住宅負荷節(jié)能效果模擬研究①
——以黃山市為例

曹靜怡， 胡浩威， 楊 帆， 崔 倩

(1.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院2. 安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽，合肥 230601；3.安徽省BIM工程中心，安徽，合肥 230601；4. 安徽省綠色建筑先進技術(shù)研究院，安徽，合肥 230601；5. 智能建筑與建筑節(jié)能安徽省重點實驗室，安徽，合肥230022)

0 引 言

建筑節(jié)能設(shè)計是在保證建筑物使用功能和室內(nèi)空氣溫度的條件下，通過提高建筑物的圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能、氣密性、采暖及空調(diào)系統(tǒng)的運行效率，以控制建筑物的供暖和空調(diào)能耗[1]。建筑能耗的產(chǎn)生是由多方面因素決定的，其中建筑物氣密性和圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)是影響建筑的空調(diào)和供暖能耗的重要因素。室內(nèi)空氣通過圍護結(jié)構(gòu)的縫隙可以直接與外界環(huán)境進行熱交換，在空調(diào)季或供暖季，具有良好氣密性的圍護結(jié)構(gòu)可以抵擋無組織滲風(fēng)，從而降低建筑冷、熱負荷[2]。建筑的熱工性能是影響建筑氣密性的主要因素,目前對其影響因素作為單一變量研究較為成熟,但其多種變量同時影響建筑負荷的研究甚少。

主要分析基于dest模擬下的多種工況下的熱工性能對黃山地區(qū)的住宅建筑負荷的影響，明確兩者交互作用對建筑負荷差異的特性，根據(jù)分析結(jié)果確定最佳節(jié)能組合方案，提高建筑節(jié)能率。

1 基本參數(shù)

1.1 建筑概況

使用DeST軟件，根據(jù)住宅建筑房間功能設(shè)置及通風(fēng)方式，建立建筑模型，共12層，建筑面積為3364.20m2。圖1為此住宅建筑平面圖，圖2為建筑模型三維視圖。

圖1 建筑模型平面圖

圖2 建筑模型立面圖

1.2 參數(shù)設(shè)置

模擬地點設(shè)置為安徽省黃山市，其圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)見表1。根據(jù)圖3黃山市全年的干球溫度，設(shè)置空調(diào)季時段為6月1日—10月1日，采暖季時段為12月1日—次年3月1日。房間人員作息、設(shè)備熱擾、照明時間、窗簾作息等根據(jù)此住宅建筑不同的房間功能設(shè)置。通風(fēng)是通過房間與外界之間的通風(fēng)和房間的相互通風(fēng)進行的，通風(fēng)方案按房間功能和人員設(shè)定，采用逐時通風(fēng)作息。依據(jù)夏熱冬冷地區(qū)的氣候特點，充分利用夜間通風(fēng)降低空調(diào)冷熱負荷，每日22：00—次日6：00開窗通風(fēng)，換氣次數(shù)取2次/h。

圖3 黃山市全年溫度分布圖

表1 圍護結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)

1.3 模擬工況

為研究圍護結(jié)構(gòu)材料與自然通風(fēng)效果對建筑負荷的影響，通過設(shè)置墻體傳熱系數(shù)與換氣次數(shù)的雙因素分析變量，分別研究單變量和雙變量相互作用下對建筑冷、熱負荷的影響，各工況參數(shù)設(shè)置如表2所示。6個傳熱系數(shù)取自于黃山地區(qū)常用的墻體材料，與6種換氣次數(shù)自由組合出36種工況。其中墻體材料設(shè)置如圖4所示。選用的兩種墻體材料在夏熱冬冷地區(qū)的應(yīng)用較為廣泛，其中，加氣混凝土為輕質(zhì)多孔的的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，具有較強的保溫與耐久性；而陶?；炷翆?dǎo)熱系數(shù)為0.2-0.7，熱損失小，可以根據(jù)保溫耐火隔熱的具體需求，配置出所需容重和強度的混凝土材料，施工適應(yīng)性強[7]。

混凝土墻-氣-150

2 模擬結(jié)果分析

2.1 建筑全年負荷分析

圖5(a)為全年累計冷負荷分布圖，可以看出，其傳熱系數(shù)的降低對冷負荷影響較小，變化幅度較為平緩；而換氣次數(shù)的降低對于建筑冷負荷的影響較為顯著，最低為2.25×105kW·h，最高為2.95×105kW·h，冷負荷呈平行均勻狀態(tài)分布。當(dāng)傳熱系數(shù)為0.194W/(m2·K)，換氣次數(shù)為2.0次/h，全年累計冷負荷最低。

對于全年累計熱負荷分布圖5(b)，相比于圖5(a)而言，熱負荷的全年波動區(qū)域為7.5×104kW·h—2.75×105kW·h，波動范圍遠大于冷負荷。換氣次數(shù)一定，熱負荷隨著傳熱系數(shù)的減少而減少；而當(dāng)傳熱系數(shù)一定，隨著換氣次數(shù)的降低，全年累計熱負荷也相應(yīng)降低，熱負荷分布圖呈對角線斜向平行分布狀態(tài)。當(dāng)換氣次數(shù)為2.0次/h，傳熱系數(shù)為0.194W/(m2·K)時，對熱負荷影響最小。

