袁麗婷, 亢燕銘, 鐘 珂

(東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 上海201620)

夏季悶熱、冬季寒冷是我國夏熱冬冷地區(qū)的典型氣候特征。隨著人們對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境水平要求的提高, 利用空調(diào)分別改善兩個(gè)典型季節(jié)的室內(nèi)熱環(huán)境已成為一種普遍方式, 但這僅限于城市。在鄉(xiāng)村, 由于受經(jīng)濟(jì)條件和生活習(xí)慣等的制約, 很多家庭仍未安裝空調(diào)設(shè)備, 即使部分家庭安裝了空調(diào)設(shè)備, 但也僅在天氣極端惡劣情況下使用[1]。因此, 自然通風(fēng)條件下室內(nèi)熱環(huán)境對(duì)農(nóng)村居民的生活質(zhì)量具有很大影響。

外窗是圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱的重要組成部分, 通過玻璃和窗框的傳熱損失約占空調(diào)能耗的30 %[2-5]。Oral[6]通過分析不同類型窗戶對(duì)供暖能耗的影響發(fā)現(xiàn), 無論何種類型窗戶, 隨著窗戶傳熱系數(shù)的減小, 房間日平均熱損失均減小。Amaral等[7]也就空調(diào)能耗對(duì)窗戶性能(朝向、尺寸、遮陽和綜合傳熱系數(shù))進(jìn)行了優(yōu)化。

上述文獻(xiàn)均圍繞窗戶傳熱系數(shù)對(duì)空調(diào)建筑能耗的影響來分析, 實(shí)際上, 自然通風(fēng)建筑的室內(nèi)外溫差遠(yuǎn)小于空調(diào)房間, 并且空調(diào)房間中室內(nèi)氣溫在夏(冬)季絕大多數(shù)時(shí)間低(高)于室外氣溫, 熱量單向傳遞, 而自然通風(fēng)建筑中, 室內(nèi)外氣溫相對(duì)大小不一, 熱量傳遞方向會(huì)頻繁改變。因此, 外窗傳熱系數(shù)對(duì)建筑傳熱過程及熱環(huán)境的影響在自然通風(fēng)建筑與空調(diào)建筑中不同。然而, 目前關(guān)于外窗傳熱系數(shù)對(duì)自然通風(fēng)建筑室內(nèi)熱環(huán)境影響的研究仍較少。

為探究外窗傳熱系數(shù)對(duì)夏熱冬冷地區(qū)自然通風(fēng)建筑夏、冬季室內(nèi)熱環(huán)境的影響規(guī)律, 本文采用EnergyPlus模擬程序, 以上海地區(qū)的氣候特征為背景, 針對(duì)自然通風(fēng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱特點(diǎn)和室內(nèi)氣溫變化進(jìn)行計(jì)算和討論。

1 數(shù)值模型的建立

DOE-2、DeST和EnergyPlus均為常用建筑能耗模擬程序。DOE-2在計(jì)算過程中, 需假定室內(nèi)溫度恒定, 故不適用于自然通風(fēng)建筑中的傳熱計(jì)算[8]；DeST可在考慮空氣與圍護(hù)結(jié)構(gòu)耦合換熱關(guān)系的基礎(chǔ)上求解圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷, 但不能輸出壁面溫度等過程量, 因此無法深入分析室內(nèi)熱環(huán)境[8]；EnergyPlus采用CTF (conduction transfer function)計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱, 是一種更為精確的反應(yīng)系數(shù)法, 并采用熱平衡法計(jì)算負(fù)荷。EnergyPlus數(shù)值程序克服了DOE-2和DeST在計(jì)算自然通風(fēng)狀態(tài)下傳熱的局限[8], 在實(shí)際應(yīng)用時(shí)得到的結(jié)果更為合理。

