寒冷地區(qū)建筑負(fù)荷對圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)的敏感性分析

王 燁，胡文婷，孫鵬寶，王繼承

（蘭州交通大學(xué)a.環(huán)境與市政工程學(xué)院b.鐵道車輛熱工教育部重點實驗室，蘭州， 730070）

建筑圍護結(jié)構(gòu)對室外條件的熱反應(yīng)取決于其各組成部分材料的熱性能和它的自身結(jié)構(gòu)，其熱工性能是影響建筑能效的決定性因素［1－2］。隨著建筑節(jié)能目標(biāo)的不斷提升，與建筑圍護結(jié)構(gòu)有關(guān)的研究也取得了大量的成果［3－8］。文獻［9］對現(xiàn)有公共節(jié)能建筑圍護結(jié)構(gòu)進行了熱工性能優(yōu)化，從建筑方位、窗墻比、保溫材料和窗戶類型幾個方面對優(yōu)化方案進行了技術(shù)經(jīng)濟分析。文獻［10］研究了中國夏熱冬冷地區(qū)4個城市高層建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能在不同季節(jié)的主要影響因素。文獻［11］分析了不同建筑圍護結(jié)構(gòu)外表面裝飾材料在太陽輻射作用下對建筑耗熱的影響。文獻［12］對112種墻和屋頂不同材料組合構(gòu)成的建筑物進行計算，得到了滿足節(jié)能建筑標(biāo)準(zhǔn)要求的隔熱層參數(shù)，并對計算結(jié)果進行了實驗驗證。文獻［13］在分析了建筑圍護結(jié)構(gòu)中6個因素對建筑運行能耗影響的基礎(chǔ)上，采用正交試驗設(shè)計方法對建筑圍護結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。由于中國寒冷地區(qū)在地域和低溫時段上的大跨度特點，決定了建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能在不同城市必然表現(xiàn)出不同的耗能特性［14］。那么，對于具有同一熱工屬性的圍護結(jié)構(gòu)建筑物在同一熱工分區(qū)不同城市負(fù)荷間的差異究竟如何呢？關(guān)于這一問題，目前還未見報道。本文選取同屬寒冷地區(qū)的蘭州和鄭州作為研究目標(biāo)所在城市，因它們分別屬于中溫帶大陸性氣候區(qū)和暖溫帶亞濕潤季風(fēng)氣候區(qū)［15］，在耗能方式和對能耗影響的敏感程度也會有所不同，以此為基礎(chǔ)進行建筑圍護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以獲得同一熱工分區(qū)不同城市最佳節(jié)能建筑。

1 建筑模型

1.1 基準(zhǔn)房間

為了對不同圍護結(jié)構(gòu)計算房間綜合性能進行評價，引入一個外形、大小、朝向、內(nèi)部空間劃分和使用功能等基本信息與計算房間相同的假想房間，即為基準(zhǔn)房間。蘭州、鄭州兩地的基準(zhǔn)房間外墻采用300 mm厚黏土多孔磚，窗戶為6 mm單層玻璃塑鋼窗，南北向窗墻比取0.35。該基準(zhǔn)建筑沒有采取任何保溫、遮陽措施，其熱工參數(shù)如表1所示。

表1 基準(zhǔn)房間熱工參數(shù)Table 1 Thermal parameters of standard room

1.2 計算房間

計算房間如圖1所示，其進深×開間×高＝6.3 m×4.0 m×3.3 m。該房間位于一幢6層辦公樓的3層西南角位置，西墻和南墻為外墻。窗戶在南墻上。墻體內(nèi)壁面換熱系數(shù)取8.7 W／（m2·K），外壁面換熱系數(shù)在不同地區(qū)受風(fēng)速影響較大，應(yīng)按季節(jié)根據(jù)文獻［16］中給定值采用內(nèi)插法來確定，如表2所示。圍護結(jié)構(gòu)均按節(jié)能65%標(biāo)準(zhǔn)要求進行設(shè)計，其熱工參數(shù)如表3和表4所示。建筑體形系數(shù)為0.25，窗墻比分別取0.15、0.20、0.25、0.30，均符合文獻［17］要求。以下計算分析中，不考慮鄰室傳熱。

圖1 計算房間平面圖Fig.1 calculating room

表2 建筑內(nèi)外壁面換熱系數(shù)Table 2 Heat transfer coefficients of outer and inner wall surfaces W·（m2·K）－1