(a)全年累計冷負荷分布圖

2.2 采暖季節(jié)能率分析

為了分析單個變量換氣系數(shù)對于采暖季節(jié)能率的影響，以2.0次/h的不同工況為基準，計算相同傳熱系數(shù)下不同換氣次數(shù)的節(jié)能率。從圖6(a)可以看出，當(dāng)換氣次數(shù)相同時，隨著傳熱系數(shù)的增加，曲線呈上升狀態(tài)，即節(jié)能率升高，最高達到35.21%；但是曲線的增幅是逐漸變緩的，即節(jié)能速率減小?？v向來看，隨著建筑換氣次數(shù)的降低，采暖季節(jié)能率升高且高度差逐漸增大，分別以換氣次數(shù)為2.0和4.5次/h為例，當(dāng)傳熱系數(shù)從0.194提高到1.081 W/(m2·K)時，其節(jié)能率分別為35.21%和16.00%，差值達兩倍以上，換氣次數(shù)對建筑采暖季節(jié)能率有一定影響且呈負相關(guān)。

為了分析單個變量傳熱系數(shù)對于采暖季節(jié)能率的影響，以0.194 W/(m2·K)的不同工況為基準，計算相同換氣次數(shù)下不同傳熱系數(shù)的節(jié)能率。從圖6(b)可以看出，相較于(a)，其節(jié)能率的跨度更大，最小值為10.71%，最大值為65.09%，即相比于換氣次數(shù)，傳熱系數(shù)是影響建筑熱負荷的主要因素。當(dāng)傳熱系數(shù)一定，換氣次數(shù)增加使得曲線呈下降趨勢且趨勢增大，即節(jié)能率降低，節(jié)能效果提升；曲線上各點逐漸趨于相近，即換氣次數(shù)越大，傳熱系數(shù)的改變對于采暖節(jié)能率影響越小。以傳熱系數(shù)為0.647W/(m2·K)為例，當(dāng)換氣次數(shù)分別從4.5次/h降低到4.0和2.0次/h時，其節(jié)能率分別為12.30%和61.33%，差值達近五倍，傳熱系數(shù)與建筑采暖季節(jié)能率成正相關(guān)。

(a)采暖節(jié)能率—傳熱系數(shù)

2.3 空調(diào)季節(jié)能率分析

以換氣次數(shù)為2.0、3.0、4.0次/h下的相同墻體傳熱系數(shù)對比分析換氣次數(shù)的改變對于空調(diào)逐時負荷節(jié)能率的影響。從圖7(a)、(b)、(c)可以看出，當(dāng)換氣次數(shù)越大時，建筑負荷逐時點越離散，負荷消耗越大，節(jié)能率越低，整體離散性較明顯，即空調(diào)節(jié)能率與換氣次數(shù)呈負相關(guān)性。

(a)

以傳熱系數(shù)為0.2、0.6、1.2 W/(m2·K)下的相同換氣次數(shù)對比分析傳熱系數(shù)的改變對于空調(diào)逐時負荷節(jié)能率的影響。從圖8(a)、(b)、(c)可以看出，當(dāng)傳熱系數(shù)越大時，建筑負荷逐時點越集中，負荷消耗越小，節(jié)能率越高，整體離散性較微弱，即空調(diào)節(jié)能率與傳熱系數(shù)呈正相關(guān)性。

(a)

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)換氣次數(shù)一定，隨著傳熱系數(shù)的降低，全年累計冷熱負荷相應(yīng)降低；當(dāng)傳熱系數(shù)一定，隨著換氣次數(shù)的降低，全年累計冷熱負荷也相應(yīng)降低，且分布圖呈對角線斜向平行分布狀態(tài)。建議選用當(dāng)換氣次數(shù)為2.0次/h，傳熱系數(shù)接近0.2W/(m2·K)時，對建筑冷熱負荷影響最小。

(2)當(dāng)換氣次數(shù)相同時，隨著傳熱系數(shù)的增加，曲線呈上升狀態(tài)，即采暖節(jié)能率升高，最高達到35.21%，當(dāng)傳熱系數(shù)從0.194升高到1.081 W/(m2·K)時，其采暖節(jié)能率分別為35.21%和16.00%，差值達兩倍以上，換氣次數(shù)與建筑采暖季節(jié)能率成負相關(guān)。當(dāng)換氣次數(shù)分別從4.5次/h降低到4.0和2.0次/h時，其采暖節(jié)能率分別為12.30%和61.33%，差值達近五倍，傳熱系數(shù)與建筑采暖季節(jié)能率成正相關(guān)。

(3)當(dāng)換氣次數(shù)越大時，建筑負荷逐時點越離散，負荷消耗越大，節(jié)能率越低，整體離散性較明顯，即空調(diào)節(jié)能率隨換氣次數(shù)增加而減小，呈負相關(guān)性：當(dāng)傳熱系數(shù)越大時，建筑負荷逐時點越集中，負荷消耗越小，節(jié)能率越高，整體離散性較微弱，即空調(diào)節(jié)能率隨傳熱系數(shù)增加而減小，呈正相關(guān)性。