夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑差異化熱工優(yōu)化設計研究

周曼 王智偉 閆增峰

1 西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院

2 西安建筑科技大學建筑學院

0 引言

近些年，由于人們對室內(nèi)熱環(huán)境要求提高，住宅建筑的采暖、空調(diào)能耗在近些年成倍增長[1]，夏熱冬冷地區(qū)受到了廣泛關(guān)注。該地區(qū)冬季陰冷，夏季悶熱，住宅建筑熱工性能差，能耗增長空間大。在保證該地區(qū)住宅建筑室內(nèi)熱環(huán)境的同時，如何避免建筑能耗的大幅增加是我國目前面臨的一個挑戰(zhàn)。我國《民用建筑設計規(guī)范》將夏熱冬冷地區(qū)劃分為兩個氣候子區(qū)，主要指出了自然通風和遮陽設計在兩個子區(qū)的重視程度差異?，F(xiàn)行的《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》將該地區(qū)視為整體，給出了該地區(qū)建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱工設計要求，對該地區(qū)及我國的建筑節(jié)能工作有重大意義[2]。但以上的相關(guān)標準，規(guī)范以及目前其他建筑節(jié)能方面的研究缺少對該地區(qū)不同氣候特征下具體建筑熱工設計做法的研究。

本文在文獻[3]的氣候區(qū)劃結(jié)果的基礎上，選擇該地區(qū)一個典型的7 層住宅建筑建立基礎建筑模型，以建筑年累積總負荷（熱負荷+冷負荷）最小為優(yōu)化目標，利用EnergyPlus 模擬計算不同氣候特征下、不同的熱工設計工況下的建筑年累積供暖、空調(diào)能耗。通過統(tǒng)計得到最優(yōu)解鄰域，并對鄰域里的熱工參數(shù)要素進行分析，最終提出一個節(jié)能且經(jīng)濟的熱工設計方案，為以后的研究工作及相關(guān)規(guī)范的編制工作盡可能的提供一些指導作用。

1 模型建立

本文采用的基礎建筑層高為2.7 m，建筑朝向為南向。該住宅建筑的平面圖表示在圖1 中。每層建筑面積336 m2，建筑的尺寸為28 m×12 m×2.7 m（長×寬×高）。該建筑各層布局一致，每層4 戶，戶型為3 室1廳。外墻、屋頂、外窗的熱工取值分別取文獻[2]中的規(guī)定建筑熱工限值，傳熱系數(shù)分別為1、0.8、3.2 W/(m·K)，外窗太陽得熱系數(shù)為0.4。外墻和屋頂?shù)臉?gòu)造來源于DeST 構(gòu)件庫，列于表1 中。表2 列出了各建筑材料的熱物理性質(zhì)。

圖1 夏熱冬冷地區(qū)基礎建筑平面圖

表1 基礎建筑的外墻、屋頂構(gòu)造說明

表2 建筑材料性質(zhì)

分體式空調(diào)是夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑中最廣泛使用的供熱、供冷設備，空調(diào)運行普遍具有間歇啟停的特征[4]。錢曉倩等學者對該地區(qū)不同的類型房間最普遍的人員在室時間情況進行了大規(guī)模問卷調(diào)查[5]?；谠搯柧碚{(diào)查的結(jié)果，本文設定了各個類型房間的人員在室情況和各個類型房間的設備、燈光等內(nèi)熱源的啟閉情況。表3 列出了不同類型房間的人員數(shù)量和內(nèi)熱源功率密度。表4 為不同功能房間的內(nèi)熱源及空調(diào)啟閉運行時間表。供暖期為12.01～次年02.28，空調(diào)期為06.15～08.31。冬、夏季室內(nèi)供暖設計溫度分別為18 ℃、26 ℃，換氣次數(shù)為1.0 次/h。

表3 不同類型房間的人員和燈具、設備的功率

表4 不同房間類型內(nèi)熱源及分體式空調(diào)設備運行時間表

2 試驗設計

本文確定了外墻、屋頂、外窗的傳熱系數(shù)Kwall，Kroof，Kwin及外窗太陽得熱系數(shù)SHGC 為優(yōu)化變量。但由于EnergyPlus 中的建筑模型中不能設置Kwall和Kroof，只能設置保溫層厚度，變量用外墻、屋頂?shù)谋貙雍穸确謩e代替Kwall、Kroof。表5 列出了該優(yōu)化試驗中各圍護結(jié)構(gòu)部件設計變量及其水平。優(yōu)化變量的變化范圍參考我國寒冷B 區(qū)[6]及夏熱冬暖北區(qū)[7]的住宅建筑規(guī)范里熱工限值要求設置。