表3 外墻構(gòu)造及熱工參數(shù)Table 3 Outerwall construct and thermal parameters

表4 幾種外窗的傳熱系數(shù)KcTable 4 Heat transfer coefficients of windows［W·（m2·K）－1］

2 負(fù)荷計算

2.1 供暖期與空調(diào)期確定

供暖期以蘭州和鄭州當(dāng)?shù)卣P(guān)于供暖起止日期的文件規(guī)定為準(zhǔn)，蘭州供暖期為11月1日至次年3月31日，共150 d；鄭州供暖期為11月15日至次年3月15日，共120 d。

建筑能耗分析用的DOE2軟件中，是將5月1日至10月31日設(shè)定為空調(diào)期。實際上由于建筑氣候環(huán)境的多變性及復(fù)雜性，各地的經(jīng)濟水平、人們的生活習(xí)慣等各不相同，使得這一設(shè)定的空調(diào)期在不同城市能耗統(tǒng)計中均存在較大誤差?？紤]到所研究城市氣候特點并不需要整日連續(xù)開啟空調(diào)，室外白天高溫溫度波經(jīng)圍護結(jié)構(gòu)的延遲導(dǎo)致晚間室內(nèi)溫度可能較高，這可以通過開窗等措施以自然通風(fēng)方式來降低室內(nèi)溫度。因此，根據(jù)文獻［18］中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，將蘭州在6月1日至8月31日期間逐時溫度高于26℃的小時數(shù)折算為20個空調(diào)連續(xù)運行日；將鄭州在6月1日至9月15日期間逐時溫度高于26℃的小時數(shù)折算為49個空調(diào)連續(xù)運行日。這一確定方法和當(dāng)?shù)貙嶋H氣溫變化以及人們?nèi)粘Ｉ钪械墓?jié)約行為是一致的。

2.2 熱負(fù)荷計算

供暖房間熱負(fù)荷包括圍護結(jié)構(gòu)耗熱量、冷風(fēng)滲透耗熱量。分別計算如下：

2.2.1 圍護結(jié)構(gòu)耗熱量 圍護結(jié)構(gòu)耗熱量包括圍護結(jié)構(gòu)基本耗熱量和附加耗熱量兩部分。

圍護結(jié)構(gòu)基本耗熱量：

式中：K為該面圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W／（m2·℃）；F為該面圍護結(jié)構(gòu)的面積，m2；tn為室內(nèi)空氣計算溫度，18℃；tw為供暖室外計算溫度，蘭州為－9.0℃，鄭州為－3.8℃；α為溫差修正系數(shù)，外墻取1.0。附加耗熱量：

式中：βch為朝向修正率，?。?0%；βf為風(fēng)力附加修正率，取0；βfg為房高修正率，2（H－4）≤15，H為房間凈高，m；βjan為間歇修正率，取0。

2.2.2 冷風(fēng)滲透耗熱量

式中：Qst為冷風(fēng)滲透耗熱量，W；Cp為干空氣定壓比熱容，Cp＝1.01 kJ／（kg·℃）；ρw為供暖室外計算溫度下的空氣密度，蘭州取1.298 kg／m3，鄭州取1.322 kg／m3；V為房間的冷風(fēng)滲透體積流量，m3／h，采用換氣次數(shù)法估算冷風(fēng)滲透體積流量V。

式中：n為換氣次數(shù)，1／h，取0.5；Vf為房間凈體積，m3。

2.3 冷負(fù)荷計算

冷負(fù)荷是指由于室內(nèi)外溫差和太陽輻射作用，通過建筑圍護結(jié)構(gòu)傳入室內(nèi)的熱量形成的冷負(fù)荷。主要由透過玻璃窗的日射得熱引起的冷負(fù)荷、玻璃窗瞬變傳熱引起的冷負(fù)荷、圍護結(jié)構(gòu)瞬變傳熱引起的冷負(fù)荷、內(nèi)部熱源引起的冷負(fù)荷4部分組成。

2.3.1 透過玻璃窗的日射得熱引起的冷負(fù)荷 透過玻璃窗進入室內(nèi)的日射得熱分為兩部分，即透過玻璃窗直接進入室內(nèi)的太陽輻射熱和窗玻璃吸收太陽輻射后傳入室內(nèi)的熱量。透過玻璃窗進入室內(nèi)的日射得熱形成的逐時冷負(fù)荷按式（5）計算。

