崔麗麗

中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司

夏熱冬冷地區(qū)夏季悶熱， 冬季濕冷。尤其是在長江以南， 由于冬季沒有集中供熱， 大部分居住建筑都采用其他取暖方式， 所以能耗較為復(fù)雜。因此， 本文選擇國內(nèi)長江以南一典型夏熱冬冷城市作為研究對象，分析當(dāng)?shù)氐湫途幼〗ㄖ\(yùn)行能耗的組成， 并對建筑的穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷計(jì)算和逐時熱負(fù)荷模擬， 提出發(fā)展節(jié)能建筑降低建筑運(yùn)行能耗的建議。

1 建筑概述及參數(shù)選取

1.1 建筑概述

本文取國內(nèi)一典型夏熱冬冷城市某居民住宅為研究對象， 南北朝向， 建筑面積為 141m2， 采暖面積為91.5m2， 層高為 3.0m， 共兩層， 無地下室， 屋頂采用平屋頂。 建筑體形系數(shù)為0.54。 圖1為該別墅的DeST模型圖。

圖1 模型DeST三維圖

1.2 參數(shù)選取

遵照《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（JGJ134-2010）》（以下簡稱 《標(biāo)準(zhǔn)》）， 對于夏熱冬冷地區(qū)而言， 居住建筑通過采用增強(qiáng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能和提高采暖，空調(diào)設(shè)備能效比的節(jié)能措施， 在保證相同的室內(nèi)熱環(huán)境指標(biāo)的前提下， 與未采取節(jié)能措施前相比， 采暖、 空調(diào)能耗應(yīng)節(jié)約50%。由此選取適當(dāng)?shù)膰o(hù)結(jié)構(gòu)， 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)詳見表1。 由于規(guī)范中對于不同窗墻比的傳熱系數(shù)要求不同， 且對于東西外窗的遮陽系數(shù)SC值需≤0.45。因此在 6+14A+6 Low-E玻璃型號中選取東、 西、 北外窗參數(shù)， 選取真空鍍膜復(fù)合中空玻璃 （2(Low-e)+0.1+3+9+6） 作為南外窗。

表1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.3 參數(shù)驗(yàn)證與確定

由于本建筑的體形系數(shù)為0.54， 大于規(guī)范的限值0.52， 因此， 根據(jù)規(guī)范的要求， 需要對建筑物的耗熱量進(jìn)行驗(yàn)證。

建筑物耗熱量指標(biāo)是由單位建筑面積上單位時間內(nèi)通過建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量、 單位時間內(nèi)建筑物空氣換氣耗熱量和單位建筑面積上建筑物內(nèi)部得熱量組成， 根據(jù) 《標(biāo)準(zhǔn)》， 在室外計(jì)算平均溫度為1.8 ℃時， 建筑物耗熱量指標(biāo)為12.8 W/m2。 對于室內(nèi)熱擾， 規(guī)范中取值為3.8 W/m2， 并沒有溫度要求。由此可知， 在去除室內(nèi)熱擾， 建筑物的單位面積耗熱量應(yīng)當(dāng)為兩者之和， 即12.8+3.8=16.6 W/m2。根據(jù)此建筑物單位面積耗熱量， 先利用天正暖通對建筑負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。

表2 建筑圍護(hù)窗墻比

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)： 在上述圍護(hù)結(jié)構(gòu)的情況下， 計(jì)算所得建筑物耗熱量指標(biāo)要高大概6 W/m2。由此可知，體形系數(shù)對建筑物的能耗也有著不小的影響， 當(dāng)體形系數(shù)無法滿足要求時， 應(yīng)當(dāng)適當(dāng)調(diào)整窗墻比和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫層厚度。本文選用的建筑在此圍護(hù)結(jié)構(gòu)的條件下無法達(dá)到節(jié)能建筑的標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)行調(diào)整。最終將建筑窗墻比修改如表2。

經(jīng)計(jì)算， 修改后的建筑單位面積耗熱量指標(biāo)恰好為16.6 W/m2， 滿足規(guī)范要求。將圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置到DeST中。

對窗戶設(shè)置淺色窗簾。將采暖房間室內(nèi)溫度恒定設(shè)置為18℃ （即設(shè)置為連續(xù)采暖）。對于室內(nèi)人員、 燈光 （DG）、 設(shè)備 （SB） 等的作息， 采用DeST的默認(rèn)值， 分別對平時 （PS） 和周末 （ZM） 進(jìn)行設(shè)置 （衛(wèi)生間內(nèi)不設(shè)置設(shè)備）。將參數(shù)設(shè)置完成后分別進(jìn)行模擬。