1.1 建筑模型

本文研究對(duì)象為上海郊區(qū)典型居住建筑中間層中間位置房間。由于居住建筑普遍為南北朝向, 故選擇住宅建筑內(nèi)南向客廳作為計(jì)算對(duì)象。房間內(nèi)部尺寸為進(jìn)深 × 寬 × 高 = 5 m × 3 m × 2.8 m, 外墻窗戶尺寸為寬× 高 = 2 m × 1.6 m。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)如表1所示。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)Table 1 Thermal parameters of building envelope

根據(jù)JCJ 134—2010分別選用傳熱系數(shù)為4.7、4.0、3.2和2.5 W/(m2·℃) 的4種標(biāo)準(zhǔn)外窗材料進(jìn)行研究。

取窗戶遮陽系數(shù)為0.4, 夏季采用外遮陽使得外窗幾乎接收不到太陽直接輻射, 冬季不采取遮陽措施。夏季每日9:00～20:00時(shí)段內(nèi)窗戶緊閉, 空氣滲透換氣次數(shù)為0.5次/h,其他時(shí)段窗戶部分開啟, 通風(fēng)換氣次數(shù)為4次/h;冬季全天窗戶均緊閉, 空氣滲透換氣次數(shù)為0.5次/h。

室內(nèi)熱源包括一人(代謝率46 W/m2)、電視機(jī)一臺(tái)(100 W)、節(jié)能燈一盞(8 W)和夏季電風(fēng)扇一臺(tái)(60 W)。

1.2 氣候條件

本文以上海實(shí)際氣候條件為背景進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境計(jì)算, 夏季計(jì)算計(jì)算時(shí)間為6月1日～9月30日, 冬季為12月1日～次年3月30日。

由于EnergyPlus未集成上海市整個(gè)夏季和冬季的室外氣象數(shù)據(jù), 為了反映實(shí)際室外氣候, 本文采用上海2012年的氣象數(shù)據(jù), 按照內(nèi)嵌數(shù)據(jù)的格式取代程序中的原有氣象數(shù)據(jù), 用于模擬仿真。氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。

2 結(jié)果與分析

在自然通風(fēng)房間中, 外墻內(nèi)壁面與室內(nèi)換熱量q1、室內(nèi)外溫差下窗戶傳熱q2、自然通風(fēng)換熱量q3、通過窗戶日射得熱q4、室內(nèi)人和設(shè)備向室內(nèi)對(duì)流散熱q5、空氣的得熱量q6及內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面與室內(nèi)空氣換熱量q7, 這7部分因素共同構(gòu)成房間的熱平衡關(guān)系。房間的熱平衡關(guān)系如式(1)所示。

(1)

2.1 降低窗戶傳熱系數(shù)改善自然通風(fēng)建筑室內(nèi)熱環(huán)境的潛力

隨著室外氣候日夜變化, 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分傳熱的強(qiáng)度和傳遞方向均可能發(fā)生變化, 最終留在室內(nèi)的得熱量決定了下一日室內(nèi)熱環(huán)境變化趨勢。房間每日凈得熱量Qnet表達(dá)式如式(2)所示。

(2)

(a) 夏季

(b) 冬季圖1 房間日凈得熱量、室內(nèi)空氣及內(nèi)墻內(nèi)表面日平均溫度變化趨勢Fig.1 Variation tendency of daily net heat gain of the room and the mean daily indoor air and internal wall surface temperature

通過外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入(出)房間的凈熱量是導(dǎo)致自然通風(fēng)房間熱環(huán)境惡化的根本原因, 為此本文將夏季傳入(冬季傳出)房間的熱量稱之為不利傳熱量。窗戶作為傳熱薄弱部位, 其傳熱量是房間凈得熱量的重要組成部分。為評(píng)估降低窗戶傳熱系數(shù)對(duì)自然通風(fēng)房間熱環(huán)境的改善潛力, 本文將窗戶傳熱形成的不利傳熱量占總不利傳熱量的比值定義為窗戶傳熱不利因子η, 計(jì)算式如式(3)所示。

