段立英, 王志勇, 卜暉

(湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 株洲, 412007)

傳統(tǒng)建筑在建造及后期使用過(guò)程中具有能源投入高、產(chǎn)出低、利用量大的特征, 隨著建筑的不斷增多, 建筑能耗逐漸成為人們關(guān)注的問(wèn)題。建筑能耗的產(chǎn)生是由多方面因素決定的, 包括建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成成分、窗戶(hù)朝向及面積比、建筑面積體積比、氣密性與供暖、冷系統(tǒng)等, 其中建筑的氣密性對(duì)能源的消耗具有較大影響, 是室內(nèi)空氣與外界環(huán)境交流的一個(gè)性能評(píng)價(jià)指標(biāo), 氣密性的大小即可影響能耗的大小, 也影響人們對(duì)環(huán)境的適應(yīng)程度及接受度。建筑的換氣次數(shù)與傳熱系數(shù)是建筑氣密性的主要因素,國(guó)內(nèi)外對(duì)其單一因素研究較為成熟, 但兩者的交互作用對(duì)能耗的影響研究甚少。本文主要分析換氣次數(shù)與傳熱系數(shù)在不同組合工況下對(duì)氣候差異較大地區(qū)的住宅建筑冷、熱負(fù)荷的影響, 以確定最佳節(jié)能組合工況, 提高能源利用率。

1 模擬分析方法

建筑能耗模擬可采用PHPP與DeST模擬軟件, PHPP 被動(dòng)房設(shè)計(jì)包(Das Passivhaus Projektierungs Paket)為德國(guó)所研發(fā)的用于計(jì)算被動(dòng)房負(fù)荷及能耗的專(zhuān)業(yè)型模擬分析軟件, 其即可判斷模擬計(jì)算結(jié)果是否滿(mǎn)足國(guó)家合格標(biāo)準(zhǔn)要求, 又可優(yōu)化模擬建筑模型的各項(xiàng)參數(shù), 使其滿(mǎn)足要求, 達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn), 其模擬計(jì)算采用熱平衡原理[1–2]。DeST[3–4]能耗模擬分析軟件起源于早期的清華大學(xué), 至今已發(fā)展成熟, 通過(guò)模擬軟件進(jìn)行一年的逐時(shí)模擬計(jì)算, 可得到全年或某一特定范圍的冷、熱負(fù)荷, 其模擬計(jì)算采用能量守恒原理, 找出模擬建筑模型的所有節(jié)點(diǎn), 在其節(jié)點(diǎn)根據(jù)能量守恒原理建立熱平衡方程, 并保持所有節(jié)點(diǎn)的進(jìn)出能量相同, 且溫度在時(shí)間上不間斷。通過(guò)對(duì)所有節(jié)點(diǎn)的熱平衡方程進(jìn)行整理計(jì)算, 將其表示為矩陣的形式, 將建筑熱過(guò)程的求解過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)橛镁仃嚨姆椒ㄇ蠼庖愿鞴?jié)點(diǎn)溫度為未知量的常微分方程,DeST為我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)所研發(fā), 以我國(guó)建筑環(huán)境為基礎(chǔ), 符合我國(guó)建筑分析的參考要求, 所得計(jì)算結(jié)果會(huì)更加縝密。

PHPP與 DeST軟件各有優(yōu)勢(shì), 兩者都可滿(mǎn)足建筑能耗模擬的要求, 鄒艾娟等[5]通過(guò)兩種軟件對(duì)比研究得出兩者內(nèi)置的計(jì)算方法差異較大, DeST是以空間問(wèn)題為基礎(chǔ)采用線(xiàn)性代數(shù)進(jìn)行建筑負(fù)荷能耗求解, 而 PHPP則是以月度為計(jì)算長(zhǎng)度, 但兩者都可以完成能耗建筑能耗的計(jì)算。由于地方存在差異性,DeST在能耗分析方面常應(yīng)用于 DeST-C(商業(yè)建筑)與 DeST-H(住宅建筑), 目前我國(guó)對(duì)商業(yè)公共建筑研究較為廣泛, 如張國(guó)慶[6]對(duì)保定市高速公路的氣密性研究得出氣密性對(duì)建筑熱負(fù)荷和濕負(fù)荷具有顯著性影響, 對(duì)建筑冷負(fù)荷影響較小。牛志強(qiáng)等[7]分析了外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)對(duì)冬冷夏熱地區(qū)教學(xué)樓建筑負(fù)荷的影響, 并提出了一些針對(duì)性及使用性的對(duì)策, 楊志偉等[8]分析了沈陽(yáng)高校辦公樓不同朝向?qū)ω?fù)荷的影響, 提出夏季比冬季夜間通風(fēng)存在較大優(yōu)勢(shì), 西、南朝向建筑比東、北朝向節(jié)能效果更明顯, 王玉嬌等[9]利用DeST得出對(duì)新疆辦公建筑能耗的影響因素。住宅建筑在運(yùn)行期間的能源消耗在耗能總量中占有不可忽視的地位, 本文采用軟件DeST-H對(duì)住宅建筑進(jìn)行365 d能耗逐時(shí)計(jì)算模擬研究。