2 模擬結(jié)果與數(shù)據(jù)處理

2.1 建筑耗熱量分析

在開始標(biāo)準(zhǔn)模擬前， 同樣對室內(nèi)熱擾進(jìn)行設(shè)置， 使其參數(shù)設(shè)置為 0，在此條件下 DeST 的建筑物單位面積耗熱量為12.9 W/m2。輸出DeST中采暖季日平均溫度后發(fā)現(xiàn)， DeST在采暖季的日平均溫度為 3.19 ℃， 與室內(nèi)的溫差為 14.81 ℃， 相對于規(guī)范中的 1.8 ℃， 溫差在數(shù)值上要高。究其原因：規(guī)范中所采用的采暖天數(shù)為 92 天， 而 DeST 所取為整個采暖季， 因此 DeST 中所得溫差是規(guī)范值的 91%。將 91%作為修正系數(shù)對DeST的建筑單位耗熱量進(jìn)行處理可得計(jì)算所得采暖季熱負(fù)荷指標(biāo)為14.1 W/m2， 符合規(guī)范要求。

設(shè)置DeST的室內(nèi)發(fā)熱量，對穩(wěn)態(tài)算法對其進(jìn)行模擬。與規(guī)范所給值列表如表3：

表3 建筑耗熱量指標(biāo)

由表3可知， 室內(nèi)熱擾設(shè)置恰好滿足規(guī)范要求， 模擬的建筑單位面積耗熱量， 盡管與傳統(tǒng)算法的值可能因?yàn)槌绦騼?nèi)部問題有所不同，但都合乎規(guī)范要求。因此， 可以對其進(jìn)行正常模擬計(jì)算。

2.2 日平均溫度對應(yīng)負(fù)荷

在穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷計(jì)算中， 我國所取得采暖室外計(jì)算溫度是歷年平均不保證 5天的日平均溫度[3]。而在逐時負(fù)荷模擬中， 采暖季內(nèi)每一時刻的室外溫度都被計(jì)算出來。因此，需要對逐時負(fù)荷進(jìn)行處理才能得到所需日平均溫度以及對應(yīng)的負(fù)荷。

對于日平均溫度tw′， 其中在計(jì)算中應(yīng)為24 h 溫度的平均值， 即：

而在負(fù)荷計(jì)算中， 熱負(fù)荷Q為：

對于t w′-t n，其實(shí)可以看作是 24 個逐時溫度分別與室內(nèi)溫度做差取平均值， 即：

因此，日平均溫度對應(yīng)的負(fù)荷值也就是 24 個逐時負(fù)荷值的平均值。

利用上述結(jié)論對所得負(fù)荷值進(jìn)行處理， 以模擬的節(jié)能 75%的建筑負(fù)荷為例， 按照不保證5 天的日平均溫度的方法，將溫度最低的5天的日平均溫度及其對應(yīng)負(fù)荷去掉，剩下的溫度最低的一天為2月11日， 室外溫度為 -4.45 ℃， 模型熱負(fù)荷為 2.71 kW， 即不同節(jié)能狀態(tài)對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷值。

在冬季， 由于室外溫度的波動導(dǎo)致熱負(fù)荷實(shí)際是變化的。在采暖期間， 供熱設(shè)備如果一直按照峰值負(fù)荷來運(yùn)行， 會造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。因此， 在進(jìn)行模擬供熱時， 需要考慮不同室外溫度值的占比下對應(yīng)的負(fù)荷值。表4為在采暖季中每階段室外日平均溫度最大值對應(yīng)的負(fù)荷情況：

表4 每階段室外日平均溫度最大值對應(yīng)負(fù)荷

由表 4 可以發(fā)現(xiàn)， 室外溫度與負(fù)荷的變化情況并不相同：與室外溫度最低值對應(yīng)穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷相比， 室外溫度逐漸升高， 負(fù)荷值有的升高， 有的反而降低。因此， 可以肯定， 不僅僅是溫度， 還有其他因素影響負(fù)荷的變化。

在此情況下，將每日的太陽負(fù)荷之和進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，提取對應(yīng)日期的太陽負(fù)荷值進(jìn)行分析， 如表5所示：