(3)

式中：Q2為窗戶傳熱造成的不利傳熱量總和, MJ；Qsum為自然通風(fēng)房間通過所有外圍護(hù)結(jié)構(gòu)及內(nèi)熱源得到的總不利傳熱量, MJ。窗戶不利因子越大, 表明窗戶傳熱對(duì)自然通風(fēng)房間熱環(huán)境產(chǎn)生的不利影響越大, 降低窗戶傳熱系數(shù)可提高室內(nèi)熱環(huán)境的改善潛力。

夏季和冬季窗戶傳熱不利因子隨窗戶傳熱系數(shù)的變化曲線如圖2所示。由圖2(a)可知, 即使窗戶傳熱系數(shù)很大, 夏季各月窗戶傳熱不利因子均小于0.25。這表明, 在夏季, 相對(duì)其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)熱源, 窗戶傳熱對(duì)自然通風(fēng)建筑室內(nèi)熱環(huán)境造成的不利影響很小, 降低窗戶傳熱系數(shù)對(duì)夏季室內(nèi)熱環(huán)境的改善潛力較小。在冬季(見圖2(b)), 不論窗戶傳熱系數(shù)如何變化,各月窗戶傳熱不利因子均大于0.55,意味著窗戶傳熱造成的不利傳熱量遠(yuǎn)大于其他外圍護(hù)結(jié)構(gòu), 即窗戶傳熱是冬季室內(nèi)熱環(huán)境惡化的主要原因。因此, 降低窗戶傳熱系數(shù)對(duì)冬季室內(nèi)熱環(huán)境具有很大的改善潛力。

(a) 夏季

(b) 冬季圖2 窗戶傳熱不利因子隨窗戶傳熱系數(shù)變化趨勢Fig.2 Variation tendency of the disadvantage factor with heat transfer coefficient of windows

2.2 提高窗戶保溫性能改善自然通風(fēng)建筑室內(nèi)熱環(huán)境的效果

當(dāng)窗戶傳熱系數(shù)不同時(shí), 夏季和冬季室內(nèi)空氣、外墻和內(nèi)墻內(nèi)表面溫度(Ti、θi和Tw)變化曲線如圖3所示。由圖3(a)可以看出, 夏季室內(nèi)氣溫和圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度幾乎均不受窗戶傳熱系數(shù)的影響, 表明降低窗戶傳熱系數(shù)對(duì)夏季室內(nèi)熱環(huán)境幾乎無改善效果, 這與2.1節(jié)的預(yù)測結(jié)果一致。

由圖3(b)可知, 與夏季情況不同, 減小窗戶傳熱系數(shù), 不僅可顯著提高冬季室內(nèi)氣溫, 還可以提高外墻和內(nèi)墻的內(nèi)表面溫度, 溫度升高幅度約為1～3 ℃。這表明提高窗戶保溫性能可有效改善自然通風(fēng)房間冬季室內(nèi)熱環(huán)境, 與2.1節(jié)的預(yù)測結(jié)果一致。

在冬季, 自然通風(fēng)建筑室內(nèi)氣溫與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度有一定差別, 由于空氣溫度和固體表面溫度共同影響著人體熱舒適, 因此, 需要將兩者結(jié)合起來評(píng)價(jià)室內(nèi)熱環(huán)境。本文采用操作溫度Top反映室內(nèi)空氣溫度和平均輻射溫度的綜合影響, 其計(jì)算表達(dá)式如式(4)和(5)所示。

(4)

hc=8.3v0.5

(5)

當(dāng)窗戶傳熱系數(shù)不同時(shí), 冬季室內(nèi)操作溫度頻率分布曲線如圖4所示。

圖4 窗戶傳熱系數(shù)不同時(shí), 冬季室內(nèi)操作溫度頻率分布Fig.4 Frequency of operative temperature for different heat transfer coefficient of windows

