摘 要：西藏地區(qū)太陽能資源非常豐富且冬季溫度低，該地區(qū)非常適合大面積推廣太陽能采暖系統(tǒng)，以達到節(jié)能減排的目的。但是由于實際大部分太陽能采暖工程，忽略了建筑圍護對太陽能主動式采暖系統(tǒng)初投資與運行費用的影響，造成了太陽能主動式采暖系統(tǒng)初投資過高、太陽能保證率低。為了分析建筑熱工性能對太陽能主動式采暖系統(tǒng)的影響，筆者利用數(shù)值模擬方法，將建筑熱工性能與主動式太陽能采暖系統(tǒng)作為一個整體進行計算分析，利用初投資費用最低與全壽命周期總費用最低兩個目標(biāo)函數(shù)，對主動式太陽能采暖建筑熱工性能的保溫性能進行優(yōu)化。結(jié)果表明，提高建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能，不僅可以降低太陽能采暖建筑的采暖運行費用，而且可降低整個系統(tǒng)的初投資。

關(guān)鍵詞：太陽能；可再生能源；建筑節(jié)能；建筑能耗分析；EnergyPlus；TRNSYS

中圖分類號：TU831 文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：16744764（2013）02008606

西藏地區(qū)氣候寒冷、太陽輻射照度高，并且常規(guī)能源匱乏，當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境脆弱。在西藏地區(qū)大力推廣太陽能采暖系統(tǒng)有非常重要的現(xiàn)實與戰(zhàn)略意義。筆者自2006一直從事太陽能采暖系統(tǒng)設(shè)計、優(yōu)化與施工研究。根據(jù)現(xiàn)場實踐，筆者最大感受是業(yè)主愿意投資大量資金建設(shè)太陽能主動采暖系統(tǒng)，如安裝大面積太陽能集熱板，但不愿對提高建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能進行投資，這就造成了建筑基準(zhǔn)能耗過高，在同樣太陽能保證率情況下（例如65%保證率），主動式系統(tǒng)投資過大，系統(tǒng)運行能耗過高。本文以某一典型的實際工程為例，利用建筑動態(tài)能耗模擬軟件（EnergyPlus與TRNSYS）對建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能對主動式太陽能采暖系統(tǒng)及系統(tǒng)能耗的影響進行定量分析，從全壽命周期出發(fā)確定最優(yōu)建筑熱工保溫與主動式采暖系統(tǒng)配置。該新建建筑為西藏地區(qū)典型四層條式住宅建筑，建筑總面積為1 840 m2，其中采暖面積為1 230 m2，非采暖面積為610 m2。建筑外墻面積1 150 m2，外窗面積422 m2，屋頂面積457 m2，體型系數(shù)為0.37。對該典型建筑進行研究，其結(jié)果具有一定的普遍參考意義。

王 磊，等：西藏地區(qū)太陽能采暖建筑熱工性能優(yōu)化研究

1 建筑基本情況

新建建筑為4層條式住宅建筑，總面積為1 840 m2，各層房間布局與結(jié)構(gòu)完全一樣。建筑為磚混結(jié)構(gòu)，外墻為240 mm厚實心砼磚塊，內(nèi)墻為200 mm厚實心砼磚塊；屋頂為200 mm厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土，20 mm厚水泥保護層，60 mm厚爐渣找坡，4 mm厚SBS防水卷材，20 mm厚水泥砂漿；地面貼磚，衛(wèi)生間吊頂鋁合金；外窗為塑鋼單層玻璃；外飾面為彈性涂料。圖1給出了標(biāo)準(zhǔn)層平面圖。

2 計算模型及參數(shù)

目前建筑動態(tài)能耗模擬軟件可以分兩大類[3]：

1）建筑能耗模擬軟件—此類軟件主要用于建筑和系統(tǒng)的動態(tài)模擬分析，以EnergyPlus 、DOE-2、DesT和ESP-r 等為代表。這類軟件的主要模擬目標(biāo)是建筑和系統(tǒng)的長周期的動態(tài)熱特性（往往以小時為時間步長），采用的是完備的房間模型和較簡單的系統(tǒng)模型及簡化的或理想化的控制模型，適于模擬分析建筑物圍護結(jié)構(gòu)的動態(tài)熱特性及模擬建筑物的全年運行能耗。

