西藏地区太阳能采暖建筑热工性能优化研究

王 磊，冯 雅，曹友传，余南阳

（1.西南交通大学 机械学院；2.中国建筑西南设计研究院；成都610031；3.西藏军区后勤部基建营房处，拉萨850000）

西藏地区气候寒冷、太阳辐射照度高，并且常规能源匮乏，当地生态环境脆弱。在西藏地区大力推广太阳能采暖系统有非常重要的现实与战略意义。笔者自2006一直从事太阳能采暖系统设计、优化与施工研究。根据现场实践，笔者最大感受是业主愿意投资大量资金建设太阳能主动采暖系统，如安装大面积太阳能集热板，但不愿对提高建筑围护结构热工性能进行投资，这就造成了建筑基准能耗过高，在同样太阳能保证率情况下（例如65%保证率），主动式系统投资过大，系统运行能耗过高。本文以某一典型的实际工程为例，利用建筑动态能耗模拟软件（EnergyPlus与TRNSYS）对建筑围护结构热工性能对主动式太阳能采暖系统及系统能耗的影响进行定量分析，从全寿命周期出发确定最优建筑热工保温与主动式采暖系统配置。该新建建筑为西藏地区典型四层条式住宅建筑，建筑总面积为1 840m2，其中采暖面积为1 230m2，非采暖面积为610m2。建筑外墙面积1 150m2，外窗面积422m2，屋顶面积457m2，体型系数为0.37。对该典型建筑进行研究，其结果具有一定的普遍参考意义。

1 建筑基本情况

新建建筑为4层条式住宅建筑，总面积为1 840m2，各层房间布局与结构完全一样。建筑为砖混结构，外墙为240mm厚实心砼砖块，内墙为200mm厚实心砼砖块；屋顶为200mm厚现浇钢筋混凝土，20mm厚水泥保护层，60mm厚炉渣找坡，4mm厚SBS防水卷材，20mm厚水泥砂浆；地面贴砖，卫生间吊顶铝合金；外窗为塑钢单层玻璃；外饰面为弹性涂料。图1给出了标准层平面图。

图1 标准层平面图

2 计算模型及参数

目前建筑动态能耗模拟软件可以分两大类［3］：

1）建筑能耗模拟软件—此类软件主要用于建筑和系统的动态模拟分析，以EnergyPlus、DOE－2、DesT和ESP－r等为代表。这类软件的主要模拟目标是建筑和系统的长周期的动态热特性（往往以小时为时间步长），采用的是完备的房间模型和较简单的系统模型及简化的或理想化的控制模型，适于模拟分析建筑物围护结构的动态热特性及模拟建筑物的全年运行能耗。

2）空调采暖系统仿真软件—此类软件主要用于空调系统部件的控制过程的仿真，以TRNSYS、SPARK和HVACSIM＋等为代表。这类软件的主要模拟目标是各种模块搭成的系统的动态特性及其在各种控制方式下的响应。它们采用的是简单的房间模型和复杂的系统模型，可以根据需要由使用者灵活地组合系统形式和控制方法，适用于系统的高频（如以几s为时间步长）动态特性及过程的仿真分析。

为了研究建筑围护结构动态热特性对主动式太阳能采暖系统的配置优化的影响，需同时采用上述两类软件，对建筑能耗与主动式太阳能采暖系统进行模拟计算。因此分别采用了EnergyPlus与TRNSYS对建筑能耗与主动式太阳能采暖系统进行模拟计算，其计算模型示意图见图2与图3所示。EnergyPlus模型计算所得出的建筑动态负荷，输入TRNSYS动态模型中进行主动式太阳能采暖系统模拟计算。

图2 建筑能耗计算模型

2.1 热工模型输入条件与假设

1）围护结构（外墙、屋顶、内墙、外窗）热工性能参数见表1～表3所示。

2）建筑换气次数选取1次／h

3）假设内热源为0W／m2。

4）房间采暖温度取18℃

5）太阳能集热器选取平板式太阳能集热器，其集热效率选取 ASHRAE Handbook［5］的典型平板式集热器效率曲线 ，并选取0.8修正系数，以考虑现场因素对集热效率影响。

6）室外气象数据选用拉萨市典型气象年［4］

表1 现有基准建筑围护结构热工模型

图3 主动式太阳能采暖系统模型

表2 建筑物屋顶结构热工参数表

表3 建筑物内墙结构热工参数表

表4 建筑物外窗结构热工参数表

2.2 经济模型输入条件与假设

1）外窗由单玻改为双玻，初投资增加200元／m2。

2）屋顶保温采用XPS保温，外墙采用EPS外墙外保温，初投资增加与保温厚度关系如图4所示。

3）采暖散热器（铜铝复合）取700元／kW。

4）电锅炉造价取180元／kW。

5）太阳能集热板造价取600元／m2。

6）蓄热水箱造价取2 300元／m3。

7）能源单价0.65元／kWh。

图4 屋顶与外墙保温成本与厚度关系图

3 计算结果分析

3.1 基准建筑计算结果分析

本文首先对基准建筑的设计负荷、全年动态能耗进行计算，并分析了在基准建筑热工性能条件下，太阳能集热板面积对系统的太阳能保证率与能耗的影响。其计算结果分别见表5与图5。

