翟文燕

0 引言

冬季熱工計算是以陰寒天氣為準,不考慮太陽輻射作用,但這并不意味著太陽輻射對建筑保溫沒有影響。太陽輻射熱是影響建筑熱過程的主要熱源,也是建筑熱環(huán)境四個參量中影響最大的一個,實際上,建筑師設(shè)計房屋時,總是要爭取良好的朝向和適當(dāng)?shù)拈g距,以便盡可能得到充分的日照。規(guī)范中對圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的修正也是考慮到太陽輻射熱和天空輻射熱的影響。由于考慮了太陽輻射熱的補充作用,實際從圍護結(jié)構(gòu)傳出的熱量并沒有我們在理想狀態(tài)下所計算得到的多,即kw?eff＜kw,在冷熱負荷計算中,采用有效傳熱系數(shù)(kw?eff)可以減少冷熱負荷量,使建筑在滿足室內(nèi)熱環(huán)境要求下,消耗能量減少。

因此從節(jié)能的角度上來看建筑熱工設(shè)計,我們不但要采用降低墻體、屋面窗戶的傳熱系數(shù),增加隔熱保溫材料厚度來達到節(jié)約建筑能耗的目的,更應(yīng)該充分考慮到太陽輻射的作用。

1 圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的修正系數(shù)的意義

隨著科技的發(fā)展,能源問題已成為全球共識的問題,2010年陜西省要完成從建筑節(jié)能50%到節(jié)能65%的過渡,我們就不能忽視太陽輻射和天空輻射對圍護結(jié)構(gòu)傳熱量的影響,因此就引入了圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的修正系數(shù)。由于圍護結(jié)構(gòu)不同部分在太陽輻射和天空輻射作用下所吸收熱量程度各不相同,因此節(jié)能設(shè)計規(guī)范根據(jù)不同地區(qū)和不同朝向給出了修正系數(shù)取值的一個參考值。本文旨在評價這一參考值的準確程度,在這里只對墻體的傳熱系數(shù)修正系數(shù)進行檢驗。

2 外墻傳熱系數(shù)修正系數(shù)的計算模型及分析

2.1 外墻傳熱系數(shù)修正系數(shù)的計算模型

外墻有效傳熱系數(shù)計算公式:

其中,kw?eff為外墻的有效傳熱系數(shù),W/(m2?K);kw為外墻原傳熱系數(shù),W/(m2?K);tsol?eq為太陽輻射當(dāng)量溫度,℃。

其中,ρ為外表面的太陽輻射吸收系數(shù);I為垂直面上的太陽輻射照度,W/m2;αe為外表面換熱系數(shù),W/(m2?K)。

2.2 公式分析

把式(1)代入式(3)中得:

因此,從公式推導(dǎo)中可以看出圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的修正系數(shù)與圍護結(jié)構(gòu)的原傳熱系數(shù)無關(guān),即與圍護結(jié)構(gòu)的構(gòu)造無關(guān)。

3 外墻傳熱系數(shù)修正系數(shù)的實例計算

3.1 實例說明

3.1.1 選擇圍護結(jié)構(gòu)

取一典型的采暖地區(qū)的外圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造如圖1所示,取其朝向為正南向。

3.1.2 氣候條件

1)已知西安地區(qū)冬季室內(nèi)計算溫度為ti=16℃～18℃,設(shè)計計算用采暖期天數(shù)為100 d,室外平均計算溫度為te=0.9℃。2)西安的冬季太陽輻射照度采用《民用建筑節(jié)能設(shè)計手冊》附錄九的冬季太陽輻射照度。

3.2 計算過程

1)已知條件。

取西安地區(qū)氣候特點,對圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的修正系數(shù)εi進行計算。室內(nèi)計算溫度為 ti=18℃,室外平均計算溫度為 te=0.9℃。外圍護結(jié)構(gòu)表面材料為水泥砂漿,其ρ=0.48,取其冬季太陽輻射照度為各月垂直南向照度的加權(quán)平均值。

2)計算。

由式(2)得:

求結(jié)構(gòu)原傳熱系數(shù):

由式(1)得有效傳熱系數(shù)為:

由式(3)得修正系數(shù)為:

因此得出的傳熱系數(shù)的修正系數(shù)εi比規(guī)范上的傳熱系數(shù)修正值εi=0.79(南向外墻)大0.087。

用同樣的計算方法分別對以下列出的條件下的傳熱系數(shù)的修正系數(shù)進行計算。

條件:1)室內(nèi)計算溫度分別取 ti=16℃和 ti=18℃。2)冬季太陽輻射照度分別取最大值 Imax、最小值 Imin和加權(quán)平均值ˉI。3)我們采用四種外表面材料分別對其圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)修正值進行計算,所采用的四種材料及其太陽輻射吸收系數(shù)見表1。

表1 圍護結(jié)構(gòu)外表面材料及其太陽輻射吸收系數(shù)

根據(jù)上述條件,得出計算結(jié)果如表2所示。

表2 計算結(jié)果表西安地區(qū)(構(gòu)造見圖1)

4 數(shù)據(jù)分析

1)室內(nèi)計算溫度取值分別為 ti=18℃和ti=16℃時,當(dāng)其他條件相同時,其 ti=16℃時所得的εi值更接近規(guī)范上的值。2)計算中所采用的冬季太陽輻射照度取的是晝夜平均值,其值越大,εi越小。3)外表面材料的吸收系數(shù)ρ越大,所得的εi越小。而且可以從表2中看出,ρ值的取值是決定修正系數(shù)的主要因素。

5 結(jié)論與建議

在《民用建筑節(jié)能設(shè)計標準》(采暖居住建筑部分)規(guī)范中,規(guī)定西安地區(qū)南向外墻圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的修正系數(shù)εi=0.79,從數(shù)據(jù)來看,規(guī)范中取的εi值普遍低于驗算得的值,因此我們可以認為在規(guī)范中εi的取值高估了太陽輻射的作用。

由以上的圖表我們可以看出,外圍護結(jié)構(gòu)的構(gòu)造,太陽輻射照度,室外計算溫度對圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的修正系數(shù)影響不大,其修正系數(shù)主要取決于建筑外圍護結(jié)構(gòu)外表面對太陽輻射的吸收系數(shù),即主要取決于外表面的材料,為了獲得比較大的材料吸收系數(shù),在建筑設(shè)計中對材料的選擇是尤為重要的。

對于建筑外圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)修正系數(shù)的取值,在規(guī)范中,由于高估了太陽輻射的作用,使在計算冷負荷時所采用的有效傳熱系數(shù)取值偏小,則在計算負荷量時所得值也偏小,進而影響了采暖計算所要求的熱量。造成的結(jié)果就是冬季室內(nèi)溫度達不到規(guī)范的要求,因此我們建議應(yīng)對規(guī)范中的傳熱系數(shù)的修正系數(shù)做再一次的修正。

[1] 楊善勤.民用建筑節(jié)能設(shè)計手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1998.

[2] 付祥釗.夏熱冬冷地區(qū)建筑節(jié)能技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[3] 彥啟森,趙慶珠.建筑熱過程[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1986.

[4] JGJ 26-95,民用建筑節(jié)能設(shè)計標準(采暖居住建筑部分)[S].