彭 鵬， 田 喆， 盧亞開(kāi)

(1.天津大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，天津300072；2.天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072)

1 概述

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)是由外墻、屋頂、地面、門、窗等多部件組合而成的綜合體，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能是影響建筑節(jié)能效果的重要指標(biāo)。目前，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法主要包括熱流計(jì)法、熱箱法、紅外熱像儀法[1]。然而，這3種方法的評(píng)價(jià)對(duì)象僅針對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的單一部件，測(cè)試結(jié)果為單一部件的傳熱系數(shù)，難以反映圍護(hù)結(jié)構(gòu)的綜合熱工性能。隨著供熱信息化水平不斷提高，供熱系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的獲取變得十分便捷。文獻(xiàn)[2-3]利用采集到的供熱系統(tǒng)供熱量與建筑室內(nèi)外溫差，采用一元線性回歸方法求解了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的綜合傳熱系數(shù)。然而，受到居民開(kāi)窗通風(fēng)造成的散熱量、太陽(yáng)輻射得熱量、內(nèi)部得熱量的影響，供熱系統(tǒng)供熱量與圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量并不相等。

本文考慮太陽(yáng)輻射得熱量、內(nèi)部得熱量，定義表征圍護(hù)結(jié)構(gòu)絕熱性能、氣密性的圍護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)傳熱系數(shù)，以及綜合考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)絕熱性能、氣密性及用戶開(kāi)窗行為導(dǎo)致的開(kāi)窗通風(fēng)散熱量的圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)，采用理論與實(shí)測(cè)方法，分析用戶開(kāi)窗行為對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)的影響。

2 基本原理

2.1 熱平衡分析

由于供暖建筑具有較大的熱惰性，研究和實(shí)踐表明，在進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量分析時(shí)采用穩(wěn)態(tài)傳熱算法是適用的[4]，因此本文以日為單位，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析。

供熱系統(tǒng)供熱量與圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量(包括基本耗熱量、冷風(fēng)滲透耗熱量)、用戶開(kāi)窗通風(fēng)造成的散熱量(以下簡(jiǎn)稱開(kāi)窗通風(fēng)散熱量)、得熱量(包括太陽(yáng)輻射得熱量、內(nèi)部得熱量)的熱平衡方程為：

Φsup=Φenv+Φinf+Φwin-Φrad-Φin

(1)

式中Φsup——供熱系統(tǒng)日均供熱量，W

Φenv——圍護(hù)結(jié)構(gòu)日均基本耗熱量，W

Φinf——圍護(hù)結(jié)構(gòu)日均冷風(fēng)滲透耗熱量，W

Φwin——日均開(kāi)窗通風(fēng)散熱量，W

Φrad——日均太陽(yáng)輻射得熱量，W

Φin——日均內(nèi)部得熱量，W

將日均太陽(yáng)輻射得熱量Φrad、日均內(nèi)部得熱量Φin剝離，可以得到與室內(nèi)外溫差直接相關(guān)的日均耗熱量，以Φbas表示：

Φbas=Φenv+Φinf+Φwin

(2)

式中Φbas——與室內(nèi)外溫差直接相關(guān)的日均耗熱量，W

太陽(yáng)輻射得熱量：在掌握建筑幾何尺寸、窗墻比和玻璃窗的遮陽(yáng)系數(shù)等基本信息后，利用能耗動(dòng)態(tài)模擬軟件計(jì)算得到[5]。

內(nèi)部得熱量：內(nèi)部得熱量包括照明裝置發(fā)熱量、家用電器設(shè)備發(fā)熱量、炊事發(fā)熱量、人體發(fā)熱量等，雖然受人員活動(dòng)的影響比較明顯，但是在整個(gè)供暖期中日平均值基本不變。JGJ 26—2010《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第4.3.3條規(guī)定：建筑物內(nèi)部得熱量指標(biāo)按3.80 W/m2取值。該數(shù)據(jù)是中國(guó)建筑科學(xué)研究院于1984年在北京市抽樣調(diào)查并借鑒和汲取國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)確定。隨著社會(huì)發(fā)展，建筑內(nèi)部得熱量發(fā)生了變化。根據(jù)文獻(xiàn)[6]的結(jié)論，普通居住建筑單位供暖面積建筑內(nèi)部熱源的散熱強(qiáng)度為4.17 W/m2，本文以此取值。

2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)傳熱系數(shù)和綜合傳熱系數(shù)

定義圍護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)傳熱系數(shù)KHLC表征圍護(hù)結(jié)構(gòu)絕熱性能、氣密性，計(jì)算式為：

(3)