2）空調(diào)采暖系統(tǒng)仿真軟件—此類軟件主要用于空調(diào)系統(tǒng)部件的控制過程的仿真，以TRNSYS、SPARK和HVACSIM+等為代表。這類軟件的主要模擬目標(biāo)是各種模塊搭成的系統(tǒng)的動態(tài)特性及其在各種控制方式下的響應(yīng)。它們采用的是簡單的房間模型和復(fù)雜的系統(tǒng)模型，可以根據(jù)需要由使用者靈活地組合系統(tǒng)形式和控制方法，適用于系統(tǒng)的高頻（如以幾s為時間步長）動態(tài)特性及過程的仿真分析。

為了研究建筑圍護結(jié)構(gòu)動態(tài)熱特性對主動式太陽能采暖系統(tǒng)的配置優(yōu)化的影響，需同時采用上述兩類軟件，對建筑能耗與主動式太陽能采暖系統(tǒng)進行模擬計算。因此分別采用了EnergyPlus與TRNSYS對建筑能耗與主動式太陽能采暖系統(tǒng)進行模擬計算，其計算模型示意圖見圖2與圖3所示。EnergyPlus模型計算所得出的建筑動態(tài)負(fù)荷，輸入TRNSYS動態(tài)模型中進行主動式太陽能采暖系統(tǒng)模擬計算。

2.1 熱工模型輸入條件與假設(shè)

1）圍護結(jié)構(gòu)（外墻、屋頂、內(nèi)墻、外窗）熱工性能參數(shù)見表1～表3所示。

2）建筑換氣次數(shù)選取1次/h

3）假設(shè)內(nèi)熱源為0 W/m2。

4）房間采暖溫度取18℃

5）太陽能集熱器選取平板式太陽能集熱器，其集熱效率選取ASHRAE Handbook[5]的典型平板式集熱器效率曲線 ，并選取0.8修正系數(shù)，以考慮現(xiàn)場因素對集熱效率影響。

6）室外氣象數(shù)據(jù)選用拉薩市典型氣象年[4]

2.2 經(jīng)濟模型輸入條件與假設(shè)

1）外窗由單玻改為雙玻，初投資增加200元/m2。

2）屋頂保溫采用XPS保溫，外墻采用EPS外墻外保溫，初投資增加與保溫厚度關(guān)系如圖4所示。

3）采暖散熱器（銅鋁復(fù)合）取700元/kW。

4）電鍋爐造價取180元/kW。

5）太陽能集熱板造價取600元/m2。

6）蓄熱水箱造價取2 300元/m3。

7）能源單價 0.65元/kWh。

3 計算結(jié)果分析

3.1 基準(zhǔn)建筑計算結(jié)果分析

本文首先對基準(zhǔn)建筑的設(shè)計負(fù)荷、全年動態(tài)能耗進行計算，并分析了在基準(zhǔn)建筑熱工性能條件下，太陽能集熱板面積對系統(tǒng)的太陽能保證率與能耗的影響。其計算結(jié)果分別見表5與圖5。

當(dāng)太陽能主動式采暖系統(tǒng)選取保證率為65%時，對應(yīng)的太陽能集熱板面積為420 m2，即每平米太陽能板可以服務(wù)3.46 m2采暖面積。集熱水箱的體積與系統(tǒng)保證率的關(guān)系如圖6所示。

從圖6中可以看出，最優(yōu)蓄熱水箱體積為42 m3即每平米集熱板對應(yīng)于100 L蓄熱水。采用主動式太陽能采暖系統(tǒng)后，建筑全年的能耗為59 547 kWh，即41 kWh/m2。

3.2 不同保溫措施熱工性能分析

3.2.1 外窗采用中空玻璃（6+6+6） 當(dāng)外窗由單玻窗，改為雙玻窗（6+6+6），建筑的采暖負(fù)荷可降低6%，在滿足同樣太陽能保證率（65%）條件下，太陽能集熱板面積可減少4.4%，全年能耗減少4.3%。

3.2.2 增加屋頂保溫 屋頂保溫層厚度對建筑采暖負(fù)荷、集熱板面積、全年能耗的敏感性分析見圖7所示。

從圖7中可以看出，當(dāng)屋頂保溫層厚度大于60 mm時，建筑采暖負(fù)荷、集熱板面積以及全年能耗的進一步減小的相對變化率低于1%。此時，建筑采暖負(fù)荷降低約12%，集熱板面積降低約16%，全年能耗降低約17%。