2 建筑模型及參數(shù)設(shè)置

模擬建筑模型為8層4居室住宅建筑, 裝設(shè)有電梯, 總建筑面積共9 528 m2, 總空調(diào)建筑面積4 810 m2, 總建筑高度29.2 m, 其中第1層為車(chē)庫(kù), 層高4.0 m, 其余層均為居住樓層, 高均為3.6 m, 房間可分為起居室、廚房、臥室、陽(yáng)臺(tái)等類(lèi)型。根據(jù)各房間類(lèi)型與功能, 其人員熱擾、燈光熱擾、設(shè)備熱擾、窗簾作息、溫度、濕度、照明時(shí)間、設(shè)備功率等均采用DeST-H系統(tǒng)默認(rèn)值?？照{(diào)均采用獨(dú)立空調(diào)系統(tǒng), 其運(yùn)行作息由房間功能及人員作息確定, 人員統(tǒng)一采取平均值4人, 通風(fēng)均采用房間與外界通風(fēng)和房間互通風(fēng)的通風(fēng)方式, 采暖與空調(diào)時(shí)間均采用國(guó)家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn), 采用系統(tǒng)默認(rèn)值。

通過(guò)設(shè)置換氣方式與墻體材料, 研究它們對(duì)負(fù)荷的影響, 各房間參數(shù)設(shè)置如表1所示, 根據(jù)建筑各層平面布置及通風(fēng)方式建立DeST模型, 居住層平面圖如圖1所示, DeST模擬建筑模型立體圖如圖2所示。

選取兩個(gè)代表城市, 哈爾濱(嚴(yán)寒地區(qū))與廣州(溫暖地區(qū)), 分別代表我國(guó)氣候差異較大的兩個(gè)地區(qū), 哈爾濱處于我國(guó)北部, 緯度高,氣溫低, 冬長(zhǎng)夏短, 冬冷夏涼, 夏季多雨且潮濕, 平均氣溫可達(dá)21 ℃左右, 冬季寒冷, 霧雪天氣頻繁, 冬季常年積雪, 平均氣溫20 ℃左右,最低氣溫可達(dá)37 ℃。春季處于風(fēng)季, 氣溫變化幅度較大, 秋季氣溫適中, 較為涼爽, 但晝夜溫差大, 平均氣溫10 ℃左右, 最低氣溫可達(dá)0℃。廣州處于我國(guó)南部, 穿越北回歸線(xiàn), 全年氣溫高, 較為潮濕。冬短夏長(zhǎng), 夏季光照十足、炎熱多雨, 平均氣溫可達(dá)32 ℃左右, 最高可達(dá)41 ℃, 冬季霜短雨多, 較為潮濕, 平均氣溫可達(dá)13 ℃左右, 最低氣溫可達(dá)9 ℃, 全年平均溫差不大。哈爾濱及廣州其全年溫度分布如圖3、4所示。

表1 參數(shù)設(shè)置表

圖1 建筑模型平面圖

圖2 建筑模型立面圖

圖3 廣州全年溫度分布圖

圖4 哈爾濱全年溫度分布圖

將36種模擬參數(shù)組合工況依次代入DeST模型進(jìn)行模擬計(jì)算, 使用DeST模擬軟件對(duì)分別處于哈爾濱及廣州的建筑模型進(jìn)行全年365 d逐時(shí)冷、熱負(fù)荷模擬計(jì)算, 得到每個(gè)對(duì)比組的全年累計(jì)冷、熱負(fù)荷指標(biāo)。以傳熱系數(shù)為 0.2, 換氣次數(shù)為 4.0次/h為例, 得哈爾濱、廣州兩地冷、熱負(fù)荷全年分布情況如圖5、6所示, 以研究傳熱系數(shù)與換氣次數(shù)最佳組合方式, 即圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料最佳組合, 為達(dá)到節(jié)才、節(jié)能的目的提供數(shù)據(jù)分析。

圖5 哈爾濱全年負(fù)荷分布圖

圖6 廣州全年負(fù)荷分布圖

在圖 5、6負(fù)荷分布圖中熱負(fù)荷分布在零軸線(xiàn)以上, 冷負(fù)荷分布在零軸線(xiàn)以下, 由圖可得廣州、哈爾濱模擬結(jié)果數(shù)據(jù)如表2、3所示。

