西藏地區(qū)太陽能采暖建筑熱工性能優(yōu)化研究

王 磊，馮 雅，曹友傳，余南陽

（1.西南交通大學(xué) 機械學(xué)院；2.中國建筑西南設(shè)計研究院；成都610031；3.西藏軍區(qū)后勤部基建營房處，拉薩850000）

西藏地區(qū)氣候寒冷、太陽輻射照度高，并且常規(guī)能源匱乏，當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境脆弱。在西藏地區(qū)大力推廣太陽能采暖系統(tǒng)有非常重要的現(xiàn)實與戰(zhàn)略意義。筆者自2006一直從事太陽能采暖系統(tǒng)設(shè)計、優(yōu)化與施工研究。根據(jù)現(xiàn)場實踐，筆者最大感受是業(yè)主愿意投資大量資金建設(shè)太陽能主動采暖系統(tǒng)，如安裝大面積太陽能集熱板，但不愿對提高建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能進(jìn)行投資，這就造成了建筑基準(zhǔn)能耗過高，在同樣太陽能保證率情況下（例如65%保證率），主動式系統(tǒng)投資過大，系統(tǒng)運行能耗過高。本文以某一典型的實際工程為例，利用建筑動態(tài)能耗模擬軟件（EnergyPlus與TRNSYS）對建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能對主動式太陽能采暖系統(tǒng)及系統(tǒng)能耗的影響進(jìn)行定量分析，從全壽命周期出發(fā)確定最優(yōu)建筑熱工保溫與主動式采暖系統(tǒng)配置。該新建建筑為西藏地區(qū)典型四層條式住宅建筑，建筑總面積為1 840m2，其中采暖面積為1 230m2，非采暖面積為610m2。建筑外墻面積1 150m2，外窗面積422m2，屋頂面積457m2，體型系數(shù)為0.37。對該典型建筑進(jìn)行研究，其結(jié)果具有一定的普遍參考意義。

1 建筑基本情況

新建建筑為4層條式住宅建筑，總面積為1 840m2，各層房間布局與結(jié)構(gòu)完全一樣。建筑為磚混結(jié)構(gòu)，外墻為240mm厚實心砼磚塊，內(nèi)墻為200mm厚實心砼磚塊；屋頂為200mm厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土，20mm厚水泥保護層，60mm厚爐渣找坡，4mm厚SBS防水卷材，20mm厚水泥砂漿；地面貼磚，衛(wèi)生間吊頂鋁合金；外窗為塑鋼單層玻璃；外飾面為彈性涂料。圖1給出了標(biāo)準(zhǔn)層平面圖。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

2 計算模型及參數(shù)

目前建筑動態(tài)能耗模擬軟件可以分兩大類［3］：

1）建筑能耗模擬軟件—此類軟件主要用于建筑和系統(tǒng)的動態(tài)模擬分析，以EnergyPlus、DOE－2、DesT和ESP－r等為代表。這類軟件的主要模擬目標(biāo)是建筑和系統(tǒng)的長周期的動態(tài)熱特性（往往以小時為時間步長），采用的是完備的房間模型和較簡單的系統(tǒng)模型及簡化的或理想化的控制模型，適于模擬分析建筑物圍護結(jié)構(gòu)的動態(tài)熱特性及模擬建筑物的全年運行能耗。

2）空調(diào)采暖系統(tǒng)仿真軟件—此類軟件主要用于空調(diào)系統(tǒng)部件的控制過程的仿真，以TRNSYS、SPARK和HVACSIM＋等為代表。這類軟件的主要模擬目標(biāo)是各種模塊搭成的系統(tǒng)的動態(tài)特性及其在各種控制方式下的響應(yīng)。它們采用的是簡單的房間模型和復(fù)雜的系統(tǒng)模型，可以根據(jù)需要由使用者靈活地組合系統(tǒng)形式和控制方法，適用于系統(tǒng)的高頻（如以幾s為時間步長）動態(tài)特性及過程的仿真分析。

為了研究建筑圍護結(jié)構(gòu)動態(tài)熱特性對主動式太陽能采暖系統(tǒng)的配置優(yōu)化的影響，需同時采用上述兩類軟件，對建筑能耗與主動式太陽能采暖系統(tǒng)進(jìn)行模擬計算。因此分別采用了EnergyPlus與TRNSYS對建筑能耗與主動式太陽能采暖系統(tǒng)進(jìn)行模擬計算，其計算模型示意圖見圖2與圖3所示。EnergyPlus模型計算所得出的建筑動態(tài)負(fù)荷，輸入TRNSYS動態(tài)模型中進(jìn)行主動式太陽能采暖系統(tǒng)模擬計算。