表5 圍護結(jié)構(gòu)部件設計變量說明

考慮到全面試驗法可以考慮更多的熱工參數(shù)組合、獲得更多的信息量，本文使用全面試驗法來分別確定適合各個氣候子區(qū)的住宅建筑熱工設計。本文選擇EnergyPlusV8-1-0 對建筑能源需求進行評估。由于全面試驗次數(shù)多，逐次對建筑模型設定來計算1728 種熱工設計工況下的建筑能耗，不僅工作量大，而且十分耗時。為了加快運算速度，本文使用了Python-EnergyPlus 并行計算程序。該程序可以對EnergyPlus 建筑模型IDF 文件進行批量修改，調(diào)用EnergyPlus 進行批量模擬，對模擬結(jié)果進行統(tǒng)計和儲存，實現(xiàn)多進程并發(fā)模擬計算，可以大大提升模擬效率縮短各個試驗工況的求解速度。

3 模擬結(jié)果分析

本文采用的天氣文件為典型氣象年的逐時數(shù)據(jù)[8]，采用其計算的年能耗最能反映能耗的“平均”水平。漢中，長沙和桂林分別為夏熱冬冷地區(qū)的Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)和Ⅱ區(qū)的代表城市。對模擬結(jié)果的分析包含兩個步驟：1）各圍護結(jié)構(gòu)熱工變量對建筑負荷的影響分析。2）各氣候子區(qū)住宅建筑熱工限值的確定。

3.1 圍護結(jié)構(gòu)熱工變量對建筑負荷影響分析

基于基礎建筑，本文分析了各個熱工變量對建筑供暖、空調(diào)負荷的影響。圖2～4 中依次為外墻、屋頂保溫層厚度及外窗傳熱系數(shù)對建筑負荷的影響。這里之所以沒有分析外窗SHGC 對建筑負荷的影響，是因為該變量對于建筑冷、熱負荷的影響是顯而易見的，在以往的研究中不存在爭議。

圖2 外墻保溫層厚度對建筑負荷的影響

圖3 屋頂保溫層厚度對建筑負荷的影響

圖4 外窗傳熱系數(shù)對建筑負荷的影響

由圖2 和圖3 可以發(fā)現(xiàn)，增加外墻和屋頂?shù)谋貙雍穸葘ㄖ湄摵傻挠绊戄^小，對建筑熱負荷的影響較大，尤其是對于以漢中為典型代表城市的寒冷地區(qū)過渡區(qū)來說。由圖4 可以發(fā)現(xiàn)，外窗的傳熱系數(shù)對于建筑負荷的作用比較復雜。對于建筑供暖負荷來說，采用具有更低的傳熱系數(shù)的外窗可以降低供暖負荷。但是對于建筑空調(diào)負荷來說，外窗的傳熱系數(shù)在低于某臨界值的范圍變化時會出現(xiàn)建筑反節(jié)能現(xiàn)象。但對于總負荷來說，降低外窗傳熱系數(shù)對建筑節(jié)能有利。

3.2 夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑熱工限值的確定

為了在建筑能耗和建筑經(jīng)濟初投資之間取得一個平衡，本文沒有直接將總負荷最小對應的熱工設計組合作為各個氣候子區(qū)住宅建筑熱工限值，而是統(tǒng)計分析了使建筑總負荷更小的最優(yōu)解鄰域。該鄰域內(nèi)包含50 個試驗工況，這樣保證了最優(yōu)解鄰域中的建筑總負荷都處于較低水平。通過統(tǒng)計最優(yōu)解鄰域內(nèi)的熱工設計工況，分析不同熱工參數(shù)的不同水平在最優(yōu)解鄰域所占的比例。對于某一個熱工設計變量，如果某一水平在50 個設計工況中出現(xiàn)的頻率遠高于其他水平（不同水平出現(xiàn)的次數(shù)差＞3，即頻率差＞6），則確定該水平為該設計的變量在該地區(qū)的住宅建筑熱工限值。對于一個熱工設計變量，如果幾個水平的出現(xiàn)比例相差不大（不同水平出現(xiàn)的次數(shù)差≤3，即頻率差≤6），則優(yōu)先選擇熱工水平稍低、但更為經(jīng)濟的熱工水平設計作為該地區(qū)的住宅建筑熱工限值。