表5 基准建筑采暖负荷与能耗结果

图5 太阳能保证率、能耗与集热板面积关系图

当太阳能主动式采暖系统选取保证率为65%时，对应的太阳能集热板面积为420m2，即每平米太阳能板可以服务3.46m2采暖面积。集热水箱的体积与系统保证率的关系如图6所示。

图6 太阳能保证率与蓄热水箱关系图

从图6中可以看出，最优蓄热水箱体积为42m3即每平米集热板对应于100L蓄热水。采用主动式太阳能采暖系统后，建筑全年的能耗为59 547 kWh，即41kWh／m2。

3.2 不同保温措施热工性能分析

3.2.1 外窗采用中空玻璃（6＋6＋6） 当外窗由单玻窗，改为双玻窗（6＋6＋6），建筑的采暖负荷可降低6%，在满足同样太阳能保证率（65%）条件下，太阳能集热板面积可减少4.4%，全年能耗减少4.3%。

3.2.2 增加屋顶保温 屋顶保温层厚度对建筑采暖负荷、集热板面积、全年能耗的敏感性分析见图7所示。

图7 屋顶保温层XPS厚度敏感性分析

从图7中可以看出，当屋顶保温层厚度大于60mm时，建筑采暖负荷、集热板面积以及全年能耗的进一步减小的相对变化率低于1%。此时，建筑采暖负荷降低约12%，集热板面积降低约16%，全年能耗降低约17%。

3.2.3 增加外墙保温 外墙保温层厚度对建筑采暖负荷、集热板面积、全年能耗的敏感性分析见图8所示。

图8 外墙EPS保温厚度敏感性分析

从图8中可以看出，当外墙保温厚度大于50mm时，建筑设计负荷、太阳能集热板、全年能耗进一步减少的相对变化率小于2%。此时建筑采暖负荷率降低了约23.1%，太阳能集热板面积减少约27.7%，全年能耗减少约30.3%。

3.3 不同保温措施经济性分析

在上述敏感性分析的基础上，本节分析建筑热工保温对太阳能采暖系统的初投资、运行费用及全寿命周期费用的影响，以确定最优的建筑热工保温范围。经济计算中，假设建筑保温层与主动太阳能采暖设备系统的寿命为25a，不考虑能源价格升高与货币贬值率。

初投资同时考虑，建筑保温提高所造成的投资增加，以及当建筑保温性能提高后，采暖末端、辅助热源、集热板面积、蓄热水箱体积等减少所带来的设备初投资降低。

外窗改为双层玻璃，屋顶保温、外墙保温对建筑与太阳能采暖系统总投资节省、运行费用节省及全寿命周期费用节省的计算结果见表6，与图9，图10，所示。

表6 外窗计算结果

从表6中可以看出，当外窗由单玻窗改为双玻窗时，总初投资增加约19 600元（10.7元／m2），总运行费用节省41 625元（22.6元／m2），全寿命周期费用 可以节约21 980元（11.9元／m2）。

图9 屋顶保温经济性分析

由图9可以看出，当屋顶保温厚度为60mm时，建筑初投资的节省值最高，约为46 657元（25.4元／m2）。当屋顶保温层厚度为100mm，全寿命周期节省值最高，约为219 025元（119元／m2），因此对于太阳能采暖建筑屋顶保温层的最优厚度为60～100mm，对应的传热系数为0.42～0.27W／m2·K。

图10 外墙保温经济性分析

图10 中可以看出，当外墙保温厚度为50mm时，初投资费用节省值最高，约为35 793元（19.5元／m2）。当外墙保温层厚度为70mm，全寿命周期费用节省值最高，约为344 183元（187.1元／m2），因此对于太阳能采暖建筑屋顶保温层的最优厚度为50～70mm，对应的传热系数为0.60～0.46W／m2·K。

4 结 论

利用数值模拟方法对太阳能采暖建筑的热工性能对主动式太阳能采暖系统设计参数与能耗的影响进行分析。并从初投资与全寿命周期两个方面，确定最佳的太阳能建筑热工性能保温要求，得出了以下结论：

1）当外窗改为中空玻璃时，建筑的采暖负荷降低6%，太阳能集热板面积可减少4.4%，全年能耗减少4.3%。每平米建筑面积对应初投资增加约10.7元／m2，全寿命周期节省11.9元／m2。

2）当屋顶XPS保温层厚度大于60mm后，建筑采暖负荷、集热板面积以及全年能耗的相对减小率低于1%。初投资费用最低的屋顶XPS保温层厚度为60mm，对应传热系数0.42W／m2·K，全寿命周期费用最低的屋顶XPS保温层厚度为100mm，对应的传热系数为0.27W／m2·K。

3）当外墙EPS保温厚度大于50mm时，建筑设计负荷、太阳能集热板、全年能耗的相对减少率低于2%。初投资费用最低的外墙EPS保温层厚度为50mm，对应的传热系数为0.60W／m2·K；全寿命周期费用最低的外墙EPS保温层厚度为70mm，对应的传热系数为0.46W／m2·K。

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