關(guān)于對(duì)太陽(yáng)能采暖建筑的熱負(fù)荷模擬分析

晉 文，王新如，吳金順，鐘 君，楊美媛，潘 嵩，魏 鋆，張維亞，潘天泉

(1.北京節(jié)能環(huán)保中心，北京 100029;2.華北科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，北京東燕郊 101601;3.北京工業(yè)大學(xué)，北京 101100)

1 概述

計(jì)算機(jī)模擬是預(yù)測(cè)及分析建筑能耗和性能的最經(jīng)濟(jì)有效的方法之一。熱負(fù)荷是選取太陽(yáng)能設(shè)備、運(yùn)行調(diào)節(jié)、系統(tǒng)評(píng)價(jià)等方面的基礎(chǔ)資料。熱負(fù)荷的大小直接關(guān)系到采暖系統(tǒng)能耗的多少，也是建筑施工必須考慮的重要因素之一。熱負(fù)荷大，能量消耗大;熱負(fù)荷小，能量消耗小。

Dest是由清華大學(xué)開發(fā)的建筑模擬分析軟件(designer＇s simulation toolkits)［1］?？捎糜诮ㄖ芎哪M分析和環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)校核，起到提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、保證設(shè)計(jì)可靠性、對(duì)如何降低建筑及系統(tǒng)能耗、保證建筑環(huán)境質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)作用。

2 建筑模型建立及條件設(shè)置

2.1 建筑模型的建立

建立一棟兩層的小別墅，位于北京農(nóng)村地區(qū)，兩層的平面圖一樣。每層高3m，寬10m，長(zhǎng)12 m，建筑面積為120 m2。建筑方向向?yàn)槟媳弊呦?，窗都為外窗，門為外門，門的尺寸為1.5 m×2 m，窗的尺寸為2 m×2 m。室內(nèi)設(shè)有客廳、臥室、廁所、設(shè)備室、樓梯間和走廊。如圖1所示。

圖1 建筑模型一層層平面圖

在進(jìn)行熱負(fù)荷模擬計(jì)算時(shí)，我們研究某些因素的變化對(duì)負(fù)荷的影響程度，如:窗墻比，墻的類型、墻的厚度、保溫層厚度等對(duì)熱負(fù)荷的影響。其它的參數(shù)如:門、、內(nèi)墻、地板的材料等都使用Dest系統(tǒng)提供的默認(rèn)值［2］。如下表1所示:

表1 Dest默認(rèn)材料參數(shù)

2.2 建筑熱負(fù)荷特征

對(duì)上述的建筑模型，使用Dest軟件進(jìn)行冬、夏季設(shè)計(jì)日房間采暖負(fù)荷和空調(diào)逐時(shí)負(fù)荷的計(jì)算，各個(gè)房間冬、夏季的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度分別為18℃和25℃，室外氣象參數(shù)采取北京市的室外設(shè)計(jì)參數(shù)，房間均無(wú)燈光、人員、設(shè)備等內(nèi)擾，室內(nèi)外無(wú)通風(fēng)換氣。

采暖季從11月16日開始，到次年的3月5日結(jié)束，這段時(shí)間建筑的逐時(shí)動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷見(jiàn)圖2:

圖2 建筑的逐時(shí)動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷

圖中1～1537 h、7405～8485 h為供暖期。

從圖2可以看出，在采暖季大部分時(shí)間建筑的熱負(fù)荷都在15 kW以下，最大熱負(fù)荷為16 kW。

根據(jù)模擬計(jì)算的結(jié)果，最大熱負(fù)荷產(chǎn)生在第439小時(shí)，即第 19天早上7時(shí)，為16.46 kW。圖3是采暖季典型日負(fù)荷變化的曲線圖。從圖中可以看出在早上七點(diǎn)熱負(fù)荷達(dá)到最大，然后慢慢減小，到中午13點(diǎn)時(shí)達(dá)到極小值，中午時(shí)間變化不大，而到下午熱負(fù)荷就慢慢增大了。

圖3 采暖季典型日熱負(fù)荷變化圖

3 建筑因素對(duì)熱負(fù)荷的影響

3.1 窗墻比對(duì)房間熱負(fù)荷的影響規(guī)律

窗墻(面積)比是窗戶洞口面積與房間立面單元面積(即房間層高與開間定位線圍成的面積)的比值［3］。

在以上模型的基礎(chǔ)上，分別修改窗墻比為0.3、0.4、0.5、0.6 和0.7，使用Dest軟件對(duì)不同窗墻比下的建筑模型進(jìn)行模擬。算出各個(gè)房間的熱負(fù)荷，然后用其中一個(gè)房間的負(fù)荷變化進(jìn)行比較。比較結(jié)果如圖4所示:

圖4 房間熱負(fù)荷隨窗墻比變化圖

圖4中橫坐標(biāo)為模擬房間的窗墻比，縱坐標(biāo)為房間單位面積熱負(fù)荷指標(biāo)(W/m2)。

由圖4可以看出，從房間單位面積熱負(fù)荷指標(biāo)和窗墻比的離散點(diǎn)所形成的曲線來(lái)看，這5個(gè)點(diǎn)近乎成一條直線，因此可由數(shù)據(jù)擬合出線性關(guān)系。隨著窗墻比的變大，Dest軟件模擬出房間的熱負(fù)荷逐漸變小。也就是說(shuō)，采暖季累計(jì)熱負(fù)荷隨窗墻比的增大而減少。所以在滿足建筑功能美觀的前提下適當(dāng)減少窗墻比數(shù)值對(duì)于降低建筑能耗有一定意義。

3.2 保溫層厚度對(duì)房間的影響規(guī)律

在以上模型的基礎(chǔ)上，將外墻分別加上20厚、40厚、60厚、80厚和100厚的聚脂板保溫層，使用軟件對(duì)不同保溫層厚度下的建筑模型進(jìn)行模擬。算出各個(gè)房間的熱負(fù)荷，然后用其中一個(gè)房間的負(fù)荷變化進(jìn)行比較。比較結(jié)果如圖5所示:

圖5 房間熱負(fù)荷隨保溫層厚度變化圖

圖5為該建筑的某房間在北京的氣候條件下，在6種外墻保溫方式下的建筑的房間單位面積熱負(fù)荷指標(biāo)隨保溫層厚度的變化。當(dāng)保溫層厚度超過(guò)一定厚度時(shí)(60 mm)，不同保溫層位置下的建筑房間單位面積熱負(fù)荷差別不大;當(dāng)保溫層厚度較小時(shí)，隨著保溫層厚度的增加建筑房間單位面積熱負(fù)荷會(huì)急劇下降，但當(dāng)保溫層厚度增大到一定程度后，再增加保溫層厚度對(duì)建筑全年累計(jì)冷熱總負(fù)荷的影響會(huì)很小。

3.3 保溫層位置對(duì)房間熱負(fù)荷的影響規(guī)律

在模型的基礎(chǔ)上，分別在外墻上加厚聚苯板的外保溫和加厚聚苯板的內(nèi)保溫，使用兩種軟件對(duì)不同保溫層位置下的建筑模型進(jìn)行模擬比較。比較結(jié)果如圖6所示:

圖6 房間熱負(fù)荷隨保溫層位置變化圖

由圖6可知，隨著保溫層位置由外保溫變?yōu)閮?nèi)保溫，Dest軟件模擬出的房間負(fù)荷的差異不大，圖形看上去變化很大，但其縱坐標(biāo)熱負(fù)荷數(shù)值變化并不大。所以保溫層的位置對(duì)室內(nèi)輻射熱負(fù)荷影響不大。

3.4 不同外窗玻璃類型對(duì)房間室內(nèi)輻射放熱的影響規(guī)律

玻璃作為一種透明性的圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在現(xiàn)代的建筑中應(yīng)用的越來(lái)越多，有的建筑甚至四個(gè)朝向都是玻璃幕墻，這樣由于太陽(yáng)輻射以及室內(nèi)外溫差傳熱對(duì)建筑室內(nèi)熱負(fù)荷的影響更不容忽視［4－8］。

在以上模型的基礎(chǔ)上，分別用以下窗戶類型建筑模型進(jìn)行模擬。模擬各種不同的外窗玻璃類型對(duì)建筑能耗的影響，外窗玻璃參數(shù)如下表2所示:

表2 外窗玻璃參數(shù)

使用軟件對(duì)不同外窗玻璃類型下的建筑模型進(jìn)行模擬。算出各個(gè)房間的熱負(fù)荷，然后用其中一個(gè)房間的負(fù)荷變化進(jìn)行比較。比較結(jié)果圖7所示:

圖7 房間熱負(fù)荷窗戶類型變化圖

由上圖可知，采用普通6mm單層玻璃的房間單位面積熱負(fù)荷最大，采用中透低輻射玻璃的房間單位面積熱負(fù)荷最小。

玻璃不僅僅引起傳熱，還有光入射、與室外空氣的輻射換熱等引起的熱負(fù)荷，所以負(fù)荷不是單因素變量。從上面的圖形可以看出，玻璃的傳熱系數(shù)對(duì)于采暖季累計(jì)熱負(fù)荷的影響更大些。

4 結(jié)論

1)在一定的窗墻比范圍內(nèi)，供暖季累計(jì)熱負(fù)荷隨窗墻比的增大而減少，可由數(shù)據(jù)擬合出線性關(guān)系;

2)當(dāng)保溫層厚度較小時(shí)，隨著保溫層厚度的增加建筑房間單位面積熱負(fù)荷會(huì)急劇下降，當(dāng)保溫層厚度超過(guò)一定厚度時(shí)，再增加保溫層厚度對(duì)建筑全年累計(jì)冷熱總負(fù)荷的影響會(huì)很小;3)保溫層的位置對(duì)室內(nèi)熱負(fù)荷影響不大;4)窗體類型的傳熱系數(shù)與房間熱負(fù)荷基本呈線性關(guān)系;

5)總體上看，窗墻比、保溫層厚度對(duì)建筑熱負(fù)荷影響顯著。

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