式中：Q（τ）1為透過玻璃窗的日射得熱引起的冷負(fù)荷，W；Fc為窗口面積，m2；Ca為有效面積系數(shù)；Cs為窗玻璃的遮陽系數(shù)；Ci為窗內(nèi)遮陽設(shè)施的遮陽系數(shù)；Djmax為日射得熱因數(shù)；CLQ為窗玻璃冷負(fù)荷系數(shù)。

2.3.2 玻璃窗瞬變傳熱引起的冷負(fù)荷 通過玻璃窗的瞬變傳熱引起的逐時冷負(fù)荷按式（6）計算。

式中：Q（τ）2為外玻璃窗的逐時冷負(fù)荷，W；Kc為外玻璃窗的傳熱系數(shù)，W／（m2·℃）；tc（τ）為外玻璃窗的冷負(fù)荷計算溫度的逐時值，℃。

2.3.3 圍護結(jié)構(gòu)瞬變傳熱引起的冷負(fù)荷 這里的圍護結(jié)構(gòu)主要指外墻和屋面部分。通過外墻和屋面瞬變傳熱引起的逐時冷負(fù)荷按式（7）計算。

式中：Q（τ）3為通過外墻和屋面的逐時冷負(fù)荷，W；tw（τ）為外墻和屋面的冷負(fù)荷計算溫度的逐時值，℃。

2.3.4 內(nèi)部熱源引起的冷負(fù)荷 室內(nèi)熱源散熱主要指室內(nèi)工藝設(shè)備散熱、照明散熱和人體散熱3部分。

1）人體散熱形成的冷負(fù)荷

人體散熱形成的冷負(fù)荷包括了由顯熱散熱和潛熱散熱引起的冷負(fù)荷兩部分。顯熱散熱引起的冷負(fù)荷按式（8）計算。

式中：Qx（τ）為人體顯熱散熱形成的冷負(fù)荷，W；qs為不同室溫和勞動性質(zhì)成年男子顯熱散熱量，W；n為室內(nèi)全部人數(shù)；φ為群集系數(shù)，辦公室群集系數(shù)取φ＝0.90；CLQ為人體顯熱散熱冷負(fù)荷系數(shù)。

人體潛熱散熱引起的冷負(fù)荷按式（9）計算。

式中：Qq（τ）為人體潛熱散熱形成的冷負(fù)荷，W；q1為不同室溫和勞動性質(zhì)成年男子潛熱散熱量W。

2）照明散熱形成的冷負(fù)荷

照明燈具散熱形成的逐時冷負(fù)荷按式（10）計算。

式中：Qd（τ）為照明散熱形成的冷負(fù)荷，W；n1為鎮(zhèn)流器消耗功率系數(shù)，取1.0；n2為燈罩隔熱系數(shù)，取0.55；N為照明工具所需功率，k W；CLQ為照明散熱冷負(fù)荷系數(shù)。

3）室內(nèi)設(shè)備散熱形成的冷負(fù)荷

室內(nèi)電腦、電視機等的散熱形成的冷負(fù)荷按式（11）計算［19］。

式中：Qs（τ）為室內(nèi)設(shè)備散熱形成的冷負(fù)荷，W；CLQ為設(shè)備散熱冷負(fù)荷系數(shù)；N為電動設(shè)備的安裝功率；k W；η為電動機效率；n1為利用系數(shù)，即電動機最大實效功率與安裝功率之比，一般可取0.7～0.9；n2為電動機負(fù)荷系數(shù)，對計算機可取1.0；n3為同時使用系數(shù)，一般取0.5～0.8。

2.4 基準(zhǔn)房間負(fù)荷計算

根據(jù)基準(zhǔn)房間圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)及兩城市相關(guān)設(shè)計參數(shù)，按照2.1～2.3節(jié)計算過程，可得基準(zhǔn)房間負(fù)荷，如表5所示。

表5基準(zhǔn)房間負(fù)荷匯總表Table 5 Heating and cooling loads of standard room

2.5 熱工參數(shù)對負(fù)荷的影響

表3中4種外墻類型、表4中3種外窗類型以及4個窗墻比組合，形成48個不同熱工屬性的圍護結(jié)構(gòu)計算房間。按照2.1～2.3節(jié)計算過程，可得不同房間在不同季節(jié)位于不同城市時的年累積供暖熱負(fù)荷、年累積空調(diào)冷負(fù)荷以及全年總負(fù)荷。下面給出其他條件不變，外墻類型、外窗類型以及窗墻比變化時不同計算房間負(fù)荷計算結(jié)果。