式中KHLC——圍護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

A——圍護(hù)結(jié)構(gòu)總傳熱面積，m2

tin——室內(nèi)溫度，℃

tout——室外溫度，℃

綜合考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)絕熱性能、氣密性及用戶開(kāi)窗行為導(dǎo)致的開(kāi)窗通風(fēng)散熱量，定義圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)Kz，計(jì)算式為：

(4)

式中Kz——圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

由式(3)、(4)可知，圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)Kz在圍護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)傳熱系數(shù)KHLC的基礎(chǔ)上，考慮了用戶開(kāi)窗行為導(dǎo)致的開(kāi)窗通風(fēng)散熱量。

3 計(jì)算案例

3.1 案例基本情況

天津某二步節(jié)能住宅，供暖面積為11 782 m2，建筑高度30 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)部件的傳熱面積及傳熱系數(shù)見(jiàn)表1。室內(nèi)供暖裝置為散熱器，使用市政供熱系統(tǒng)集中供熱。熱力入口安裝溫度和流量傳感器，用于測(cè)量供回水溫度和熱水流量。為監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度，考慮房間的朝向和在建筑中的相對(duì)位置(邊、頂、底、中)，選擇7個(gè)房間(編號(hào)為房間1～7)，分別布置溫度自計(jì)儀。各測(cè)試傳感器每10 min采集1次數(shù)據(jù)。測(cè)試期為2011年11月24日—2012年3月14日。本文以日為單位展開(kāi)研究，因此將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)日平均化后進(jìn)行計(jì)算。室外氣象參數(shù)來(lái)自天津市氣象局，為逐時(shí)觀測(cè)資料。采用調(diào)查問(wèn)卷的方式，對(duì)用戶開(kāi)窗行為進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容為：不同室外溫度條件下的用戶開(kāi)窗行為。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)部件的傳熱面積及傳熱系數(shù)

3.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

測(cè)試期日均供水溫度、日均回水溫度、日均室外溫度隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖1。測(cè)試期各房間日均室內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖2。由圖2可知，在測(cè)試期室內(nèi)溫度基本保持穩(wěn)定，變化幅度不大。

圖1 測(cè)試期日均供水溫度、日均回水溫度、日均室外溫度隨時(shí)間的變化

圖2 測(cè)試期各房間日均室內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化

為計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)Kz，需計(jì)算與室內(nèi)外溫差直接相關(guān)耗熱量Φbas以及對(duì)應(yīng)的室內(nèi)外溫差。由式(2)可知，Φbas由Φsup、Φrad、Φin確定。Φsup可根據(jù)實(shí)測(cè)供回水溫度、流量計(jì)算獲得，Φrad根據(jù)建筑信息和當(dāng)年氣象資料通過(guò)模擬軟件獲取，Φin取4.17 W/m2。測(cè)試期單位供暖面積的與室內(nèi)外溫差直接相關(guān)的耗熱量(定義為Φbas,S，單位為W/m2)以及室內(nèi)外溫差(本文指日均值)隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖3。圖3中室內(nèi)外溫差由圖1中日均室外溫度以及圖2中各房間日均室內(nèi)溫度的平均值計(jì)算得到。

圖3 測(cè)試期單位供暖面積的與室內(nèi)外溫差直接相關(guān)的耗熱量以及室內(nèi)外溫差隨時(shí)間的變化

根據(jù)圖3數(shù)據(jù)，由式(4)可計(jì)算得到不同室內(nèi)外溫差下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)Kz。圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)隨室內(nèi)外溫差的分布見(jiàn)圖4。由圖4可知，隨著室內(nèi)外溫差增大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)Kz呈逐漸下降的趨勢(shì)，在室內(nèi)外溫差約24 ℃時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)。當(dāng)室內(nèi)外溫差大于24 ℃后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)Kz趨于穩(wěn)定。

圖4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)隨室內(nèi)外溫差的分布

由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)Kz是圍護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)傳熱系數(shù)KHLC與開(kāi)窗通風(fēng)效應(yīng)的疊加，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)傳熱系數(shù)KHLC又是建筑自身屬性，基本不隨外界條件變化而變化。因此可以得出以下結(jié)論：隨著室內(nèi)外溫差減小(在室內(nèi)溫度保持基本穩(wěn)定的前提下，對(duì)應(yīng)室外溫度升高)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)Kz增大是由用戶開(kāi)窗行為增加導(dǎo)致的。隨著室內(nèi)外溫差增大(在室內(nèi)溫度保持基本穩(wěn)定的前提下，對(duì)應(yīng)室外溫度下降)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)Kz減小是由用戶開(kāi)窗行為減少導(dǎo)致的，使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)Kz趨于圍護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)傳熱系數(shù)KHLC。上述分析結(jié)果與居民調(diào)查問(wèn)卷顯示的結(jié)果基本吻合：當(dāng)室外溫度較高時(shí)，用戶開(kāi)窗現(xiàn)象較為普遍。當(dāng)室外溫度較低時(shí)，則會(huì)減少開(kāi)窗時(shí)間，甚至不開(kāi)窗。