3.2.3 增加外墻保溫 外墻保溫層厚度對建筑采暖負(fù)荷、集熱板面積、全年能耗的敏感性分析見圖8所示。

從圖8中可以看出，當(dāng)外墻保溫厚度大于50 mm時，建筑設(shè)計負(fù)荷、太陽能集熱板、全年能耗進一步減少的相對變化率小于2%。此時建筑采暖負(fù)荷率降低了約23.1%，太陽能集熱板面積減少約27.7%，全年能耗減少約30.3%。

3.3 不同保溫措施經(jīng)濟性分析

在上述敏感性分析的基礎(chǔ)上，本節(jié)分析建筑熱工保溫對太陽能采暖系統(tǒng)的初投資、運行費用及全壽命周期費用的影響，以確定最優(yōu)的建筑熱工保溫范圍。經(jīng)濟計算中，假設(shè)建筑保溫層與主動太陽能采暖設(shè)備系統(tǒng)的壽命為25 a，不考慮能源價格升高與貨幣貶值率。

初投資同時考慮，建筑保溫提高所造成的投資增加，以及當(dāng)建筑保溫性能提高后，采暖末端、輔助熱源、集熱板面積、蓄熱水箱體積等減少所帶來的設(shè)備初投資降低。

外窗改為雙層玻璃，屋頂保溫、外墻保溫對建筑與太陽能采暖系統(tǒng)總投資節(jié)省、運行費用節(jié)省及全壽命周期費用節(jié)省的計算結(jié)果見表6，與圖9，圖10，所示。

從表6中可以看出，當(dāng)外窗由單玻窗改為雙玻窗時，總初投資增加約19 600元（10.7元/m2），總運行費用節(jié)省41 625元（22.6元/m2），全壽命周期費用 可以節(jié)約21 980元（11.9元/m2）。

由圖9可以看出，當(dāng)屋頂保溫厚度為60 mm時，建筑初投資的節(jié)省值最高，約為46 657元（25.4元/m2）。當(dāng)屋頂保溫層厚度為100 mm，全壽命周期節(jié)省值最高，約為219 025元（119元/m2），因此對于太陽能采暖建筑屋頂保溫層的最優(yōu)厚度為60～100 mm，對應(yīng)的傳熱系數(shù)為0.42～0.27 W/m2·K。

圖10中可以看出，當(dāng)外墻保溫厚度為50 mm時，初投資費用節(jié)省值最高，約為35 793元（19.5元/m2）。當(dāng)外墻保溫層厚度為70 mm，全壽命周期費用節(jié)省值最高，約為344 183元（187.1元/m2），因此對于太陽能采暖建筑屋頂保溫層的最優(yōu)厚度為50～70 mm，對應(yīng)的傳熱系數(shù)為0.60～0.46 W/m2·K。

4 結(jié) 論

利用數(shù)值模擬方法對太陽能采暖建筑的熱工性能對主動式太陽能采暖系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)與能耗的影響進行分析。并從初投資與全壽命周期兩個方面，確定最佳的太陽能建筑熱工性能保溫要求，得出了以下結(jié)論：

1）當(dāng)外窗改為中空玻璃時，建筑的采暖負(fù)荷降低6%，太陽能集熱板面積可減少4.4%，全年能耗減少4.3%。每平米建筑面積對應(yīng)初投資增加約10.7元/m2，全壽命周期節(jié)省11.9元/m2。

2）當(dāng)屋頂XPS保溫層厚度大于60 mm后，建筑采暖負(fù)荷、集熱板面積以及全年能耗的相對減小率低于1%。初投資費用最低的屋頂XPS保溫層厚度為60 mm，對應(yīng)傳熱系數(shù)0.42 W/m2·K，全壽命周期費用最低的屋頂XPS保溫層厚度為100 mm，對應(yīng)的傳熱系數(shù)為0.27 W/m2·K。

3）當(dāng)外墻EPS保溫厚度大于50 mm時，建筑設(shè)計負(fù)荷、太陽能集熱板、全年能耗的相對減少率低于2%。初投資費用最低的外墻EPS保溫層厚度為50 mm，對應(yīng)的傳熱系數(shù)為0.60 W/m2·K；全壽命周期費用最低的外墻EPS保溫層厚度為70 mm，對應(yīng)的傳熱系數(shù)為0.46 W/m2·K。

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（編輯 胡 玲）