表5 每階段室外日平均溫度最大值對應(yīng)太陽輻射

結(jié)合表4和表5可以發(fā)現(xiàn)，太陽輻射對于負(fù)荷影響很大， 太陽輻射越強(qiáng)， 冬季采暖時熱負(fù)荷越小。 因此，不能通過單純的分析室外溫度來得出模擬運(yùn)行時負(fù)荷情況。由于采暖房間的設(shè)置計(jì)算溫度為18 ℃， 因此無法從室內(nèi)溫度波動來進(jìn)行分析， 只能從日平均負(fù)荷來入手。在實(shí)際工程中，往往用所求穩(wěn)態(tài)負(fù)荷值的百分比值來作為采暖季不同階段調(diào)控采暖系統(tǒng)的主要依據(jù)， 即以穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷為基準(zhǔn)， 分別乘以不同的系數(shù)作為采暖期不同階段的熱負(fù)荷值。以表 6為例：

表6 不同比例的穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷所占天數(shù)及比例

由表6可以發(fā)現(xiàn)，在去掉5個最不利溫度的負(fù)荷值后， 穩(wěn)態(tài)負(fù)荷值在整個采暖季的負(fù)荷值占比與其所包括的采暖天數(shù)的占比并不相符。如果是按照這樣的值進(jìn)行計(jì)算并選取采暖系統(tǒng)， 那么實(shí)際運(yùn)行中將有大約20天無法滿足實(shí)際采暖需求。 這種情況下盡管節(jié)省了經(jīng)濟(jì)， 但在同樣追求生活品質(zhì)的今天， 室內(nèi)溫度達(dá)不到要求， 勢必會造成熱用戶的不滿。因此， 這種單純以穩(wěn)態(tài)負(fù)荷值的百分比值來分析采暖期的負(fù)荷變化以及所占天數(shù)并不是特別合理， 應(yīng)當(dāng)找一種新的方式來進(jìn)行分析。為此，筆者將整個采暖季日平均負(fù)荷按照大小進(jìn)行排列從中摘取不同占比的負(fù)荷值以及比該負(fù)荷值小的天數(shù)， 結(jié)果如表7所示：

表7 負(fù)荷占比及天數(shù)

由表7可知，由于統(tǒng)計(jì)的是采暖期每天的熱負(fù)荷值，因此負(fù)荷值的比例與天數(shù)的比例可以一一對應(yīng)。實(shí)際的采暖季不同百分比的負(fù)荷值要比以穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷為基準(zhǔn)的同比例的負(fù)荷值要大20%～30%。

隨著節(jié)能建筑推廣應(yīng)用， 不僅應(yīng)當(dāng)注意經(jīng)濟(jì)效益，同時也應(yīng)當(dāng)注意用戶的使用感受。而同時保證兩者，除了必要的圍護(hù)結(jié)構(gòu)建筑材料保溫特性外， 應(yīng)當(dāng)逐漸細(xì)化負(fù)荷等的計(jì)算。

3 典型日逐時負(fù)荷分析

在傳熱過程中，由 于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的存在，使 得熱量的傳遞存在衰減和延遲[3]。但對于熱負(fù)荷來說，Q=KFΔt， 熱 負(fù)荷的變化主要與溫差有關(guān)。因 此，在 這種理論下，室 外溫度變化應(yīng)當(dāng)與熱負(fù)荷變化同步。但對逐時熱負(fù)荷進(jìn)行分析時，這 種理論無法合理解釋負(fù)荷的變化。以節(jié)能 75%的建筑逐時熱負(fù)荷為基礎(chǔ)，從 中挑選出典型日1月2日進(jìn)行分析。該天的逐時熱負(fù)荷及室外干球溫度變化如圖2所示：

圖2 典型日熱負(fù)荷與室外干球溫度變化曲線

從圖2中可以看出：

①0:00～2:00 期間， 室外溫度回升， 熱負(fù)荷盡管有下降趨勢， 但坡度極緩， 幾乎看不出變化。

②7:00～8:00 期間， 室外溫度幾乎未變， 而室內(nèi)熱負(fù)荷出現(xiàn)了大范圍的驟減。

③8:00～9:00， 溫度正在逐漸上升， 熱負(fù)荷也有所上升， 而在9:00～10:00， 熱負(fù)荷的變化卻停滯了。

④15:00時， 室外溫度達(dá)到了最大值， 但熱負(fù)荷的極值卻是出現(xiàn)在了13:00，13:00往后熱負(fù)荷逐漸上升。

⑤15:00 值后， 室外溫度逐漸下降， 但在 18:00 至19:00期間， 熱負(fù)荷甚至出現(xiàn)了小范圍的下降。

由于在日平均溫度對應(yīng)的負(fù)荷值進(jìn)行分析時， 出現(xiàn)過太陽輻射的干擾。因此， 筆者將太陽輻射， 室外溫度和熱負(fù)荷如圖3所示放在同一坐標(biāo)軸內(nèi)進(jìn)行分析：