圖5～7 表示出了漢中、長沙及桂林在不同熱工設計工況下的最優(yōu)解鄰域。對每個城市的總負荷最優(yōu)解鄰域內(nèi)的熱工參數(shù)進行統(tǒng)計分析，得到外墻、屋頂、外窗各輸入變量不同水平所占頻率分布，如圖8 所示。

圖8 為外墻保溫層厚度頻率分布圖。在總負荷最優(yōu)的目標下，漢中在外墻保溫層厚度為40 mm 時占比為46%，長沙在外墻保溫層厚度35 mm、40 mm 時占比分別為32%、38%，桂林在外墻保溫層厚度30 mm、35 mm、40 mm 時占比分別為28%、32%、34%，均遠高于其他項的分布頻率。對于頻率分布接近的圍護結(jié)構(gòu)保溫水平，考慮到經(jīng)濟因素優(yōu)先選擇較低水平。因此漢中、長沙及桂林的住宅建筑外墻保溫層厚度最優(yōu)選擇分別為40 mm、35 mm、30 mm，經(jīng)計算對應氣候子區(qū)的住宅建筑外墻傳熱系數(shù)限值分別為0.7、0.8、0.9 W/(K·m2)。

圖5 熱工優(yōu)化試驗最優(yōu)解鄰域—漢中

圖6 熱工優(yōu)化試驗最優(yōu)解鄰域—長沙

圖7 熱工優(yōu)化試驗最優(yōu)解鄰域—桂林

圖8 最優(yōu)解鄰域內(nèi)外墻保溫層厚度頻率分布圖

圖9 為屋頂保溫層厚度頻率分布圖。在總負荷最優(yōu)化的目標下，漢中在屋頂保溫層厚度為350 mm 時占比為34%，長沙在屋頂保溫層厚度300 mm、350 mm時占比分別為26%、28%，桂林在屋頂保溫層厚度250 mm、300 mm、350 mm 時占比分別為22%、26%、28%，遠高于其它項的分布頻率。因此漢中，長沙及桂林的住宅建筑屋頂保溫層厚度最優(yōu)選擇分別為350 mm、300 mm、250 mm，其對應氣候子區(qū)的住宅建筑屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)限值分別為0.5、0.6、0.7 W/(K·m2)。

圖9 最優(yōu)解鄰域內(nèi)屋頂保溫層厚度頻率分布圖

圖10 為Kwin頻率分布圖。在總負荷最優(yōu)化的目標下，漢中在Kwin為2.0 時占比為44%，長沙在Kwin為2.0、2.4 時占比分別為36%、32%，桂林在Kwin為2.0、2.4、2.8 時占比分別為30%、26%、24%，遠高于其他項的分布頻率。因此，漢中、長沙及桂林對應氣候子區(qū)的住宅建筑Kwin限值分別為2.0、2.4、2.8 W/(K·m2)。

圖10 最優(yōu)解鄰域內(nèi)Kwin 頻率分布圖

圖11 最優(yōu)解鄰域內(nèi)SHGC 頻率分布圖

圖11 為SHGC 頻率分布圖。由于夏熱冬冷地區(qū)主要是以空調(diào)負荷為主導，因此外窗遮陽皆需要重視，尤其是以長沙、桂林為代表的Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)，選擇各個氣候子區(qū)的住宅建筑外窗的SHGC 限值為0.3。

綜上，本文確定了夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑熱工參數(shù)設計的限值列于表6 中。

表6 夏熱冬冷地區(qū)各氣候子區(qū)住宅建筑熱工參數(shù)限值

4 結(jié)論

1）增加外墻和屋頂?shù)谋貙雍穸瓤梢詼p少建筑冷、熱負荷，但對建筑冷負荷的影響很小。對于建筑供暖負荷來說，減小Kwin可以降低供暖負荷。但對于建筑空調(diào)負荷來說，在低于某臨界值時會出現(xiàn)反節(jié)能現(xiàn)象。總體上，減小Kwin有利于建筑節(jié)能。

2）得到了夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑差異化的熱工設計。相較于現(xiàn)行的規(guī)范，本文的熱工設計做法可以實現(xiàn)夏熱冬冷地區(qū)Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)的住宅建筑分別節(jié)能15.9%、10.5%、8.7%。