圖2 建筑能耗計算模型

2.1 熱工模型輸入條件與假設(shè)

1）圍護結(jié)構(gòu)（外墻、屋頂、內(nèi)墻、外窗）熱工性能參數(shù)見表1～表3所示。

2）建筑換氣次數(shù)選取1次／h

3）假設(shè)內(nèi)熱源為0W／m2。

4）房間采暖溫度取18℃

5）太陽能集熱器選取平板式太陽能集熱器，其集熱效率選取 ASHRAE Handbook［5］的典型平板式集熱器效率曲線 ，并選取0.8修正系數(shù)，以考慮現(xiàn)場因素對集熱效率影響。

6）室外氣象數(shù)據(jù)選用拉薩市典型氣象年［4］

表1 現(xiàn)有基準(zhǔn)建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工模型

圖3 主動式太陽能采暖系統(tǒng)模型

表2 建筑物屋頂結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)表

表3 建筑物內(nèi)墻結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)表

表4 建筑物外窗結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)表

2.2 經(jīng)濟模型輸入條件與假設(shè)

1）外窗由單玻改為雙玻，初投資增加200元／m2。

2）屋頂保溫采用XPS保溫，外墻采用EPS外墻外保溫，初投資增加與保溫厚度關(guān)系如圖4所示。

3）采暖散熱器（銅鋁復(fù)合）取700元／kW。

4）電鍋爐造價取180元／kW。

5）太陽能集熱板造價取600元／m2。

6）蓄熱水箱造價取2 300元／m3。

7）能源單價0.65元／kWh。

圖4 屋頂與外墻保溫成本與厚度關(guān)系圖

3 計算結(jié)果分析

3.1 基準(zhǔn)建筑計算結(jié)果分析

本文首先對基準(zhǔn)建筑的設(shè)計負(fù)荷、全年動態(tài)能耗進(jìn)行計算，并分析了在基準(zhǔn)建筑熱工性能條件下，太陽能集熱板面積對系統(tǒng)的太陽能保證率與能耗的影響。其計算結(jié)果分別見表5與圖5。

表5 基準(zhǔn)建筑采暖負(fù)荷與能耗結(jié)果

圖5 太陽能保證率、能耗與集熱板面積關(guān)系圖

當(dāng)太陽能主動式采暖系統(tǒng)選取保證率為65%時，對應(yīng)的太陽能集熱板面積為420m2，即每平米太陽能板可以服務(wù)3.46m2采暖面積。集熱水箱的體積與系統(tǒng)保證率的關(guān)系如圖6所示。

圖6 太陽能保證率與蓄熱水箱關(guān)系圖

從圖6中可以看出，最優(yōu)蓄熱水箱體積為42m3即每平米集熱板對應(yīng)于100L蓄熱水。采用主動式太陽能采暖系統(tǒng)后，建筑全年的能耗為59 547 kWh，即41kWh／m2。

3.2 不同保溫措施熱工性能分析

3.2.1 外窗采用中空玻璃（6＋6＋6） 當(dāng)外窗由單玻窗，改為雙玻窗（6＋6＋6），建筑的采暖負(fù)荷可降低6%，在滿足同樣太陽能保證率（65%）條件下，太陽能集熱板面積可減少4.4%，全年能耗減少4.3%。

3.2.2 增加屋頂保溫 屋頂保溫層厚度對建筑采暖負(fù)荷、集熱板面積、全年能耗的敏感性分析見圖7所示。

圖7 屋頂保溫層XPS厚度敏感性分析

從圖7中可以看出，當(dāng)屋頂保溫層厚度大于60mm時，建筑采暖負(fù)荷、集熱板面積以及全年能耗的進(jìn)一步減小的相對變化率低于1%。此時，建筑采暖負(fù)荷降低約12%，集熱板面積降低約16%，全年能耗降低約17%。