2.5.1 外墻類型對負(fù)荷的影響 圖2為外墻傳熱系數(shù)變化時計算房間在兩地的負(fù)荷計算結(jié)果，蘭州和鄭州地區(qū)各12種方案。圖2（a）為外窗1、窗墻比取0.15、4種外墻類型對應(yīng)的負(fù)荷計算結(jié)果；圖2（b）為外窗2、窗墻比取0.2時4種外墻類型對應(yīng)的負(fù)荷計算結(jié)果；圖2（c）為外窗3、窗墻比取0.25時4種外墻類型對應(yīng)的負(fù)荷計算結(jié)果。圖2（a）中4個方案對應(yīng)熱負(fù)荷均在7.0×106～8.5×106k W 之間變化；圖2（b）中4個方案對應(yīng)熱負(fù)荷均在8.3×106～9.7×106k W之間變化；圖2（c）中4個方案對應(yīng)熱負(fù)荷均超過了9.8×106k W。各方案對應(yīng)的空調(diào)冷負(fù)荷在蘭州和鄭州地分別穩(wěn)定在2×106和6.0×106k W左右。外墻傳熱系數(shù)增大27.4%，窗墻比為0.15時，方案4比方案1的供暖期累積熱負(fù)荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了19.0%和20.4%，窗墻比為0.2時，方案20比方案17的供暖期累積熱負(fù)荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了15.8%和17.1%，窗墻比為0.25時，方案36比方案33的供暖期累積熱負(fù)荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了13.2%和14.4%。這說明即使按照65%的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)選擇圍護結(jié)構(gòu)，具有不同參數(shù)的圍護結(jié)構(gòu)組合對應(yīng)的熱負(fù)荷差異也很大，而且，同一圍護結(jié)構(gòu)建筑物在鄭州地區(qū)的熱負(fù)荷對外墻類型的敏感性要高于在蘭州地區(qū)的情況。這也為地方設(shè)計規(guī)范和節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的制定、實施提供了思路。

圖2 外墻類型對兩地建筑負(fù)荷的影響Fig.2 Influence of outwall type on building load of two cities

2.5.2 外窗類型對負(fù)荷的影響 圖3為不同外窗類型時計算房間在兩地的負(fù)荷計算結(jié)果，蘭州和鄭州地區(qū)各12種方案。圖3（a）為外墻1、窗墻比取0.15時4種外窗類型對應(yīng)的負(fù)荷計算結(jié)果；圖3（b）為外墻2、窗墻比取0.2時4種外窗類型對應(yīng)的負(fù)荷計算結(jié)果；圖3（c）為外墻3、窗墻比取0.25時4種外窗類型對應(yīng)的負(fù)荷計算結(jié)果；圖3（d）為外墻4、窗墻比取0.3時4種外窗類型對應(yīng)的負(fù)荷計算結(jié)果。各方案對應(yīng)的空調(diào)冷負(fù)荷在蘭州地區(qū)基本上穩(wěn)定在2×106k W左右，在鄭州地區(qū)基本上穩(wěn)定在6.0×106k W左右。外窗傳熱系數(shù)增大74%，窗墻比為0.15時，方案9比方案1的供暖期累積熱負(fù)荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了11.9%和12.7%，窗墻比為0.2時，方案22比方案14的供暖期累積熱負(fù)荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了13.8%和14.9%，窗墻比為0.25時，方案35比方案27的供暖期累積熱負(fù)荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了15.4%和16.9%，窗墻比為0.3時，方案48比方案40的供暖期累積熱負(fù)荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了16.8%和18.3%?？梢钥闯?，外窗屬性對鄭州地區(qū)建筑熱負(fù)荷的影響要比蘭州地區(qū)明顯一些，但隨著外墻傳熱系數(shù)和窗墻比的同時增大，這一差異在逐漸減小。

圖3 外窗類型對兩地建筑負(fù)荷的影響Fig.3 Influence of window type on building load of two cities

2.5.3 不同窗墻比下負(fù)荷比較 圖4為不同窗墻比時計算房間在兩地的負(fù)荷計算結(jié)果，蘭州和鄭州地區(qū)各12種方案。圖4（a）為外墻1、外窗1時4種窗墻比對應(yīng)的負(fù)荷計算結(jié)果；圖4（b）為外墻2、外窗2時4種窗墻比對應(yīng)的負(fù)荷計算結(jié)果；圖4（c）為外墻3、外窗3時4種窗墻比對應(yīng)的負(fù)荷計算結(jié)果。各方案對應(yīng)的空調(diào)冷負(fù)荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別在2×106和6.0×106k W左右。窗墻比增大了100%，方案37比方案1的供暖期累積熱負(fù)荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了23.8%和19.9%，方案42比方案6的供暖期累積熱負(fù)荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了25.7%和22.7%，方案47比方案11的供暖期累積熱負(fù)荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了28.3%和25.4%。窗墻比對蘭州地區(qū)建筑熱負(fù)荷的影響要比鄭州明顯一些，但隨著外窗和外墻傳熱系數(shù)同時增大，窗墻比對建筑熱負(fù)荷的影響在逐漸減弱。

