晉 文，王新如，吳金順，鐘 君，楊美媛，潘 嵩，魏 鋆，張維亞，潘天泉

(1.北京節(jié)能環(huán)保中心，北京 100029;2.華北科技學院建筑工程學院，北京東燕郊 101601;3.北京工業(yè)大學，北京 101100)

1 概述

計算機模擬是預測及分析建筑能耗和性能的最經(jīng)濟有效的方法之一。熱負荷是選取太陽能設備、運行調(diào)節(jié)、系統(tǒng)評價等方面的基礎資料。熱負荷的大小直接關系到采暖系統(tǒng)能耗的多少，也是建筑施工必須考慮的重要因素之一。熱負荷大，能量消耗大;熱負荷小，能量消耗小。

Dest是由清華大學開發(fā)的建筑模擬分析軟件(designer＇s simulation toolkits)［1］?？捎糜诮ㄖ芎哪M分析和環(huán)境控制系統(tǒng)的設計校核，起到提高設計質(zhì)量、保證設計可靠性、對如何降低建筑及系統(tǒng)能耗、保證建筑環(huán)境質(zhì)量具有重要的指導作用。

2 建筑模型建立及條件設置

2.1 建筑模型的建立

建立一棟兩層的小別墅，位于北京農(nóng)村地區(qū)，兩層的平面圖一樣。每層高3m，寬10m，長12 m，建筑面積為120 m2。建筑方向向為南北走向，窗都為外窗，門為外門，門的尺寸為1.5 m×2 m，窗的尺寸為2 m×2 m。室內(nèi)設有客廳、臥室、廁所、設備室、樓梯間和走廊。如圖1所示。

圖1 建筑模型一層層平面圖

在進行熱負荷模擬計算時，我們研究某些因素的變化對負荷的影響程度，如:窗墻比，墻的類型、墻的厚度、保溫層厚度等對熱負荷的影響。其它的參數(shù)如:門、、內(nèi)墻、地板的材料等都使用Dest系統(tǒng)提供的默認值［2］。如下表1所示:

表1 Dest默認材料參數(shù)

2.2 建筑熱負荷特征

對上述的建筑模型，使用Dest軟件進行冬、夏季設計日房間采暖負荷和空調(diào)逐時負荷的計算，各個房間冬、夏季的室內(nèi)設計溫度分別為18℃和25℃，室外氣象參數(shù)采取北京市的室外設計參數(shù)，房間均無燈光、人員、設備等內(nèi)擾，室內(nèi)外無通風換氣。

采暖季從11月16日開始，到次年的3月5日結束，這段時間建筑的逐時動態(tài)熱負荷見圖2:

圖2 建筑的逐時動態(tài)熱負荷

圖中1～1537 h、7405～8485 h為供暖期。

從圖2可以看出，在采暖季大部分時間建筑的熱負荷都在15 kW以下，最大熱負荷為16 kW。

根據(jù)模擬計算的結果，最大熱負荷產(chǎn)生在第439小時，即第 19天早上7時，為16.46 kW。圖3是采暖季典型日負荷變化的曲線圖。從圖中可以看出在早上七點熱負荷達到最大，然后慢慢減小，到中午13點時達到極小值，中午時間變化不大，而到下午熱負荷就慢慢增大了。

圖3 采暖季典型日熱負荷變化圖

3 建筑因素對熱負荷的影響

3.1 窗墻比對房間熱負荷的影響規(guī)律

窗墻(面積)比是窗戶洞口面積與房間立面單元面積(即房間層高與開間定位線圍成的面積)的比值［3］。

在以上模型的基礎上，分別修改窗墻比為0.3、0.4、0.5、0.6 和0.7，使用Dest軟件對不同窗墻比下的建筑模型進行模擬。算出各個房間的熱負荷，然后用其中一個房間的負荷變化進行比較。比較結果如圖4所示:

圖4 房間熱負荷隨窗墻比變化圖

圖4中橫坐標為模擬房間的窗墻比，縱坐標為房間單位面積熱負荷指標(W/m2)。

由圖4可以看出，從房間單位面積熱負荷指標和窗墻比的離散點所形成的曲線來看，這5個點近乎成一條直線，因此可由數(shù)據(jù)擬合出線性關系。隨著窗墻比的變大，Dest軟件模擬出房間的熱負荷逐漸變小。也就是說，采暖季累計熱負荷隨窗墻比的增大而減少。所以在滿足建筑功能美觀的前提下適當減少窗墻比數(shù)值對于降低建筑能耗有一定意義。

3.2 保溫層厚度對房間的影響規(guī)律

在以上模型的基礎上，將外墻分別加上20厚、40厚、60厚、80厚和100厚的聚脂板保溫層，使用軟件對不同保溫層厚度下的建筑模型進行模擬。算出各個房間的熱負荷，然后用其中一個房間的負荷變化進行比較。比較結果如圖5所示:

圖5 房間熱負荷隨保溫層厚度變化圖

圖5為該建筑的某房間在北京的氣候條件下，在6種外墻保溫方式下的建筑的房間單位面積熱負荷指標隨保溫層厚度的變化。當保溫層厚度超過一定厚度時(60 mm)，不同保溫層位置下的建筑房間單位面積熱負荷差別不大;當保溫層厚度較小時，隨著保溫層厚度的增加建筑房間單位面積熱負荷會急劇下降，但當保溫層厚度增大到一定程度后，再增加保溫層厚度對建筑全年累計冷熱總負荷的影響會很小。

3.3 保溫層位置對房間熱負荷的影響規(guī)律

在模型的基礎上，分別在外墻上加厚聚苯板的外保溫和加厚聚苯板的內(nèi)保溫，使用兩種軟件對不同保溫層位置下的建筑模型進行模擬比較。比較結果如圖6所示:

圖6 房間熱負荷隨保溫層位置變化圖

由圖6可知，隨著保溫層位置由外保溫變?yōu)閮?nèi)保溫，Dest軟件模擬出的房間負荷的差異不大，圖形看上去變化很大，但其縱坐標熱負荷數(shù)值變化并不大。所以保溫層的位置對室內(nèi)輻射熱負荷影響不大。

3.4 不同外窗玻璃類型對房間室內(nèi)輻射放熱的影響規(guī)律

玻璃作為一種透明性的圍護結構構件，在現(xiàn)代的建筑中應用的越來越多，有的建筑甚至四個朝向都是玻璃幕墻，這樣由于太陽輻射以及室內(nèi)外溫差傳熱對建筑室內(nèi)熱負荷的影響更不容忽視［4－8］。

在以上模型的基礎上，分別用以下窗戶類型建筑模型進行模擬。模擬各種不同的外窗玻璃類型對建筑能耗的影響，外窗玻璃參數(shù)如下表2所示:

表2 外窗玻璃參數(shù)

使用軟件對不同外窗玻璃類型下的建筑模型進行模擬。算出各個房間的熱負荷，然后用其中一個房間的負荷變化進行比較。比較結果圖7所示:

圖7 房間熱負荷窗戶類型變化圖

由上圖可知，采用普通6mm單層玻璃的房間單位面積熱負荷最大，采用中透低輻射玻璃的房間單位面積熱負荷最小。

玻璃不僅僅引起傳熱，還有光入射、與室外空氣的輻射換熱等引起的熱負荷，所以負荷不是單因素變量。從上面的圖形可以看出，玻璃的傳熱系數(shù)對于采暖季累計熱負荷的影響更大些。

4 結論

1)在一定的窗墻比范圍內(nèi)，供暖季累計熱負荷隨窗墻比的增大而減少，可由數(shù)據(jù)擬合出線性關系;

2)當保溫層厚度較小時，隨著保溫層厚度的增加建筑房間單位面積熱負荷會急劇下降，當保溫層厚度超過一定厚度時，再增加保溫層厚度對建筑全年累計冷熱總負荷的影響會很小;3)保溫層的位置對室內(nèi)熱負荷影響不大;4)窗體類型的傳熱系數(shù)與房間熱負荷基本呈線性關系;

5)總體上看，窗墻比、保溫層厚度對建筑熱負荷影響顯著。

［1］ 清華同方股份有限公司研究開發(fā)中心 Dest商業(yè)版［CP/DK］.http://wwwdesteomen:2004.

［2］ 燕達，謝曉娜，宋芳婷.建筑模擬技術與Dest發(fā)展簡介［J］.暖通空調(diào)，2004，7:48 －56.

［3］ 吳祥生，付祥釗，譚平.重慶市既有公共建筑能耗調(diào)查分析［J］.暖通空調(diào)，2010，1:8 －13.

［4］ 劉洋.居住建筑能耗動態(tài)模擬研究與能耗計算軟件的開發(fā)［D］.天津:天津大學，2014.

［5］ 謝曉娜，宋芳婷，燕達.江億建筑環(huán)境設計模擬分析軟件第講建筑動態(tài)熱過程模型［J］.暖通空調(diào)，2004，8:35－47.

［6］ 陳戈，王如竹，代彥軍.太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)的實驗與數(shù)值模擬分析［J］.能源技術，2005，2:77 －80.

［7］ Yan Da.Building environment design simulation software DEST(1):an overview of developments and information of building simulation and DEST［J］. 暖通空調(diào).2004.

［8］ 莊楚強，吳亞森.應用數(shù)理統(tǒng)計基礎［M］.廣州:華南理工大學出版社，2002.

［9］ Renewable energy sources in figures［R］.Berlin:Federal Ministry for the Environment，2005.