建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)限值的限制[15]，選取65 mm厚瀝青膨脹珍珠巖保溫層，墻體總傳熱系數(shù)為0.97 W/(m2·K)，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為 0.7 W/(m2·K)，外窗傳熱系數(shù)為 3.0 W/(m2·K)[16]，各方向遮陽系數(shù)均為0.45，無外遮陽，夏季室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)溫度為25 ℃。為了分析方便，假設(shè)建筑內(nèi)的空調(diào)作用面積與建筑面積相同，且溫度均勻。

圖1所示為建筑模型和朝向示意圖，建筑長度為a，寬度為b，高為h，本文所有建筑長度a大于寬度b，建筑長邊與東西方向的夾角定義為β，所有建筑為對(duì)稱建筑，對(duì)稱立面的窗墻面積比相同，則建筑的朝向定義為建筑長邊所在立面對(duì)應(yīng)的方向。根據(jù)對(duì)上海地區(qū)的建筑實(shí)際調(diào)查，長度邊立面的窗墻面積比一般大于寬度邊立面的窗墻面積比。在設(shè)定窗墻面積比時(shí)，按照建筑長寬比來設(shè)定各立面的窗墻面積比，即長度邊立面的窗墻面積比與寬度邊立面的窗墻面積比的比值等于長寬比。

以下選取不同體型和窗墻面積比的建筑，從美國勞倫斯國家實(shí)驗(yàn)室的 TMY2(典型氣象年)獲取氣象數(shù)據(jù)，應(yīng)用DOE-2計(jì)算軟件進(jìn)行模擬分析，從模擬結(jié)果中選取全年冷負(fù)荷最大值。

根據(jù)不同的長寬比選取的12座建筑，其體形參數(shù)和體積如表1所示。

圖1 建筑模型和建筑朝向示意圖Fig.1 Sketch map of building model and building orientation

表1 模型建筑的體形參數(shù)與體積Table 1 Shape factors and volumes of model buildings

2.1 單位體積最大冷負(fù)荷與窗墻面積比的關(guān)系

每座建筑改變其窗墻面積比，在 0.2～0.5范圍內(nèi)選取5個(gè)值，同時(shí)改變朝向，β取0°，45°，90°和135°共4個(gè)值，由模擬的結(jié)果得到單位體積冷負(fù)荷最大值與窗墻面積比的回歸分析，如表2所示。

表2 全年單位體積冷負(fù)荷最大值與窗墻面積比關(guān)系的一次回歸方程Table 2 Regression equation of relationship between building peak cooling loads of per volume and window-wall ratio

由表2可得：在建筑朝向和建筑尺寸不變的情況下，只改變窗墻面積比，則單位體積最大冷負(fù)荷與窗墻面積比成線性關(guān)系。窗墻面積比越大，單位體積最大冷負(fù)荷越大。

2.2 單位體積最大冷負(fù)荷與朝向的關(guān)系

從不同的長寬比建筑中分別選取建筑5和建筑9作為研究對(duì)象，2座建筑具有相近的體形系數(shù)。由表2中的回歸方程可以得到不同窗墻面積比下的2座建筑在各朝向的單位體積最大冷負(fù)荷，如圖2和圖3所示。

圖2 長寬比為3∶1的建筑朝向與單位體積最大冷負(fù)荷關(guān)系Fig.2 Relationship between building peak cooling loads of per volume and building orientation at 3∶1 of length-width

圖3 長寬比為4∶1的建筑朝向與單位體積最大冷負(fù)荷關(guān)系Fig.3 Relationship between building peak cooling loads of per volume and building orientation at 4∶1 of length-width

從圖2和圖3可以看出：朝向?qū)ㄖ畲罄湄?fù)荷影響是很明顯的：建筑朝向?yàn)槟蠒r(shí)，比建筑為東、西方向時(shí)有更小的最大冷負(fù)荷值。這是因?yàn)樵诮ㄖ驗(yàn)闁|、西方向時(shí)，由于太陽的入射高度角比較小，照射到室內(nèi)的太陽輻射得熱量較大，其中，建筑朝向?yàn)槲髂蠒r(shí)比朝向?yàn)闁|南時(shí)的最大冷負(fù)荷稍大。這是因?yàn)槌驗(yàn)槲髂戏较驎r(shí)，建筑得到太陽輻射得熱最大值的時(shí)刻是在下午，由于建筑對(duì)于得熱量的蓄熱和延遲作用，其最大值比朝向?yàn)闁|南方向時(shí)要大。從圖2和圖3還可以看出：建筑的長寬比越大，朝向?qū)ψ畲罄湄?fù)荷的影響就越明顯；同時(shí)，若窗墻面積比逐漸增大，朝向?qū)ㄖ畲罄湄?fù)荷的影響就越明顯。