表2 廣州模擬結(jié)果數(shù)據(jù)表

表3 哈爾濱模擬結(jié)果數(shù)據(jù)表

3 模擬結(jié)果分析

本文通過(guò)36種不同換氣次數(shù)與傳熱系數(shù)參數(shù)組合方式, 研究其對(duì)氣候差異較大的兩個(gè)地區(qū)冷、熱負(fù)荷的影響, 從而得出其對(duì)冷、熱負(fù)荷的變化情況。冷負(fù)荷是指供冷設(shè)備為使人們所需的溫度、濕度保持一定數(shù)值所需要供應(yīng)的冷量。熱負(fù)荷是指供熱設(shè)備或燃料燃燒時(shí)為使人們所需的溫度、濕度保持一定數(shù)值所需要釋放的熱量。兩者異曲同工, 計(jì)算方法相似。

3.1 寒冷地區(qū)模擬結(jié)果分析

寒冷地區(qū)晝夜溫差較小, 全天對(duì)熱負(fù)荷需求量較大, 所以每天的換氣次數(shù)與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱性能對(duì)其具有較大影響, 如開(kāi)窗時(shí)間與墻的構(gòu)造組成, 對(duì)寒冷地區(qū)至關(guān)重要。

經(jīng)對(duì)哈爾濱寒冷地區(qū)住宅建筑DeST能耗負(fù)荷模擬分析, 計(jì)算了36種工況, 可得到36種負(fù)荷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到全年累計(jì)冷、熱負(fù)荷分布如圖 7、8所示。通過(guò)觀察圖形可得到, 在冷負(fù)荷分布圖中, 當(dāng)換氣次數(shù)接近2.5次/h時(shí), 冷負(fù)荷出現(xiàn)轉(zhuǎn)折, 變化率上升, 當(dāng)傳熱系數(shù)為0.16, 換氣次數(shù)介于2.0～2.5次/h時(shí), 對(duì)冷負(fù)荷影響最大, 熱負(fù)荷較為平緩, 變化浮動(dòng)較小, 當(dāng)傳熱系數(shù)為0.6, 換氣次數(shù)介于2.0～2.5次/h時(shí), 對(duì)熱負(fù)荷影響最大。

圖7 哈爾濱冷負(fù)荷分布圖

圖8 哈爾濱熱負(fù)荷分布圖

3.2 溫暖地區(qū)模擬結(jié)果分析

溫暖地區(qū)晝夜溫差較大, 白天對(duì)冷負(fù)荷需求量較大, 夜晚相對(duì)較小, 開(kāi)窗時(shí)間與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密性對(duì)其也有一定影響。經(jīng)對(duì)廣州溫暖地區(qū)居住建筑DeST能耗負(fù)荷模擬分析計(jì)算, 得到全年累計(jì)冷、熱負(fù)荷如圖9、圖10所示。

圖9 廣州冷負(fù)荷指標(biāo)分布圖

圖10 廣州熱負(fù)荷指標(biāo)分布圖

由圖9、10可知, 在冷負(fù)荷分布圖中, 當(dāng)換氣次數(shù)接近3.0次/h時(shí), 冷負(fù)荷出現(xiàn)急劇轉(zhuǎn)折, 冷負(fù)荷由下降趨勢(shì)轉(zhuǎn)為上升階段, 當(dāng)傳熱系數(shù)為0.2，換氣次數(shù)介于4.0～4.5次/h時(shí), 對(duì)冷負(fù)荷影響最大, 熱負(fù)荷較為平緩, 當(dāng)傳熱系數(shù)為0.8, 換氣次數(shù)介于3.4～4.0次/h時(shí), 對(duì)熱負(fù)荷影響最大。

4 結(jié)論

換氣次數(shù)與傳熱系數(shù)雙因素分析變量不僅可以體現(xiàn)單個(gè)變量的影響, 又可表達(dá)出其相互作用的結(jié)果, 同時(shí)改變建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)與內(nèi)外通風(fēng)換氣次數(shù), 其節(jié)能效果明顯優(yōu)于僅改變單個(gè)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的情況。由以上分析可得, 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)與換氣次數(shù)對(duì)哈爾濱、廣州住宅建筑的冷、熱負(fù)荷均有不同的影響, 但兩工況相比, 換氣次數(shù)對(duì)哈爾濱(寒冷地區(qū))、廣州(溫暖地區(qū))的冷負(fù)荷影響較大, 對(duì)熱負(fù)荷的影響相差不大, 可見(jiàn)換氣次數(shù)對(duì)于寒冷地區(qū)的影響研究具有較大意義, 通過(guò)這種雙因素組合研究方式, 再結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況, 根據(jù)人們所需要的舒適度、溫度、濕度, 可得出最佳圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)與換氣次數(shù)組合工況, 根據(jù)建筑的整體情況, 節(jié)約維護(hù)結(jié)構(gòu)的材料資源, 即可達(dá)到“四節(jié)一環(huán)?！睂?duì)節(jié)材的要求, 也可達(dá)到節(jié)能的目的, 提高能量利用率。