3.3 用戶開(kāi)窗行為的影響

基于上述分析，反映圍護(hù)結(jié)構(gòu)絕熱性能和氣密性的圍護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)傳熱系數(shù)KHLC可由圖4中拐點(diǎn)之后的數(shù)據(jù)取算術(shù)平均值確定。

圖4中按室內(nèi)外溫差由小到大順序排列的圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)Kz構(gòu)成變量集Y(y1，y2，…，yi，…，yn)，與變量集Y中各元素一一對(duì)應(yīng)的室內(nèi)外溫差構(gòu)成變量集X(x1，x2，…，xi，…，xn)。當(dāng)室內(nèi)外溫差增加到某一值時(shí)，即xi≥xk時(shí)，居民不開(kāi)窗，此時(shí)xk對(duì)應(yīng)的yk(即第k個(gè)室內(nèi)外溫差對(duì)應(yīng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)Kz)可認(rèn)為是在圍護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)傳熱系數(shù)KHLC上下波動(dòng)。

KHLC是由圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身的熱工性能決定的，當(dāng)建筑確定時(shí)，KHLC為定值，與室內(nèi)外溫差無(wú)關(guān)，因此變量集X的子集Xn-k+1(xk，xk+1，…，xj，…，xn)與變量集Y的子集Yn-k+1(yk，yk+1，…，yj，…，yn)無(wú)線性關(guān)系，此時(shí)有：

(5)

由圖4可知，變量集Y的子集Yk-1(y1，y2，…，yi，…，yk-1)與用戶開(kāi)窗行為有關(guān)，且認(rèn)為子集Xk-1與Yk-1成線性關(guān)系。將子集Xn-k+1與Yn-k+1、子集Xk-1與Yk-1進(jìn)行皮爾遜相關(guān)分析[7]，皮爾遜相關(guān)系數(shù)r的判別式分別為：

r(Xn-k+1,Yn-k+1)≤0.3

(6)

r(Xk-1,Yk-1)>0.5

(7)

采用Matlab軟件對(duì)式(6)、(7)進(jìn)行計(jì)算，可確定滿足式(6)、(7)時(shí)k為90，對(duì)應(yīng)室內(nèi)外溫差為24.02 ℃，這與圖4反映的情況基本一致。由式(5)及相關(guān)數(shù)據(jù)可計(jì)算得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)傳熱系數(shù)KHLC為1.56 W/(m2·K)。由圖4中數(shù)據(jù)可計(jì)算得到，測(cè)試期圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)Kz的算術(shù)平均值為1.66 W/(m2·K)，高于圍護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)傳熱系數(shù)KHLC，超出部分可以認(rèn)為是由于用戶開(kāi)窗行為導(dǎo)致的。

4 結(jié)論

① 基于熱平衡分析法，定義反映圍護(hù)結(jié)構(gòu)絕熱性能和氣密性的圍護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)傳熱系數(shù)，以及綜合考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)絕熱性能、氣密性及用戶開(kāi)窗行為導(dǎo)致的開(kāi)窗通風(fēng)散熱量的圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)。以天津地區(qū)某居住建筑為例，采用實(shí)測(cè)與調(diào)查問(wèn)卷的方法，對(duì)用戶開(kāi)窗行為對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)的影響進(jìn)行分析。

② 隨著室內(nèi)外溫差減小(在室內(nèi)溫度保持基本穩(wěn)定的前提下，對(duì)應(yīng)室外溫度升高)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)增大是由用戶開(kāi)窗行為增加導(dǎo)致的。隨著室內(nèi)外溫差增大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)減小是由用戶開(kāi)窗行為減少導(dǎo)致的，使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)趨于圍護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)傳熱系數(shù)。與居民調(diào)查問(wèn)卷顯示的結(jié)果基本吻合(當(dāng)室外溫度較高時(shí)，用戶開(kāi)窗現(xiàn)象較為普遍；當(dāng)室外溫度較低時(shí)，則會(huì)減少開(kāi)窗時(shí)間，甚至不開(kāi)窗)。

③ 將不同室內(nèi)外溫差下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)作為數(shù)據(jù)樣本，采用皮爾遜相關(guān)分析法，對(duì)用戶開(kāi)窗行為出現(xiàn)拐點(diǎn)的室內(nèi)外溫差進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于該居住建筑，用戶開(kāi)窗行為出現(xiàn)拐點(diǎn)的室內(nèi)外溫差為24.02 ℃。