圖4 外窗類型對兩地建筑負(fù)荷的影響Fig.4 Influence of window-to-wall ratio on building load of two cities

2.5.4 各因素綜合影響下負(fù)荷及節(jié)能率比較 圖5為各因素綜合影響下48種圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造方案對應(yīng)的建筑負(fù)荷在蘭州和鄭州兩地區(qū)的變化趨勢?？梢钥闯?，蘭州地區(qū)的冷負(fù)荷隨各因素變化很微弱，但熱負(fù)荷變化顯著，呈鋸齒狀分布，年總負(fù)荷變化趨勢與熱負(fù)荷變化趨勢比較接近；鄭州地區(qū)的冷負(fù)荷隨各因素變化也很微弱，熱負(fù)荷變化較顯著，也呈鋸齒狀分布，年總負(fù)荷變化趨勢與熱負(fù)荷變化趨勢比較接近。對于前24種方案，鄭州的全年累積總負(fù)荷稍高于蘭州地區(qū)的水平，后面24種方案，兩者基本持平。

圖5 各因素綜合影響下建筑負(fù)荷Fig.5 Building loads under collective factors

圖6為不同方案構(gòu)造圍護結(jié)構(gòu)對應(yīng)的負(fù)荷與基準(zhǔn)建筑圍護結(jié)構(gòu)對應(yīng)的負(fù)荷相比較所得節(jié)能率計算結(jié)果?？梢钥闯?，蘭州地區(qū)的節(jié)能率變化范圍基本上在35%～58%之間波動，在48種構(gòu)造方案中，方案1的節(jié)能率最高，為58%，方案48的節(jié)能率最低，為35%；鄭州地區(qū)的節(jié)能率變化范圍基本上在29%～49%之間波動，在48種構(gòu)造方案中，方案1的節(jié)能率最高，為49%，方案48的節(jié)能率最低，為29%。這說明圍護結(jié)構(gòu)熱工性能對建筑負(fù)荷的敏感

圖6 節(jié)能率比較Fig.6 Comparison of energy saving

性是與氣候條件密切相關(guān)的，如何合理結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蛱卣鲀?yōu)化建筑圍護結(jié)構(gòu)是建筑節(jié)能工作的重要內(nèi)容之一。

3 結(jié)論

以蘭州和鄭州地區(qū)作為研究對象所在城市，4種外墻類型、3種外窗類型及4個窗墻比組合形成48種可能的圍護結(jié)構(gòu)，計算了年熱負(fù)荷、年冷負(fù)荷以及全年總負(fù)荷，比較了各計算房間在蘭州和鄭州地區(qū)的節(jié)能率。得到了如下主要結(jié)論：

1）按照65%的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)選擇圍護結(jié)構(gòu)，具有不同參數(shù)的圍護結(jié)構(gòu)組合對應(yīng)的熱負(fù)荷差異也很大，而且，同一圍護結(jié)構(gòu)建筑物在鄭州地區(qū)的熱負(fù)荷對外墻類型的敏感性要高于在蘭州地區(qū)的情況。

2）外窗類型對鄭州地區(qū)建筑熱負(fù)荷的影響要比對蘭州地區(qū)建筑熱負(fù)荷的影響明顯，但隨著外墻傳熱系數(shù)和窗墻比的同時增大，這一差異在逐漸減小。

3）窗墻比對蘭州地區(qū)建筑熱負(fù)荷的影響要比對鄭州地區(qū)建筑熱負(fù)荷的影響明顯，但隨著窗戶和外墻傳熱系數(shù)的同時增大，窗墻比對建筑熱負(fù)荷的影響在逐漸減弱。

4）獲得了同屬寒冷地區(qū)的蘭州和鄭州地區(qū)的最優(yōu)建筑圍護結(jié)構(gòu)，相對于本文構(gòu)造的基準(zhǔn)建筑，在蘭州和鄭州地區(qū)的節(jié)能率分別為58%和49%。

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（編輯王秀玲）