由圖4可知, 自然通風(fēng)房間冬季室內(nèi)操作溫度呈現(xiàn)雙峰或多峰分布。隨窗戶傳熱系數(shù)減小, 頻率峰值右移, 即頻率峰值對(duì)應(yīng)的操作溫度升高, 甚至在更高的溫度段還會(huì)增加頻率峰值。例如, 當(dāng)傳熱系數(shù)較大時(shí)(4.7 W/(m2·℃)和4.0 W/(m2·℃)), 操作溫度有兩個(gè)頻率峰值, 分別出現(xiàn)在低溫段(Top<12 ℃)和較高溫度段(12 ℃17 ℃)又多了一個(gè)頻率峰值。

整個(gè)冬季, 當(dāng)窗戶傳熱系數(shù)不同時(shí), 室內(nèi)操作溫度累計(jì)時(shí)間(小于某溫度的累計(jì)小時(shí)數(shù))如圖5所示。據(jù)國際衛(wèi)生學(xué)規(guī)定, 室內(nèi)熱環(huán)境最低限值為12 ℃, 因此操作溫度低于12 ℃的區(qū)間視為不可接受區(qū)。由圖5可知, 窗戶傳熱系數(shù)對(duì)整個(gè)冬季操作溫度分布有明顯影響, 窗戶傳熱系數(shù)由4.7 W/(m2·℃)降低至2.5 W/(m2·℃)時(shí), 室內(nèi)操作溫度低于12 ℃ 的時(shí)間從2 000 h降為1 500 h, 減少了約25%。

圖5 窗戶傳熱系數(shù)不同時(shí)整個(gè)冬季操作溫度累計(jì)時(shí)間曲線圖Fig.5 Cumulative hours of operative temperature during winter for different heat transfer coefficient of windows

由圖5還可以看出, 統(tǒng)計(jì)溫度越低, 相應(yīng)的累計(jì)時(shí)間隨著窗戶傳熱系數(shù)降低而減少的幅度越大, 表明提高窗戶保溫性能對(duì)低要求熱環(huán)境的改善效果更有效。

為了評(píng)價(jià)冬季窗戶傳熱系數(shù)降低對(duì)自然通風(fēng)房間室內(nèi)熱環(huán)境的改善效果, 本文定義熱環(huán)境偏離溫差ΔTop為

ΔT(τ)=TL-Top(τ),當(dāng)Top

(6)

ΔT(τ)=0，當(dāng)Top>TL

(7)

(8)

式中：ΔT(τ)為室內(nèi)操作溫度低于可接受最低溫度的程度, ℃；τwin為整個(gè)冬季總時(shí)間，h；TL為夏熱冬冷地區(qū)自然通風(fēng)房間熱環(huán)境可接受最低溫度, 本文取TL=12 ℃。熱環(huán)境偏離溫差的值越大, 室內(nèi)熱舒適性越差。

冬季熱環(huán)境偏離溫差隨窗戶傳熱系數(shù)變化曲線如圖6所示。由圖6可知, 隨窗戶傳熱系數(shù)減小, 冬季熱環(huán)境偏離溫差的值幾乎直線下降。熱環(huán)境偏離溫差在窗戶傳熱系數(shù)為4.7 W/(m2·℃)時(shí)高達(dá)2 ℃, 而當(dāng)傳熱系數(shù)減小至2.5 W/(m2·℃), 僅為0.8 ℃, 即熱環(huán)境偏離溫差降低了60 %。由此可見, 提高窗戶保溫性能是改善夏熱冬冷地區(qū)冬季自然通風(fēng)建筑室內(nèi)環(huán)境的有效途徑。

圖6 冬季熱環(huán)境偏離溫差隨窗戶傳熱系數(shù)變化趨勢Fig.6 Variation tendency of temperature difference of thermal unacceptability with the heat transfer coefficient of windows