3.2.3 增加外墻保溫 外墻保溫層厚度對建筑采暖負(fù)荷、集熱板面積、全年能耗的敏感性分析見圖8所示。

圖8 外墻EPS保溫厚度敏感性分析

從圖8中可以看出，當(dāng)外墻保溫厚度大于50mm時，建筑設(shè)計負(fù)荷、太陽能集熱板、全年能耗進(jìn)一步減少的相對變化率小于2%。此時建筑采暖負(fù)荷率降低了約23.1%，太陽能集熱板面積減少約27.7%，全年能耗減少約30.3%。

3.3 不同保溫措施經(jīng)濟性分析

在上述敏感性分析的基礎(chǔ)上，本節(jié)分析建筑熱工保溫對太陽能采暖系統(tǒng)的初投資、運行費用及全壽命周期費用的影響，以確定最優(yōu)的建筑熱工保溫范圍。經(jīng)濟計算中，假設(shè)建筑保溫層與主動太陽能采暖設(shè)備系統(tǒng)的壽命為25a，不考慮能源價格升高與貨幣貶值率。

初投資同時考慮，建筑保溫提高所造成的投資增加，以及當(dāng)建筑保溫性能提高后，采暖末端、輔助熱源、集熱板面積、蓄熱水箱體積等減少所帶來的設(shè)備初投資降低。

外窗改為雙層玻璃，屋頂保溫、外墻保溫對建筑與太陽能采暖系統(tǒng)總投資節(jié)省、運行費用節(jié)省及全壽命周期費用節(jié)省的計算結(jié)果見表6，與圖9，圖10，所示。

表6 外窗計算結(jié)果

從表6中可以看出，當(dāng)外窗由單玻窗改為雙玻窗時，總初投資增加約19 600元（10.7元／m2），總運行費用節(jié)省41 625元（22.6元／m2），全壽命周期費用 可以節(jié)約21 980元（11.9元／m2）。

圖9 屋頂保溫經(jīng)濟性分析

由圖9可以看出，當(dāng)屋頂保溫厚度為60mm時，建筑初投資的節(jié)省值最高，約為46 657元（25.4元／m2）。當(dāng)屋頂保溫層厚度為100mm，全壽命周期節(jié)省值最高，約為219 025元（119元／m2），因此對于太陽能采暖建筑屋頂保溫層的最優(yōu)厚度為60～100mm，對應(yīng)的傳熱系數(shù)為0.42～0.27W／m2·K。

圖10 外墻保溫經(jīng)濟性分析

圖10 中可以看出，當(dāng)外墻保溫厚度為50mm時，初投資費用節(jié)省值最高，約為35 793元（19.5元／m2）。當(dāng)外墻保溫層厚度為70mm，全壽命周期費用節(jié)省值最高，約為344 183元（187.1元／m2），因此對于太陽能采暖建筑屋頂保溫層的最優(yōu)厚度為50～70mm，對應(yīng)的傳熱系數(shù)為0.60～0.46W／m2·K。

4 結(jié) 論

利用數(shù)值模擬方法對太陽能采暖建筑的熱工性能對主動式太陽能采暖系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)與能耗的影響進(jìn)行分析。并從初投資與全壽命周期兩個方面，確定最佳的太陽能建筑熱工性能保溫要求，得出了以下結(jié)論：

1）當(dāng)外窗改為中空玻璃時，建筑的采暖負(fù)荷降低6%，太陽能集熱板面積可減少4.4%，全年能耗減少4.3%。每平米建筑面積對應(yīng)初投資增加約10.7元／m2，全壽命周期節(jié)省11.9元／m2。

2）當(dāng)屋頂XPS保溫層厚度大于60mm后，建筑采暖負(fù)荷、集熱板面積以及全年能耗的相對減小率低于1%。初投資費用最低的屋頂XPS保溫層厚度為60mm，對應(yīng)傳熱系數(shù)0.42W／m2·K，全壽命周期費用最低的屋頂XPS保溫層厚度為100mm，對應(yīng)的傳熱系數(shù)為0.27W／m2·K。

3）當(dāng)外墻EPS保溫厚度大于50mm時，建筑設(shè)計負(fù)荷、太陽能集熱板、全年能耗的相對減少率低于2%。初投資費用最低的外墻EPS保溫層厚度為50mm，對應(yīng)的傳熱系數(shù)為0.60W／m2·K；全壽命周期費用最低的外墻EPS保溫層厚度為70mm，對應(yīng)的傳熱系數(shù)為0.46W／m2·K。

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