模擬結(jié)果顯示：各建筑在同一朝向下，不同窗墻面積比對(duì)應(yīng)的冷負(fù)荷最大值出現(xiàn)時(shí)間(以天為周期)是相同的，最大值出現(xiàn)的時(shí)刻有時(shí)不在同一天，但最多相差不超過72 h，如表3所示。其中：AUG表示8月份，JUL表示7月份，AM表示上午，PM表示下午，NOON表示中午12時(shí)。

從表3可以得出：雖然建筑的窗墻面積比不同，最大冷負(fù)荷不相同，但在同一朝向下最大冷負(fù)荷出現(xiàn)的時(shí)刻是相同的，因此，在同一朝向下的建筑峰值負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)刻相同。

2.3 單位體積最大冷負(fù)荷與體形系數(shù)的關(guān)系

將表1中的12座建筑按照體形系數(shù)從小到大排列，體形系數(shù)相同的選其中之一，選出10座建筑作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，窗墻面積比取 0.20，0.25，0.30，0.40和0.50共5個(gè)數(shù)值，代入表2中的回歸方程，可以得到不同朝向下的單位體積最大冷負(fù)荷與體形系數(shù)的回歸方程，如表4所示，關(guān)系曲線如圖4～7所示。

從表4可以看出：在相同的窗墻面積比下，單位體積最大冷負(fù)荷與體形系數(shù)呈良好的線性關(guān)系，體形系數(shù)越大，單位體積最大冷負(fù)荷就越大。由式(4)可知：體形系數(shù)與建筑尺寸呈反比例關(guān)系，所以，在窗墻面積比不變的情況下，建筑尺寸越大的建筑，單位體積最大冷負(fù)荷就越小。

表3 全年負(fù)荷最大值出現(xiàn)的時(shí)間Table 3 Time of peak loads of a year

表4 單位體積最大冷負(fù)荷與體形系數(shù)關(guān)系曲線的回歸方程Table 4 Regression equation of relationship between building cooling loads of per volume and shape coefficient

圖4 β=0°時(shí)體形系數(shù)與單位體積最大冷負(fù)荷關(guān)系Fig.4 Relationship between building peak cooling loads of per volume and shape coefficient at β=0°

圖5 β=45°時(shí)體形系數(shù)與單位體積最大冷負(fù)荷關(guān)系Fig.5 Relationship between building peak cooling loads of per volume and shape coefficient at β=45°

圖6 β=90°時(shí)體形系數(shù)與單位體積最大冷負(fù)荷關(guān)系Fig.6 Relationship between building peak cooling loads of per volume and shape coefficient at β=90°

圖7 β=135°時(shí)體形系數(shù)與單位體積最大冷負(fù)荷關(guān)系Fig.7 Relationship between building peak cooling loads of per volume and shape coefficient at β=135°

3 結(jié)論

(1) 單位體積最大冷負(fù)荷與窗墻面積比呈線性關(guān)系，窗墻面積比越大，單位體積最大冷負(fù)荷越大，減少開窗面積可以在一定程度上減少制冷機(jī)的裝機(jī)容量。

(2) 單位體積最大冷負(fù)荷與朝向有密切關(guān)系。建筑朝向?yàn)槟舷驎r(shí)，比建筑為東、西方向時(shí)有更小的最大冷負(fù)荷值。所以，應(yīng)減少建筑東西方向的開窗面積，若建筑為朝東向或朝西向的建筑，應(yīng)加強(qiáng)遮陽措施。同時(shí)，在無內(nèi)擾因素的情況下，同一朝向的不同窗墻面積比建筑其峰值負(fù)荷在1 d內(nèi)出現(xiàn)時(shí)間是相同的。

(3) 單位體積最大冷負(fù)荷與建筑體形系數(shù)呈線性關(guān)系，體形系數(shù)越大，單位體積最大冷負(fù)荷越大，建筑尺寸越大，單位體積最大冷負(fù)荷越小，即單位體積的制冷機(jī)裝機(jī)容量越小。

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