由圖6還可以看出, 熱環(huán)境偏離溫差與窗戶傳熱系數(shù)幾乎呈線性關(guān)系, 擬合結(jié)果如式(9)所示。

ΔTop=0.52K0.47 (TL=12 ℃)

(9)

根據(jù)式(9), 可以方便地估計(jì)出上海地區(qū)不同氣候條件下, 窗戶傳熱系數(shù)與自然通風(fēng)房間冬季室內(nèi)熱環(huán)境的關(guān)系。

3 結(jié) 語

利用EnergyPlus模擬程序, 分析了夏季和冬

季窗戶傳熱系數(shù)對(duì)自然通風(fēng)建筑室內(nèi)熱環(huán)境的影響。為了評(píng)估降低窗戶傳熱系數(shù)對(duì)熱環(huán)境的改善潛力和效果, 本文提出了不利因子和熱環(huán)境偏離溫差, 主要結(jié)論如下：

(1) 在冬季, 不論窗戶傳熱系數(shù)如何變化,窗戶傳熱不利因子均大于0.55, 而在夏季, 即使窗戶傳熱系數(shù)很大, 窗戶傳熱不利因子仍小于0.25, 表明窗戶傳熱是自然通風(fēng)建筑冬季室內(nèi)熱環(huán)境惡化的主要原因, 但對(duì)夏季室內(nèi)熱環(huán)境造成的不利影響很小。因此, 降低窗戶傳熱系數(shù)可改善冬季室內(nèi)熱環(huán)境的潛力較大, 而改善夏季室內(nèi)熱環(huán)境的潛力較小。

(2) 在冬季, 提高外窗保溫性能可明顯減少自然通風(fēng)建筑室內(nèi)操作溫度處于不舒適范圍內(nèi)的時(shí)間, 且熱環(huán)境要求越低改善效果越好。

(3) 隨窗戶傳熱系數(shù)減小, 冬季熱環(huán)境偏離溫差幾乎直線下降, 故為了改善夏熱冬冷地區(qū)自然通風(fēng)建筑的室內(nèi)熱環(huán)境, 應(yīng)盡量提高窗戶的保溫性能。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 孫雨林, 林忠平, 王曉梅．上海農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)查與供暖空調(diào)能耗模擬[J]．建筑科學(xué), 2011, 27(2)：38-42．

[2] 金斯科, 龔延風(fēng)．夏熱冬冷地區(qū)居住建筑房間得熱量分布及節(jié)能方向[J]．暖通空調(diào), 2012, 42(4)：86-90．

[3] 閆成文, 姚健, 周燕, 等. 夏熱冬冷地區(qū)外窗傳熱系數(shù)對(duì)建筑能耗的影響[J]．重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2008, 30(6)：120-123．

[4] 陶求華．外窗性能對(duì)廈門居住建筑空調(diào)能耗的影響[J]．集美大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011, 16(2)：135-140．

[5] 王燁, 孫鵬寶, 付銀安, 等．不同建筑熱工分區(qū)辦公建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷指標(biāo)影響因素權(quán)重[J]．土木建筑與環(huán)境工程, 2017, 39(1)：7-12．

[6] ORAL G K．Appropriate window type concerning energy consumption for heating [J]．Energy & Buildings, 2000, 32(1)：95-100．

[7] AMARAL A R, RODRIGUES E, GASPAR A R, et al．A thermal performance parametric study of window type, orientation, size and shadowing effect [J]．Sustainable Cities and Society, 2016, 26：456-465．

[8] 潘毅群．實(shí)用建筑能耗模擬手冊(cè)[M]．北京：建筑工業(yè)出版社, 2013．

[9] 民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50176—2016[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016．

[10] 夏如杰．夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑采暖空調(diào)負(fù)荷特性研究[D]．西安：西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院, 2013．

[11] 韓杰．自然通風(fēng)環(huán)境熱舒適模型及其在長江流域的應(yīng)用研究[D]．長沙：湖南大學(xué)土木工程學(xué)院, 2009．