圖3 典型日熱負(fù)荷，室外干球溫度及太陽輻射變化曲線

結(jié)合太陽輻射以及人們的日常作息習(xí)慣， 上述問題可以做出解釋：

對于問題②來說： 在7:00時， 太陽輻射出現(xiàn)， 其值對于熱負(fù)荷的影響遠(yuǎn)大于室外溫度對熱負(fù)荷的影響，太陽輻射變化的同時， 熱負(fù)荷在同步減小， 且兩者變化幅度很接近。

對于問題③： 由于從 8:00 到 9:00 期間， 很明顯可以看出8:00時太陽輻射開始降低， 太陽輻射比8:00的小峰值有了降低，熱負(fù)荷也幾乎同步開始升高。9:00后， 由于室外溫度的升高， 太陽輻射也逐漸升高， 二者的同時升高將室內(nèi)熱負(fù)荷的漲勢停止， 9:00 至 10:00期間， 熱負(fù)荷幾乎無變化。

對于問題④： 這期間室外溫度雖然在穩(wěn)步上升， 但在13:00時， 太陽輻射突增， 這種變化造成了熱負(fù)荷的大幅降低， 而在14:00往后， 太陽輻射又大幅度降低并逐漸減少， 而此時由于室外溫度在升高， 但對于熱負(fù)荷的影響程度不如13:00的太陽輻射強(qiáng)，因此熱負(fù)荷有了些許的回升， 但漲幅很緩， 變化不大。15:00后， 氣溫降低， 太陽輻射也降低， 熱負(fù)荷也隨之升高。

由于在問題①和問題⑤中已無太陽輻射， 因此需要從別的角度來進(jìn)行分析。結(jié)合本文一開始交代的作息情況， 由于典型日挑選的是1月2日， 在日期設(shè)定中屬于上班日， 因此對于問題⑤可以這樣解釋： 在 18:00時， 由于人們下班回家， 室內(nèi)熱擾增多， 因此熱負(fù)荷在6:00至7:00間有了些許的降低， 但 7:00之后由于室外溫度的逐漸降低， 因此熱負(fù)荷并未繼續(xù)降低， 而是緩慢上升。

而在問題①中，0:00～2:00期間，室內(nèi)熱擾已經(jīng)很小， 模擬中人們已入睡， 燈也都熄滅了。在夜晚， 對熱負(fù)荷有影響的， 除了室外溫度， 還有建筑表面對于天空的長波輻射。在白天計(jì)算熱負(fù)荷時，由于太陽輻射的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于長波輻射， 所以忽略長波輻射的作用是可以接受的。夜間沒有太陽輻射的作用，而天空的背景溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于室外空氣溫度， 因此建筑物向天空的輻射放熱量是不可忽略的 [4] 。而且， 由于本模擬所選建筑模型的體形系數(shù)為0.5， 其圍護(hù)結(jié)構(gòu)在夜間向天空輻射的熱量的程度要更大。正因如此才會有室外溫度雖然上升， 但是建筑的熱負(fù)荷并未減小， 反倒在緩慢的上升。

4 結(jié)論

經(jīng)過本文的 DeST模擬以及分析，可以得出以下結(jié)論：

1） 在考慮了長波輻射和太陽輻射后， 建筑熱負(fù)荷比傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷值大約減少了 15%， 因此， 設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免建筑晝夜間長波輻射及太陽輻射等對建筑運(yùn)行能耗的影響。

2） 隨著建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能進(jìn)一步增強(qiáng)， 在良好的保溫性能條件下， 應(yīng)當(dāng)逐漸重視對于不同建筑功能的室內(nèi)人員作息、 燈光、 設(shè)備啟停等狀況對室內(nèi)熱負(fù)荷的影響， 減少人員擾動， 同時對這些參數(shù)的設(shè)置應(yīng)有一個規(guī)范的設(shè)置要求與指導(dǎo)。

3） 體型系數(shù)是建筑節(jié)能的一個重要參數(shù)， 體型系數(shù)超過規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)需對圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能進(jìn)行調(diào)整， 以達(dá)到良好的保溫效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(JGJ134-2010)[S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010

[2] 陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1993

[3] 章熙民.傳熱學(xué)[M].北京: 中國建筑工業(yè)出版社,2001

[4] 朱穎心.建筑環(huán)境學(xué)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005